複素数 ふくそすう 平面 へいめん において中心 ちゅうしん 0、半径 はんけい 1 の円周 えんしゅう は複素数 ふくそすう の積 せき に関 かん してリー群 ぐん である。
リー群 ぐん (リーぐん、英語 えいご : Lie group )は、群 ぐん 構造 こうぞう を持 も つ可 か 微分 びぶん 多様 たよう 体 たい で、その群 ぐん 構造 こうぞう と可 か 微分 びぶん 構造 こうぞう とが両立 りょうりつ するもののことである。ソフス・リー の無限 むげん 小 しょう 変換 へんかん と連続 れんぞく 群 ぐん の研究 けんきゅう に端 はし を発 はっ するためこの名 な がある。
G を台 たい 集合 しゅうごう とする実 じつ リー群 ぐん とは、G には実数 じっすう 体 からだ 上 じょう 有限 ゆうげん 次元 じげん かつ可 か 微分 びぶん [注釈 ちゅうしゃく 1] な実 じつ 多様 たよう 体 たい の構造 こうぞう が定 さだ められていて、G はまた群 ぐん の構造 こうぞう を持 も ち、さらにその群 ぐん の演算 えんざん である乗法 じょうほう および逆 ぎゃく 元 もと を取 と る操作 そうさ が多様 たよう 体 たい としての G 上 うえ の写像 しゃぞう として可 か 微分 びぶん であるもののことである[注釈 ちゅうしゃく 2] 。このような構造 こうぞう が入 はい っているという前提 ぜんてい の下 もと で、通常 つうじょう は「G はリー群 ぐん である」というように台 だい を表 あらわ す記号 きごう を使 つか ってリー群 ぐん を表 あらわ す。また、実数 じっすう (実 じつ 多様 たよう 体 たい )を複素数 ふくそすう (複素 ふくそ 多様 たよう 体 たい )にとりかえて複素 ふくそ リー群 ぐん の概念 がいねん が定 さだ まる。
圏 けん 論 ろん の言葉 ことば を使 つか うとリー群 ぐん の定義 ていぎ が簡潔 かんけつ になる:リー群 ぐん とは可 か 微分 びぶん 多様 たよう 体 たい の圏 けん の群 ぐん 対象 たいしょう のことである。この圏 けん 論 ろん に基 もと づく定義 ていぎ は重要 じゅうよう である。なぜなら、この定義 ていぎ 表現 ひょうげん を介 かい して、リー群 ぐん の概念 がいねん をSupergroup_(physics) へと一般 いっぱん 化 か することが可能 かのう になるからである。圏 けん 論 ろん の視点 してん を用 もち いることで、リー群 ぐん に対 たい して別 べつ のタイプの一般 いっぱん 化 か を考 かんが えることができる。リー亜 あ 群 ぐん (Lie groupoids )のことである。これは、条件 じょうけん を付加 ふか した可 か 微分 びぶん 多様 たよう 体 たい の圏 けん の亜 あ 群 ぐん 対象 たいしょう のことである。
複素数 ふくそすう 体 からだ C 上 うえ の二 に 次 じ 特殊 とくしゅ 線型 せんけい 群 ぐん SL (2, C ) などは複素 ふくそ リー群 ぐん の例 れい である。また、直交 ちょっこう 群 ぐん や斜 はす 交群は、成分 せいぶん の属 ぞく する体 からだ の直積 ちょくせき 位相 いそう からの相対 そうたい 位相 いそう に関 かん して多様 たよう 体 たい とみるとリー群 ぐん である。このような行列 ぎょうれつ からなるリー群 ぐん は総 そう じて(代数 だいすう 的 てき )行列 ぎょうれつ 群 ぐん あるいは線型 せんけい 代数 だいすう 群 ぐん と呼 よ ばれる一類 いちるい に属 ぞく する[注釈 ちゅうしゃく 3] 。
一般 いっぱん 化 か として、台 たい となる多様 たよう 体 たい が無限 むげん 次元 じげん であることを許 ゆる すことにより無限 むげん 次元 じげん リー群 ぐん が同様 どうよう の方法 ほうほう で定義 ていぎ される。また、類似 るいじ 物 ぶつ として係数 けいすう の属 ぞく する体 からだ を p -進数 しんすう 体 たい にとりかえて p -進 すすむ リー群 ぐん が定義 ていぎ される。あるいは係数 けいすう 体 たい を有限 ゆうげん 体 たい に取 と り替 か えれば、リー群 ぐん の有限 ゆうげん な類似 るいじ 物 ぶつ としてリー型 がた の群 ぐん が豊富 ほうふ に得 え られるが、これらは有限 ゆうげん 単純 たんじゅん 群 ぐん の多 おお くの部分 ぶぶん を占 し めるものである。また、可 か 微分 びぶん 多様 たよう 体 たい を用 もち いる代 か わりに解析 かいせき 多様 たよう 体 たい や位相 いそう 多様 たよう 体 たい を台 だい にすることもできるが、それによって新 あら たなものが得 え られるというわけではない。事実 じじつ 、アンドリュー・グリーソン 、ディーン・モントゴメリ 、レオ・ジッピン らは1950年代 ねんだい に次 つぎ のことを証明 しょうめい している。すなわち、G が位相 いそう 多様 たよう 体 たい であって、連続 れんぞく な群 ぐん 演算 えんざん をもつ群 ぐん でもあるならば、G 上 うえ の解析 かいせき 的 てき 構造 こうぞう が唯 ただ 一 ひと つ存在 そんざい して、G をリー群 ぐん にすることができる(ヒルベルトの第 だい 5問題 もんだい あるいはヒルベルト-スミス予想 よそう )。
いくつかの例 れい と、それらに関連 かんれん する数学 すうがく や物理 ぶつり 学 がく の分野 ぶんや について触 ふ れる。
ユークリッド空間 くうかん R n は、ベクトルの加法 かほう を群 ぐん 演算 えんざん と見 み て可 か 換 かわ リー群 ぐん である。
可逆 かぎゃく な n 次 つぎ 正方 まさかた 行列 ぎょうれつ 全体 ぜんたい GL n (R ) は行列 ぎょうれつ の積 せき によって群 ぐん をなす(一般 いっぱん 線型 せんけい 群 ぐん と呼 よ ばれる)が、これを n 2 次元 じげん のユークリッド空間 くうかん の部分 ぶぶん 多様 たよう 体 たい とみるとリー群 ぐん である。この一般 いっぱん 線型 せんけい 群 ぐん は、行列 ぎょうれつ 式 しき の値 ね が 1 となる行列 ぎょうれつ 全体 ぜんたい のなす群 ぐん (特殊 とくしゅ 線型 せんけい 群 ぐん と呼 よ ばれる)を部分 ぶぶん 群 ぐん として含 ふく むが、これもやはりリー群 ぐん の例 れい となる。
n 次元 じげん ベクトル空間 くうかん における回転 かいてん と鏡 かがみ 映 うつ が生成 せいせい する変換 へんかん 群 ぐん O n (R ) は直交 ちょっこう 群 ぐん と呼 よ ばれるリー群 ぐん である。(回転 かいてん だけから生成 せいせい される直交 ちょっこう 群 ぐん の部分 ぶぶん 群 ぐん SOn(R)は特殊 とくしゅ 直交 ちょっこう 群 ぐん と呼 よ ばれるリー群 ぐん である。)
スピノル群 ぐん は特殊 とくしゅ 直交 ちょっこう 群 ぐん の二 に 重 じゅう 被覆 ひふく であり、場 ば の量子 りょうし 論 ろん におけるフェルミ粒子 りゅうし の研究 けんきゅう に用 もち いられる。
斜 はす 交群 Sp 2n (R ) は、シンプレクティック形式 けいしき を保 たも つ行列 ぎょうれつ 全体 ぜんたい のなすリー群 ぐん である。
0 次元 じげん 球面 きゅうめん S 0 , 1 次元 じげん 球面 きゅうめん S 1 および 3 次元 じげん 球面 きゅうめん S 3 は、これらをそれぞれ絶対 ぜったい 値 ち が 1 の実数 じっすう 全体 ぜんたい 、複素数 ふくそすう 全体 ぜんたい 、四 よん 元 げん 数 すう 全体 ぜんたい と同一 どういつ 視 し することでリー群 ぐん にすることができる。他 た の次元 じげん の球面 きゅうめん ではこのようなことはできないし、リー群 ぐん にはならない。リー群 ぐん としての S 1 はしばしば円周 えんしゅう 群 ぐん と呼 よ ばれる。いくつかの円周 えんしゅう 群 ぐん 同士 どうし の直積 ちょくせき リー群 ぐん はトーラス群 ぐん と呼 よ ばれる。
n 次 つぎ の上 うえ 三角 さんかく 行列 ぎょうれつ の全体 ぜんたい からなる群 ぐん B は n (n + 1)/2 次元 じげん の可 か 解 かい リー群 ぐん である。しばしば標準 ひょうじゅん ボレル部分 ぶぶん 群 ぐん と呼 よ ばれる。
ローレンツ群 ぐん およびポワンカレ群 ぐん は特殊 とくしゅ 相対性理論 そうたいせいりろん において時空 じくう の等 とう 長 ちょう 性 せい を記述 きじゅつ するリー群 ぐん で、それぞれ 6 および 10 次元 じげん である。
ハイゼンベルク群 ぐん は 3 次元 じげん リー群 ぐん で量子力学 りょうしりきがく に登場 とうじょう する。
n 次 つぎ ユニタリ群 ぐん U (n ) はユニタリ行列 ぎょうれつ 全体 ぜんたい のなす n 2 次元 じげん のコンパクトリー群 ぐん である。行列 ぎょうれつ 式 しき の値 ね が 1 のユニタリ行列 ぎょうれつ 全体 ぜんたい のなすリー群 ぐん SU (n ) を部分 ぶぶん 群 ぐん として含 ふく む。
直積 ちょくせき リー群 ぐん U (1) × SU (2) × SU (3) は 1 + 3 + 8 = 12 次元 じげん のリー群 ぐん である。これは標準 ひょうじゅん 模型 もけい のゲージ群 ぐん で、それぞれの次元 じげん は 1 が光子 こうし 、3 がベクトルボソン 、8 がグルーオン に対応 たいおう している。
メタプレクティック群 ぐん Mp は 3 次元 じげん のリー群 ぐん である。SL 2 (R ) の二 に 重 じゅう 被覆 ひふく 群 ぐん で、モジュラー形式 けいしき の理論 りろん に用 もち いられる。これを有限 ゆうげん 行列 ぎょうれつ 表現 ひょうげん することはできない。
G 2 , F 4 , E 6 , E 7 , E 8 型 かた の例外 れいがい 型 がた リー群 ぐん はそれぞれ 14, 52, 78, 133, 248 次元 じげん である。 次元 じげん 190 のリー群 ぐん E7½ もある。
リー群 ぐん から新 あら たなリー群 ぐん を作 つく り出 だ す標準 ひょうじゅん 的 てき な方法 ほうほう がいくつか挙 あ げられる。たとえば、
二 ふた つのリー群 ぐん から直積 ちょくせき 群 ぐん をつくると、これは直積 ちょくせき 位相 いそう に関 かん してリー群 ぐん になる(直積 ちょくせき リー群 ぐん )。
リー群 ぐん の閉部分 ぶぶん 群 ぐん をとると、これは相対 そうたい 位相 いそう でリー群 ぐん をなす(リー部分 ぶぶん 群 ぐん )。
リー群 ぐん をその正規 せいき 閉部分 ぶぶん 群 ぐん で割 わ った商 しょう はリー群 ぐん である(商 しょう リー群 ぐん )。
連結 れんけつ リー群 ぐん の普遍 ふへん 被覆 ひふく もまたリー群 ぐん である(普遍 ふへん 被覆 ひふく リー群 ぐん )。例 れい として、円周 えんしゅう 群 ぐん S 1 の普遍 ふへん 被覆 ひふく は加法 かほう に関 かん するリー群 ぐん R である。
リー群 ぐん でないものの例 れい を挙 あ げる:
無限 むげん 次元 じげん 実 じつ ベクトル空間 くうかん を加法 かほう 群 ぐん と見 み たもののような無限 むげん 次元 じげん 群 ぐん 。これは有限 ゆうげん 次元 じげん の多様 たよう 体 たい ではないのでリー群 ぐん ではない(無限 むげん 次元 じげん リー群 ぐん ではある)。
ある種 しゅ の完全 かんぜん 不 ふ 連結 れんけつ 群 ぐん 、たとえば体 からだ の無限 むげん 次 じ 拡大 かくだい のガロア群 ぐん や、p -進数 しんすう 全体 ぜんたい のなす加法 かほう 群 ぐん などがそうである。これらがリー群 ぐん でないのは実 じつ 多様 たよう 体 たい を台 だい としないからである(後者 こうしゃ は p -進 すすむ リー群 ぐん に属 ぞく する)。
連結 れんけつ リー群 ぐん のリー群 ぐん 準 じゅん 同型 どうけい 像 ぞう は必 かなら ずしもリー群 ぐん にはならない。典型 てんけい 的 てき な例 れい として、可 か 換 かわ リー群 ぐん R を直積 ちょくせき リー群 ぐん S 1 × S 1 へ、写像 しゃぞう x ↦ (x , √ 2 x ) によって写 うつ すことを考 かんが える。この像 ぞう は S 1 × S 1 の稠密 ちゅうみつ な部分 ぶぶん 群 ぐん で、したがってこれは多様 たよう 体 たい にならないし、特 とく にリー群 ぐん にはならない。これはまた、リー環 たまき の部分 ぶぶん リー環 たまき がリー群 ぐん の部分 ぶぶん リー群 ぐん に対応 たいおう しないことの例 れい ともなっている。
有理数 ゆうりすう 体 たい の加法 かほう 群 ぐん に実数 じっすう 体 たい における位相 いそう の相対 そうたい 位相 いそう を入 い れたものも、多様 たよう 体 たい にならないのでやはりリー群 ぐん ではない。
リー群 ぐん の分類 ぶんるい 法 ほう の一 ひと つは、その代数 だいすう 的 てき な性質 せいしつ によるものである。例 たと えば、単純 たんじゅん リー群 ぐん 、半 はん 単純 たんじゅん リー群 ぐん 、可 か 解 かい リー群 ぐん 、冪 べき 零 れい リー群 ぐん 、可 か 換 かわ リー群 ぐん は、その群 ぐん としての単純 たんじゅん 性 せい 、半 はん 単純 たんじゅん 性 せい 、可 か 解 かい 性 せい 、冪 べき 零 れい 性 せい 、可 か 換 かわ 性 せい に従 したが った分類 ぶんるい である。また、リー群 ぐん の多様 たよう 体 たい としての性質 せいしつ による分類 ぶんるい もある。連結 れんけつ 性 せい やコンパクト性 せい に着目 ちゃくもく して、連結 れんけつ リー群 ぐん 、単 たん 連結 れんけつ リー群 ぐん 、あるいはコンパクトリー群 ぐん などを考 かんが えることができる。
リー群 ぐん の単位 たんい 元 もと を含 ふく む連結 れんけつ 成分 せいぶん (単位 たんい 成分 せいぶん )は正規 せいき 閉部分 ぶぶん 群 ぐん で、それによる商 しょう は離散 りさん 群 ぐん である。
リー群 ぐん の普遍 ふへん 被覆 ひふく 群 ぐん は単 たん 連結 れんけつ リー群 ぐん である。逆 ぎゃく に、連結 れんけつ リー群 ぐん はかならず、単 たん 連結 れんけつ リー群 ぐん の(その中心 ちゅうしん に含 ふく まれる正規 せいき 離散 りさん 部分 ぶぶん 群 ぐん による)商 しょう として得 え られる。
コンパクトリー群 ぐん の分類 ぶんるい は終 お わっており、それは単純 たんじゅん コンパクトリー群 ぐん とトーラス群 ぐん の直積 ちょくせき リー群 ぐん の有限 ゆうげん 中心 ちゅうしん 拡大 かくだい であるか、さもなくば連結 れんけつ なディンキン図形 ずけい に対応 たいおう する単純 たんじゅん コンパクトリー群 ぐん であることが知 し られている。
単 たん 連結 れんけつ 可 か 解 かい リー群 ぐん は、ある階数 かいすう の可逆 かぎゃく 上 うえ 三角 さんかく 行列 ぎょうれつ 全体 ぜんたい のなす群 ぐん の閉部分 ぶぶん 群 ぐん に同型 どうけい であり、そのような群 ぐん の有限 ゆうげん 次元 じげん 既 すんで 約 やく 表現 ひょうげん は 1 次元 じげん 表現 ひょうげん (既 すんで 約 やく 指標 しひょう )である。可 か 解 かい リー群 ぐん の分類 ぶんるい は、ごくちいさい次元 じげん での場合 ばあい を除 のぞ けば、非常 ひじょう に厄介 やっかい なものである。
単 たん 連結 れんけつ 冪 べき 零 れい リー群 ぐん は、ある階数 かいすう の対 たい 角 かく 成分 せいぶん がすべて 1 の可 か 逆上 ぎゃくじょう 三角 さんかく 行列 ぎょうれつ のなす群 ぐん の閉部分 ぶぶん 群 ぐん に同型 どうけい である。よってその有限 ゆうげん 次元 じげん 既 すんで 約 やく 表現 ひょうげん は全 すべ て 1 次元 じげん である。冪 べき 零 れい リー群 ぐん の分類 ぶんるい もやはりごく小 ちい さい次元 じげん での場合 ばあい を除 のぞ いて非常 ひじょう に困難 こんなん である。
単純 たんじゅん リー群 ぐん という概念 がいねん は、単 たん に抽象 ちゅうしょう 群 ぐん として単純 たんじゅん であることを以ってその定義 ていぎ とする場合 ばあい もあれば、単純 たんじゅん リー環 たまき に対応 たいおう する連結 れんけつ リー群 ぐん として定義 ていぎ する場合 ばあい もある。SL 2 (R ) は第 だい 二 に の定義 ていぎ であれば単純 たんじゅん であるが、第 だい 一 いち の定義 ていぎ では単純 たんじゅん でない。いずれの定義 ていぎ に従 したが った場合 ばあい も、単純 たんじゅん リー群 ぐん すべての分類 ぶんるい は完全 かんぜん に解決 かいけつ 済 ず みである。
半 はん 単純 たんじゅん リー群 ぐん は、その付随 ふずい するリー環 たまき が半 はん 単純 たんじゅん (単純 たんじゅん リー環 たまき の直積 ちょくせき )となる連結 れんけつ 群 ぐん のことである。これは単純 たんじゅん リー群 ぐん の直積 ちょくせき の中心 ちゅうしん 拡大 かくだい として得 え られる。
連結 れんけつ 可 か 換 かわ リー群 ぐん はすべて、ユークリッド空間 くうかん を加法 かほう に関 かん する群 ぐん と見 み たものとトーラス群 ぐん との直積 ちょくせき に同型 どうけい である。
リー群 ぐん は標準 ひょうじゅん 的 てき に、離散 りさん リー群 ぐん 、単純 たんじゅん リー群 ぐん 、可 か 換 かわ リー群 ぐん に以下 いか のように分解 ぶんかい される: ここでリー群 ぐん G に対 たい して
G 0 を G の単位 たんい 元 もと を含 ふく む連結 れんけつ 成分 せいぶん 、
G sol を G の最大 さいだい の連結 れんけつ 可 か 解 かい 正規 せいき 部分 ぶぶん 群 ぐん 、
G nil を G の最大 さいだい の連結 れんけつ 正規 せいき 冪 べき 零 れい 部分 ぶぶん 群 ぐん 、
とすると、次 つぎ の正規 せいき 列 れつ がえられる:
1 ⊂ G nil ⊂ G sol ⊂ G 0 ⊂ G
そしてこのとき、
G /G 0 は離散 りさん 的 てき 、
G 0 /G sol は連結 れんけつ 単純 たんじゅん リー群 ぐん の積 せき の中心 ちゅうしん 拡大 かくだい 、
G sol /G nil 可 か 換 かわ リー群 ぐん (これはユークリッド空間 くうかん とトーラスの積 せき として書 か ける)、
G nil /1 は冪 べき 零 れい 、したがって特 とく にその昇 のぼり 中心 ちゅうしん 列 れつ の組成 そせい 因子 いんし は可 か 換 かわ 群 ぐん 。
これにより、リー群 ぐん に対 たい する問題 もんだい の一部 いちぶ (たとえばリー群 ぐん のユニタリ表現 ひょうげん を求 もと める問題 もんだい など)は連結 れんけつ 単純 たんじゅん リー群 ぐん の同種 どうしゅ の問題 もんだい に帰着 きちゃく して考 かんが えることができる。
リー群 ぐん に対 たい して、その単位 たんい 元 もと における接 せっ 空間 くうかん (を台 だい となるベクトル空間 くうかん としてそれに積 せき を定義 ていぎ したもの)としてリー環 たまき を対応付 たいおうづ けることができる。このリー環 たまき は、もとのリー群 ぐん の局所 きょくしょ 的 てき な構造 こうぞう を完全 かんぜん に反映 はんえい しており、リー群 ぐん に付随 ふずい するリー環 たまき と呼 よ ばれる。このリー環 たまき の元 もと は、略式 りゃくしき 的 てき には(ユークリッド空間 くうかん 内 ない にある曲面 きょくめん の古典 こてん 的 てき な接 せっ 平面 へいめん に対 たい するイメージをそのまま反映 はんえい して)リー群 ぐん の単位 たんい 元 もと に無限 むげん に近 ちか いところにある元 もと であると見 み ることができるし、リー環 たまき の括弧 かっこ 積 せき はそのような無限 むげん 小 しょう の交換 こうかん 子 こ が定 さだ めるものと考 かんが えることができる。厳密 げんみつ な定義 ていぎ に先立 さきだ って例 れい を挙 あ げる:
可 か 換 かわ リー群 ぐん R n のリー環 たまき はちょうど R n に括弧 かっこ 積 せき を、任意 にんい の A , B に対 たい して
[A , B ] = 0.
とおくことによって与 あた えたものである。一般 いっぱん に、付随 ふずい するリー環 たまき の括弧 かっこ 積 せき が恒等 こうとう 的 てき に 0 となることは対応 たいおう するリー群 ぐん が可 か 換 かわ 群 ぐん であることに同値 どうち である。
一般 いっぱん 線型 せんけい 群 ぐん GL n (R ) のリー環 たまき は全 ぜん 行列 ぎょうれつ 環 たまき M n (R ) に
[A , B ] = AB − BA
なる括弧 かっこ 積 せき を入 い れたものである。
G が GL n (R ) の閉部分 ぶぶん 群 ぐん なら、G のリー環 たまき は略式 りゃくしき 的 てき に M n (R ) に属 ぞく する行列 ぎょうれつ m であって 1 + ε いぷしろん m が G に属 ぞく すようなもの全体 ぜんたい からなるものと見 み ることができる。ここで ε いぷしろん は正 せい の無限 むげん 小 しょう で、ε いぷしろん 2 = 0 となるもの(もちろん実数 じっすう ではない)である。例 たと えば直交 ちょっこう 群 ぐん O n (R ) (AA T = 1 となる行列 ぎょうれつ A の全体 ぜんたい )に付随 ふずい するリー環 たまき は
(1 + ε いぷしろん m )(1 + ε いぷしろん m )T = 1
あるいは ε いぷしろん 2 = 0 と考 かんが えると同 おな じことだが
m + m T = 0
となる行列 ぎょうれつ m の全体 ぜんたい からなる。
上 うえ で与 あた えた即 そく 物的 ぶってき な定義 ていぎ は安直 あんちょく で使 つか い易 やす いものであるが、いくつか問題 もんだい がある。たとえば、この定義 ていぎ を考 かんが える前 まえ にリー群 ぐん を行列 ぎょうれつ 群 ぐん として表現 ひょうげん できている必要 ひつよう があるが、任意 にんい のリー群 ぐん を考 かんが えるときにはそんなことはできないし、また表現 ひょうげん の仕方 しかた によらず対応 たいおう するリー環 たまき が定 さだ まるかどうかということはまったく明 あき らかなことではない。これらの問題 もんだい はリー群 ぐん に付随 ふずい するリー環 たまき の一般 いっぱん 的 てき な定義 ていぎ を与 あた えることで回避 かいひ される。定義 ていぎ 以下 いか のような考察 こうさつ に従 したが って与 あた えられる:
可 か 微分 びぶん 多様 たよう 体 たい M 上 うえ のベクトル場 じょう は、M 上 うえ の滑 なめ らかな関数 かんすう のなす環 たまき の微分 びぶん X と考 かんが えることができる。 また、二 ふた つの微分 びぶん X , Y に対 たい して、そのリー括弧 かっこ 積 せき [X , Y ] = XY − YX は再 ふたた び微分 びぶん となるので、この括弧 かっこ 積 せき のもとでベクトル場 じょう の全体 ぜんたい をリー環 たまき にすることができる。
G が可 か 微分 びぶん 多様 たよう 体 たい M に滑 なめ らかに作用 さよう するリー群 ぐん とすると、G の作用 さよう を関数 かんすう 環 たまき へ移行 いこう し、さらに微分 びぶん に移行 いこう することで G はベクトル場 じょう に対 たい して作用 さよう させることができる。この G の作用 さよう によって不変 ふへん なベクトル場 じょう 全体 ぜんたい のなすベクトル空間 くうかん は、リー括弧 かっこ 積 せき に関 かん して閉 と じているのでリー環 たまき となる。
この構成 こうせい 法 ほう をリー群 ぐん G に、その台 だい の多様 たよう 体 たい 構造 こうぞう に着目 ちゃくもく して適用 てきよう する。つまり、G は G = M に左 ひだり からの積 せき で作用 さよう していると見 み なすと、G 上 うえ の左 ひだり 不変 ふへん ベクトル場 じょう の全体 ぜんたい はベクトル場 じょう のリー括弧 かっこ 積 せき のもとでリー環 たまき となる。
リー群 ぐん の単位 たんい 元 もと における接 せっ ベクトルはどれも(それを群 ぐん の左 ひだり 移動 いどう 作用 さよう で各 かく 点 てん に移 うつ し変 か えることにより)左 ひだり 不変 ふへん ベクトル場 じょう に拡張 かくちょう することができる。これにより、単位 たんい 元 もと e における接 せっ 空間 くうかん Te と左 ひだり 不変 ふへん ベクトル場 じょう 全体 ぜんたい の作 つく るベクトル空間 くうかん とを同一 どういつ 視 し して、接 せっ 空間 くうかん をリー環 たまき にすることができる。これをリー群 ぐん G のリー環 たまき (G に付随 ふずい するリー環 たまき 、G に対応 たいおう するリー環 たまき )と呼 よ んで、リー群 ぐん を表 あらわ すのに使 つか っている文字 もじ の対応 たいおう する小文字 こもじ (慣習 かんしゅう 的 てき にドイツ文字 もじ を用 もち いることが多 おお い)を充 あ てて表 あらわ す。例 たと えばリー群 ぐん を G で表 あらわ しているのなら、そのリー環 たまき は g や
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
で表 あらわ す。 また Lie(G ) などとして付随 ふずい するリー環 たまき を表 あらわ すこともある。
リー群 ぐん に付随 ふずい するリー環 たまき は有限 ゆうげん 次元 じげん で、とくに元 もと のリー群 ぐん と同 おな じ次元 じげん を持 も つ。リー群 ぐん G に付随 ふずい するリー環 たまき g は局所 きょくしょ 同型 どうけい の違 ちが いを除 のぞ いて一意 いちい に定 さだ まる。ここで、二 ふた つのリー群 ぐん が「局所 きょくしょ 同型 どうけい 」であるとは、単位 たんい 元 もと の適当 てきとう な近傍 きんぼう を選 えら ぶと、その上 うえ で同型 どうけい 対応 たいおう がとれることをいう。リー群 ぐん に対 たい する問題 もんだい は、対応 たいおう するリー環 たまき に対 たい する問題 もんだい を先 さき に解決 かいけつ し、その結果 けっか を用 もち いることによって(通常 つうじょう は簡単 かんたん に)解決 かいけつ されるということがよくある。例 たと えば、単純 たんじゅん リー群 ぐん の分類 ぶんるい 問題 もんだい は対応 たいおう するリー環 たまき の分類 ぶんるい をまず済 す ませることによって解決 かいけつ される。
左 ひだり 不変 ふへん ベクトル場 じょう を用 もち いる代 か わりに右 みぎ 不変 ふへん ベクトル場 じょう を用 もち いても、単位 たんい 元 もと における接 せっ 空間 くうかん T e にリー環 たまき の構造 こうぞう を入 い れることができるが、この場合 ばあい も左 ひだり 不変 ふへん ベクトル場 じょう を用 もち いたと同 おな じリー環 たまき が定 さだ まる。これは、リー群 ぐん G 上 うえ で逆 ぎゃく 元 もと をとる写像 しゃぞう を考 かんが えると、それを移行 いこう して右 みぎ 不変 ふへん ベクトル場 じょう と左 ひだり 不変 ふへん ベクトル場 じょう が対応付 たいおうづ けられ、特 とく に接 せっ 空間 くうかん T e 上 うえ では −1 を乗 じょう じる操作 そうさ として作用 さよう することから従 したが う。
接 せっ 空間 くうかん T e 上 うえ のリー環 たまき 構造 こうぞう は次 つぎ のように記述 きじゅつ することもできる: 直積 ちょくせき リー群 ぐん G × G 上 うえ の交換 こうかん 子 こ 作用素 さようそ
(x , y ) → xyx −1 y −1
は (e , e ) を e に写 うつ すので、その微分 びぶん は T e 上 うえ の双 そう 線型 せんけい 作用素 さようそ を引 ひ き起 お こす。この双 そう 線型 せんけい 作用素 さようそ は実際 じっさい には零 れい 写像 しゃぞう なのだが、接 せっ 空間 くうかん との厳密 げんみつ な同 どう 一 いち 視 し の元 もと で、二 に 階 かい 微分 びぶん はリー括弧 かっこ 積 せき の公理 こうり を満 み たす作用素 さようそ を引 ひ き起 お こし、それは左 ひだり 不変 ふへん ベクトル場 じょう を用 もち いて定義 ていぎ される場合 ばあい のちょうど二 に 倍 ばい に等 ひと しい。
G , H をリー群 ぐん (実 み なら双方 そうほう とも実 み 、複素 ふくそ なら双方 そうほう とも複素 ふくそ )とする。写像 しゃぞう f : G → H がリー群 ぐん の準 じゅん 同型 どうけい であるとは、f は抽象 ちゅうしょう 群 ぐん としての群 ぐん 準 じゅん 同型 どうけい であって、かつ f が解析 かいせき 的 てき であるときにいう。ただし、f が「解析 かいせき 的 てき 」であるという条件 じょうけん を「連続 れんぞく 」であるという条件 じょうけん に弱 よわ めても定義 ていぎ としては同値 どうち になることが示 しめ せる。文脈 ぶんみゃく 上 じょう リー群 ぐん の準 じゅん 同型 どうけい であると明 あき らかなときは単 たん に準 じゅん 同型 どうけい とよぶ。リー群 ぐん 準 じゅん 同型 どうけい の合成 ごうせい はまたリー群 ぐん 準 じゅん 同型 どうけい である。全 すべ ての実 じつ リー群 ぐん のなす類 るい 、あるいは全 すべ ての複素 ふくそ リー群 ぐん のなす類 るい に、それぞれの意味 いみ でのリー群 ぐん 準 じゅん 同型 どうけい を射 う と見 み なしてリー群 ぐん の圏 けん ができる。二 ふた つのリー群 ぐん が同型 どうけい であるとは、その間 あいだ に全 ぜん 単 たん 射 しゃ なリー群 ぐん 準 じゅん 同型 どうけい で、その逆 ぎゃく 写像 しゃぞう もまたリー群 ぐん 準 じゅん 同型 どうけい になるようなものが存在 そんざい することをいう。同型 どうけい なリー群 ぐん 同士 どうし を区別 くべつ する必要 ひつよう は実用 じつよう 上 じょう はなく、それらは単 たん に元 もと の表 あらわ し方 かた が異 こと なるだけだと考 かんが えられる。
リー群 ぐん の準 じゅん 同型 どうけい f : G → H は付随 ふずい するリー環 たまき たちの間 あいだ の準 じゅん 同型 どうけい
L
i
e
(
f
)
:
L
i
e
(
G
)
→
L
i
e
(
H
)
{\displaystyle \mathrm {Lie} (f)\colon \mathrm {Lie} (G)\to \mathrm {Lie} (H)}
を引 ひ き起 お こす。したがって、リー群 ぐん をそれに付随 ふずい するリー環 たまき へ移 うつ す対応 たいおう "Lie" は関 せき 手 しゅ である。
アドの定理 ていり の一 ひと つの形 かたち は、有限 ゆうげん 次元 じげん リー環 たまき は行列 ぎょうれつ リー環 たまき に同型 どうけい であると述 の べられる。有限 ゆうげん 次元 じげん の行列 ぎょうれつ リー環 たまき に対 たい しては、それを付随 ふずい するリー環 たまき にもつような線型 せんけい 代数 だいすう 群 ぐん (行列 ぎょうれつ リー群 ぐん )が存在 そんざい するので、したがってどんな抽象 ちゅうしょう リー環 たまき もある行列 ぎょうれつ のリー群 ぐん のリー環 たまき として記述 きじゅつ することができる。
リー群 ぐん の大域 たいいき 的 てき 構造 こうぞう をそのリー環 たまき によって完全 かんぜん に記述 きじゅつ することは一般 いっぱん にはできない。たとえば Z を G の中心 ちゅうしん に属 ぞく する任意 にんい の離散 りさん 群 ぐん としてやると、 G と G /Z は同 おな じリー環 たまき をもつ。しかしながら連結 れんけつ リー群 ぐん に関 かん しては、それが単純 たんじゅん 、半 はん 単純 たんじゅん 、可 か 解 かい 、冪 べき 零 れい あるいは可 か 換 かわ となることが、付随 ふずい するリー環 たまき の対応 たいおう する性質 せいしつ が成 な り立 た つことに同値 どうち であるということができる。
リー群 ぐん が単 たん 連結 れんけつ であることを仮定 かてい すると、その大域 たいいき 的 てき 構造 こうぞう はそのリー環 たまき によって完全 かんぜん に決定 けってい される。任意 にんい の有限 ゆうげん 次元 じげん リー環 たまき g に対 たい して、単 たん 連結 れんけつ リー群 ぐん G でそのリー環 たまき が g であるものが同型 どうけい を除 のぞ いて唯 ただ 一 ひと つ定 さだ まる。さらに、リー環 たまき の準 じゅん 同型 どうけい は対応 たいおう する単 たん 連結 れんけつ リー群 ぐん の間 あいだ の準 じゅん 同型 どうけい へ一意的 いちいてき に持 も ち上 あ げられる。
リー環 たまき M n (R ) からリー群 ぐん GL n (R ) への指数 しすう 写像 しゃぞう は通常 つうじょう の冪 べき 級数 きゅうすう として、行列 ぎょうれつ A に対 たい して
exp(A ) = 1 + A + A 2 /2! + A 3 /3! + ⋯
によって定 さだ められる。G が GL n (R ) の部分 ぶぶん 群 ぐん ならば、この指数 しすう 写像 しゃぞう は G のリー環 たまき を G のなかへ写 うつ す。したがって、任意 にんい の行列 ぎょうれつ のリー群 ぐん に対 たい して指数 しすう 写像 しゃぞう を考 かんが えることができる。
この指数 しすう 写像 しゃぞう の定義 ていぎ は扱 あつか いやすいが、行列 ぎょうれつ 群 ぐん ではないリー群 ぐん に対 たい しては定義 ていぎ されていないし、指数 しすう 写像 しゃぞう が行列 ぎょうれつ 群 ぐん としての表 あらわ し方 かた に依 よ らないかどうかについては自明 じめい なことではない。これは以下 いか のように抽象 ちゅうしょう 的 てき な指数 しすう 写像 しゃぞう の定義 ていぎ を与 あた えることで解決 かいけつ することができる。
リー環 たまき g の任意 にんい のベクトル v は、1 を v へと写 うつ す R から g への線型 せんけい 写像 しゃぞう (これをリー環 たまき 準 じゅん 同型 どうけい と考 かんが えることができる)を定 さだ める。R は単 たん 連結 れんけつ リー群 ぐん R のリー環 たまき になっているので、これは対応 たいおう するリー群 ぐん の間 あいだ の準 じゅん 同型 どうけい c : R → G を引 ひ き起 お こす。これは s , t ∈ R に対 たい して
c (s + t ) = c (s ) c (t )
を満 み たす(右辺 うへん は G における乗法 じょうほう である)。この式 しき と指数 しすう 関数 かんすう が満 み たす公式 こうしき との類似 るいじ 性 せい から、
exp(v ) = c (1)
とおくと、行列 ぎょうれつ 群 ぐん に対 たい しては今 いま の定義 ていぎ は先 さき の定義 ていぎ と同 おな じものを定 さだ めることが確 たし かめられる。これを指数 しすう 写像 しゃぞう と呼 よ ぶ。作 つく り方 かた からこれはリー環 たまき g を対応 たいおう するリー群 ぐん G のなかへ写 うつ すことが判 わか る。指数 しすう 写像 しゃぞう は、リー環 たまき g の零 れい 元 げん 0 の近傍 きんぼう からリー群 ぐん G の単位 たんい 元 もと e の近傍 きんぼう への可 か 微分 びぶん 同相 どうしょう 写像 しゃぞう である。実数 じっすう 全体 ぜんたい が成 な す可 か 換 かわ リー環 たまき R は正 せい の実数 じっすう 全体 ぜんたい が乗法 じょうほう に関 かん して成 な すリー群 ぐん R + × に付随 ふずい するリー環 たまき になっているので、指数 しすう 写像 しゃぞう は実数 じっすう に対 たい する指数 しすう 関数 かんすう の一般 いっぱん 化 か になっていることがわかる。同様 どうよう に複素数 ふくそすう 全体 ぜんたい が成 な す可 か 換 かわ リー環 たまき C が非 ひ 零 れい な複素数 ふくそすう 全体 ぜんたい が乗法 じょうほう に関 かん して成 な すリー群 ぐん C × のリー環 たまき であることから、指数 しすう 写像 しゃぞう は複素数 ふくそすう に対 たい する指数 しすう 関数 かんすう の一般 いっぱん 化 か にもなっている。もちろん、正方 まさかた 行列 ぎょうれつ 全体 ぜんたい M n (R ) が通常 つうじょう の交換 こうかん 子 こ をリー括弧 かっこ 積 せき として成 な すリー環 たまき が、リー群 ぐん GL n (R ) のリー環 たまき であることから指数 しすう 写像 しゃぞう は行列 ぎょうれつ の指数 しすう 関数 かんすう の一般 いっぱん 化 か でもある。
指数 しすう 写像 しゃぞう がリー群 ぐん G の単位 たんい 元 もと e の適当 てきとう な近傍 きんぼう N の上 うえ への写像 しゃぞう であるので、付随 ふずい するリー環 たまき の元 もと は G 上 うえ の無限 むげん 小 しょう 生成 せいせい 作用素 さようそ (infinitesimal generator) と呼 よ ばれる。N の生成 せいせい する G の部分 ぶぶん 群 ぐん は G の単位 たんい 成分 せいぶん である。
指数 しすう 写像 しゃぞう とリー環 たまき は連結 れんけつ リー群 ぐん の局所 きょくしょ 群 ぐん 構造 こうぞう を決定 けってい する。実際 じっさい 、リー環 たまき g の零 れい 元 げん の適当 てきとう な近傍 きんぼう U で、u , v が U の元 もと ならば
exp(u ) exp(v ) = exp(u + v + (1/2) [u , v ] + (1/12) [[u , v ], v ] − (1/12) [[u , v ], u ] − ⋯)
が成 な り立 た つ(ベイカー・キャンベル・ハウスドルフの公式 こうしき (英語 えいご 版 ばん ) )。ここで、省略 しょうりゃく した項 こう は判 わか っていて、4 つ以上 いじょう の元 もと のリー括弧 かっこ 積 せき が関係 かんけい するものである。u と v が可 か 換 かわ なときはこれは簡約 かんやく されて、見慣 みな れた指数 しすう 法則 ほうそく の式 しき exp(u ) exp(v ) = exp(u + v ) となる。
リー環 たまき からリー群 ぐん への指数 しすう 写像 しゃぞう は必 かなら ずしも全 ぜん 射 しゃ とはならない。群 ぐん が連結 れんけつ であってもそれは同 おな じである(連結 れんけつ 群 ぐん がさらにコンパクトか可 か 解 かい であるならば全 ぜん 射 しゃ になる)。 例 たと えば、SL 2 (R ) の指数 しすう 写像 しゃぞう は全 ぜん 射 しゃ にはならない。
リー群 ぐん は定義 ていぎ から有限 ゆうげん 次元 じげん である。しかし、有限 ゆうげん 次元 じげん 性 せい を除 のぞ けばリー群 ぐん に酷似 こくじ した群 ぐん というものがたくさん存在 そんざい する。これらの群 ぐん に対 たい する一般 いっぱん 論 ろん は少 すく ないが、いくつかの例 れい では研究 けんきゅう がなされ結果 けっか が得 え られている。
多様 たよう 体 たい 上 じょう の可 か 微分 びぶん 同相 どうしょう 写像 しゃぞう 全体 ぜんたい の成 な す群 ぐん 。円周 えんしゅう 上 じょう 定義 ていぎ される可 か 微分 びぶん 同相 どうしょう 写像 しゃぞう 全体 ぜんたい の成 な す群 ぐん はきわめてよく知 し られている例 れい である。そのリー環 たまき というのは実質 じっしつ 的 てき にヴィット環 たまき (Witt algebra) で、その中心 ちゅうしん 拡大 かくだい はヴィラソロ代数 だいすう と呼 よ ばれ、弦 つる 理論 りろん や共 きょう 形 かたち 場 じょう 理論 りろん などで用 もち いられている。より大 おお きな次元 じげん の多様 たよう 体 たい 上 じょう の可 か 微分 びぶん 同相 どうしょう 写像 しゃぞう 群 ぐん についてはあまり知 し られていない。時空 じくう の可 か 微分 びぶん 同相 どうしょう 写像 しゃぞう 群 ぐん は、重力 じゅうりょく の量子 りょうし 化 か に際 さい してしばしば現 あらわ れる。
多様 たよう 体 たい から有限 ゆうげん 次元 じげん 群 ぐん への滑 なめ らかな写像 しゃぞう 全体 ぜんたい の成 な す群 ぐん はゲージ群 ぐん と呼 よ ばれ、場 ば の量子 りょうし 論 ろん やドナルドソン理論 りろん で用 もち いられている。多様 たよう 体 たい として円周 えんしゅう をとるときは、ループ群 ぐん と呼 よ ばれ、付随 ふずい するリー環 たまき が実質 じっしつ 的 てき にカッツ・ムーディ代数 だいすう であるような中心 ちゅうしん 拡大 かくだい を持 も つ。
一般 いっぱん 線型 せんけい 群 ぐん や直交 ちょっこう 群 ぐん などに対 たい する無限 むげん 次元 じげん の類似 るいじ 物 ぶつ 。重要 じゅうよう な側面 そくめん のひとつは、これらが「簡素 かんそ な」位相 いそう 的 てき 性質 せいしつ を持 も っているだろうということである。たとえば、クーパーの定理 ていり (英語 えいご 版 ばん ) を参照 さんしょう 。
^ 多 おお くの場合 ばあい 無限 むげん 回 かい 微分 びぶん 可能 かのう を含意 がんい する。
^ 群 ぐん 演算 えんざん が可 か 微分 びぶん 写像 しゃぞう となっていることを「群 ぐん 演算 えんざん が可 か 微分 びぶん 多様 たよう 体 たい の構造 こうぞう と両立 りょうりつ する(可 か 換 かわ である、あるいはうまくいっている)」といい表 あらわ す。
^ 正確 せいかく には、ある代数 だいすう 閉体上 うえ の一般 いっぱん 線型 せんけい 群 ぐん の部分 ぶぶん 群 ぐん であって、成分 せいぶん の代数 だいすう 方程式 ほうていしき によって与 あた えられる。
Adams, J. Frank (December 1, 1996). Lectures on Exceptional Lie Groups . Chicago Lectures in Mathematics. University Of Chicago Press. ISBN 0-226-00527-5
Fulton, William; Harris, Joe (July 30, 1999). Representation Theory : A First Course . Graduate Texts in Mathematics / Readings in Mathematics (1st ed.). Springer Verlag. ISBN 0-387-97495-4
Knapp, Anthony W. (2002). Lie Groups Beyond an Introduction . Birkhäuser. ISBN 0-8176-4259-5
Rossmann, Wulf (August 24, 2006). Lie Groups: An Introduction Through Linear Groups . Oxford Graduate Texts in Mathematics. Oxford University Press. ISBN 0-19-920251-6 - 注意 ちゅうい :2003年刊 ねんかん の再版 さいはん で初版 しょはん の誤植 ごしょく が訂正 ていせい されている。線型 せんけい 群 ぐん (すなわち有限 ゆうげん 次元 じげん の行列 ぎょうれつ で定義 ていぎ される連続 れんぞく 群 ぐん )のトリビアルでない実例 じつれい を通 つう じたリー群 ぐん とリー代数 だいすう の入門 にゅうもん 書 しょ 。
Serre, Jean-Pierre (1992). Lie Algebras and Lie Groups: 1964 Lectures given at Harvard University . Lecture Notes in Mathematics (2nd sub ed.). Springer. ISBN 3-540-55008-9