Кіріспе

Топ, сонымен қатар дифференциалданатын көптік, топтық амалдар тегіс болатын математикалық құрылым. Лай тобы ( /l//iː/ LEE деп айтылады) – бұл дифференциалданатын көптік, яғни топтық көбейту және кері амал екеуі де дифференциалданатын. Көптік – бұл жергілікті түрде Евклид кеңістігіне ұқсас кеңістік, ал топтар екілік амалдың абстрактілі ұғымын және оны абстрактілі мағынада «өзгеріс» ретінде қарастыруға қажетті қосымша қасиеттерін анықтайды, мысалы көбейту және кері амал (бөлу) немесе эквивалентті түрде қосу және кері амал (азайту). Осы екі идеяны біріктіре отырып, біз нүктелерді және олардың кері нүктелерін үздіксіз түрде көбейтуге болатын үздіксіз топты аламыз. Егер көбейту және кері амал тегіс (дифференциалданатын) болса, онда Лай тобы пайда болады. Лай топтары үздіксіз симметрия ұғымы үшін табиғи модельді ұсынады, оның жарқын мысалы – шеңбер тобы. Шеңберді айналдыру – үздіксіз симметрияның мысалы. Шеңбердің кез келген айналуы үшін бірдей симметрия бар, ал мұндай айналуларды біріктіру оларды Лай тобының архетиптік мысалы – шеңбер тобына айналдырады. Лай топтары қазіргі заманғы математика мен физиканың көптеген салаларында кеңінен қолданылады. Лай топтары алғаш рет матрицалық кіші топтарды зерттеу арқылы табылды, олар матрицалардың инверттік топтарының құрамында болады немесе . Бұлар қазір классикалық топтар деп аталады, өйткені бұл ұғым осы бастапқыдан әлдеқайда кеңейтілген. Лай тобы норвегиялық математик Софус Лидің (1842–1899) құрметіне аталған, ол үздіксіз түрлендіру топтарының теориясының негізін қалады. Лидің Лай топтарын енгізуге негізгі себебі дифференциалдық теңдеулердің үздіксіз симметрияларын модельдеу болды, дәл сол сияқты шекті топтар Галуа теориясында алгебралық теңдеулердің дискретті симметрияларын модельдеу үшін қолданылады.

Шолу

Лай топтары – тегіс дифференциалданатын көпүрліліктер, сондықтан оларды дифференциалдық есептеуді қолдану арқылы зерттеуге болады, бұл жағдайда топологиялық топтардан өзгеше. Ли тобы теориясының негізгі идеяларының бірі – жаһандық объектіні, яғни топты, оның жергілікті немесе сызықтық нұсқасымен алмастыру. Ли өзі мұны «инфинитезимальды топ» деп атады, ал кейіннен бұл Ли алгебрасы ретінде белгілі болды. Лай топтары қазіргі геометрияда түрлі деңгейлерде маңызды рөл атқарады. Феликс Клейн өзінің Эрланген бағдарламасында, белгілі бір геометриялық қасиеттерді инвариантты қалдыратын тиісті түрлендіру тобын анықтау арқылы әртүрлі «геометрияларды» қарастыруға болатынын көрсетті. Осылайша, евклидтік геометрия евклид кеңістігіндегі қашықтықты сақтайтын түрлендірулердің E(3) тобына сәйкес келеді, конформдық геометрия топты конформдық топқа кеңейтуге сәйкес келеді, ал проективтік геометрия проективтік топ астында инвариантты қасиеттерді зерттейді. Бұл идея кейіннен G-құрылымы түсінігіне әкелді, онда G – көпүрліліктің «жергілікті» симметрияларының Ли тобы. Ли топтары (және олармен байланысты Ли алгебралары) қазіргі физикада маңызды рөл атқарады, мұнда Ли тобы әдетте физикалық жүйенің симметриясының рөлін атқарады. Мұнда Ли тобының (немесе оның Ли алгебрасының) өкілдіктері ерекше маңызды. Өкілдік теориясы бөлшектер физикасында кеңінен қолданылады. Өкілдіктері ерекше маңызды топтарға айналу тобы SO(3) (немесе оның қос жабыны SU(2)), арнайы унитарлық топ SU(3) және Пуанкаре тобы жатады. «Жалпы» деңгейде, егер Ли тобы геометриялық объектіге, мысалы, Риман немесе симплектикалық көпүрлілікке әрекет етсе, бұл әрекет қатаңдық өлшемін ұсынады және бай алгебралық құрылымды тудырады. Көпүрліліктегі Ли тобының әрекеті арқылы білдірілген үздіксіз симметриялардың болуы оның геометриясына күшті шектеулер қояды және көпүрліліктегі талдауды жеңілдетеді. Ли топтарының сызықтық әрекеттері ерекше маңызды және олар өкілдік теориясында зерттеледі. 1940-1950 жылдары Эллис Колчин, Арман Борель және Клод Шеваллье көптеген негізгі нәтижелерді Ли топтарына қатысты толық алгебралық түрде дамытуға болатынын түсінді, бұл кездейсоқ өріс үстінде анықталған алгебралық топтар теориясын тудырды. Бұл түсінік таза алгебрада, сондай-ақ алгебралық геометрияда көптеген шекті жай топтар үшін бірыңғай құрылымды ұсыну арқылы жаңа мүмкіндіктерді ашты. Автоморфтық формалар теориясы, қазіргі сан теориясының маңызды саласы, Адель сақиналарындағы Ли топтарының аналогтарымен кеңінен айналысады; p-адиктік Ли топтары сан теориясындағы Галуа өкілдіктерімен байланыстары арқылы маңызды рөл атқарады.

Анықтамалар мен мысалдар

Нақты Лай тобы — топтың қасиеттеріне ие, сонымен қатар шекті өлшемді нақты тегіс көптік болып табылады, онда көбейту және кері операциялар тегіс функциялар болып келеді. Топтық көбейтудің тегіс болуы μ функциясы G × G көбейтіндісінен G-ге тегіс бейнелеу екенін білдіреді. Екі талапты біріктіре келе, бұл бейнелеудің G-ге көбейтіндісі тегіс бейнелеу болуы керек деген жалғыз талапқа келтіріледі.

Үлгі емес

Біз қазір элементтерінің саны санаулы емес топтың, белгілі бір топологияда Lie тобы емес болатын мысалын ұсынамыз. белгілі бір иррационалды санмен берілген топ, субкеңістік топологиясы берілген кезде Lie тобы емес торус кіші тобы болып табылады. Егер біз нүктесінің кез келген кішкентай аймағын алсақ, мысалы, -ның ішіндегі бөлігі үзіліссіз болады. тобы спиральдың бұрынғы нүктесіне жетпей, торусты қайта-қайта айналып өтеді және осылайша топологиясының тығыз кіші тобын құрайды. Дегенмен, топқа басқа топология берілуі мүмкін, онда екі нүкте арасындағы қашықтық топтағы -ден -ға дейінгі ең қысқа жолдың ұзындығы ретінде анықталады. Бұл топологияда, әр элементті дефинициясындағы санмен сәйкестендіру арқылы нақты сызықпен гомеоморфты түрде анықталады. Осы топологиямен, нақты сандардың қосылу бойынша тобы ғана болып табылады, сондықтан ол Lie тобы. тобы – жабық емес Lie тобының "Lie кіші тобының" мысалы. Негізгі ұғымдар бөліміндегі Lie кіші топтары туралы талқылауды қараңыз.

Қарым-қатынас ұғымдары

Күрделі Lie тобы нақты емес, күрделі көптүрліліктерді (мысалы: ) және голоморфты бейнелеулерді пайдалана отырып, дәл осылай анықталады. Сол сияқты, -ның баламалы метрикалық толықтығын қолдана отырып, p-адик сандардың үстінде p-адик Lie тобын, топологиялық топты, сондай-ақ аналитикалық p-адик көптүрлілігін анықтауға болады, мұнда топтық амалдар аналитикалық болып табылады. Атап айтқанда, әрбір нүктеде p-адик маңайы бар. Хилберттің бесінші мәселесі дифференциалданатын көптүрліліктерді топологиялық немесе аналитикалық көптүрліліктермен алмастыру жаңа мысалдар бере ала ма деген сұрақ қойды. Бұл сұраққа берілген жауап жоқ болды: 1952 жылы Глисон, Монтгомери және Зиппин үздіксіз топтық амалдары бар G топологиялық көптүрлілігі болса, онда G-де оны Lie тобына айналдыратын жалғыз аналитикалық құрылым бар екенін көрсетті (Хилберт-Смит болжамын да қараңыз). Егер негізгі көптүрлілік шексіз өлшемді болуға рұқсат етілсе (мысалы, Хилберт көптүрлілігі), онда шексіз өлшемді Lie тобы түсінігі пайда болады. Көптеген Lie топтарының шекті өрістердегі аналогтарын анықтау мүмкін, және олар шекті жай топтардың көптеген мысалдарын береді. Категория теориясының тілі Lie тобының ықшам анықтамасын ұсынады: Lie тобы – тегіс көптүрліліктер санатындағы топтық объект. Бұл маңызды, себебі ол Lie тобының Lie супертоптарына дейін ұғымын кеңейтуге мүмкіндік береді. Бұл категориялық тұрғысынан қарағанда, Lie топтарының тағы бір жалпылауына, атап айтқанда Lie группоидтарына алып келеді, олар қосымша талаптармен тегіс көптүрліліктер санатындағы группоидтық объектілер болып табылады.

Топологиялық анықтама

Ли тобы (Хаусдорф) топологиялық топ ретінде анықталуы мүмкін, ол сәйкестік элементінің жанында дифференциалданатын көпқырлылыққа сілтемесіз түрлендіру тобына ұқсайды. Біріншіден, біз терең сызықтық Ли тобын жалпы сызықтық топтың G кіші тобы деп анықтаймыз, онда G-дегі сәйкестік элементі e-нің V маңындағы кейбір топология үшін V-дегі топология – субкеңістік топологиясы болып табылады және V, G-де жабық, сондай-ақ G-нің ең көп дегенде санаулы көп байланысты компоненттері бар. (Мысалы, жабық кіші топ, яғни матрицалық Ли тобы жоғарыдағы шарттарды қанағаттандырады.) Содан кейін Ли тобы – (1) сәйкестік элементтерінің жанында терең сызықтық Ли тобына жергілікті түрде изоморфты және (2) ең көп дегенде санаулы көп байланысты компоненттері бар топологиялық топ ретінде анықталады. Топологиялық анықтаманың дәстүрлі анықтамаға тең екенін көрсету техникалық мәселе (және бастапқы оқырмандар келесі бөлімді жіберіп тастауы керек), бірақ шамамен былай жасалады: дәстүрлі көпқырлылық мағынасындағы G Ли тобы берілген болса, Ли тобы – Ли алгебрасы сәйкестігі (немесе Лидің үшінші теоремасының нұсқасы) сол Ли алгебрасын бөлісетін терең батып кеткен Ли кіші тобын құрастырады; осылайша, олар жергілікті түрде изоморфты. Демек, G жоғарыдағы топологиялық анықтаманы қанағаттандырады. Керісінше, G-ні жоғарыдағы топологиялық мағынада Ли тобы болып табылатын топологиялық топ деп есептейік және G-ге жергілікті түрде изоморфты терең сызықтық Ли тобын таңдайық. Содан кейін, жабық кіші топ теоремасының нұсқасы бойынша, ол нақты аналитикалық көпқырлылық болып табылады, содан кейін жергілікті изоморфизм арқылы G сәйкестік элементінің жанында көпқырлылық құрылымын алады. Содан кейін G-дегі топтық заңдылықты формальды қуат қатарлары арқылы беруге болады екенін көрсетеді; сондықтан топтық операциялар нақты аналитикалық және G-нің өзі нақты аналитикалық көпқырлылық болып табылады. Топологиялық анықтама егер екі Ли тобы топологиялық топтар ретінде изоморфты болса, онда олар Ли топтары ретінде де изоморфты екенін білдіреді. Шын мәнінде, ол Ли тобының топологиясы топтық заңмен бірге топтың геометриясын анықтайтын жалпы қағиданы айтады.

Ли тобының қосымша мысалдары

Жалған топтар математика мен физиканың көптеген салаларында кеңінен кездеседі. Матрицалық топтар немесе алгебралық топтар — (шамамен) матрицалардан құралған топтар (мысалы, ортогоналды және симплектикалық топтар), және олар Ли топтарының ең көп таралған мысалдары болып табылады.

Бірінші және екінші өлшемдер

Бір өлшемді жалғыз байланысқан Лай топтары — нақты түзу (топтық операциясы қосу) және абсолюттік шамасы бірге тең комплекс сандардың шеңберлік тобы (топтық операциясы көбейту). Бұл топ көбінесе , біртұтас матрицалар тобы деп белгіленеді. Екі өлшемде, егер біз жай ғана байланысқан топтарды қарастырсақ, олар өздерінің Лай алгебралары бойынша жіктеледі. (Изоморфизмге дейін) тек екі ғана екі өлшемді Лай алгебрасы бар. Олармен байланысты жай ғана байланысқан Лай топтары — (топтық операциясы векторлық қосу) және бұрынғы бөлімде "алғашқы мысалдар" тақырыбында сипатталған бір өлшемді аффиндік топ.

Қосымша мысалдар

SU(2) тобы – детерминанты 1-ге тең бірлік матрицалар тобы. Топологиялық тұрғыдан қарағанда, бұл сфера; топ ретінде ол бірлік кватерниондар тобымен сәйкестендіріледі. Гейзенберг тобы – кванттық механикада маңызды рөл атқаратын, өлшемді байланысқан нильпотенттік Лай тобы. Лоренц тобы – Минковский кеңістігінің сызықтық изометрияларының 6 өлшемді Лай тобы. Пуанкаре тобы – Минковский кеңістігінің аффиндік изометрияларының 10 өлшемді Лай тобы. G2, F4, E6, E7, E8 типтес ерекше Лай топтарының өлшемдері 14, 52, 78, 133 және 248-ге тең. A, B, C, D сериясындағы қарапайым Лай топтарымен бірге ерекше топтар қарапайым Лай топтарының тізімін толықтырады. Симплекстік топ – симплекстік форманы сақтайтын барлық матрицалардан тұрады. Бұл байланысқан Лай тобы, өлшемі .

Гомоморфизмдер мен изоморфизмдер

Егер G және H Лай топтары болса, онда Лай топтық гомоморфизм f: G → H – тегіс топтық гомоморфизм болады. Күрделі Лай топтары жағдайында мұндай гомоморфизм голоморфты карта болуы керек. Алайда, бұл талаптар біршама қатаң; нақты Лай топтары арасындағы кез келген үздіксіз гомоморфизм (нақты) аналитикалық болып шығады. Екі Лай гомоморфизмінің композициясы да гомоморфизм болып табылады, ал барлық Лай топтарының класы осы морфизмдермен бірге категория құрайды. Сонымен қатар, әрбір Лай топтық гомоморфизмі сәйкес Лай алгебралары арасында гомоморфизмді тудырады. f – Лай топтық гомоморфизмі болсын, ал d f<sub>e</sub> – оның бірлік элементтегі туындысы болсын. Егер G және H Лай алгебраларын олардың бірлік элементтеріндегі жанама кеңістіктерімен сәйкестендірсек, онда d f<sub>e</sub> – сәйкес Лай алгебралары арасындағы келесі карта болады: ол Лай алгебрасы гомоморфизмі болып шығады (яғни, Лай жақшасын сақтайтын сызықтық карта). Категория теориясының тілімен айтқанда, онда Ли топтары категориясынан Ли алгебралары категориясына ковариантты функтор бар, ол Ли тобын оның Ли алгебрасына және Ли топтық гомоморфизмді оның бірлік элементтегі туындысына жібереді. Екі Лай тобы изоморфты деп аталады, егер олардың арасында биективті гомоморфизм болса, оның керісі де Лай топтық гомоморфизм болып табылады. Басқаша айтқанда, бұл дифеоморфизм, ол сонымен қатар топтық гомоморфизм болып табылады. Жоғарыда айтылғандай, Лай тобынан Лай тобына дейінгі үздіксіз гомоморфизм Лай топтарының изоморфизмі болып табылады, егер және тек егер ол биективті болса.

Лай тобы мен Лай алгебрасы изоморфизмдері

Изоморфты Ли топтарының міндетті түрде изоморфты Ли алгебралары болады; содан кейін Ли топтарының изоморфизм кластары Ли алгебраларының изоморфизм кластарына қалай байланысты деп сұрау орынды. Бұл бағыттағы алғашқы нәтиже – Лидің үшінші теоремасы, онда әрбір шекті өлшемді, нақты Ли алгебрасы қандай да бір (сызықтық) Ли тобының Ли алгебрасы болып табылады. Лидің үшінші теоремасын дәлелдеудің бір жолы – Адо теоремасын қолдану, ол әрбір шекті өлшемді нақты Ли алгебрасы матрицалық Ли алгебрасына изоморфты дейді. Сонымен бірге, әр шекті өлшемді матрицалық Ли алгебрасы үшін осы алгебрасы өзінің Ли алгебрасы ретінде сызықтық топ (матрицалық Ли тобы) бар. Екінші жағынан, Ли алгебралары изоморфты болған Ли топтары міндетті түрде изоморфты болуы керек емес. Сонымен қатар, бұл нәтиже топтар байланысты деп есептесек те, дұрыс болып қалады. Басқаша айтқанда, Ли тобының жаһандық құрылымы оның Ли алгебрасымен анықталмайды; мысалы, егер Z G орталығының кез келген дискретті кіші тобы болса, онда G және G/Z бірдей Ли алгебрасына ие (мысалдар үшін Ли топтарының кестесін қараңыз). Физикадағы маңызды мысалдар – SU(2) және SO(3) топтары. Бұл екі топта изоморфты Ли алгебралары бар, бірақ топтардың өздері изоморфты емес, өйткені SU(2) жай ғана байланысқан, ал SO(3) – емес. Екінші жағынан, егер біз Ли тобының жай ғана байланысуын талап етсек, онда жаһандық құрылым оның Ли алгебрасымен анықталады: Ли алгебралары изоморфты екі жай ғана байланысқан Ли тобы изоморфты болады. (Жай байланысқан Ли топтары туралы қосымша ақпаратты келесі бөлімнен қараңыз.) Лидің үшінші теоремасы негізінде, шекті өлшемді нақты Ли алгебраларының изоморфизм кластары мен жай ғана байланысқан Ли топтарының изоморфизм кластары арасында бір-бірге сәйкестік бар деп айтуға болады.

Жай байланысқан Лей топтары

Егер әрбір циклді үздіксіз түрде нүктеге дейін қысқарту мүмкін болса, онда Ли тобы жай ғана байланысқан деп айтылады. Бұл ұғым маңызды, себебі келесі нәтижеде қарапайым байланыстылық гипотеза ретінде қолданылады: Теорема: Егер және - Ли алгебралары бар Ли топтары және - Ли алгебрасының гомоморфизмі болса, және егер жай ғана байланысқан болса, онда бірегей Ли тобы гомоморфизмі бар, ондағы - бірліктегі гомоморфизмнің дифференциалы. Лидің үшінші теоремасы әрбір шекті өлшемді нақты Ли алгебрасы Ли тобының Ли алгебрасы екенін айтады. Лидің үшінші теоремасы мен жоғарыдағы нәтижеден әрбір шекті өлшемді нақты Ли алгебрасы бірегей, жай ғана байланысқан Ли тобының Ли алгебрасы болып табылады. Жай ғана байланысқан топтың мысалы – арнайы унитарлық топ SU(2), ол көпқырлы ретінде 3-сфера болып табылады. Айналым тобы SO(3) болса, жай ғана байланысқан емес. (SO(3) топологиясын қараңыз). SO(3)-тің жай ғана байланысқан болмауы квант механикасындағы бүтін спин мен жарты спин арасындағы айырмашылықпен тығыз байланысты. Басқа жай ғана байланысқан Ли топтарының мысалдары: арнайы унитарлық топ SU(n), спин тобы (айналым тобының екі жақты жамылғысы) Spin(n) үшін және компактты симплектік топ Sp(n). Ли тобының жай ғана байланысқан екенін немесе еместігін анықтау әдістері Ли топтарының негізгі топтары туралы мақалада талқыланады.

Лей субтобы

Лай тобының Лай кіші тобы – Лай тобының кіші тобы, ол кіші жиынды құрайды және оған кіріктіру картасы инъективті шомылу және топ гомоморфизмі болып табылады. Картан теоремасына сәйкес, Лай тобының жабық кіші тобы бірегей тегіс құрылымға ие болады, бұл оны Лай тобының ендірілген кіші тобы етеді, яғни кіріктіру картасы тегіс ендіру болатын Лай кіші тобы. Жабық емес кіші топтарға көптеген мысалдар бар; мысалы, 2 немесе одан жоғары өлшемді торус деп алсақ, онда G-де айналатын иррационалды бұрыштың бір параметрлі кіші тобын қарастыруға болады. Содан кейін Лай тобының гомоморфизмі болады. -тің жабылуы -те ішкі торус болады. Экспоненциалды карта байланысты Лай топтары мен байланысты Лай тобының алгебрасының субальгебралары арасында бір-бірге сәйкестік орнатады. Әдетте, субальгебраға сәйкес келетін кіші топ жабық кіші топ болмайды. -тің құрылымына ғана негізделген, қай субальгебралар жабық кіші топтарға сәйкес келедін анықтайтын критерий жоқ.

Өкілдіктер

Ли топтарын зерттеудің маңызды аспектілерінің бірі – олардың бейнелеулері, яғни олардың векторлық кеңістіктерде (сызықтық) әрекет ету жолы. Физикада Ли топтары физикалық жүйенің симметриясын көрсетеді. Осы симметрияны пайдаланып жүйені талдау көбінесе бейнелеу теориясы арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, кванттық механикадағы уақыттан тәуелсіз Шредингер теңдеуін қарастырайық. Егер жүйенің симметриясы SO(3) айналу тобы болса, яғни Гамильтон операторы толқындық функцияға SO(3) әрекетімен коммутацияласа (мұндай жүйенің маңызды мысалы – бір сфералық орбиталы бар сутек атомы), онда бұл болжам шешімдердің айналу симметриялы функциялар екенін білдірмейді. Керісінше, бұл шешімдер кеңістігінің айналулар бойынша инвариантты екенін білдіреді (әрбір белгілі шама үшін). Сондықтан бұл кеңістік SO(3) бейнелеуін құрайды. Бұл бейнелеулер жіктелген, ал жіктеу мәселенің айтарлықтай жеңілдетуіне әкеледі, үш өлшемді дербес дифференциалдық теңдеуді бір өлшемді қалыпты дифференциалдық теңдеуге айналдырады. Қосылған, компактты Ли тобы K (соның ішінде SO(3) жағдайы) ерекше зерттелуге ыңғайлы. Бұл жағдайда K-нің кез келген шекті өлшемді бейнелеуі, ирредуктибелді бейнелеулердің тікелей қосындысы ретінде жіктеледі. Ирредуктибелді бейнелеулерді Герман Вейль жіктеген. Жіктеу бейнелеудің «ең жоғары салмағы» бойынша жүзеге асырылады. Бұл жіктеу жартылай қарапайым Ли алгебрасының бейнелеулерінің жіктелуімен тығыз байланысты. Сондай-ақ, кез келген Ли тобының (қажетті түрде компактты емес) (әдетте шексіз өлшемді) унитарлық бейнелеулерін зерттеуге болады. Мысалы, SL(2,R) тобының және Пуанкаре тобының бейнелеулерін салыстырмалы түрде қарапайым түрде сипаттауға болады.