形式陈述
设 G 是有限维实 Lie 群 公理库 Lie 群 Lie group · 李群 群的乘法与求逆同时光滑;通过圆群、一般线性群与旋转群检验连续对称的流形结构。 ,H ≤ G 是子群 公理库 子群 Subgroup 在原群的同一运算下自身仍构成群的非空子集。 ,并且 H 是 G 拓扑中的闭集 公理库 闭集 Closed set 补集开放的子集;等价地,它包含拓扑能够检测到的全部闭包点。 。则 H 有唯一的光滑流形结构,使包含映射 H ↪ G 为光滑嵌入 公理库 光滑嵌入 Smooth embedding 同时是浸入且把定义域同胚到其像的光滑映射。 ;在此结构下,H 是 Lie 群,其拓扑就是从 G 继承的子空间拓扑。
其 Lie 代数可以不先借助 H 的流形结构而描述:
对 一 切 h = { X ∈ g : exp ( t X ) ∈ H 对一切 t ∈ R } . 这里的 exp 是 Lie 群指数映射 公理库 Lie 群的指数映射 Exponential map of a Lie group 由唯一一参数子群定义指数映射,计算旋转的指数,并区分单位元附近的可逆性与全局满射性。 。定理进一步保证这是线性子空间、对括号封闭,而且等于 T e H 。结论中的“嵌入”很重要:它要求光滑结构与集合在 G 中实际继承的拓扑一致,不能只找一张沉浸参数化就算完成。
闭性如何变成光滑性
证明的关键不是“闭集总是光滑”,那显然错误。关键是群运算允许把反复相乘得到的近似方向取极限。比如在矩阵群中有
exp ( t ( X + Y ) ) = lim n → ∞ ( exp ( t X / n ) exp ( t Y / n ) ) n . 若 X , Y ∈ h ,每个近似乘积都在 H 中;闭性保证极限仍在 H 。局部 BCH 展开 公理库 Baker–Campbell–Hausdorff 公式 Baker-Campbell-Hausdorff formula · BCH formula 指数乘积的局部对数由嵌套括号组成;推导首个交换子修正,并在 Heisenberg 群中得到精确有限公式。 控制这些小乘积及其高阶余项。类似地,小交换子的首项为 s 2 [ X , Y ] ,重复小交换子并取极限,可证明 [ X , Y ] ∈ h 。一般 Lie 群可在局部指数坐标中进行相同论证。
接下来选补空间 g = h ⊕ m 。映射
( X , Y ) ⟼ exp X exp Y 在 ( 0 , 0 ) 的微分为 ( X , Y ) ↦ X + Y ,所以由逆函数定理 公理库 逆函数定理 Inverse function theorem 导数可逆的光滑映射在该点邻域内存在光滑局部逆。 ,在小邻域内给出坐标。需要排除的是:会不会有任意小的非零 Y ∈ m ,仍使 exp Y ∈ H ?
假如存在这样的 Y n → 0 ,可取子列使 Y n / ‖ Y n ‖ → Y ,其中 Y ∈ m 且 ‖ Y ‖ = 1 。对给定 t ,选整数 k n 使 k n ‖ Y n ‖ → t ,则
( exp Y n ) k n = exp ( k n Y n ) ⟶ exp ( t Y ) . 左侧均在 H 中,闭性再次推出 Y ∈ h ,与补空间相交为零矛盾。因此足够小的横向方向不会落回 H ;局部上 H 恰由 Y = 0 定义,是一块光滑子流形。左平移把这块坐标搬到 H 的其他点,完成证明机制。
直觉
给定矩阵群的一个子群,可以很容易检查乘法和求逆封闭,却未必容易找到坐标。闭子群定理给出一个强有力的捷径:只要它在原群中是闭集,就不必另外假设它已经是流形。它会自动带有与原拓扑一致的光滑结构。
例子与边界
闭矩阵条件怎样使用
取 H = O ( n ) ⊂ G L n ( R ) 。方程 A T A = I 的左边连续,所以解集在 G L n 中闭;正交矩阵相乘与求逆仍正交。定理于是直接给出它是嵌入 Lie 子群。它的切空间仍需计算:对约束求导得到 X T + X = 0 ;反过来,每个这样的 X 都由正交矩阵曲线 e t X 实现。因此切空间恰为反对称矩阵空间,维数为 n ( n − 1 ) / 2 。
再看
H = { diag ( e t , e − t ) : t ∈ R } ⊂ S L 2 ( R ) . 若一列这样的矩阵在 S L 2 ( R ) 中收敛,则两个对角元仍互为倒数且都为正,因此极限仍属于 H 。它是闭子群,Lie 代数为 { diag ( t , − t ) } 。虽然参数 t 无界,这不妨碍子群闭;闭性与紧性不同。
为什么不能去掉“闭”
在环面 T 2 = S 1 × S 1 中取无理数 α ,定义
ϕ : R ⟶ T 2 , ϕ ( t ) = ( e i t , e i α t ) . 这是单射群同态,也是沉浸,其像却在环面中稠密而不等于整个环面。直观上,一条无理斜率的直线在周期边界处不断绕回,会任意逼近每个位置。
不连续的逆可以直接检测。取整数 q n → ∞ ,使 q n α 到整数的距离趋于零。于是 ϕ ( 2 π q n ) → ( 1 , 1 ) ,但参数 2 π q n 并不趋于零。故 ϕ : R → ϕ ( R ) 的逆在子空间拓扑下不连续,不能把它当成嵌入的直线。
这个像可以带上从 R 搬来的更细拓扑而成为沉浸 Lie 子群,但那不是环面继承的拓扑。定理正是排除了这种“参数看起来光滑,子空间拓扑却反复贴近自身”的现象。
推论与应用
群作用中一个点的稳定子是闭子群,只要作用连续且目标 Hausdorff:它是连续轨道映射对单点的原像。因此闭子群定理让稳定子自动成为 Lie 群,并为齐性空间 公理库 Lie 群的齐性空间 Homogeneous space of a Lie group · Lie group quotient G/H 闭子群的陪集空间继承光滑结构,以 SO(3)/SO(2) 等于球面计算纤维、维数与切空间。 G / H 的光滑结构提供基础。这里闭性已足够,不需要额外假设 H 正规;正规性只在希望商空间还具有群结构时出现。
参考资料