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定义Definition

Lie 群的覆盖与整体形式

Covering Lie group

连通 Lie 群的万有覆盖通过离散中心商产生不同整体形式,显式核验 SU(2) 到 SO(3) 的二重覆盖。

形式陈述 ​

设 G 是连通 Lie 群,p:G~→G 是万有覆盖,选定 e~∈p−1(e)。则 G~ 上存在唯一 Lie 群结构,使 e~ 为单位元、p 为群同态和局部微分同胚。可把 G~ 的元素看成从 e 出发的路径的端点固定同伦类;两条路径逐点相乘,给出覆盖群的乘法。

核 Γ=p−1(e) 是离散子群,而且位于中心。证明中心性时,固定 γ∈Γ,映射

g~⟼g~γg~−1

连续地从连通空间 G~ 映入离散集合 Γ,只能恒定;在单位元处值为 γ。于是

G≅G~/Γ,Γ≅π1(G).

中心子群正规,所以 G~/Γ 首先是商群;投影 p 是开满射,故其商拓扑也与 G 的拓扑一致,局部微分同胚再给出相应的光滑结构。这里讨论的 p 因而是带有相容群结构的万有覆盖。

这里基本群的群结构与覆盖核一致,因而连通 Lie 群的基本群必为阿贝尔群。

反过来,连通单连通 Lie 群的任一离散中心子群都能取商,得到具有同一Lie 代数的连通 Lie 群。Lie 理论的存在唯一性定理进一步说明,每个有限维实 Lie 代数都对应唯一的连通单连通群。因此,确定 Lie 代数后,连通群的整体形式要再选择离散中心商。

直觉

R 与 S1 的局部加法一样,SU(2) 与 SO(3) 的 Lie 代数也一样,为什么群仍不同?无穷小结构不记录绕一圈之后是否回到原点。覆盖群把这部分整体信息集中在一个离散中心子群里。

例子与边界

最小例子:直线绕成圆 ​

同态

p:R⟶S1,t⟼eit

的核是 2πZ,在每个长度小于 2π 的适当区间上为局部微分同胚。所以

S1≅R/(2πZ).

导数把实数方向映到圆在 1 处的切方向,是线性同构;它无法读出核中非零点的间距。这正说明“导数可逆”只保证局部结论。

SU(2) 到 SO(3) 的核逐项核验 ​

每个 SU(2) 元素唯一写成

U=(ab−b―a―),|a|2+|b|2=1.

因而 SU(2) 作为流形就是 S3,特别地它连通且单连通。取实三维空间 su(2),上面有正定内积

⟨X,Y⟩=−2tr(XY).

共轭保持这个内积,故伴随表示 Ad 给出正交变换;由于 SU(2) 连通且单位元映到行列式 1 的变换,像落在 SO(3)。

在基 Tj=−iσj/2 中,adTj 是绕第 j 轴的无穷小旋转。这说明

p=Ad:SU(2)⟶SO(3)

的单位元微分是同构,因此像包含 SO(3) 中单位元的一个开邻域。像作为子群于是为开子群;SO(3) 连通,所以像等于整个 SO(3)。

若 U 在核中,它与所有 Tj 交换。先与对角的 T3 交换,迫使 U 对角;再与 T1 交换,迫使两个对角元相同。于是 U=λI。酉性要求 |λ|=1,行列式为 1 要求 λ2=1,故

ker⁡p={I,−I},SO(3)≅SU(2)/{±I}.

这不仅算出纤维有两个点,也与局部微分同胚一起说明 p 是二重覆盖。

一整圈的提升为什么没有闭合 ​

绕第三轴旋转角 θ 的路径,通过指数映射在上层提升为

R~(θ)=exp⁡(θT3)=diag(e−iθ/2,eiθ/2).

当 θ 从 0 到 2π,下层回到单位旋转,上层却从 I 到 −I。到 4π 上层才回到 I。因此一次整圈代表 π1(SO(3))≅Z/2Z 的非零类,而 SU(2) 的基本群平凡。这是同一 Lie 代数掩盖的整体差别。

推论与应用

给定 G~ 的表示 ρ,它能降为 G~/Γ 的表示,当且仅当 ρ(γ)=I 对所有 γ∈Γ 成立。必要性来自同一个陪集必须有同一个像;充分性则让 ρ(gΓ)=ρ(g) 成为良定义。

例如 SU(2) 在 C2 上的标准表示把 −I 送到 −I,因此不能降到 SO(3)。伴随表示把 −I 送到恒等,能够下降。只检查 Lie 代数的括号关系,无法看见这个离散障碍。

以上分类针对连通群。若再允许不连通群,还必须记录连通分支的离散群及其作用,不能仅靠给单连通群取中心商来穷尽。

参考资料
关系图谱29 个相邻概念 · 3 类关系

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