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定义Definition

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。

形式陈述 ​

实 Lie 群是一个群 G,同时是有限维、Hausdorff、第二可数、无边界的光滑流形,并且以下两个映射光滑:

m:G×G⟶G,(g,h)⟼gh,ι:G⟶G,g⟼g−1.

“光滑”作用于整个乘法映射,不只是分别固定一个变量后连续。复 Lie 群则要求复流形及全纯群运算;把复 Lie 群忘掉复结构,会得到实维数加倍的实 Lie 群。

固定 g 后,左平移 Lg(h)=gh 的逆是 Lg−1,所以 Lg 是微分同胚;右平移也一样。因此单位元 e 附近的坐标可以搬到任何点,所有点的局部几何具有相同形式。这不是说存在一张全局坐标图,而是说群运算提供了相容的搬运方式。

直觉

平面旋转可以由一个角度连续地改变,而置换只能在离散选项间跳转。怎样把“变换可以求导”加入群的定义,又不让坐标选择影响答案?Lie 群把群运算放在一个光滑流形上,要求相乘和求逆在局部坐标中都是光滑函数。本页先检查这种相容性;从单位元取切空间是下一步的工作。

例子与边界

圆群如何在坐标中相乘 ​

取 S1={z∈C:|z|=1},运算为复数乘法。写 z=x+iy、w=u+iv,则

zw=(xu−yv)+i(xv+yu),z−1=x−iy.

这些是实坐标中的多项式,限制在圆上仍然光滑。因此圆周既是流形,又确实满足 Lie 群要求。局部写 z=eiθ 时,乘法对应角度相加;但 θ 与 θ+2π 表示同一点,角度不是全局一一对应的实数坐标。

相同的群也能写成矩阵:

R(θ)=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ),R(θ)R(ϕ)=R(θ+ϕ).

直接乘矩阵时,左上角是 cos⁡θcos⁡ϕ−sin⁡θsin⁡ϕ=cos⁡(θ+ϕ),其余三项由同样的三角恒等式得到。映射 eiθ↦R(θ) 是 S1≅SO(2) 的 Lie 群同构。这里“同构”同时保留乘法与光滑结构。

矩阵可逆性为何给出开流形 ​

一般线性群

GLn(R)={A∈Mn(R):det⁡A≠0}

是 Rn2 的开集,故维数为 n2。乘法各项为有限个乘积的和;逆矩阵公式 A−1=adj(A)/det⁡A 的分母在这个开集内不为零。这就逐项验证了光滑性。

更小的矩阵群需要另查流形条件。例如

O(n)={Q:QTQ=I},SO(n)={Q∈O(n):det⁡Q=1}.

令 F(A)=ATA,把目标视为对称矩阵空间。在 Q∈O(n) 处,

DFQ(H)=QTH+HTQ.

给定对称矩阵 S,取 H=QS/2 就得到 DFQ(H)=S。微分满射,因而正则水平集定理说明 O(n) 是维数

n2−n(n+1)2=n(n−1)2

的嵌入子流形。其上求逆就是转置。SO(n) 是 O(n) 中行列式为 1 的开闭部分,因此维数相同;特别地,SO(3) 是三维 Lie 群。只写出若干方程,并不足以自动得出这些结论。

连通、交换与维数不是同一件事 ​

当 n≥1 时,GLn(R) 因行列式的正负分成两个连通分支;n=0 时只有唯一的空可逆矩阵,得到一点群。Lie 群定义并不要求连通;有限群配离散拓扑也成为零维 Lie 群。无限离散群若要符合这里的第二可数约定,则必须可数。

旋转群 SO(2) 交换,但 SO(3) 通常不交换。令 Rx,Ry 分别为绕 x,y 轴旋转 π/2 的矩阵。对 ez=(0,0,1),先作 Ry 再作 Rx 得 ex;先作 Rx 再作 Ry 得 −ey。两种结果不同,说明连续参数并不意味着操作次序无关。

反过来,(Q,+) 在实数继承的拓扑下是拓扑群,却不是 Lie 群。任何点都不是孤立点,所以它不可能是零维流形;它又没有非平凡连通邻域,因此不可能局部同胚于正维 Euclidean 开集。群运算连续只是起点,还需要真正的流形结构。

推论与应用

Lie 群的 Lie 代数把单位元处的速度组成线性空间,并从左平移构造括号;它会丢掉某些整体信息。闭子群定理解决更困难的反向问题:一个只按拓扑定义为闭集的子群,为什么自动成为嵌入子流形。群表示则选择一个向量空间,让群元素作用为线性变换;群本身不必预先就是某个固定矩阵空间的子群。

参考资料
关系图谱20 个相邻概念 · 3 类关系

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