1. 定义与概念

李代数的定义

定义:李代数(Lie Algebra)

LF 上的一个向量空间,在其上定义运算李括号(Lie Algebra)

[,]:L×LL,(a,b)[a,b]

为满足如下性质的运算:

  1. (L 1)双线性性;
  2. (L 2)斜对称性:[x,x]=0xV
  3. (L 3)Jacobi 等式:[x,[y,z]]+[y,[z,x]]+[z,[x,y]]=0

则称 (L,[,]) 构成一个李代数(Lie Algebra)

注记

  1. 在数域 F 的特征 charF 不为 2 时,条件 (L 2) 等价于(L2’)[x,y]=[y,x],x,yL,即通常认为的“反对称性”。
  2. 结合反对称性,Jacobi 等式可以写为(L3’)[x,[y,z]]=[[x,y],z]+[y,[x,zx,y],z]+[y,[x,z]].如果将李括号写为乘法形式,可以记作a(bc)=(ab)c+b(ac).这称为 Leibniz 律,得名于导数的 Leibniz 法则:d(xy)=(dx)y+ydx。 (L 1) 与 (L 3') 合称 Leibniz 代数。
  3. 由定义可知,李代数不是结合代数。

李代数的两个有名的例子是

例:李代数的两个例子

  1. 考虑 R3 上的外积结构: (R3,×)。由于其外积规则满足双线性性、斜对称性及 Jacobi 等式,因此其为一个 (3 维)李代数。
  2. 考虑乘法群及其上的交换子(commutator)[A,B]:=ABBA,A,BMn(F).可以验证其构成一个李代数。事实上, F 代数上的交换子是李括号的一个经典例子。

李代数的子代数、同构与同态

如果李代数 L 的一个子集 L 在同样的李括号下同样为李代数,称其为一个李子代数(Lie subalgebra)

与群、环、域、线性空间相同,李代数上也存在其对应的同态与同构。

定义:李代数上的同态与同构

φ 为李代数 L 到李代数 L 的一个线性同态:φhomF(L,L)。称 φ 为一个李代数同态(Lie homomorphism),当且仅当 φ 保持李括号运算:

φ([a,b])=[φ(a),φ(b)],x,yL.

若一个李代数同态为双射,则称其为一个李代数同构(Lie isomorphism)

事实上,由于李括号的双线性性,如果一个线性同态将一组基打到另一组基时,与基相关的李括号关系也保持,则这一线性同态就保持整个空间的李括号,从而是一个李代数同态.

例子:伴随表示是一个同态

给定李代数 L 及其的一个元素 x,称

adLx:LL,y[x,y]

xL 中的一个伴随表示(adjoint representation)。可以验证伴随表示是 L 上的一个自同态。这里 L 上的伴随表示算子

adL:LEnd(L),xadx.

在不引起歧义(例如,不会在不同的李代数间切换)的情况下,可以省略 L ,直接写为 ad
注意:你应该亲手通过 Jacobi 等式验证 ad[x,y]=[adx,ady]

附注:伴随表示将 Jacobi 等式变为 Leibniz 律

运用伴随表示的记号,可以将 Jacobi 等式的 (L 3') 形式写为

adx([y,z])=adx(y)z+yadx(z).

即将 adx 看作一个算子作用于李括号后,呈现为 Leibniz 律。

李代数学的一个经典目标是在同构下分类李代数。

例:三维及以下的李代数

二维及以下的实李代数可以被很轻松地分类:

定理:二维及以下实李代数的分类

  1. 一维李代数有且只有平凡代数:L=Rα[x,y]=0
  2. 二维李代数 L=RαRβ 在同构意义下可以分为以下两种:
  3. 平凡李代数:[x,y]=0
  4. 存在一组基 x,y,使得 [x,y]=[y,x]=y

证明: 由斜对称性,1 是显然的

对于 2,由双线性性,存在常数 a,bR 使 [x,y]=ax+by

a=b=0,即平凡李代数;若 a,b 中有一个不为 0,我们证明存在一组基 {α~,β~} 使 [α~,β~]=β~

考虑一组基 α,β,设 [α,β]=aα+bβ,不妨设 b0。于是我们有

[α,[α,β]]=[α,aα+bβ]=b[α,β]

因此 [αb,[α,β]]=[α,β]。由于 b0[α,β] 不为零向量,则令 α~=αbβ~=[α,β],即可。

而三维的李代数情况很复杂,这里仅举三个最基本的例子.

例子:三种三维李代数

  1. 平凡李代数:[x,y]=0
  2. R3 及其上外积结构:[α,β]=γ, [β,γ]=α, [γ,α]=β
  3. Sl2(R) 及其上交换子:[A,B]=ABBA。这里 Sln(F) 为特殊线性群:Sln(F):={AMn(F):trA=0}.

问题:Sl2(R)(R3,×) 为什么不同构?

Sl2(R) 的一组基为

()x=(0100),y=(0010),h=(1001)

在交换子意义下,[h,x]=2x[h,y]=2y,这在 (R3,×) 中是不可能的。但是:

定理:三维复李代数中 Sl2(C) 与 “(R3,×)” 同构

三维欧氏空间外积的“复版本” $$V=\operatorname{span}_{{\mathbb{C}}}(e_1,e_2,e_3),\quad [e_1,e_2]=e_3,\ [e_2,e_3]=e_1,\ [e_3,e_1]=e_2$$ 与 Sl2(C) 同构。

证明:x=e2+ie3y=e2+ie3h=2ie1,直接验算可得

[x,y]=h,[h,x]=2x,[h,y]=2y.

因此,线性同态

φhomC(V,Sl2(C)):x(0100),y(0010),h(1001)

VSl2(C) 间的李代数同构.

三维外积李代数的另一种刻画是:

例子:三维李代数的另一种刻画

矩阵空间可表示为对称矩阵空间与斜对称矩阵空间的直和:

Mn(F)=SnKn

这里 Snn 阶实对称方阵空间,Knn 阶实斜对称方阵空间。可以证明, K3(R)(R3,×)K3(C)Sl2(C)

线性李代数

线性李代数的定义

定义:一般线性代数(General Linear Algebra)

V 是数域 F 上的一个线性空间,EndV 为其上线性映射全体:

EndV=homF(V,V).

EndV 上定义李括号为交换子:[x,y]=xyyx,则 (EndV,[,]) 构成一个李代数,称为 V 上的一般线性代数(General Lie Algebra),记作 gl(V)
特别地,若 V 是有限维的:VFn,则可取定基记作 gln(F)。此时,gln(F) 是矩阵的集合。

显然,gln(F) 的维数为 dimgln(F)=n2.

定义:线性李代数(linear Lie algebra)

称一般线性代数的一个李子代数为线性李代数(linear Lie algebra)

使用线性李代数计算非常方便,特别是用于计算的时候:我们对矩阵计算还是比较清晰的.当然写矩阵还是太麻烦了,特别是矩阵乘法使人吐血,计算交换子时最好来是写为基矩阵 eij=(akl), aij={1,k=l,i=j0,Otherwise 的线性和来计算.我们这里给出基矩阵的交换子:

[eij,ekl]=δkjeilδilekj={eil,j=k,il;ekj,jk,i=l;eiiejj,j=k,i=l;0,jk,il.

这里 δij 是 Kronecker Delta 记号,δij={1,i=j0,ij

附注:记忆小技巧

[e11,e22]=δ另外两个项e12δ另外两个项e21.

典型代数:几类特殊的线性李代数

注意

Bl,Cl,Dl 中,我们要求 charF2.

Al:特殊线性代数(Special Linear Algebra)

定义:特殊线性代数(Special Linear Algebra)

对给定的 l ,设 VFl+1 维线性空间,在 Sl(V) (或 Sll+1(F)) 上定义李括号为交换子,得到的李代数称为特殊线性代数(Special Linear Algebra),记作 sl(V)sll+1(F)

我们记 Al=sll+1(F)

注意:这里的良定义性由线性映射与基无关保证.注意 V 上特殊线性群由 V 迹为 0 的线性映射构成.对特殊线性代数,我们有如下性质:

特殊线性代数的性质

  1. sll+1(F)<gll+1(F):特殊线性代数是与之同阶的一般线性代数的子代数;
  2. sll+1(F) 的维数为 (l+1)21 ,特别地,一组基为\goodstack1i,jnij{eij}k=1n1{ekkek+1,k+1}.即:n(n1) 个非对角基矩阵全体及 n1 个“对角基矩阵与对角基矩阵之差”.我们将这组基视为 sll+1(F) 的一组标准基.

sl2(F) 是一种非常重要的代数,常用于作例子及研究.

Cl:辛代数(Sympletic Algebra)

辛代数(Sympletic Algebra)

对给定的 l,考虑 2l 维线性空间 V,在其上取基.则其上非退化斜对称双线性型 f (矩阵为 F=(IlIl))的矩阵群上定义李括号为交换子,得到的李代数称为辛代数(Sympletic Algebra),记作 sp(V)sp2l(F)

Cl:=sp2l(F)

从矩阵的角度刻画,辛代数由相似于 (IlIl) 的矩阵构成.更具体地,对其内矩阵分块为

X=(mnpq),(m,n,p,qgll(F))

f 矩阵为 F,则有 FX=XTF, 则有 nT=npT=pmT=q .特别地,由此可知 trx=0,由此可得其性质、维数及一组基.

辛代数的性质

  1. sp2l(F)<sl2l(F)<gl2l(F)sp2l(F)sl2l(F) 的一个子代数,从而是一个线性李代数;
  2. sp2l(F) 的维数为 2l2+l;特别地,可由下取出一组基:
    • 生成 mq
      • 对角元: eiiel+i,l+i1il
      • 非对角元,保证反对称:eijel+j,l+i1ijl
    • 生成 n
      • 对角元: ei,l+i1il
      • 非对角元,保证对称:ei,l+j+ej,l+i1i<jl
    • 生成 p
      • 对角元: el+i,i1il
      • 非对角元,保证对称:el+i,j+el+j,i1i<jl

Bl:奇数维正交代数 (Orthogonal Algebra)

定义:奇数维正交代数 (Orthogonal Algebra)

对给定的 l,设 V2l+1 维线性空间.设 f 为其上的一个非退化对称双线性型(在某组基下矩阵为 F=(1IlIl)),则 V 上所有满足

f(x(v),w)=f(v,x(w))

的同态 x 在交换子下构成线性李代数,称为 (奇数维)正交代数(Orthogonal Algebra),记作 o(V)o2l+1(F)

Bl=o2l+1(F)

我们同样来考虑 Bl 中元素的矩阵形式.对 xo2l+1(F),对其矩阵作分块:

X=(ab1b2c1MNc2PQ)

原条件 f(x(v),w)=f(v,x(w))XTF=FX,即化为如下条件:

a=0,c1=b1T,c2=b2T,Q=MT,NT=N,PT=P

特别地,由此可知 trx=0,由此可得其性质、维数及一组基.

奇数维正交代数的性质

  1. o2l+1(F)<sl2l+1(F)<gl2l+1(F) 为线性李代数;
  2. o2l+1(F) 的维数为 2l2+l,其一组基为
  • 生成 M,Q
    • 对角元:eiiel+i,l+i2il+1;
    • 非对角元,保证反对称:ei+1,j+1el+j+1,l+i+11ijl
  • 生成 Nei+1,l+j+1ej+1,l+i+11i<jl
  • 生成 Pei+l+1,j+1ej+l+1,i+11j<il
  • 生成 b1,b2,c1,c2: e1,l+i+1ei+1,1e1,i1el+i+1,11il

Dl:偶数维正交代数 (Orthogonal Algebra)

定义:偶数维正交代数 (Orthogonal Algebra)

对给定的 l,设 V2l 维线性空间.设 f 为其上的一个非退化对称双线性型(在某组基下矩阵为 F=(IlIl)),则 V 上所有满足

f(x(v),w)=f(v,x(w))

的同态 x 在交换子下构成线性李代数,称为 (偶数维)正交代数(Orthogonal Algebra),记作 o(V)o2l(F)

Dl=o2l(F)

我们同样来考虑 Dl 中元素的矩阵形式.对 xo2l(F),对其矩阵作分块:

X=(MNPQ)

原条件 f(x(v),w)=f(v,x(w))XTF=FX,即化为如下条件:

MT=Q,NT=N,PT=P.

由此可得其性质、维数及一组基.

偶数维正交代数的性质

  1. o2l(F)<sl2l(F)<gl2l(F) 为线性李代数;
  2. (习题 8)o2l(F) 的维数为 2l2l,其一组基为
  • 生成 M,Q
    • 对角元:eiiel+i,l+i1il;
    • 非对角元,保证反对称:ei,jel+j,l+i1ijl
  • 生成 Nei,l+jej,l+i1i<jl
  • 生成 Pei+l,jej+l,i1j<il

三类重要的三角矩阵代数

定义:三类重要的三角矩阵代数

tn(F)n 阶上三角矩阵方阵代数,nn(F)n 阶严格上三角方阵代数(对角元为 0 的上三角阵),dn(F)n 阶对角阵代数.

容易检验,其在交换子下分别是封闭的.

这三类代数有其重要的性质:

三类三角矩阵代数的重要性质

  1. tn(F)=dn(F)nn(F)
  2. 注意到 [dn(F),nn(F)]=nn(F),我们有 [tn(F),tn(F)]=nn(F).

显然 dn(F) 的维数是 nnnn(n1)2tnn(n+1)2.

导出李代数

导子与导出李代数

导出李代数是由更一般的代数上的导子空间构成的李代数.为了说明这一点,先定义 F 代数的概念:

定义:F 代数(F Algebra)

VF 上线性空间,在其上定义并置(juxtaposion) 运算为双线性型

:V×VV, (a,b)ab.

则称 (V,) 为一个 F 代数.

特别地,李代数是一种 F 代数:此时我们用李括号而不是用并置.

F 代数上,我们定义导子的概念:

定义:F 代数的导子(Derivation)

V 是一个 F 代数,称其上线性映射 δEndV 是一个导子(Derivation),如果 δ 关于并置运算满足 Leibniz 律

δ(ab)=aδ(b)+δ(a)b.

V 上的全体导子的集合为 DerV

一个很简单的例子是:考虑 R[x],这显然是一个 R 代数;考虑其上的导数算子 ddx .由于导数算子天然满足 Leibniz 律,因此其是 R[x] 的一个导子.

容易验证,DerV 是一个线性空间.事实上,如果定义李括号为交换子,它甚至是一个李代数:

定理:导子空间是一个线性李代数(练习 11)

DerV<gl(V)

证明: 显然 DerVEndV 的一个子空间,只需验证其在交换子下封闭.注意到

δ(ab)=aδ(b)+δ(a)b,δ(ab)=aδ(b)+δ(a)b

于是

[δ,δ](ab)=δ(δ(ab))δ(δ(ab))=δ(aδ(b)+δ(a)b)δ(aδ(b)+δ(a)b)=δ(aδ(b))+δ(δ(a)b)δ(aδ(b))δ(δ(a)b)=δ(a)δ(b)+aδ(δ(b))+δ(δ(a))b+δ(a)δ(b)δ(a)δ(b)aδ(δ(b))δ(δ(a))bδ(a)δ(b)=[δ,δ](a)b+a[δ,δ](b).

[δ,δ]DerV,因此其在交换子下也封闭,从而 DerV 是一个(线性)李代数.

注记:导子的乘积并不一定是导子(练习 11)

例如 ddxDerR[x] 的平方并不是导子,因为二阶导算子 d2dx2 并不满足 Leibniz 律,而是二阶 Leibniz 律:

d2dx2p(x)q(x)=d2p(x)dx2q(x)+2dp(x)dxdq(x)dx+p(x)d2q(x)dx2.

因此其不是导子.

内导子与外导子

另一个导子的例子是我们已经见过的伴随表示 .这是由于我们已经见过的伴随表示视角下的Jacobi等式(Leibniz律) .特别地,我们称李代数元素被伴随表示得到的导子为内导子(Inner Derivation)

定义:内导子(Inner Derivation)

L 为李代数,称形如 adx:xL 的导子为内导子(Inner Derivation)

导子中非内导子的称为外导子(Outer Derivation)

伴随表示与导子有这样的运算关系:

公式:导子与伴随表示的李括号

[δ,adx]=ad(δ(x)).

证明:

 [δ,adx](b)=δ(adx(b))adx(δ(b))=δ[x,b][x,δ(b)]=δ(xbbx)xδ(b)+δ(b)x=δ(xb)δ(bx)xδ(b)+δ(b)x=δ(x)b+xδ(b)δ(b)xbδ(x)xδ(b)+δ(b)x=δ(x)bbδ(x)=[δ(x),b]=adδ(x)(b).

附注:内导子是导子代数的理想

上面说明:对任意 xadLyDerL,都有 [x,y]adL。用理想的语言,这说明内导子是导子代数的理想。

示例 :Witt 代数与 Virasoro 代数

Witt 代数与 Virasoro 代数是导子代数的两个例子。我们先给出多项式环上的导子结构:

定理:多项式环上的导子结构

在多项式环 F[x] 上定义导子:对给定的 f(x) ,导子 f(x)dx 定义为

f(x)dx:F[x]F[x], g(x)f(x)g(x).

则我们有 Der(F[x])={f(x)dx:f(x)F[x]},即以上结构给出了多项式环上的所有导子。

而 Witt 代数对应的是带倒数的多项式环上的一类导子代数。

定义:Witt 代数

A=F[x,x1], 则其上的导子为 Der(A)={f(x)dx:fA}。定义一类导子 Ln:=xn+1dx ,计算可得

[Lm,Ln]=(mn)Lm+n.

全体这样的 Lm,Ln 构成的李代数称为 Witt 代数。

Virasoro 代数是 Witt 代数唯一的中心扩张:往 Witt 代数的中心加入一个元素 c,算子 {Ln}c 之间的作用给出新的代数结构。

定义:Virasoro 代数

在如上定义的 Witt 代数中增加一个 c,满足 c 与所有 Ln 算子均交换:

[c,Ln]=0,n.

定义李括号为

[Lm,Ln]=(mn)Lm+n+c12(m3m)δm+n,0.

抽象李代数

有时候,我们会想在较抽象的框架下思考李代数,例如待定系数等,从而得到李代数有关的信息.在这里给出几个例子:

Abel李代数

定义:Abel李代数(Abelian Algebra)

在线性空间 V 上定义李括号为:[x,y]0,得到的李代数称为 Abel 李代数(abelian algebra)

称为 Abel 李代数的原因与称交换群是 Abel 群的原因类似:本质上是因为线性的 Abel 李代数上李括号定义为交换子,于是这一代数中所有矩阵可交换.

乘法表与结构常数

L 是一个有限维李代数,则其有基 (x1,,xn),我们通过计算基之间的李括号即可得到整个代数上的李括号的值.

特别地,由双线性性,基 xi,xj 的李括号可表示为

()[xi,xj]=aij1x1+aij2x2++aijnxn=k=1naijkxk.

() 中出现的常数组 {aijk}结构常数(Structure Constant)

定义:结构常数(Structure Constant)

xi,xj 的李括号可表示为

()[xi,xj]=aij1x1+aij2x2++aijnxn=k=1naijkxk.

() 中出现的常数组 {aijk}结构常数(Structure Constant)

附注:结合子

与交换子类似,我们也可以定义非结合代数的结合子:

定义:结合子(associator)

三元运算

(x,y,z)=(xy)zx(yz)

称为结合子 (associator)