李代数的定义
设 是 上的一个向量空间,在其上定义运算李括号(Lie Algebra)
为满足如下性质的运算:
- (L 1)双线性性;
- (L 2)斜对称性:,;
- (L 3)Jacobi 等式:。
则称 构成一个李代数(Lie Algebra)。
- 在数域 的特征 不为 时,条件 (L 2) 等价于即通常认为的“反对称性”。
- 结合反对称性,Jacobi 等式可以写为如果将李括号写为乘法形式,可以记作这称为 Leibniz 律,得名于导数的 Leibniz 法则:。 (L 1) 与 (L 3') 合称 Leibniz 代数。
- 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
- 考虑 上的外积结构: 。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。
- 考虑乘法群及其上的交换子(commutator):可以验证其构成一个李代数。事实上, 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 的一个子集 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。
设 为李代数 到李代数 的一个线性同态:。称 为一个李代数同态(Lie homomorphism),当且仅当 保持李括号运算:
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.
给定李代数 及其的一个元素 ,称
为 在 中的一个伴随表示(adjoint representation)。可以验证伴随表示是 上的一个自同态。这里 上的伴随表示算子
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 ,直接写为 .
注意:你应该亲手通过 Jacobi 等式验证 .
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
即将 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:
- 一维李代数有且只有平凡代数:,。
- 二维李代数 在同构意义下可以分为以下两种:
- 平凡李代数:;
- 存在一组基 ,使得 。
证明: 由斜对称性,1 是显然的。
对于 2,由双线性性,存在常数 使 。
若 ,即平凡李代数;若 中有一个不为 ,我们证明存在一组基 使 。
考虑一组基 ,设 ,不妨设 。于是我们有
因此 。由于 , 不为零向量,则令 ,,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.
- 平凡李代数:;
- 及其上外积结构:;
- 及其上交换子:。这里 为特殊线性群:
问题:
与
为什么不同构?
的一组基为
在交换子意义下,,,这在 中是不可能的。但是:
定理:三维复李代数中
与 “
” 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 同构。
证明: 令 ,,,直接验算可得
因此,线性同态
是 与 间的李代数同构.
三维外积李代数的另一种刻画是:
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:
这里 为 阶实对称方阵空间, 为 阶实斜对称方阵空间。可以证明, ,。
线性李代数
线性李代数的定义
定义:一般线性代数(General Linear Algebra)
设 是数域 上的一个线性空间, 为其上线性映射全体:
在 上定义李括号为交换子:,则 构成一个李代数,称为 上的一般线性代数(General Lie Algebra),记作 。
特别地,若 是有限维的:,则可取定基记作 。此时, 是矩阵的集合。
显然, 的维数为 .
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 的线性和来计算.我们这里给出基矩阵的交换子:
这里 是 Kronecker Delta 记号, .
行列行列另外两个项行列另外两个项行列
典型代数:几类特殊的线性李代数
在 中,我们要求 .
定义:特殊线性代数(Special Linear Algebra)
对给定的 ,设 为 上 维线性空间,在 (或 ) 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 或 .
我们记 .
注意:这里的良定义性由线性映射与基无关保证.注意 上特殊线性群由 迹为 的线性映射构成.对特殊线性代数,我们有如下性质:
- :特殊线性代数是与之同阶的一般线性代数的子代数;
- 的维数为 ,特别地,一组基为即: 个非对角基矩阵全体及 个“对角基矩阵与对角基矩阵之差”.我们将这组基视为 的一组标准基.
是一种非常重要的代数,常用于作例子及研究.
对给定的 ,考虑 维线性空间 ,在其上取基.则其上非退化斜对称双线性型 (矩阵为 )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 或 .
记 .
从矩阵的角度刻画,辛代数由相似于 的矩阵构成.更具体地,对其内矩阵分块为
设 矩阵为 ,则有 , 则有 ,, .特别地,由此可知 ,由此可得其性质、维数及一组基.
- : 是 的一个子代数,从而是一个线性李代数;
- 的维数为 ;特别地,可由下取出一组基:
- 生成 与 :
- 对角元: ,;
- 非对角元,保证反对称: ,;
- 生成 :
- 对角元: ,;
- 非对角元,保证对称:,;
- 生成 :
- 对角元: ,;
- 非对角元,保证对称:, .
定义:奇数维正交代数 (Orthogonal Algebra)
对给定的 ,设 为 维线性空间.设 为其上的一个非退化对称双线性型(在某组基下矩阵为 ),则 上所有满足
的同态 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 或 .
记 .
我们同样来考虑 中元素的矩阵形式.对 ,对其矩阵作分块:
原条件 即 ,即化为如下条件:
特别地,由此可知 ,由此可得其性质、维数及一组基.
- 为线性李代数;
- 的维数为 ,其一组基为
- 生成 :
- 对角元:,;
- 非对角元,保证反对称:, .
- 生成 :, ;
- 生成 :,;
- 生成 : 及 , .
定义:偶数维正交代数 (Orthogonal Algebra)
对给定的 ,设 为 维线性空间.设 为其上的一个非退化对称双线性型(在某组基下矩阵为 ),则 上所有满足
的同态 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 或 .
记 .
我们同样来考虑 中元素的矩阵形式.对 ,对其矩阵作分块:
原条件 即 ,即化为如下条件:
由此可得其性质、维数及一组基.
- 为线性李代数;
- (习题 8) 的维数为 ,其一组基为
- 生成 :
- 对角元:,;
- 非对角元,保证反对称:, .
- 生成 :, ;
- 生成 :, .
三类重要的三角矩阵代数
记 为 阶上三角矩阵方阵代数, 为 阶严格上三角方阵代数(对角元为 的上三角阵), 为 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:
- ;
- 注意到 ,我们有
显然 的维数是 , 为 , 为 .
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 代数的概念:
设 为 上线性空间,在其上定义并置(juxtaposion) 运算为双线性型
则称 为一个 代数.
特别地,李代数是一种 代数:此时我们用李括号而不是用并置.
在 代数上,我们定义导子的概念:
设 是一个 代数,称其上线性映射 是一个导子(Derivation),如果 关于并置运算满足 Leibniz 律
记 上的全体导子的集合为 .
一个很简单的例子是:考虑 ,这显然是一个 代数;考虑其上的导数算子 .由于导数算子天然满足 Leibniz 律,因此其是 的一个导子.
容易验证, 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:
证明: 显然 是 的一个子空间,只需验证其在交换子下封闭.注意到
于是
即 ,因此其在交换子下也封闭,从而 是一个(线性)李代数.
例如 的平方并不是导子,因为二阶导算子 并不满足 Leibniz 律,而是二阶 Leibniz 律:
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).
设 为李代数,称形如 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:
证明:
上面说明:对任意 ,,都有 。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:
在多项式环 上定义导子:对给定的 ,导子 定义为
则我们有 ,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。
环 , 则其上的导子为 。定义一类导子 ,计算可得
全体这样的 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 ,算子 与 之间的作用给出新的代数结构。
在如上定义的 Witt 代数中增加一个 ,满足 与所有 算子均交换:
定义李括号为
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 上定义李括号为:,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
设 是一个有限维李代数,则其有基 ,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 的李括号可表示为
称 中出现的常数组 为结构常数(Structure Constant).
定义:结构常数(Structure Constant)
基 的李括号可表示为
称 中出现的常数组 为结构常数(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:
三元运算
称为结合子 (associator)。