반단순 리 대수
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1. 개요
반단순 리 대수는 리 대수 아이디얼이 자명하거나 자기 자신뿐인 단순 리 대수들의 직합으로 표현되는 리 대수이다. 체의 표수가 0이고 유한 차원 리 대수일 때, 가해 아이디얼이 자명하거나 킬링 형식이 비퇴화인 경우 반단순 리 대수라고 정의할 수 있다. 반단순 리 대수는 레비 분해를 통해 가해 리 대수와 반단순 대수의 반직접곱으로 표현되며, 가해 리 대수와는 다르게 딘킨 도표를 통해 분류할 수 있다. 반단순 리 대수의 표현론은 일반적인 리 대수보다 더 깔끔하며, 조르당 분해와 같은 성질을 보인다. 반단순 리 대수는 자신의 수반 표현이 완전 기약인 축약 리 대수의 특수한 경우이며, 엘리 카르탕과 펠릭스 루비노비치 간트마헤르에 의해 분류되었다.
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반단순 리 대수 | |
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개요 | |
유형 | 리 대수 |
분야 | 수학, 리 이론 |
정의 | |
정의 | 아벨 리 대수인 비자명 아이디얼을 갖지 않는 리 대수 |
성질 | |
구조 정리 | 단순 리 대수의 직접 합 |
킬링 형식 | 비퇴화 |
표현 | 완전 환원 가능 |
근계 | 환원적 |
관련 개념 | |
관련 개념 | 리 대수 단순 리 대수 근계 |
2. 정의
체 K 위의 리 대수 가 다음 두 조건을 만족하면 '''단순 리 대수'''라고 한다.[19]
- 의 리 대수 아이디얼은 과 전체 밖에 없다.
- 는 아벨 리 대수가 아니다. 즉, 인 가 존재한다.
K의 표수가 0이고, 가 K 위의 유한 차원 리 대수일 때, 다음 조건들은 서로 동치이며, 이 조건을 만족하는 리 대수를 '''반단순 리 대수'''라고 한다.
- 의 가해(solvable영어) 아이디얼은 밖에 없다. 즉, 의 근기(radical영어)가 이다.[19]
- 의 아벨 아이디얼은 밖에 없다.
- 는 단순 리 대수들의 직합이다.
- (카르탕 반단순성 조건 Cartan’s criterion for semisimplicity영어) 의 킬링 형식 는 비퇴화 쌍선형 형식이다.[19]
'''반단순 리 군'''은 그 리 대수가 반단순 리 대수인 연결 리 군이다.[19] 마찬가지로, '''단순 리 군'''은 그 리 대수가 단순 리 대수인 연결 리 군이다.
3. 중요성
반단순 리 대수의 중요성은 모든 유한 차원 리 대수가 가해 아이디얼과 반단순 리 대수의 반직접곱으로 나타낼 수 있다는 레비 분해에서 비롯된다.[19] 특히 가해적이면서 반단순인 영이 아닌 리 대수는 존재하지 않는다.
반단순 리 대수는 가해 리 대수와는 대조적으로 매우 우아한 분류를 가지고 있다. 표수가 0인 대수적으로 닫힌 체 위의 반단순 리 대수는 근계에 의해 완전히 분류되며, 이는 차례로 딘킨 도형에 의해 분류된다.[19] 실수형식을 참고하면, 엘리 카르탕에 의해 분류된 실 반단순 리 대수의 경우를 알 수 있다.
나아가, 반단순 리 대수의 표현론은 일반적인 리 대수의 표현론보다 훨씬 더 깔끔하다. 예를 들어, 반단순 리 대수에서의 조르당-슈발레 분해는 그 표현에서의 조르당 분해와 일치한다.
만약 가 반단순이면, 이다. 특히 모든 선형 반단순 리 대수는 특수 선형 리 대수 의 부분 대수이다. 의 구조에 대한 연구는 반단순 리 대수의 표현론의 중요한 부분을 구성한다.
4. 성질
반단순 리 대수의 모든 아이디얼, 몫 및 곱은 다시 반단순이다.[1] 반단순 리 대수 의 중심은 자명하다 (중심은 아벨 아이디얼이기 때문이다). 즉, 수반 표현 는 단사 함수이다. 더욱이, 그 이미지는 에 대한 도함수 임이 밝혀진다.[2] 따라서 는 동형사상이다.[3] (이것은 화이트헤드의 보조정리의 특별한 경우이다.)
수반 표현이 단사 함수이므로, 반단순 리 대수는 수반 표현 하에서 선형 리 대수이다. 만약 가 반단순 리 대수이면, 이다 (왜냐하면 는 반단순이고 아벨이기 때문이다).[4] 표수가 0인 체 ''k'' 위의 유한 차원 리 대수 는 기저 확장 가 각 체 확장 에 대해 반단순일 경우에만 반단순이다.[5]
5. 조르당 분해
유표수 0인 체 위의 유한 차원 선형 변환 ''x''는 반단순 연산자(대수적 폐포에서 대각화 가능)와 멱영 변환으로 고유하게 분해될 수 있다.
:
여기서 ''s''와 ''n''은 서로 교환 가능하며, ''s''와 ''n'' 각각은 ''x''의 다항식이다. 이것이 ''x''의 조르당-슈발레 분해이다.
위 내용은 반단순 리 대수 의 수반 표현 에 적용된다. 의 원소 ''x''는 가 반단순 (각각, 멱영) 연산자인 경우 반단순 (각각, 멱영)이라고 한다.[6] 만약 이면, '''추상 조르당 분해'''는 ''x''를 다음과 같이 고유하게 쓸 수 있다고 말한다.
:
여기서 는 반단순이고, 은 멱영이며 이다.[7] 또한, 만약 가 ''x''와 교환 가능하면, 둘 다와 교환 가능하다.
추상 조르당 분해는 어떤 표현 ρ에 대해, 의 모든 표현을 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
:
는 표현 공간의 선형 변환 대수에서 ρ(''x'')의 조르당 분해이다.[8] (이는 바일 완전 가약 정리의 결과로 증명된다. 바일의 완전 가약 정리#응용: 조르당 분해 보존 참고.)
6. 구조
표수 0의 대수적으로 닫힌 체 위의 (유한 차원) 반단순 리 대수 의 구조는 카르탕 부분 대수라고 하는 특이한 부분 대수의 수반 작용을 통해 설명될 수 있다.[9] 카르탕 부분 대수 는 각 에 대해 가 대각화 가능하도록 하는 최대 부분 대수이다. 결과적으로 는 가환하며 따라서 의 모든 연산자는 동시에 대각화 가능하다.
카르탕 부분 대수 가 주어지면, 이고 (-가군으로서의) 다음과 같은 근 공간 분해가 존재한다.[10]
:
여기서 는 인 의 모든 0이 아닌 선형 범함수 의 집합이다.
의 선형 범함수는 에 상대적인 의 '''근'''이라고 한다. 근은 를 생성한다.
'''바일 군'''은 의 선형 변환 군으로, 다음과 같이 정의되는 에 의해 생성된다.
:
바일 군은 문제의 중요한 대칭이다. 예를 들어, 의 임의의 유한 차원 표현의 가중치는 바일 군에 대해 불변이다.[11]
7. 예시
와 대각 행렬의 카르탕 부분 대수 에 대해, 를 다음과 같이 정의한다.
:
여기서 은 대각선에 을 갖는 대각 행렬을 나타낸다. 그러면 분해는 다음과 같다.
:
여기서 는 표준 (행렬) 기저를 갖는 의 벡터 에 대해, 는 번째 행과 번째 열에 있는 기저 벡터를 나타낸다. 의 이러한 분해는 관련된 근계를 갖는다.
:
예를 들어, 에서 분해는 다음과 같다.
:
그리고 관련 근계는 다음과 같다.
:
에서 분해는 다음과 같다.
:
그리고 관련된 근계는 다음과 같다.
:
만약 이면, 는 의 대각 부분 대수, 즉 대각 성분의 합이 0인 대각 행렬로 취할 수 있다. 의 차원이 이므로, 의 계수가 임을 알 수 있다.
이 경우 근 벡터 는 일 때 행렬 로 취할 수 있으며, 여기서 는 위치에 1이 있고 다른 위치에는 0이 있는 행렬이다.[18] 만약 가 대각 성분이 인 대각 행렬이면, 다음과 같다.
:.
따라서, 에 대한 근은 다음과 같이 주어진 선형 범함수 이다.
:.
를 쌍대 공간과 식별한 후, 근은 합이 0이 되는 개의 튜플 공간에서 벡터 가 된다. 이것은 통상적인 표기법에서 으로 알려진 근계이다.
근 와 관련된 반사는 와 대각 성분을 전치함으로써 에 작용한다. 그러면 바일 군은 단순히 개의 원소에 대한 순열군이며, 의 행렬의 대각 성분을 순열하여 작용한다.
다음은 딘킨 도형의 분류에서 유래한 표기법을 사용하여 나타낸 반단순 리 대수의 예이다.
- , 특수 선형 리 대수
- , 홀수 차원 특수 직교 리 대수
- , 심플렉틱 리 대수
- , 짝수 차원 특수 직교 리 대수
이러한 리 대수는 ''n''이 랭크가 되도록 번호가 매겨져 있다. 저차원에서의 예외를 제외하면, 이들의 대부분은 단순 리 대수이다. 이 4개의 족과 5개의 예외형(E6, E7, E8, F4, G2)으로 복소수체 위의 단순 리 대수는 모두 표현된다.
8. 분류
복소수체 위의 (유한 차원) 단순 리 대수는 근계 또는 이에 대응하는 딘킨 도표로 분류되며, 이에 따라 , , , , E₆, E₇, E₈, F₄, G₂가 있다. 단일 연결 단순 리 군은 단순 리 대수와 일대일 대응하며, 단일 연결이 아닌 리 군은 그 범피복군의 중심의 부분군인 정규 부분군에 대한 몫군이다.
앞선 내용에서 언급했듯이, 표수가 0인 대수적으로 닫힌 체 위의 반단순 리 대수는 카르탕 부분 대수와 관련된 근계에 의해 분류되며, 근계는 차례로 딘킨 다이어그램에 의해 분류된다.
고전적 리 대수는 딘킨 다이어그램에서 유래한 표기법을 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- , 특수 선형 리 대수.
- , 홀수 차원 특수 직교 리 대수.
- , 심플렉틱 리 대수.
- , 짝수 차원 특수 직교 리 대수 ().
에서 인 이유는 가 1차원이고 가환적이어서 반단순이 아니기 때문이다.
이러한 리 대수는 ''n''이 계수가 되도록 번호가 매겨져 있다. 이러한 반단순 리 대수의 거의 대부분은 실제로 단순하며, 이러한 족의 구성원들은 작은 계수에서 몇몇 충돌을 제외하고는 거의 모두 다르다. 예를 들어 이고 이다. 이 네 족과 다섯 개의 예외 (E₆, E₇, E₈, F₄, G₂)는 복소수 상에서 ''유일한'' 단순 리 대수이다.
표수가 0인 대수적으로 닫힌 체 위의 모든 반단순 리 대수는 (정의에 의해) 단순 리 대수의 직합이며, 유한 차원 단순 리 대수는 An, Bn, Cn 및 Dn의 네 가지 계열과 5개의 예외(E₆, E₇, E₈, F₄ 및 G₂)로 분류된다.
이 분류는 카르탕 부분 대수(최대 가환 리 대수)와 이에 대한 수반 표현을 조사하여 진행된다. 그 작용의 루트 계는 원래의 리 대수를 결정하고, 또한 강한 제약을 만족하기 때문에 딘킨 도형에 의해 분류된다.
단순 리 대수의 분류는 수학에서 가장 우아한 결과 중 하나로 널리 여겨지며, 간결한 몇 가지 공리가 비교적 짧은 증명으로 완전하고 비자명하며 놀라운 구조를 갖춘 분류를 만들어낸다.
대수적으로 닫히지 않은 체에서는 분류가 더 복잡하다. 대수적 폐포 위의 단순 리 대수를 분류한 다음, 각 대수에 대해 이 형태(폐포에서)를 갖는 원래 체 위의 단순 리 대수를 분류한다.
8. 1. 복소수 단순 리 대수
모든 복소수 단순 리 대수는 다음 가운데 하나와 동형이다.- , (복소 무대각합(無對角合, traceless영어) 행렬 대수)
- , (홀수 차원의 복소 반대칭 행렬 대수)
- , (복소 해밀턴 행렬(Hamiltonian matrix영어) 대수)
- , (짝수 차원의 복소 반대칭 행렬 대수)
- 𝖊6, 𝖊7, 𝖊8
- 𝖋4
- 𝖌2
이 가운데, 처음 네 가지를 '''고전적'''(classical영어), 나머지를 '''예외적'''(exceptional영어)이라고 부른다. 여기서 아래 첨자는 근의 수를 나타낸다.
8. 2. 실수 단순 리 대수
대수적으로 닫힌 체가 아닌 체 위의 반단순 리 대수 의 경우, 우선 그 대수적 폐포 위의 대수 를 분류한 뒤, 이를 에서 로 제약시키는 방법을 분류하여야 한다.실수체 의 경우, 이에 대응되는 복소수 리 대수는 '''복소화'''(complexification영어) 라고 하며, 주어진 복소수 리 대수에 대응되는 실수 리 대수들은 '''실수 형식'''(real form영어)이라고 한다.
실수 단순 리 대수에서 복소수 단순 리 대수로 가는 복소화 사상은 전사 함수지만, 단사 함수는 아니며, 그 원상은 유한하다. 즉 각 단순 복소 단순 리 대수에 대하여 유한 개의 실수 단순 리 대수가 대응하고, 모두 알려져 있다.[12]
9. 표현론
를 표수가 0인 대수적으로 닫힌 체 위의 (유한 차원) 반단순 리 대수라고 하면, 이고, 여기서 는 근계이다. 보렐 부분 대수는 다음과 같다.
최고 무게 벡터와 최고 무게''V''를 (가능한 무한 차원) 단순 -가군이라고 하자. ''V''가 -무게 벡터 를 갖는다면,[13] 이는 스케일링까지 유일하며 ''V''의 최고 무게 벡터라고 한다. 또한 -무게 벡터이며, 의 선형 함수인 의 -무게는 ''V''의 최고 무게라고 한다. 를 최고 무게로 갖는 단순 -가군 가 존재하고, 같은 최고 무게를 갖는 두 개의 단순 가군은 동치이다.[14]
최고 무게 정리가 리 군의 리 대수(또는 그러한 대수의 복소화)인 경우, 리 대응을 통해 리 대수 표현을 리 군 표현으로 적분할 수 있기 때문에, 유한 차원 단순 -가군(유한 차원 기약 표현)에 관심이 있는 경우가 많다. 양 바일 공간 는 를 의미하며, 여기서 는 인 고유 벡터이다.[15]
- 는 각 양근 에 대해 (1) 가 정수이고 (2) 가 에 속하는 경우에만 해당한다.
위의 조건을 만족하는 선형 함수 를 우세한 정수 무게라고 한다. 우세한 정수 무게와 유한 차원 단순 -가군의 동치류 사이에는 전단사 함수가 존재하며, 이를 최고 무게 정리라고 한다. 유한 차원 단순 가군의 문자는 바일 문자 공식으로 계산된다.
바일 완전 가약성 정리바일 완전 가약성 정리에 따르면, 표수가 0인 체 위에서 반단순 리 대수 의 모든 유한 차원 가군은 완전 가약이다. 즉, 단순 -가군의 직합이다.
10. 일반화
반단순 리 대수는 특정한 일반화를 허용한다. 우선, 반단순 리 대수에 대해 참인 많은 명제는 더 일반적으로 축약 리 대수에 대해서도 참이다.[3] 추상적으로 축약 리 대수는 자신의 수반 표현이 완전 기약인 리 대수이며,[3] 구체적으로 환원 리 대수는 반단순 리 대수와 아벨 리 대수의 직합이다.[3] 예를 들어, 은 반단순이며, 는 환원이다.[3] 반단순 리 대수의 많은 성질은 기약성에만 의존한다.[3]
복소 반단순/환원 리 대수의 많은 성질은 대수적으로 닫힌 체 위의 반단순/환원 리 대수뿐만 아니라, 더 일반적으로 다른 체 위의 분할 반단순/환원 리 대수에 대해서도 참이다.[3] 대수적으로 닫힌 체 위의 반단순/환원 리 대수는 항상 분할되지만, 다른 체에서는 항상 그런 것은 아니다.[3] 분할 리 대수는 대수적으로 닫힌 체 위의 반단순 리 대수와 본질적으로 동일한 표현론을 가지며, 예를 들어, 분할 카르탕 부분 대수는 카르탕 부분 대수가 대수적으로 닫힌 체 위에서 하는 것과 동일한 역할을 한다.[3]
11. 역사
엘리 카르탕이 1894년에 박사 학위 논문에서 복소수 반단순 리 대수를 분류하였다.[20] 펠릭스 루비노비치 간트마헤르는 1939년에 실수 반단순 리 대수를 분류하였다.[21]
복소수 위의 반단순 리 대수는 원래 빌헬름 킬링이 1888년에서 1890년 사이에 분류했지만, 킬링의 증명은 엄밀성이 부족했다. 엘리 카르탕은 1894년 박사 학위 논문에서 이 증명을 엄밀하게 만들었고, 실수 반단순 리 대수 또한 분류하였다. 이후 1947년에 유진 딘킨이 딘킨 다이어그램을 이용한 분류를 제시하면서 더욱 발전하였다.
참조
[1]
서적
[2]
문서
[3]
서적
[4]
서적
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서적
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서적
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서적
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서적
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문서
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서적
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서적
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서적
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문서
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문서
[15]
서적
[16]
서적
[17]
서적
[18]
서적
[19]
서적
Lie groups beyond an introduction
https://www.springer[...]
Birkhäuser
2002
[20]
저널
Sur la structure des groupes de transformations finis et continus
https://archive.org/[...]
Librairie Nony et Cie
1894
[21]
저널
On the classification of real simple Lie groups
http://mi.mathnet.ru[...]
1939
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