마우러-카르탕 형식
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1. 개요
마우러-카르탕 형식은 리 군 G에 대해 정의되는 리 대수 값 1차 미분 형식으로, 각 점 g에서 접벡터를 리 대수의 원소로 변환한다. 이 형식은 리 군의 주 균질 공간을 식별하고, 주접속의 정의와 같으며, 마우러-카르탕 방정식을 만족한다. 마우러-카르탕 방정식은 dω + 1/2[ω∧ω] = 0으로 표현되며, 균질 공간과 카르탕의 이동 틀 방법에서 중요한 역할을 한다.
리 군은 여러 가지 동치인 방법으로 정의될 수 있다.
리 군 위의 좌불변 벡터장에 대해, 상수 함수이다. 두 좌불변 벡터장 에 대해, 가 성립한다. 이러한 성질들은 마우러-카르탕 방정식을 유도하는 데 사용된다.[1]
2. 정의
편의상, 왼쪽 · 오른쪽 곱셈 함수를 다음과 같이 정의한다.
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리 군은 곱셈을 통해 자신에게 작용한다.
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카르탕과 그의 동시대인들에게 중요한 질문은 주 균질 공간을 식별하는 방법이었다. 즉, 군 와 동일하지만 단위 원소를 고정하여 선택하지 않은 다양체 였다. 이러한 동기는 부분적으로 펠릭스 클라인의 에를랑겐 프로그램에서 비롯되었으며, 여기서 공간의 대칭이 리 군을 형성하는 변환군인 공간의 대칭 개념에 관심이 있었다.
의 주 균질 공간은 에 대한 의 자유적이고 추이적인 작용을 갖는다는 특징을 갖는 다양체 이다. '''마우러-카르탕 형식'''[1]은 주 균질 공간의 적절한 ''미분'' 특성을 제공한다. 이는 마우러-카르탕 방정식으로 알려진 적분 가능 조건을 만족하는 에서 정의된 1-형식이다. 이 적분 가능 조건을 사용하여 리 대수의 지수 사상을 정의할 수 있으며, 이러한 방식으로 국소적으로 에 대한 군 작용을 얻을 수 있다.
보다 추상적으로, ''G''의 주 등질 공간은 ''G''의 자유롭고 추이적인 작용을 갖는 다양체로 정의할 수 있다. 마우러-카르탕 형식[3]은 마우러-카르탕 방정식이라고 불리는 적분 가능 조건을 만족하며, 주 등질 공간의 구조에 대한 최소한의 특징을 제공한다고 볼 수 있다. 이 적분 가능 조건에 의해, ''G''의 작용을 국소적으로 나타내는 리 대수의 작용을 정할 수 있게 된다.
2. 1. 내재적 정의
리 군 가 주어졌을 때, 각 점 에서 접벡터 를 리 대수 의 원소로 보내는 1차 미분 형식 를 '''마우러-카르탕 형식'''이라고 한다.[2]
구체적으로, 마우러-카르탕 형식은 다음과 같이 정의된다.
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여기서 는 왼쪽 곱셈 에 의한 밂(pushforward)이다. 다시 말해, 의 원소 에서의 접벡터 를 로 왼쪽으로 밀어 항등원에서의 접벡터, 즉 리 대수의 원소로 보내는 것이다.[3]
이 정의는 리 군이 자신에게 왼쪽 이동으로 작용한다는 사실을 이용한다.
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주어진 에 대해,
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이는 접다발 사이의 사상을 유도한다.
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즉, 접벡터를 왼쪽 곱셈을 통해 다른 점으로 옮길 수 있다.
2. 2. 외재적 정의
리 군 가 일반 선형군 의 부분군으로 표현될 때, 마우러-카르탕 형식은 로 표현된다. 여기서 은 의 원소, 는 의 미분이다.
더 일반적으로, 연결 단일 연결 리 군 는 어떤 에 대해 매끄러운 군 준동형 를 통해 표현될 수 있다. 이 경우 마우러-카르탕 형식은 (당김)으로 정의된다.
만약 가 단일 연결이 아닌 연결 리 군이라면, 마우러-카르탕 형식은 그 범피복군 에 대하여 가 되는 유일한 미분 형식이다.
가 행렬 값을 갖는 사상 에 의해 에 임베딩되면, 를 다음과 같이 명시적으로 쓸 수 있다.
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이러한 의미에서, 마우러-카르탕 형식은 항상 의 항등 사상의 왼쪽 로그 미분이다.
2. 3. 공리적 정의
리 군 위의 '''마우러-카르탕 형식'''은 다음 조건들을 모두 만족시키는 유일한 값 1차 미분 형식
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이다.
이 정의는 주접속의 정의와 같다. 즉, 를 한원소 공간 위의 주다발
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로 간주하면, '''마우러-카르탕 형식'''은 그 위의 유일한 주접속이다.
여기서 이며, 는 군에서의 오른쪽 이동을 따른 형식의 당김이고, 는 리 대수에 대한 수반 작용이다.
3. 성질
마우러-카르탕 형식은 주다발 위의 유일한 주 접속으로 특징지을 수 있다. 이는 다음 조건을 만족하는 위의 유일한 값의 1-형식이다.[1]
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여기서 는 군에서의 오른쪽 이동을 따른 형식의 당김이고, 는 리 대수에 대한 수반 작용이다.[1]
군 ''G''의 각 원소에 대해, 오른쪽 곱셈에 의한 작용 ''R''''g'': ''h'' → ''h g''를 고려하면, ''h''에서의 접벡터 ''X''에 대해 다음이 성립한다.
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여기서, Adj는 G에 의한 '''g'''로의 수반 작용을 나타낸다.[1]
마우러-카르탕 형식은 '''마우러-카르탕 틀'''로 구성할 수도 있다. 군 ''G'' 위의 좌불변 벡터장의 공간의 기저 ''E''''i''를 취하고, 그 (좌불변 미분 형식으로 이루어진) 쌍대 기저를 θ''i''라고 하면, ''E''''i''는 '''마우러-카르탕 틀'''을, θ''i''는 '''마우러-카르탕 여틀'''을 제공한다.
각 ''E''i는 좌불변이므로, 마우러-카르탕 형식이 취하는 값은 ''E''i(e) ∈ ''g''로 일정하다. 따라서 마우러-카르탕 형식은
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로 나타낼 수도 있다.
벡터장 ''E''''i'' 사이의 브라켓이
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에 의해 주어진다고 하자. 이때, 상수 ''c''''i j''''k''는 기저 ''E''''i''에 관한 리 대수의 '''구조 상수'''라고 불린다. 외미분 ''d''의 마우러-카르탕 여틀에 대한 작용은
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로 나타낼 수 있으며, 이는 기저의 쌍대성으로부터
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로 고쳐 쓸 수 있다. 이는 상기 마우러-카르탕 방정식과 같은 것을 나타낸다.
3. 1. 마우러-카르탕 방정식
마우러-카르탕 형식은 다음 조건을 만족시킨다.[1]
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이를 '''마우러-카르탕 방정식'''(Maurer–Cartan equation영어)이라고 한다.[1]
만약 가 상의 좌불변 벡터장이라면, 는 상에서 상수이다. 또한, 와 가 모두 좌불변이라면, 다음 식이 성립한다.
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여기서 좌변의 괄호는 벡터장의 리 괄호이고, 우변의 괄호는 리 대수 상의 괄호이다. 이 사실은 리 대수의 동형 사상을 설정하는 데 사용될 수 있다.
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외미분의 정의에 의해, 와 가 임의의 벡터장이라면 다음이 성립한다.
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여기서 는 1-형식 를 벡터장 와 쌍으로 묶어 이중성으로부터 얻은 -값 함수이고, 는 를 따라 이 함수의 리 미분이다. 마찬가지로 는 -값 함수 의 를 따른 리 미분이다.
특히, 와 가 좌불변이라면,
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이므로
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이 성립한다. 이 등식의 좌변은 에 값을 가지는 2차 미분 형식으로 표시되며, 와 의 각 점에서의 값에만 의존한다. 불변 벡터장의 한 점에서의 값은 임의로 선택할 수 있으므로, 이 등식은 좌불변이 아닌 임의의 벡터장 , 에 대해서도 성립한다.
3. 1. 1. 마우러-카르탕 방정식의 일반화
리 군 위의, 값의 미분 형식들은 미분 등급 리 대수 를 이룬다. 이에 따라, 마우러-카르탕 방정식은 임의의 미분 등급 리 대수 에 대하여 일반화된다. 즉,
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위의 마우러-카르탕 방정식은 1차 원소에 대한 방정식
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이다. 그러나 그 해는 일반적으로 유일하지 못하다. (차수 조건을 생략할 경우, 예를 들어 역시 마우러-카르탕 방정식을 자명하게 만족시킨다.)
보다 일반적으로, 임의의 L∞-대수 를 생각하자. L∞-대수에서, 미분 연산 는 1항 괄호에 해당한다. 이 경우, 위의 '''마우러-카르탕 방정식'''은 다음과 같다.
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4. 역사
마우러-카르탕 형식은 루트비히 마우러(Ludwig Maurer|루트비히 마우러de, 1859~1927)와 엘리 카르탕[4]의 이름을 따서 지어졌다. 특히 엘리 카르탕은 펠릭스 클라인의 에를랑겐 프로그램에 영향을 받아, 리 군의 주 등질 공간을 특징짓는 문제를 연구하면서 마우러-카르탕 형식을 도입했다.[1][3]
5. 예
아벨 군 의 경우, 마우러-카르탕 형식은 다음과 같다.
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이 경우, 마우러-카르탕 방정식은 다음과 같다.
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따라서 마우러-카르탕 방정식은 마우러-카르탕 원소를 완전히 결정하지 못한다.
6. 응용
마우러-카르탕 형식은 균질 공간과 리 군론에서 여러 응용 사례를 갖는다.
=== 균질 공간 위의 마우러-카르탕 형식 ===
리 군 $G$의 닫힌 부분군 $H$에 대하여, 균질 공간 $G/H$는 차원이 $\dim G - \dim H$인 매끄러운 다양체이다.[1] 몫 사상 $G \rightarrow G/H$는 $G/H$ 위에 $H$-주다발의 구조를 유도한다. 리 군 $G$ 위의 마우러-카르탕 형식은 이 주다발에 대한 평탄한 카르탕 접속을 생성한다.[1] 특히, $H = \{e\}$이면, 이 카르탕 접속은 일반적인 접속 형식이 되며, 곡률이 사라지는 조건은 다음과 같다.[1]
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이동 틀 방법에서, 자명한 다발의 국소적 단면 $s: G/H \rightarrow G$를 고려한다.[1] 균질 공간의 부분다양체에서 작업한다면, $s$는 부분다양체 위에서 국소적 단면이기만 하면 된다.[1] 마우러-카르탕 형식의 당김은 $\mathfrak{g}$-값을 가지는 비퇴화 $1$-형식 $\theta = s^*\omega$를 기저 위에 정의한다.[1] 마우러-카르탕 방정식은 다음을 의미한다.[1]
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열린 집합 $U$와 $V$ 위에서 각각 정의된 국소적 단면 쌍 $s_U$와 $s_V$는 다발의 각 섬유에서 $H$의 원소와 관련된다.[1]
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$h$의 미분은 겹치는 영역에서 두 단면을 연결하는 호환성 조건을 제공한다.[1]
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여기서 $\omega_H$는 군 $H$ 위의 마우러-카르탕 형식이다.[1]
마우러-카르탕 구조 방정식을 만족하고, 호환성 조건을 충족하는 다양체 $M$의 열린 집합에서 정의된 비퇴화 $\mathfrak{g}$-값을 가지는 $1$-형식 $\theta_U$의 시스템은 다양체 $M$에 국소적으로 균질 공간 $G/H$의 구조를 부여한다.[1] 이는 다르부 미분의 원시 함수의 존재에서 기인한다.[1]
=== 마우러-카르탕 틀 ===
마우러-카르탕 형식은 리 군의 왼쪽 불변 벡터장으로 구성된 단면의 기저인 '''마우러-카르탕 틀'''로부터 구성할 수 있다.[2] 가 성립하는 단면의 쌍대 기저를 라 한다. 여기서 는 크로네커 델타이다.[2] 는 마우러-카르탕 틀이고, 는 '''마우러-카르탕 코프레임'''이다.
는 왼쪽 불변이므로, 마우러-카르탕 형식을 적용하면 단순히 의 항등원에서의 값을 반환한다. 따라서 이다. 그러므로 마우러-카르탕 형식은 다음과 같이 쓸 수 있다.
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벡터장 의 리 괄호가 다음과 같이 주어진다고 가정하자.
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여기서 는 (기저 에 대한) 리 대수의 구조 상수이다. 외부 미분 의 정의를 사용하면, 다음을 얻는다.
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따라서 쌍대성에 의해
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이 방정식은 '''마우러-카르탕 방정식'''이라고도 불린다.
6. 1. 균질 공간 위의 마우러-카르탕 형식
리 군 $G$의 닫힌 부분군 $H$에 대하여, 균질 공간 $G/H$는 차원이 $\dim G - \dim H$인 매끄러운 다양체이다.[1] 몫 사상 $G \rightarrow G/H$는 $G/H$ 위에 $H$-주다발의 구조를 유도한다. 리 군 $G$ 위의 마우러-카르탕 형식은 이 주다발에 대한 평탄한 카르탕 접속을 생성한다.[1] 특히, $H = \{e\}$이면, 이 카르탕 접속은 일반적인 접속 형식이 되며, 곡률이 사라지는 조건은 다음과 같다.[1]:
이동 틀 방법에서, 자명한 다발의 국소적 단면 $s: G/H \rightarrow G$를 고려한다.[1] 균질 공간의 부분다양체에서 작업한다면, $s$는 부분다양체 위에서 국소적 단면이기만 하면 된다.[1] 마우러-카르탕 형식의 당김은 $\mathfrak{g}$-값을 가지는 비퇴화 $1$-형식 $\theta = s^*\omega$를 기저 위에 정의한다.[1] 마우러-카르탕 방정식은 다음을 의미한다.[1]
:
열린 집합 $U$와 $V$ 위에서 각각 정의된 국소적 단면 쌍 $s_U$와 $s_V$는 다발의 각 섬유에서 $H$의 원소와 관련된다.[1]
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$h$의 미분은 겹치는 영역에서 두 단면을 연결하는 호환성 조건을 제공한다.[1]
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여기서 $\omega_H$는 군 $H$ 위의 마우러-카르탕 형식이다.[1]
마우러-카르탕 구조 방정식을 만족하고, 호환성 조건을 충족하는 다양체 $M$의 열린 집합에서 정의된 비퇴화 $\mathfrak{g}$-값을 가지는 $1$-형식 $\theta_U$의 시스템은 다양체 $M$에 국소적으로 균질 공간 $G/H$의 구조를 부여한다.[1] 이는 다르부 미분의 원시 함수의 존재에서 기인한다.[1]
6. 2. 마우러-카르탕 틀
마우러-카르탕 형식은 '''마우러-카르탕 틀'''로부터 구성할 수 있다. 리 군의 왼쪽 불변 벡터장으로 구성된 단면의 기저를 라 하고, 가 성립하는 단면의 쌍대 기저를 라 한다. 여기서 는 크로네커 델타이다.[2] 그러면 는 마우러-카르탕 틀이고, 는 '''마우러-카르탕 코프레임'''이다.는 왼쪽 불변이므로, 마우러-카르탕 형식을 적용하면 단순히 의 항등원에서의 값을 반환한다. 따라서 이다. 그러므로 마우러-카르탕 형식은 다음과 같이 쓸 수 있다.
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벡터장 의 리 괄호가 다음과 같이 주어진다고 가정하자.
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여기서 는 (기저 에 대한) 리 대수의 구조 상수이다. 외부 미분 의 정의를 사용하면, 다음을 얻는다.
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따라서 쌍대성에 의해
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이 방정식은 '''마우러-카르탕 방정식'''이라고도 불린다.
마우러-카르탕 형식은 '''마우러-카르탕 표구'''로 구성할 수도 있다. 군 ''G'' 위의 좌불변 벡터장의 공간의 기저 ''E''''i''를 취하고, 그 쌍대 기저를 θ''i''라고 하면, ''E''''i''는 '''마우러-카르탕 표구'''를, θ''i''는 '''마우러-카르탕 여표구'''를 제공한다.
각 ''E''i는 좌불변이므로, 마우러-카르탕 형식이 취하는 값은 ''E''i(e) ∈ ''g''로 일정하다. 따라서 마우러-카르탕 형식은
:
로 나타낼 수 있다.
벡터장 ''E''''i'' 사이의 브라켓이
:
에 의해 주어진다고 하자. 이때, 상수 ''c''''i j''''k''는 기저 ''E''''i''에 관한 리 대수의 구조 상수이다. 외미분 ''d''의 마우러-카르탕 여틀에 대한 작용은
:
로 나타낼 수 있으며, 이는 기저의 쌍대성으로부터
:
로 고쳐 쓸 수 있다. 이는 상기 마우러-카르탕 방정식과 같은 것을 나타낸다.
참조
[1]
문서
Introduced by Cartan (1904).
[2]
문서
Subtlety: gives a vector in
[3]
논문
Sur la structure des groupes infinis de transformations
http://archive.numda[...]
[4]
논문
http://www.numdam.or[...]
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