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고리군

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1. 개요

고리군은 콤팩트 리 군 G와 콤팩트 매끄러운 다양체 M이 주어졌을 때, M이 원 S^1일 경우의 매끄러운 함수 공간 \mathcal{C}^\infty(M,G) 위에 위상군 구조를 부여한 것이다. 이는 다양체 M에서 위상군 G로의 연속 사상의 군으로, 특히 S^1에서 G로의 연속 사상인 "루프"들의 집합으로 정의된다. 고리군은 게이지 변환 군의 특수한 경우이며, 기본 고리군, 양에너지 표현 등 다양한 개념과 위상수학적, 대수적 성질을 갖는다. 솔리톤 방정식의 백룬트 변환을 설명하는 데 응용된다.

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고리군

2. 정의

'''고리군'''(Loop group영어)은 주어진 위상군 G와 다양체 M에 대하여, M에서 G로 가는 연속 함수들의 집합이다.

특히, M S^1일 경우, 이 군을 G의 고리군이라 하며, \mathrm LG로 표기한다.[1] \mathrm LG는 점별 곱셈 연산과 콤팩트-열린 위상을 통해 위상군을 이룬다. LG의 원소는 G에서의 "루프"라고 부른다.

LG = \{\gamma:S^1 \to G|\gamma \in C(S^1, G)\}

\mathrm LG는 기본 고리군과 G반직접곱으로 분할될 수 있다.

2. 1. 기본 고리군

기본 고리군 \Omega G는 평가 사상의 핵으로 정의되는 LG의 닫힌 정규 부분군이다.[2] LG는 기본 고리군과 G반직접곱으로 분할될 수 있다.[2]

:LG = \Omega G \rtimes G.

2. 2. 양에너지 표현

복소수 힐베르트 공간 V 위의 원군표현 :\operatorname U(1)\to\operatorname{Aut}(V) 이 다음과 같은 꼴이라면, '''양에너지 표현'''(positive-energy representation영어)이라고 한다.

:\exp(\mathrm it) \mapsto \exp(\mathrm itA)

여기서 A는 양의 실수 스펙트럼을 갖는 (유계 또는 비유계) 작용소이다.

복소수 힐베르트 공간 V 위의 연속 표현 :\rho\colon \mathrm LG\to\operatorname{Aut}(V) 이 다음 조건을 만족시킨다면, '''양에너지 표현'''(positive-energy representation영어)이라고 한다.

  • \tilde\rho\restriction \operatorname U(1)원군의 양에너지 표현이며, \tilde\rho\restriction\mathrm LG = \rho인 연속 표현 \tilde\rho\operatorname U(1)\rtimes \mathrm LG \to \operatorname{Aut}(V)이 존재한다.

3. 성질

고리군은 여러 가지 성질을 가진다.

아핀 리 대수는 고리군의 리 대수의 중심 확장이다.[1]

(n,\lambda)\in\mathbb Z \oplus \operatorname H^2(G/T;\mathbb Z)에 대하여 \mathrm LG/T 위의 복소수 선다발

:\mathbb C\hookrightarrow L_{n,\lambda}\twoheadrightarrow \mathrm LG/T

을 정의할 수 있다. 그 정칙 단면의 복소수 힐베르트 공간 \operatorname H^0(L_{n,\lambda})을 생각하면, 동차 공간 \mathrm LG/T 위에 \mathrm LG의 표준적인 왼쪽 작용이 존재하며, 이는 \operatorname H^0(L_{n,\lambda}) 위의 왼쪽 작용을 유도한다. 즉, 이는 \mathrm LG표현을 이룬다.[3]

\operatorname{Lie}(H)^*에서 양근의 집합을 선택할 경우, 보렐-베유-보트 정리에서의 구성으로서 아벨 군의 동형

:\operatorname H^2(G/T;\mathbb Z) \cong \hat T

이 결정된다. 여기서 \hat TT의 폰트랴긴 쌍대군(\operatorname U(1)\to T의 꼴의 군 준동형의 군)이다.

고리군에 대하여, 보렐-베유-보트 정리와 유사한 정리가 성립한다.[3]

3. 1. 위상수학적 성질

LG가 연결 공간일 필요충분조건은 G가 연결 단일 연결 공간인 것이다.

G가 연결 단일 연결 콤팩트 반단순 리 군이고, 그 카르탕 부분군이 T ≤ G라고 하면, 올다발

:G/T ↪ LG/T ↠ LG/G

가 존재한다.

LG/T의 2차 특이 코호몰로지는 다음과 같다.

:H2(LG/T;Z) ≅ Z ⊕ H2(G/T;Z)

3. 2. 대수적 성질

아핀 리 대수는 고리군의 리 대수의 중심 확장이다.[1]

3. 3. 표현론

(n,\lambda)\in\mathbb Z \oplus \operatorname H^2(G/T;\mathbb Z)에 대하여 \mathrm LG/T 위의 복소수 선다발

:\mathbb C\hookrightarrow L_{n,\lambda}\twoheadrightarrow \mathrm LG/T

을 정의할 수 있다. 그 정칙 단면의 복소수 힐베르트 공간

:\operatorname H^0(L_{n,\lambda})

을 생각하면, 동차 공간 \mathrm LG/T 위에 \mathrm LG의 표준적인 왼쪽 작용이 존재하며, 이는 \operatorname H^0(L_{n,\lambda}) 위의 왼쪽 작용을 유도한다. 즉, 이는 \mathrm LG표현을 이룬다.[3]

\operatorname{Lie}(H)^*에서 양근의 집합을 선택할 경우, 보렐-베유-보트 정리에서의 구성으로서 아벨 군의 동형

:\operatorname H^2(G/T;\mathbb Z) \cong \hat T

이 결정된다. 여기서 \hat TT의 폰트랴긴 쌍대군(\operatorname U(1)\to T의 꼴의 군 준동형의 군)이다.

고리군에 대하여, 다음과 같은 보렐-베유-보트 정리의 일종이 성립한다.[3]

  • \operatorname H^0(L_{n,\lambda})는 0차원이거나 또는 \mathrm LG의 기약 양에너지 표현을 이룬다.
  • 반대로, \mathrm LG의 모든 기약 양에너지 표현에 대하여, 이를 위와 같이 구성하는 (n,\lambda)\in\mathbb Z \oplus \operatorname H^2(G/T;\mathbb Z)가 존재한다.
  • \operatorname H^0(L_{n,\lambda}) \ne \{0\}일 필요충분조건은 다음과 같다.
  • * G의 모든 양의 쌍대근 h\in\operatorname{Lie}(T)에 대하여, 0\le \lambda(h) \le n\langle h|h\rangle

여기서 \langle -|-\rangleT리 대수 \operatorname{Lie}(T) (즉, 쌍대근의 공간) 위의 표준적인 양의 정부호 대칭 쌍선형 형식이다.

4. 응용

추-리안 턴([Chuu-Lian Terng])과 카렌 울렌벡([Karen Uhlenbeck])은 고리군을 솔리톤 방정식에서 백룬트 변환([Bäcklund transform]) 현상을 설명하는 데 사용하였다.[2]

참조

[1] 서적
[2] 논문 Geometry of Solitons https://www.ams.org/[...]
[3] 서적 Arbeitstagung Bonn 1984 https://web.archive.[...] Springer-Verlag 1985



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