§ 2. Nhóm các vectơ tiếp xúc của một nhóm Lie
1. Các luật hợp thành tiếp xúc
Cho X và Y là các đa tạp thuộc lớp C^r. Ta biết (Các đa tạp khả vi và giải tích, R, 8.1.4) rằng X \times Y là một đa tạp thuộc lớp C^r và rằng ánh xạ (T(pr_1), T(pr_2)), tích của các ánh xạ tiếp xúc của các phép chiếu chính tắc, là một đẳng cấu thuộc lớp C^{r-1} của T(X \times Y) lên T(X) \times T(Y).\footnote{Đối với r = 1, điều này có nghĩa là (T(pr_1), T(pr_2)) là một đồng cấu của T(X \times Y) lên T(X) \times T(Y).} Đẳng cấu này tương thích với các cấu trúc bó vectơ có không gian cơ sở là X \times Y và cho phép ta đồng nhất T(X \times Y) với T(X) \times T(Y). Cho a ∈ X, b ∈ Y, u ∈ T_a(X), v ∈ T_b(Y); sự đồng nhất ở trên cho phép ta xem (u, v) như một phần tử của T_{(a, b)}(X × Y); khi đó
và (u, 0) (tương ứng (0, v)) là ảnh của u (tương ứng v) qua ánh xạ tiếp xúc của phép nhúng x ↦ (x, b) (tương ứng y ↦ (a, y)) của X (tương ứng Y) vào X × Y. Khi cần chính xác, ta sẽ viết 0_a cho phần tử không của T_a(x).
Bây giờ cho X, Y, Z là các đa tạp thuộc lớp C^r và f là một ánh xạ thuộc lớp C^r của X × Y vào Z. Ánh xạ tiếp xúc là, nhờ sự đồng nhất ở trên, một ánh xạ thuộc lớp C^{r-1} của T(X) × T(Y) vào T(Z). Với u ∈ T_a(X) và v ∈ T_b(Y),
(1)
Mặt khác, ánh xạ y ↦ f(a, y) là hợp thành của phép nhúng y ↦ (a, y) và f; do đó
(3) là ảnh của v qua ánh xạ tiếp xúc của ánh xạ .
Tương tự
(4) là ảnh của u qua ánh xạ tiếp xúc của ánh xạ .
Nếu ánh xạ f của X × Y vào Z được ký hiệu bởi (x, y) ↦ xy, thì uv thường được dùng để ký hiệu phần tử T(f)(u, v) với u ∈ T(X), v ∈ T(Y).
Cho X là một đa tạp thuộc lớp C^r và m: X × X → X là một luật hợp thành thuộc lớp C^r trên X. Khi đó T(m) là một luật hợp thành thuộc lớp C^{r-1} trên T(X). Nó được gọi là luật hợp thành tiếp xúc với m. Phép chiếu chính tắc p của T(X) lên X tương thích với các luật m và T(m); nói cách khác,
(5)
Từ (2) suy ra rằng
(6)
với mọi x, y trong X; nói cách khác, tiết diện không của T(X) tương thích với các luật m và T(m).
Mệnh đề 1
Cho X là một đa tạp thuộc lớp C^r và m là một luật hợp thành thuộc lớp C^r trên X. Nếu m là kết hợp (tương ứng giao hoán), thì T(m) là kết hợp (tương ứng giao hoán).
Nếu m là kết hợp, thì , do đó
và do đó là kết hợp. Gọi là ánh xạ của vào . Nếu là giao hoán, thì và do đó
Nhưng là ánh xạ của vào . Do đó là giao hoán.
Mệnh đề 2
Cho là một đa tạp thuộc lớp , là một luật hợp thành thuộc lớp trên và là một phần tử đơn vị đối với .
(i) *Vectơ là một phần tử đơn vị đối với . (ii) * là ổn định đối với và luật hợp thành cảm sinh trên bởi là phép cộng của không gian vectơ . (iii) *Cho là một tập con mở của và là một ánh xạ thuộc lớp của vào sao cho, với mọi , là nghịch đảo của đối với . Khi đó, với mọi , là nghịch đảo của đối với .
Các tính chất (3) và (4) chỉ ra rằng với mọi , do đó (i). Với trong ,
do đó (ii). Cuối cùng các hệ thức với mọi kéo theo
với mọi , do đó (iii).
Mệnh đề 3
Cho là các đa tạp thuộc lớp , là một số nguyên của , (tương ứng ) là một luật hợp thành thuộc lớp trên (tương ứng ) và là một ánh xạ thuộc lớp từ vào . Nếu là phân phối đối với biến có chỉ số , thì là phân phối đối với biến có chỉ số .
Chứng minh tương tự như chứng minh của Mệnh đề 1.
2. Nhóm các vectơ tiếp xúc của một nhóm Lie
Mệnh đề 4
Cho là một nhóm Lie. Khi đó , với luật hợp thành tiếp xúc với phép nhân của , là một nhóm Lie. Phần tử đơn vị của là vectơ .
Điều này suy ra từ các Mệnh đề 1 và 2.
Mệnh đề 5
Cho và là các nhóm Lie và là một cấu xạ từ vào . Khi đó là một cấu xạ từ nhóm Lie vào nhóm Lie .
Ta biết rằng là giải tích. Mặt khác, gọi (tương ứng ) là phép nhân trên (tương ứng ). Khi đó , do đó
điều này biểu thị rằng là một đồng cấu nhóm.
Hệ quả
Cho là các nhóm Lie. Đẳng cấu chính tắc của đa tạp lên đa tạp là một đẳng cấu nhóm Lie.
là một cấu xạ từ vào và do đó là một cấu xạ từ vào .
Mệnh đề 6
Cho là một nhóm Lie.* (i) Phép chiếu chính tắc là một cấu xạ nhóm Lie. (ii) Hạt nhân của là . Nó là một nhóm con Lie của . Cấu trúc nhóm Lie cảm sinh trên bởi cấu trúc trên là cấu trúc nhóm Lie của không gian khả chuẩn đầy đủ . (iii) Tiết diện không là một đẳng cấu của nhóm Lie lên một nhóm con Lie của (mà nhóm con này ta đồng nhất với ). (iv) *Nhóm Lie là tích nửa trực tiếp của bởi .
Mệnh đề (i) suy ra từ (5). Mệnh đề (ii) là hiển nhiên khi tính đến Mệnh đề 2 (ii). Các mệnh đề (iii) và (iv) suy ra từ (6) và § 1, Mệnh đề 8.
Cho và . Theo (3) và (4), các tích được tính trong nhóm là các ảnh của qua và . Suy ra từ § 1, Hệ quả 2 của Mệnh đề 17 rằng ánh xạ từ vào là một đẳng cấu của bó vectơ tầm thường với không gian cơ sở lên bó vectơ . Đẳng cấu nghịch đảo được gọi là phép tầm thường hóa trái của . Bằng cách xét ánh xạ , phép tầm thường hóa phải của được định nghĩa tương tự.
Mệnh đề 7
Cho là một nhóm Lie, là một đa tạp lớp và và là các ánh xạ lớp từ vào , sao cho là một ánh xạ lớp từ vào . Cho . Khi đó
Cho là phép nhân của . Khi đó . Bây giờ
do đó . Khi đó chỉ cần áp dụng (1) với được thay bởi .
Hệ quả
Cho . Ánh xạ tiếp xúc tại của ánh xạ của vào là ánh xạ của vào .
Đối với , điều này suy ra bằng quy nạp theo từ Mệnh đề 7. Mặt khác, ánh xạ tiếp xúc tại của ánh xạ là ánh xạ (no. 1, Mệnh đề 2).
Cho G là một nhóm Lie, X là một đa tạp lớp C^r và là một luật phép toán trái lớp C^r của G trên X. Lập luận như đối với Mệnh đề 1, ta suy ra một luật phép toán trái lớp C^{r-1} của T(G) trên T(X), mà ta cũng sẽ ký hiệu bởi . Đồng nhất G (tương ứng X) với ảnh của tiết diện không của T(G) (tương ứng T(X)), ta thấy theo (6) rằng luật phép toán trái của T(G) trên T(X) mở rộng luật phép toán trái của G trên X. Với mọi và , theo (1),
Nếu và , thì gv, theo (3), là ảnh của v qua ánh xạ tiếp xúc tại x của ánh xạ của X vào X. Ánh xạ tiếp xúc này là một đẳng cấu của lên . Đặc biệt,
Nếu và , thì ux, theo (4), là ảnh của u qua ánh xạ tiếp xúc tại g của ánh xạ của G vào X. Do đó
Điều trên có thể áp dụng cho trường hợp một nhóm Lie tác động lên chính nó bởi phép tịnh tiến trái (tương ứng phải). Luật phép toán tương ứng của T(G) trên T(G) được xác định bởi phép tịnh tiến trái (tương ứng phải) của nhóm Lie T(G). Vì vậy các công thức (7), (8) và (9) đúng trong T(G).
Mệnh đề 8
Cho G_1 và G_2 là các nhóm Lie, X_1 và X_2 là các đa tạp lớp C^r và là một luật phép toán trái lớp C^r của G_i trên X_i (). Cho là một cấu xạ của G_1 vào G_2 và là một -cấu xạ của X_1 vào X_2. Khi đó T(\psi) là một T(\phi)-cấu xạ của T(X_1) vào T(X_2).
, do đó
Cho G là một nhóm Lie, X là một đa tạp lớp C^r và là một luật phép toán trái lớp C^r của G trên X. Cho I là một tập con mở của K chứa 0 và là một ánh xạ lớp C^r sao cho . Cho
Cho . Sử dụng (4), ax là ảnh qua ánh xạ tiếp xúc của của vectơ tiếp xúc 1 của I tại 0. Do đó trường vectơ trên X là trường vectơ được xác định bởi ánh xạ theo nghĩa của Differentiable and Analytic Manifolds, R, 8.4.5.
3. Trường hợp của mầm nhóm
Cho là một mầm nhóm Lie và là tập hợp định nghĩa của m. Khi đó T(\Omega) được đồng nhất với một tập con mở của và T(m) là một ánh xạ giải tích của vào . Có thể kiểm tra như trong no. 2 rằng là một mầm nhóm Lie. Các phép tích của và thường được viết theo dạng nhân. Phép chiếu chính tắc của lên là một cấu xạ của các mầm nhóm Lie. Hạn chế của lên là phép cộng không gian vectơ của . Tiết diện không của T(G) là một đẳng cấu của mầm nhóm Lie lên một mầm nhóm con Lie của T(G) mà ta đồng nhất với G. Nếu là một cấu xạ của vào một mầm nhóm Lie , thì là một cấu xạ của các mầm nhóm Lie.
Ánh xạ của vào là một đẳng cấu của bó vectơ tầm thường với không gian cơ sở G lên bó vectơ ; vì và là giải tích và là các cấu xạ bó vectơ, nên chỉ cần áp dụng Differentiable and Analytic Manifolds, R, 7.2.1. (Chứng minh của no. 2 cũng có thể được thích nghi.) Đẳng cấu được gọi là phép tầm thường hóa trái của . Đẳng cấu nghịch đảo của ánh xạ được gọi là phép tầm thường hóa phải.
Cho là một đa tạp lớp và là một mảnh luật của phép toán trái lớp của trên . Khi đó là một mảnh luật của phép toán trái lớp của trên mở rộng . Các công thức (7), (8) và (9) vẫn đúng nếu được xác định. Nếu là một tập con mở của chứa 0, nếu là một ánh xạ lớp sao cho và nếu , trường vectơ xác định trên là trường vectơ được xác định bởi ánh xạ theo nghĩa của Đa tạp khả vi và giải tích, R, 8.4.5.