Bourbaki

§ 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

(u,v)=(u,0)+(0,v)(u, v) = (u, 0) + (0, v)

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)

T(f)(u,v)=T(f)(u,0b)+T(f)(0a,v),T(f)(u, v) = T(f)(u, 0_b) + T(f)(0_a, v),
(2)
T(f)(0a,0b)=0f(a,b).T(f)(0_a, 0_b) = 0_{f(a, b)}.

Mặt khác, ánh xạ y ↦ f(a, y) là hợp thành của phép nhúng y ↦ (a, y) và f; do đó

(3) T(f)(0,v)T(f)(0, v) là ảnh của v qua ánh xạ tiếp xúc của ánh xạ y↦f(a,y)y \mapsto f(a, y).

Tương tự

(4) T(f)(u,0)T(f)(u, 0) là ảnh của u qua ánh xạ tiếp xúc của ánh xạ x↦f(x,b)x \mapsto f(x, b).

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)

p∘T(m)=m∘(p×p).p \circ T(m) = m \circ (p \times p).

Từ (2) suy ra rằng

(6)

T(m)(0x,0y)=0m(x,y)T(m)(0_x, 0_y) = 0_{m(x, y)}

với mọi x, y trong X; nói cách khác, tiết diện không x↦0xx \mapsto 0_x 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 m∘(m×IdX)=m∘(IdX×m)m \circ (m \times \mathrm{Id}_X) = m \circ (\mathrm{Id}_X \times m), do đó

T(m)∘(T(m)×IdT(X))=T(m)∘(IdT(X)×T(m))T(m) \circ (T(m) \times \mathrm{Id}_{T(X)}) = T(m) \circ (\mathrm{Id}_{T(X)} \times T(m))

và do đó T(m)T(m) là kết hợp. Gọi ss là ánh xạ (x,y)↦(y,x)(x, y) \mapsto (y, x) của X×XX \times X vào X×XX \times X. Nếu mm là giao hoán, thì m∘s=mm \circ s = m và do đó

T(m)∘T(s)=T(m). T(m) \circ T(s) = T(m).

Nhưng T(s)T(s) là ánh xạ (u,v)↦(v,u)(u, v) \mapsto (v, u) của T(X)×T(X)T(X) \times T(X) vào T(X)×T(X)T(X) \times T(X). Do đó T(m)T(m) là giao hoán.

Mệnh đề 2

Cho XX là một đa tạp thuộc lớp CrC^r, mm là một luật hợp thành thuộc lớp CrC^r trên XX và ee là một phần tử đơn vị đối với mm.

(i) *Vectơ 0e0_e là một phần tử đơn vị đối với T(m)T(m). (ii) *Te(X)T_e(X) là ổn định đối với T(m)T(m) và luật hợp thành cảm sinh trên Te(X)T_e(X) bởi T(m)T(m) là phép cộng của không gian vectơ Te(X)T_e(X). (iii) *Cho UU là một tập con mở của XX và α\alpha là một ánh xạ thuộc lớp CrC^r của UU vào XX sao cho, với mọi x∈Ux \in U, α(x)\alpha(x) là nghịch đảo của xx đối với mm. Khi đó, với mọi u∈T(U)u \in T(U), T(α)uT(\alpha)u là nghịch đảo của uu đối với T(m)T(m).

Các tính chất (3) và (4) chỉ ra rằng T(m)(0e,u)=T(m)(u,0e)=uT(m)(0_e, u) = T(m)(u, 0_e) = u với mọi u∈T(X)u \in T(X), do đó (i). Với u,vu, v trong Te(X)T_e(X),

T(m)(u,v)=T(m)(u,0e)+T(m)(0e,v)=u+v, T(m)(u, v) = T(m)(u, 0_e) + T(m)(0_e, v) = u + v,

do đó (ii). Cuối cùng các hệ thức m(x,α(x))=m(α(x),x)=em(x, \alpha(x)) = m(\alpha(x), x) = e với mọi x∈Ux \in U kéo theo

T(m)(u,T(α)(u))=T(m)(T(α)u,u)=0e T(m)(u, T(\alpha)(u)) = T(m)(T(\alpha)u, u) = 0_e

với mọi u∈T(U)u \in T(U), do đó (iii).

Mệnh đề 3

Cho X1,X2,…,Xp,YX_1, X_2, \ldots, X_p, Y là các đa tạp thuộc lớp CrC^r, ii là một số nguyên của {1,p}\{1, p\}, mim_i (tương ứng nn) là một luật hợp thành thuộc lớp CrC^r trên XiX_i (tương ứng YY) và uu là một ánh xạ thuộc lớp CrC^r từ X1×X2×⋯×XpX_1 \times X_2 \times \cdots \times X_p vào YY. Nếu uu là phân phối đối với biến có chỉ số ii, thì T(u)T(u) là phân phối đối với biến có chỉ số ii.

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 GG là một nhóm Lie. Khi đó T(G)T(G), với luật hợp thành tiếp xúc với phép nhân của GG, là một nhóm Lie. Phần tử đơn vị của T(G)T(G) là vectơ 0e0_e.

Điều này suy ra từ các Mệnh đề 1 và 2.

Mệnh đề 5

Cho GG và HH là các nhóm Lie và ff là một cấu xạ từ GG vào HH. Khi đó T(f)T(f) là một cấu xạ từ nhóm Lie T(G)T(G) vào nhóm Lie T(H)T(H).

Ta biết rằng T(f′)T(f') là giải tích. Mặt khác, gọi mm (tương ứng nn) là phép nhân trên GG (tương ứng HH). Khi đó f∘m=n∘(f×f)f \circ m = n \circ (f \times f), do đó

T(f)∘T(m)=T(n)∘(T(f)×T(f)), T(f) \circ T(m) = T(n) \circ (T(f) \times T(f)),

điều này biểu thị rằng T(f)T(f) là một đồng cấu nhóm.

Hệ quả

Cho G1,…,GnG_1, \ldots, G_n là các nhóm Lie. Đẳng cấu chính tắc của đa tạp T(G1×⋯×Gn)T(G_1 \times \cdots \times G_n) lên đa tạp T(G1)×⋯×T(Gn)T(G_1) \times \cdots \times T(G_n) là một đẳng cấu nhóm Lie.

pri\mathrm{pr}_i là một cấu xạ từ G1×⋯×GnG_1 \times \cdots \times G_n vào GiG_i và do đó T(pri)T(\mathrm{pr}_i) là một cấu xạ từ T(G1×⋯×Gn)T(G_1 \times \cdots \times G_n) vào T(Gi)T(G_i).

Mệnh đề 6

Cho GG là một nhóm Lie.* (i) Phép chiếu chính tắc p:T(G)→Gp : T(G) \to G là một cấu xạ nhóm Lie. (ii) Hạt nhân của pp là Te(G)T_e(G). Nó là một nhóm con Lie của T(G)T(G). Cấu trúc nhóm Lie cảm sinh trên Te(G)T_e(G) bởi cấu trúc trên T(G)T(G) là cấu trúc nhóm Lie của không gian khả chuẩn đầy đủ Te(G)T_e(G). (iii) Tiết diện không ss là một đẳng cấu của nhóm Lie GG lên một nhóm con Lie s(G)s(G) của T(G)T(G) (mà nhóm con này ta đồng nhất với GG). (iv) *Nhóm Lie T(G)T(G) là tích nửa trực tiếp của GG bởi Te(G)T_e(G).

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 u∈T(G)u \in T(G) và g∈Gg \in G. Theo (3) và (4), các tích ug,guug, gu được tính trong nhóm T(G)T(G) là các ảnh của uu qua T(δ(g−1))T(\delta(g^{-1})) và T(γ(g))T(\gamma(g)). Suy ra từ § 1, Hệ quả 2 của Mệnh đề 17 rằng ánh xạ (g,u)↦gu(g, u) \mapsto gu từ G×Te(G)G \times T_e(G) vào T(G)T(G) là một đẳng cấu của bó vectơ tầm thường G×Te(G)G \times T_e(G) với không gian cơ sở GG lên bó vectơ T(G)T(G). Đẳng cấu nghịch đảo được gọi là phép tầm thường hóa trái của T(G)T(G). Bằng cách xét ánh xạ (g,u)↦ug(g, u) \mapsto ug, phép tầm thường hóa phải của T(G)T(G) được định nghĩa tương tự.

Mệnh đề 7

Cho GG là một nhóm Lie, MM là một đa tạp lớp CrC^r và ff và gg là các ánh xạ lớp CrC^r từ MM vào GG, sao cho fgfg là một ánh xạ lớp CrC^r từ MM vào GG. Cho m∈M,x=f(m),y=g(m),u∈Tm(M)m \in M, x = f(m), y = g(m), u \in T_m(M). Khi đó

(Tfg)u=T(f)u.y+x.T(g)u. (T fg)u = T(f)u.y + x.T(g)u.

Cho mm là phép nhân của GG. Khi đó fg=m∘(f,g)fg = m \circ (f, g). Bây giờ

T(f,g)(u)=(T(f)u,T(g)u), T(f, g)(u) = (T(f)u, T(g)u),

do đó T(fg)u=T(f)u.T(g)uT(fg)u = T(f)u.T(g)u. Khi đó chỉ cần áp dụng (1) với ff được thay bởi mm.

Hệ quả

Cho n∈Zn \in \mathbf{Z}. Ánh xạ tiếp xúc tại ee của ánh xạ g↦gng \mapsto g^n của GG vào GG là ánh xạ x↦nxx \mapsto nx của Te(G)T_e(G) vào Te(G)T_e(G).

Đối với n⩾0n \geqslant 0, điều này suy ra bằng quy nạp theo nn từ Mệnh đề 7. Mặt khác, ánh xạ tiếp xúc tại ee của ánh xạ g↦g−1g \mapsto g^{-1} là ánh xạ x↦−xx \mapsto -x (no. 1, Mệnh đề 2).

Cho G là một nhóm Lie, X là một đa tạp lớp C^r và (g,x)↦gx(g, x) \mapsto gx 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 (u,v)↦uv(u, v) \mapsto uv. 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 u∈Tg(G)u \in T_g(G) và v∈Tx(X)v \in T_x(X), theo (1),

uv=gv+ux. uv = gv + ux.

Nếu g∈Gg \in G và v∈Tx(X)v \in T_x(X), thì gv, theo (3), là ảnh của v qua ánh xạ tiếp xúc tại x của ánh xạ y↦gyy \mapsto gy của X vào X. Ánh xạ tiếp xúc này là một đẳng cấu của Tx(X)T_x(X) lên Tgx(X)T_{gx}(X). Đặc biệt,

g(v+v′)=gv+gv′,g(λv)=λ(gv)đoˆˊi với v,v′ trong Tx(X),λ∈K. g(v + v') = gv + gv', \quad g(\lambda v) = \lambda(gv) \quad \text{đối với } v, v' \text{ trong } T_x(X), \lambda \in K.

Nếu x∈Xx \in X và u∈Tg(G)u \in T_g(G), thì ux, theo (4), là ảnh của u qua ánh xạ tiếp xúc tại g của ánh xạ h↦hxh \mapsto hx của G vào X. Do đó

(u+u′)x=ux+u′x,(λu)x=λ(ux)đoˆˊi với u,u′ trong Tg(G),λ∈K. (u + u')x = ux + u'x, \quad (\lambda u)x = \lambda(ux) \quad \text{đối với } u, u' \text{ trong } T_g(G), \lambda \in K.

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 fif_i là một luật phép toán trái lớp C^r của G_i trên X_i (i=1,2i = 1, 2). Cho ϕ\phi là một cấu xạ của G_1 vào G_2 và ψ\psi là một ϕ\phi-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).

f2∘(ϕ×ψ)=ψ∘f1f_2 \circ (\phi \times \psi) = \psi \circ f_1, do đó

T(f2)∘(T(ϕ)×T(ψ))=T(ψ)∘T(f1). T(f_2) \circ (T(\phi) \times T(\psi)) = T(\psi) \circ T(f_1).

Cho G là một nhóm Lie, X là một đa tạp lớp C^r và (g,x)↦gx(g, x) \mapsto gx 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 γ:I→G\gamma: I \to G là một ánh xạ lớp C^r sao cho γ(0)=e\gamma(0) = e. Cho

a=T0(γ)1∈Te(G). a = T_0(\gamma)1 \in T_e(G).

Cho x∈Xx \in X. Sử dụng (4), ax là ảnh qua ánh xạ tiếp xúc của λ↦γ(λ)x\lambda \mapsto \gamma(\lambda)x của vectơ tiếp xúc 1 của I tại 0. Do đó trường vectơ x↦axx \mapsto ax trên X là trường vectơ được xác định bởi ánh xạ (λ,x)↦γ(λ)x(\lambda, x) \mapsto \gamma(\lambda)x theo nghĩa của Differentiable and Analytic Manifolds, R, 8.4.5.

3. Trường hợp của mầm nhóm

Cho (G,e,θ,m)(G, e, \theta, m) là một mầm nhóm Lie và Ω\Omega là tập hợp định nghĩa của m. Khi đó T(\Omega) được đồng nhất với một tập con mở của T(G)×T(G)T(G) \times T(G) và T(m) là một ánh xạ giải tích của T(Ω)T(\Omega) vào T(G)T(G). Có thể kiểm tra như trong no. 2 rằng (T(G),0e,T(θ),T(m))(T(G), 0_e, T(\theta), T(m)) là một mầm nhóm Lie. Các phép tích của GG và T(G)T(G) thường được viết theo dạng nhân. Phép chiếu chính tắc của T(G)T(G) lên GG là một cấu xạ của các mầm nhóm Lie. Hạn chế của Te(m)T_e(m) lên Te(G)T_e(G) là phép cộng không gian vectơ của Te(G)T_e(G). Tiết diện không của T(G) là một đẳng cấu của mầm nhóm Lie GG lên một mầm nhóm con Lie của T(G) mà ta đồng nhất với G. Nếu ff là một cấu xạ của GG vào một mầm nhóm Lie HH, thì T(f):T(G)→T(H)T(f): T(G) \to T(H) là một cấu xạ của các mầm nhóm Lie.

Ánh xạ ϕ:(g,u)↦gu\phi: (g, u) \mapsto gu của G×Te(G)G \times T_e(G) vào T(G)T(G) là một đẳng cấu của bó vectơ tầm thường G×Te(G)G \times T_e(G) với không gian cơ sở G lên bó vectơ T(G)T(G); vì ϕ\phi và ϕ−1\phi^{-1} 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 ϕ−1\phi^{-1} được gọi là phép tầm thường hóa trái của T(G)T(G). Đẳng cấu nghịch đảo của ánh xạ (g,u)↦ug(g, u) \mapsto ug được gọi là phép tầm thường hóa phải.

Cho XX là một đa tạp lớp CrC^r và ψ\psi là một mảnh luật của phép toán trái lớp CrC^r của GG trên XX. Khi đó T(ψ)T(\psi) là một mảnh luật của phép toán trái lớp Cr−1C^{r-1} của T(G)T(G) trên T(X)T(X) mở rộng ψ\psi. Các công thức (7), (8) và (9) vẫn đúng nếu gxgx được xác định. Nếu II là một tập con mở của KK chứa 0, nếu γ:I→G\gamma: I \to G là một ánh xạ lớp CrC^r sao cho γ(0)=e\gamma(0) = e và nếu a=T0(γ)1a = T_0(\gamma)1, trường vectơ x↦axx \mapsto ax xác định trên XX là trường vectơ được xác định bởi ánh xạ (λ,x)↦γ(λ)x(\lambda, x) \mapsto \gamma(\lambda)x theo nghĩa của Đa tạp khả vi và giải tích, R, 8.4.5.

Machine translation of the English, by gpt-5-6-mini, against glossary version 34. Not checked by a person. That model is a cut down version of the one the rest of this language was written by.