Cho f,g là hai chuỗi lũy thừa hình thức với các hệ số trong K theo cùng các biến bất định, cho fi (tương ứng gi) là thành phần thuần nhất của f (tương ứng g) có bậc i. Ta sẽ viết
f≡gmoddegp
nếu fi=gi với i<p.
Trong § này, G ký hiệu một mầm nhóm Lie số chiều hữu hạn n; trường cơ sở K được giả thiết có đặc số không. Ta đồng nhất một lần cho tất cả, bằng một biểu đồ, một lân cận mở của e trong G với một lân cận mở U của 0 trong Kn, sao cho e được đồng nhất với 0. Với x,y trong U và n∈Z, x.y ký hiệu tích của x và y và x[m] là lũy thừa thứ m của x trong G (khi chúng được xác định). Các tọa độ của x∈U được ký hiệu bởi x1,x2,…,xn.
1. Các hệ số cαβγ
Cho Ω là tập hợp các (x,y)∈U×U sao cho x.y được xác định và thuộc U. Khi đó Ω là mở trong U×U và ánh xạ (x,y)↦x.y của Ω vào U là giải tích. Do đó các tọa độ z1,…,zn của z=x.y cho phép các khai triển thành chuỗi nguyên quanh gốc theo các lũy thừa của x1,…,xn,y1,…,yn. Vì vậy, tồn tại các hằng số xác định rõ cα1,…,αn,β1,…,βn,γ1,…,γn∈K, sao cho
với γ1,…,γn trong N. Theo các quy ước của Đa tạp khả vi và giải tích, R, ta sẽ viết các công thức này ngắn gọn hơn:
(x.y)γ=α,β∈Nn∑cα,β,γxαyβ(γ∈Nn).
Vì x.0=0.x=x với x∈U,
cα,0,γ=c0,α,γ=δαγ
trong đó δαγ là chỉ số Kronecker. Đặc biệt, từ nay viết k thay cho εk với k=1,…,n,
(x.y)k=xk+yk+∣α∣≥1,∣β∣≥1∑cα,β,kxαyβ.
Viết cαβ=(cαβ1,cαβ2,…,cαβn)∈Kn, khi đó suy ra rằng
x.y=x+y+∣α∣≥1,∣β∣≥1∑cαβxαyβ.
Ở vế phải của (5), ta xét thành phần thuần nhất có bậc 2:
B(x,y)=i,j=1∑ncijxiyj
sao cho (x,y)↦B(x,y) là một ánh xạ song tuyến tính từ Kn×Kn vào Kn. Khi đó
(6)
x.y≡x+y+B(x,y)moddeg3.
Mặt khác, công thức (4) suy ra rằng
(7)
cα,β,γ=0neˆˊu ∣α∣+∣β∣<∣γ∣
và rằng các số hạng có bậc toàn phần ∣γ∣ trong khai triển của zγ cũng chính là các số hạng của (x1+y1)γ1(x2+y2)γ2…(xn+yn)γn=∑α+β=γ((α,β))xαyβ (xem Đa tạp khả vi và giải tích, R, Ký hiệu và quy ước). Do đó:
mầm nhóm G thừa nhận một mầm nhóm con mở giao hoán khi và chỉ khi cαβγ=cβαγ đối với mọi α,β,γ trong Nn.
2. Dấu ngoặc trong đại số Lie
Với α∈Nn, gọi eα là phân bố điểm α!1∂xα∂α tại gốc. Đặc biệt,
ek=eek=∂xk∂.
Các eα tạo thành một cơ sở của không gian vectơ U(G). Nếu f là một hàm giải tích trên một lân cận mở của 0 trong G và f(x)=∑λαxα là khai triển của nó thành chuỗi nguyên quanh gốc, thì
(Công thức (10) khi đó biểu thị tính kết hợp trên U(G).) Đặc biệt, vì L(G) ổn định đối với dấu ngoặc.
[ei,ej]=k∑(cijk−cjik)ek.
Các hằng số cấu trúc của L(G) đối với cơ sở (e1,…,en) do đó là các cijk−cjik. Nói cách khác, bằng cách đồng nhất một cách chính tắc L(G) với Kn, ta thu được:
[x,y]=B(x,y)−B(y,x).
Mệnh đề 1
(i)
x[−1]≡−x+B(x,x)moddeg3
(ii)
x.y.x[−1]≡y+[x,y]moddeg3
(iii)
y[−1].x.y≡x+[x,y]moddeg3
(iv)
x[−1].y[−1].x.y≡[x,y]moddeg3
(v)
x.y.x[−1].y[−1]≡[x,y]moddeg3.
(Trong (i), x[−1] dĩ nhiên biểu thị khai triển của hàm x↦x[−1] thành một chuỗi nguyên quanh gốc; các công thức khác có thể được hiểu tương tự.) Gọi g1 và g2 là các thành phần thuần nhất của x[−1] có bậc 1 và 2. Khi đó
vế phải là một chuỗi nguyên hội tụ theo biến x∈Kn. Chuỗi này thu được bằng cách loại bỏ trong (14) các số hạng mà trong đó một trong các biến x(1),…,x(j) không xuất hiện tường minh và sau đó viết x(1)=x(2)=⋯=x(j)=x.
Nếu t∈K, tất cả các ánh xạ lũy thừa bậc t của G đều có cùng một khai triển thành chuỗi nguyên quanh gốc, vì hai ánh xạ bất kỳ trong số chúng trùng nhau trên một lân cận của 0. Ta ký hiệu khai triển này dưới dạng chuỗi nguyên bởi x[t].
Mệnh đề 2
(i) ψj≡0moddegj. (ii) Nếu t∈K, thì
x[t]=i=1∑8(it)ψi(x)
*trong đó chuỗi lũy thừa hình thức ở vế phải có nghĩa do (i).
(Ta viết
(it)=i!t(t−1)…(t−i+1)
với mọi t∈K.)
Mệnh đề (i) là hiển nhiên từ định nghĩa của các ψj.
Ta chứng minh (ii) với t là một số nguyên ≥0. Theo (14),
x[t]=α(1),…,α(t)∈Nn∑aα(1),…,α(t)xα(1)+…+α(t).
Với α=(α(1),…,α(t))∈(Nn)t, ký hiệu σ(α) là tập hợp các j∈{1,2,…,t} sao cho α(j)=0. Nếu trong tổng (17), ta nhóm lại các số hạng mà σ(α) là như nhau, thì
x[t]=σ⊂{1,t}∑ht,σ(x)
trong đó
ht,σ(x)=σ(α)=σ∑aα(1),…,α(t)xα(1)+…+α(t).
Cho σ={j1,j2,…,jq} với j1<j2<…<jq. Trong (14) (trong đó j được thay bởi t), ta thay 0 vào x(k) với k∈/σ; vì 0 là phần tử đơn vị của G, ta thu được khai triển của x(j1)⋅x(j2)…x(jq) thành một chuỗi nguyên quanh gốc:
Theo (19) và (20), ta thấy rằng ht,σ(x)=ψcardσ(x). Khi đó (18) suy ra
x[t]=i=0∑t(it)ψi(x)=i=0∑∞(it)ψi(x).
Sau đó ta viết x[t]′=∑i=0∞(it)ψi(x) với mọi t∈K. Trong các chuỗi nguyên x[t] và x[t]′, mỗi hệ số là một hàm đa thức của t. Điều này là hiển nhiên đối với x[t]′. Đối với x[t], chỉ cần chứng minh rằng, với mọi u∈U(G), ảnh của u qua x↦x[t] là một hàm đa thức của t. Bây giờ, với u∈Um(G), ảnh này là tmu (§ 4, no. 3, Mệnh đề 7 (iv)).
Vì x[t]=x[t]′ với t là một số nguyên ≥0, suy ra x[t]=x[t]′ với mọi t∈K.
Nhận xét
(1) Ta viết điều kiện (ii) của Mệnh đề 2 với t là một số nguyên ⩾0:
(2) Ta thấy rằng ψ0(x)=0,ψ1(x)=x,ψ2(x)=x[2]−2x,
x[−1]=i=1∑∞(−1)iψi(x).
(3) Biểu thức trên của ψ2 và công thức (6) chứng minh rằng
ψ2(x)≡B(x,x)moddeg3.
Dùng Mệnh đề 2, (i) và (ii), ta thấy rằng
x[t]≡tx+(2t)B(x,x)moddeg3.
(4) Gọi ψp,m(x) và ht,m(x) lần lượt là các thành phần thuần nhất của ψp(x) và x[t] có bậc m. Khi đó ψp,m=0 với m<p. Mặt khác, Mệnh đề 2 (ii) cho
ht,m(x)=p≤m∑p!t(t−1)…(t−p+1)ψp,m(x)
tức là
ht,m(x)=1≤r≤m∑trϕr,m(x)
trong đó ϕr,m là các ánh xạ đa thức thuần nhất bậc m từ Kn vào Kn. Đặc biệt, theo (23),
ϕ1,m(x)=p≤m∑p(−1)p−1ψp,m(x)
ϕm,m(x)=m!1ψm,m(x).
(5) Nếu K có đặc số >0, các kết quả của các số 1 và 2 vẫn đúng, với điều kiện eα, trong no. 2, được định nghĩa bởi ⟨eα,∑βλβxβ⟩=λα. Trong no. 3, nếu các ψj được định nghĩa như trên, lập luận lại chứng minh rằng x[t]=∑i=1∞(it)ψi(x) nếu t∈N.
4. Hàm mũ
Gọi E(x) là khai triển của một ánh xạ hàm mũ của G thành một chuỗi nguyên quanh 0. Gọi L(x) là khai triển của ánh xạ nghịch đảo của một ánh xạ hàm mũ đơn ánh của G thành một chuỗi nguyên quanh 0. Vì ánh xạ tiếp xúc tại 0 của mọi ánh xạ hàm mũ là đồng nhất của L(G), ta có E(x)≡xmoddeg2 và L(x)≡xmoddeg2. Vì E(L(x))=L(E(x)) với x đủ gần 0, các chuỗi lũy thừa hình thức E và L thỏa mãn E(L(X))=L(E(X))=X. Một lập luận tương tự cho thấy rằng
E(tX)=(E(X))[t],L(X[t])=tL(X)
với t∈K.
Mệnh đề 3
(27)
L=p=1∑∞p(−1)p−1ψp
(28)
E=p=1∑∞p!1ψp,p
(Nhắc lại rằng ψp,p là thành phần thuần nhất của ψp có bậc p.)
hoặc, theo (24),
E(tx)=(E(x))[t]
Hai vế là các chuỗi lũy thừa hình thức theo t và x. Đồng nhất các số hạng bậc nhất theo t, ta thu được
x=m≥0∑ϕ1,m(E(x)).
Bây giờ phép nghịch đảo của một hệ các chuỗi lũy thừa hình thức, khi có thể thực hiện được, chỉ có thể thực hiện được theo một cách duy nhất (Đại số, Chương IV, § 6, Hệ quả của Mệnh đề 8). Khi đó
L(x)=m≥0∑ϕ1,m(x)theo (29)
=p,m∑p(−1)pψp,m(x)theo (25)
=p∑p(−1)pψp(x),
do đó (i). Tương tự, với t=0,
L(tx)=tL((tx)[t−1])
=tL(m≥0∑1≤r≤m∑tm−rϕr,m(x))theo (24).
Đồng nhất các số hạng bậc nhất theo t, ta thu được
x=L(m≥0∑ϕm,m(x))
do đó
E(x)=m≥0∑ϕm,m(x)
=m≥0∑m!1ψm,m(x)theo (26).
Mệnh đề 4
Để biểu đồ của G được chính tắc, điều kiện cần và đủ là ψj=0 với j≥2.
Điều này đủ theo Mệnh đề 3. Giả sử rằng bảng là chính tắc và ψi=0 với 2≤i<n. Khi đó nx=x[n]=∑i=0n(in)ψi(x)=nx+ψn(x), do đó ψn=0. Suy ra ψj=0 với j≥2 bằng quy nạp theo j.