Phép thu gọn đại số Lie số chiều thấp

i số Lie, hiểu được thuật toán tính các phép thu gọn đại số Lie có số chiều thấp . Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy trong tổ Hình học, khoa Toán – Tin Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi nâng cao trình độ chuyên môn và phương pháp làm việc hiệu quả trong suốt quá trình học Cao học. Chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng Tổ chức hành chính, phòng Khoa học Công nghệ và Sau đại học, phòng Kế hoạch – Tài chính Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh; cùng toàn thể quý đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2009 Tác giả Nguyễn Thị Thu Vân BẢNG CHỈ DẪN CÁC KÝ HIỆU xad Biểu diễn chính quy của g Aut(g) Nhóm các tự đẳng cấu tuyến tính trên không gian vectơ V pq , p,q Bất biến đại số Lie Der(A) Toán tử vi phân trên A End(V) Đại số các toán tử tuyến tính trên K exp Ánh xạ mũ exp. g Đại số Lie G Nhóm Lie k k,g g Các ideal dẫn xuất thứ k của g g Không gian đối ngẫu của đại số Lie g . 0[.,.] )0g =(V, (Cái) thu gọn liên tục một tham số của g GL(n, ) Nhóm tuyến tính tổng quát cấp n hệ số thực.  gK K-quỹ đạo của G g Dạng dừng của đại số Lie g Ln Biến của đại số Lie n-chiều Mat(n, ) Tập hợp các ma trận vuông cấp n hệ số thực. utr(ad ) Vết của biểu diễn chính quy uad TeG Không gian tiếp xúc của G tại điểm đơn vị e. A:=B A được định nghĩa là B MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đại số Lie thực hay phức và các phép thu gọn chúng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực toán học và vật lý. Lý thuyết nền tảng của phép thu gọn liên tục đại số Lie có số chiều hữu hạn đã được xây dựng và phát triển từ vài chục năm nay. Đặc biệt có một số chuẩn cần thiết của phép thu gọn được chọn lọc và một số chuẩn mới cũng được đưa ra. Các đại lượng bất biến và nửa bất biến cần thiết đã được tính cho lớp rộng các đại số Lie bao gồm cả đại số Lie có số chiều thấp. Trên cơ sở đó hai nhà toán học Maryana Nesterenko và Roman Popovich đã giới thiệu một thuật toán để tính phép thu gọn đại số Lie có số chiều thấp. Thuật toán này dựa trên việc liệt kê hoàn toàn các đại số Lie có số chiều cố định không đẳng cấu và hệ thống các chuẩn của phép thu gọn đựợc đưa ra. Việc xây dựng hệ thống các chuẩn của phép thu gọn làm cho việc ứng dụng thuật toán này một cách hiệu quả hơn và các tính toán ở đây thuần túy là đại số. Phương pháp này cũng đòi hỏi phải có sự lựa chọn cơ sở thích hợp của đại số Lie và điều đó cũng mang lại các tính toán đơn giản hơn. Đầu tiên, Segal đưa ra khái niệm phép thu gọn dựa vào quá trình lấy giới hạn các đại số Lie. Đó là ví dụ được cho bởi sự liên kết giữa cơ học tương đối và cơ học cổ điển thông qua nhóm đối xứng của Pointcare và Galilê. Ông cũng là người đầu tiên xây dựng định nghĩa phép thu gọn theo thuật ngữ giới hạn. Sau Segal, khái niệm phép thu gọn thông qua nhóm đối xứng được xây dựng bởi Inonu- Wigner và được gọi là phép thu gọn Inonu-Wigner. Sau đó, Saletan nghiên cứu lớp phép thu gọn một tham số tổng quát trong đó các phần tử của ma trận tương ứng với ma trận sắp thứ tự ban đầu của tham số thu gọn. Ông cũng đưa ra định nghĩa tổng quát phép thu gọn dựa trên quá trình lấy giới hạn móc Lie và cho phép ta tránh được những phiền phức tồn tại trong định nghĩa Segal. Phép thu gọn trong trường hợp ba chiều được xét bởi Inonu-Wigner, nhưng có một số trường hợp bị bỏ qua và Conatser đã mô tả triệt để sau đó. Sử dụng việc phân loại các đại số Lie có số chiều thấp, Huddleston đã xây dựng phép thu gọn đại số Lie bốn chiều và Lauret đã giải quyết bài toán rất đẹp theo thuật ngữ bao đóng quỹ đạo. Tính phức tạp của việc mô tả bao đóng quỹ đạo đại số là số chiều của không gian vectơ nền được tăng lên theo hàm số mũ. Do đó, một cách làm đơn giản hơn là ngừời ta xét các lớp con đóng các đại số Lie (chẳng hạn các đại số lũy linh) thay cho lớp các đại số Lie với số chiều cố định. Sự suy biến của các đại số Lie lũy linh đã được nghiên cứu trong khá nhiều tài liệu với hạn chế số chiều 5, 6, 7. Tóm lại, việc nghiên cứu phép thu gọn các đại số Lie thực hay phức là một vấn đề lý thú hấp dẫn, có nhiều ứng dụng và đang là vấn đề thời sự trong Toán học. Tuy nhiên việc tính các phép thu gọn trong trường hợp đại số Lie có số chiều cao hơn 4 là một vấn đề khó và cho đến nay vẫn còn mở, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà Toán học trên thế giới. Chính vì thế chúng tôi chọn đề tài tìm hiểu về phép thu gọn các đại số Lie thực và phức với số chiều không quá 4. Cụ thể chúng tôi sẽ đọc hiểu và trình bày lại một cách rõ ràng hơn, chứng minh chi tiết lại các kết quả chỉ được chứng minh vắn tắt trong bài báo “Contractions of Low Dimensional Lie Algebras” của Maryana Nesterenko và Roman Popovych (ArXiv: Math-Ph / 0608018v4 – 11 Jan 2007). 2. Mục đích Dùng thuật toán do các nhà toán học Maryana Nesterenko và Roman Popovych đưa ra để tính toán rõ hơn các phép thu gọn đại số Lie có số chiều thấp, cụ thể là ba chiều và bốn chiều trong bài báo của họ. 3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu Các đại số Lie thực có số chiều thấp, cụ thể là ba chiều và bốn chiều. 4. Ý nghĩa khoa học thực tiễn Tính toán được các phép thu gọn của các đại số Lie ba hay bốn chiều. 5. Cấu trúc luận văn Nội dung của bản luận văn bao gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết luận. Cụ thể: Phần mở đầu: Nêu xuất xứ của vấn đề và đặt bài toán nghiên cứu. Chương 1: Giới thiệu các khái niệm cơ bản về đại số Lie, nhóm Lie, và các bất biến và bán bất biến của các đại số Lie ba, bốn chiều . Phần này chỉ trình bày những kiến thức cần thiết liên quan đến việc tính toán các phép thu gọn. Chương 2: Giới thiệu một thuật toán được các nhà toán học Maryana Nesterenko và Roman Popovych để tính toán rõ các phép thu gọn các đại số Lie có số chiều thấp. Chương 3: Trình bày mở rộng các phép thu gọn các đại số Lie có số chiều thấp trên trường số phức. Phần kết luận: Đưa ra những nhận xét và những vấn đề mở cần phải tiếp tục nghiên cứu tiếp sau đề tài. Các nghiên cứu đạt được dựa trên việc tính toán thuần tuý đại số và sự trợ giúp của máy tính. Các kí hiệu được dùng trong bản luận văn này hoặc là các ký hiệu thông dụng hoặc sẽ được giải thích khi dùng lần đầu (xem Bảng chỉ dẫn các thuật ngữ và ký hiệu). Chương 1. ĐẠI SỐ LIE VÀ NHÓM LIE Chương này chủ yếu đưa ra những cơ sở lý thuyết cho các kết quả nghiên cứu ở các chương sau, trong đó, ta sẽ nhắc lại các khái niệm và những tính chất cơ bản về đại số Lie và nhóm Lie (thực). Bên cạnh đó cũng dẫn ra các bất biến và bán bất biến của đại số Lie ba chiều và bốn chiều. Một số mệnh đề và định lý được phát biểu nhưng không chứng minh. Độc giả nào quan tâm đến các chứng minh hoặc muốn tìm hiểu sâu về các khái niệm xin xem các tài liệu… 1.1. Đại số Lie 1.1.1. Định nghĩa Cho K là trường và g là không gian vectơ trên K. Ta bảo g là một đại số Lie trên K hay K – đại số Lie nếu trên g đã cho một phép nhân gọi là móc Lie:  .,. :  g g g    x, y x, y (tích Lie hay móc Lie của x và y) sao cho các tiên đề sau đây thoả mãn: (L1) Móc Lie là hoán tử song tuyến tính. Tức là:             x y,z x,z y,z , x, y z x, y x,z ; x, y, z , K                  g, (L2) Móc Lie phản xứng. Tức là: [x,x] = 0, x g (L3) Móc Lie thoả mãn đồng nhất thức Jacôbi. Tức là:        x, y ,z y,z ,x z,x , y 0 x, y, z               g Nhận xét Nếu K là trường có đặc số khác 2 thì (L2) tương đương với      2L : x, y y,x , x, y    g Nếu [x,y] = 0, x, y g thì ta bảo móc Lie tầm thường vàg là đại số Lie giao hoán. Số chiều của đại số Lie g chính là số chiều của không gian vectơ g . Cho g là một không gian hữu hạn chiều trên trường K. Giả sử số chiều của g là n. Cấu trúc đại số Lie trên g có thể được cho bởi móc Lie của từng cặp vectơ thuộc cơ sở  1 2, ,..., ne e e đã chọn trước trên g như sau: 1 , : , 1 i<j n, n k k i j ij k ij k e e c e c K          Các hệ số kijc được gọi là hằng số cấu trúc của đại số Lie g . Khi K là trường số thực thì g được gọi là đại số Lie thực. Nội dung của luận văn chỉ đề cập và nghiên cứu các đại số Lie thực nên nếu không sợ nhầm lẫn thì ta vẫn dùng thuật ngữ đại số Lie để chỉ đại số Lie thực. 1.1.2. Ví dụ a) Không gian n với móc Lie  x, y 0 (tầm thường) hiển nhiên là một đại số Lie. Và được gọi là đại số Lie thực giao hoán n – chiều. b) Không gian 3 với tích có hướng thông thường là một đại số Lie thực 3 - chiều. c) Cho A là một đại số (kết hợp) trên trường K. Với mọi cặp  x, y A , ta định nghĩa  x, y : xy yx  , khi đó A trở thành một đại số Lie. Nói riêng ta có đại số Mat(n,K) các ma trận vuông cấp n trên K là một đại số Lie với móc Lie    , : , A B AB BA A, B Mat n,K    . d) Đặc biệt, xét đại số các toán tử tuyến tính End(V) trên K – không gian vectơ V. Khi đó, End(V) trở thành đại số Lie với móc Lie được xác định như sau:    , : , ,f g f g g f f g End V     . e) Cho A là một đại số trên trường K. Toán tử tuyến tính : A A  được gọi là toán tử vi phân trên A nếu:      x, y x .y x. y     Kí hiệu Der(A) là tập hợp tất cả các toán tử vi phân trên A. Khi đó Der(A) trở thành một đại số trên K với phép nhân là phép hợp thành ánh xạ. Der(A) trở thành một đại số Lie trên K với móc Lie được định nghĩa là :  1 2 1 2 2 1, :         1.1.3. Đồng cấu và đẳng cấu đại số Lie Cho 1g và 2g là hai K– đại số Lie và :f g g1 2 là một ánh xạ. Ta bảo f là một đồng cấu đại số Lie nếu: (i) f là ánh xạ K– tuyến tính. (ii) f bảo toàn móc Lie, tức là:       x, y x , y , x, yf f f     g1 Nếu f còn là một song ánh thì f được gọi là đẳng cấu đại số Lie. Các đại số Lie trên trường K lập thành một phạm trù với các cấu xạ chính là các đồng cấu đại số Lie. Mỗi đồng cấu đại số Lie : End(V)f g1 (End(V) là đại số Lie các toán tử tuyến tính trên không gian vectơ V) được gọi là biểu diễn tuyến tính của g1 trong không gian vectơ V, kí hiệu (f,V). Nếu dimV = n <  , khi ta cố định cơ sở nào đó của V thì ta có    V  g: ,f End Mat n1 . Để đơn giản thì đôi khi người ta dùng thuật ngữ “biểu diễn” thay cho thuật ngữ “biểu diễn tuyến tính”. Khi f là một đơn cấu thì f được gọi là biểu diễn khớp. ĐỊNH LÝ ADO Mọi đại số Lie hữu hạn chiều đều có ít nhất một biểu diễn tuyến tính khớp hữu hạn chiều. Định lý quan trọng này nói lên rằng, có thể quy tất cả các phép chứng minh của đại số Lie về trường hợp đại số Lie ma trận. 1.1.4. Biểu diễn chính quy của đại số Lie Cho g là đại số Lie. Der(g ) = {f: g  g / f là toán tử vi phân} là đại số Lie. Đồng cấu đại số Lie    ad : Der End g g g xx ad ở đó adx : g g y    xad y x, y là biểu diễn tuyến tính ad của g trong chính g ( xad là toán tử tuyến tính trên không gian vectơ g ). Biểu diễn này được gọi là biểu diễn chính quy của g . Hạt nhân của biểu diễn này là    xKer ad x ad 0  g/ chính là tâm của g . Ví dụ Xét đại số Lie g 3= với móc Lie là tích có hướng thông thường. Khi đó,  v a,b,c   g 3= ta có biểu diễn chính quy của g được cho bởi ma trận như sau: 0 0 0 v c b ad c a b a        Dễ thấy rằng, tâm của g là tầm thường, do đó biểu diễn ad ở đây là khớp. Nói cách khác, đại số Lie g 3= với móc Lie là tích có hướng thông thường đẳng cấu với đại số Lie các trận thực phản xứng cấp 3. 1.1.5. Đại số Lie giải được và đại số Lie lũy linh Cho g là một đại số Lie và M là một không gian con của g . Ta bảo M là đại số con của g nếu  M,M M . Ta bảo M là ideal của g nếu  ,M Mg . Trong đó ký hiệu:          M,M : x, y : x, y M , ,M : x, y : x , y M    g g Khi M là một ideal của g thì không gian thương M g trở thành một đại số Lie với móc Lie được định nghĩa một cách tự nhiên như sau: M M M g g g      1 2 1 2 1 2, , : ,     g M g M g M g M g g M Cho g là K– đại số Lie. Đặt:    n n-1 n-1 n 2: , : ,..., :         g g g g g g g g g1 2 1 1, , ,        n n-1 n 2: , : ,..., :    g g g g g g g g g g11 2 1, , , Mệnh đề a. k k,g g là các ideal của g . Riêng kg được gọi là ideal dẫn xuất thứ k của g (k=1,2,3,…) b. Ta có các dãy bao hàm thức sau: n n ... ... ... ...             g g g g g g g g 1 2 1 c. Nếu dim g<+ thì  n N sao cho: n n+1 n n+1 ... ; ...       g g g g g g Đại số Lie g gọi là giải được nếu  0 g , g gọi là luỹ linh nếu  0 g . Chỉ số n nhỏ nhất để các đẳng thức xảy ra được gọi là hạng của đại số Lie giải được (tương ứng, luỹ linh) g . Ví dụ       0 1 j<i nij ijnT n,K : A a Mat n,K / a ,      (đại số các ma trận tam giác trên) là một đại số Lie giải được  1 2 n n chiều.       0 0 1 j i nij ijnT n,K : A a Mat n,K / a ,       (đại số các ma trận tam giác trên mà các phần tử trên đường chéo chính bằng 0) là một đại số Lie luỹ linh  1 2 n n chiều. ĐỊNH LÝ LIE Cho f là biểu diễn tuyến tính hữu hạn chiều của đại số Lie giải được g trong không gian vectơ V trên trường đóng đại số K. Khi đó f tương đương với biểu diễn ma trận tam giác trên, tức là    f x T n,K , x  g . Hệ quả Nếu g là đại số Lie giải được thì  g g g1 , là đại số Lie luỹ linh. ĐỊNH LÝ ANGEL Đại số Lie g là luỹ linh khi và chỉ khi với mọi xg, adx là toán tử luỹ linh (tức là tồn tại  *n N sao cho   0nxad ). 1.2. Nhóm Lie 1.2.1. Định nghĩa Tập hợp G được gọi là một nhóm Lie (thực) nếu các điều kiện sau thoả mãn: (i) G là một nhóm; (ii) G là đa tạp thực khả vi; (iii) Phép toán nhóm   1 x,y   G G G, xy khả vi. Nhóm Lie G được gọi là giao hoán nếu phép toán nhóm giao hoán. Số chiều của nhóm Lie G chính là số chiều của đa tạp khả vi G. Vì nhóm Lie vừa có cấu trúc nhóm, vừa là đa tạp khả vi nên ta có thể đưa nhiều công cụ của đại số, giải tích, tôpô, hình học vi phân, … để nghiên cứu cấu trúc của nhóm Lie. 1.2.2. Các ví dụ a. Đường tròn đơn vị S1 với phép toán (.) (có thể xem S1 là tập hợp các số phức có môđun bằng 1) là một nhóm Lie giao hoán. b. Tập hợp  GL n, các ma trận vuông cấp n không suy biến với phép toán nhân ma trận cũng là một nhóm Lie (không giao hoán khi 2n ). Đặc biệt, khi n=1 thì  1  *GL , . c. Nếu 1 2 mG ,G ,...,G là những nhóm Lie thì 1 2    mG G G ... G là một nhóm Lie nếu ta cho nó cấu trúc nhóm tích và cấu trúc đa tạp vi phân tích. Khi đó ta nói G là nhóm Lie tích của các nhóm Lie 1 2 mG ,G ,...,G . d. Nhóm các phép biến đổi affine của đường thẳng thực với tôpô tự nhiên chính là một nhóm Lie. Nhóm này được kí hiệu là Aff . Cụ thể nhóm Aff :=   *a,b / a ,b  với phép nhân định nghĩa như sau ( a,b ).( c,d ) : ( ac,ad b )  ; *, ; ,a c b d  . 1.2.3. Liên hệ giữa nhóm Lie và đại số Lie 1.2.3.1. Đại số Lie tương ứng với nhóm Lie đã cho Cho G là một nhóm Lie. Ta ký hiệu eT G là không gian tiếp xúc của G tại điểm đơn vị e G . Không gian này thường được kí hiệu là g . Khi đó g trở thành một đại số Lie với móc Lie được xác định bởi hoán tử như sau:   X, YX ,Y : XY YX ,   g. Tức là         X, Y X ,Y f X Yf Y Xf , f C G     g, ; trong đó  C G là đại số các hàm trơn trên G nhận giá trị thực. Như vậy, mỗi nhóm G sẽ xác định duy nhất một đại số Lie g và g được gọi là đại số Lie của G (nói cách khác g được gọi là đại số Lie tương ứng với G). Ngoài cách định nghĩa trên, ta còn có thể định nghĩa g như là đại số Lie con các trường vectơ bất biến trái trên G. Tất nhiên hai định nghĩa này tương đương. Cụ thể, gọi X(G) là đại số Lie các trường vectơ khả vi trên G với các phép toán như sau:               G G, X, Y X Y : X Y , X : X , X ,Y f : X Yf Y Xf , X G f C G                    g gg gg g g , Với mọi Gg . Đặt x xL : G G, g g là phép tịnh tiến trái theo g , x xR : G G, g g là phép tịnh tiến phải theo g . Khi đó Lg và Rg là các vi phôi trên G. Chúng cảm sinh các ánh xạ trên không gian tiếp xúc T(G) của G như sau    *L :T G T G ,g    *R :T G T G ,g Trường vectơ X được gọi là bất biến trái nếu   G*L X X ,  g g . điều này đồng nghĩa với biểu thức  * xxL X X gg Tương tự, trường vectơ X được gọi là bất biến phải nếu   G*R X X ,  g g . Tức là :  * xxR X X gg . Gọi g := {XX(G)/ X là trường vectơ bất biến trái}, thì g là đại số Lie con của X(G) và gọi là đại số Lie của nhóm Lie G. Đôi khi ta ký hiệu là g=Lie(G). Các ví dụ Ví dụ 1: Đại số Lie tương ứng với nhóm Lie G = ( ,+) là g= Lie(G) = . Ví dụ 2: Đại số Lie tương ứng với nhóm Lie G = ( * , .) là g= Lie(G) = . Ví dụ 3: Đại số Lie tương ứng với nhóm Lie G = GL(n, ) là g= Lie(G) = Mat(n, ). 1.2.3.2. Nhóm Lie liên thông đơn liên tương ứng với đại số Lie Với cách xây dựng như trên thì ta thấy, mỗi nhóm Lie sẽ xác định một đại số Lie duy nhất. Ngược lại, ta có định lý dưới đây. Định lý a. Cho g là đại số Lie thực bất kì. Khi đó luôn tồn tại duy nhất nhóm Lie liên thông đơn liên G sao cho đại số Lie của G chính là g . b. Nếu G là một nhóm Lie liên thông nhận g làm đại số Lie thì tồn tại nhóm con chuẩn tắc rời rạc D của G sao cho GG D . Nhóm Lie G được gọi là giải được (tương ứng, luỹ linh) nếu đại số Lie g của nó là giải được (tương ứng, luỹ linh). 1.2.3.3. Ánh xạ mũ exponent Cho G là nhóm Lie với phần tử đơn vị Ge , g= Lie(G) là đại số Lie của G. Mệnh đề Với mỗi X g , tồn tại duy nhất nhóm con   x t / t G  sao cho:         0 G e ( i ) x(0)= e ; ( ii ) x t + s x t .x s ; t, s (iii) x ( ) X X .       và được gọi là nhóm con 1 – tham số trên G xác định bởi X. Ta định nghĩa ánh xạ mũ như sau  exp : G X exp X 1, : x( ) g Một cách tổng quát, ta định nghĩa   exp(tX): x(t) G;t . Định lý (về tính chất của ánh xạ exp) (i) Ánh xạ exp là vi phôi địa phương. (ii) Ánh xạ exp có tính chất tự nhiên. Tức là biểu đồ sau đây giao hoán với mọi đồng cấu nhóm Lie 1 2f G G:  , tức là *f exp = exp f  Định nghĩa nhóm exponential Nếu exp vi phôi (toàn cục) thì G gọi là nhóm exponential. Hệ quả Có một song ánh giữa tập các biểu diễn tuyến tính hữu hạn chiều của các đại số Lie và các nhóm Lie liên thông đơn liên. G1 G2 exp f (đồng cấu nhóm Lie) exp 2g g 2 f* 1.2.3.4. Biểu diễn phụ hợp, biểu diễn đối phụ hợp và K – quỹ đạo của nhóm Lie Cho G là nhóm Lie, g= Lie(G) là đại số Lie của G. Ký hiệu  * : Hom g g, ={F:  g / F là dạng tuyến tính} là không gian đối ngẫu của g . Với mỗi Gg ta có các phép tịnh tiến trái :L G Gg và phải :R G Gg tương ứng được xá định như sau:  L :x xg g ,  R :x xg g ; x G  . Đặt   1 :A L R G G g gg , -1( ) (x) :=A .x.x g g g . Ánh xạ  A g được gọi là tự đẳng cấu trong của G ứng với Gg . Tự đẳng cấu này cảm sinh ánh xạ         1 0 * * : : .exp t A dX A X tX dt        g g g g g g mà được gọi là ánh xạ tiếp xúc (hay vi phân) của  A g . Định nghĩa Tác động  :Ad G Aut g    *:=g AAd gg xác định một biểu diễn của nhóm Lie G trong g mà được gọi là biểu diễn phụ hợp của nhóm Lie G trong g . Định nghĩa Tác động   g*K :G Aut   gg K ở đó   g gg * *K :     gF K F      g1K F,X : F,Ad g X , Xg với   g g1Ad g : xác định một biểu diễn của nhóm Lie G trong *g mà được gọi là biểu diễn đối phụ hợp hay K– biểu diễn của G trong *g . Định nghĩa. Mỗi quỹ đạo của K– biểu diễn gọi là K– quỹ đạo của G. Như vậy, với mỗi g*F , K – quỹ đạo của G đi qua F được xác định bởi     : K F/ g GgF . Số chiều mỗi K – quỹ đạo của một nhóm Lie G tùy ý luôn là một số chẵn (không vượt quá số chiều của G). Chương 2 PHÉP THU GỌN ĐẠI SỐ LIE 2.1. Các định nghĩa Nhắc lại rằng cứ mỗi không gian vectơ n-chiều (thực hay phức) V và một móc Lie [ . , .] trên V (tức là một toán tử song tuyến tính phản đối xứng trên V thỏa mãn đồng nhất thức Jacobi) ta thu được một đại số Lie g = (V, [.,.]). Khi đã chọn một cơ sở 1 2{ , .... }ne e e trong V, móc Lie [ . , .] hoàn toàn được xác định bởi các hoán tử [ , ] ki j ij ke e c e , ở đây kijc được gọi là các hằng số cấu trúc của g . Xét hàm liên tục : (0,1] ( )U GL V ( )U U   Chú ý rằng ta có thể xem U như là hàm nhận giá trị ma trận khi ta đồng nhất toán tử U với ma trận của nó trong cơ sở 1 2{ , .... }ne e e của V. Nhờ U, ta nhận được một họ (tham số bởi (0,1]  ) các móc Lie mới được xác định như sau: 1[ , ] ]); , ; (0,1]: ([ ,x y y x y VU U x U         . Dễ kiểm tra được, đại số Lie ( ,[.,.] )V g đẳng cấu với g , (0,1]  . 2.1.1. Định nghĩa (xem [16, trang 5]) Nếu giới hạn 1 0 0 lim[ , ] lim [ , ]x y U U x U y        =: 0[ , ]x y tồn tại với mọi ,x y V thì 0[.,.] là móc Lie trên V. Đại số Lie 0[.,.] )0g =(V, được gọi là (cái) thu gọn liên tục một tham số (hoặc đơn giản là thu gọn) của đại số Lie g . 2.1.2. Nhận xét Định nghĩa 2.1.1 còn được phát biểu dưới dạng hằng số cấu trúc như sau: Cho kijc là hằng số cấu trúc của đại số g trong cơ sở cố định 1 2{ , .... }ne e e . Gọi    1' ', ' 1,..., , ' 1,...,( ) , ( )i ii ii i n i i nU U   lần lượt là ma trận của 1, U U  trong cơ sở đang xét. Nếu giới hạn 1 '' '0lim ( ) ( ) ( )i j k ki j k ijU U U c    =: k ijc tồn tại ( ', ', ' 1,...i j k n  ) thì kijc là các hằng số cấu trúc của đại số Lie 0g . Đại số Lie 0[.,.] )0g =(V, được gọi là (cái) thu gọn liên tục một tham số hoặc đơn giản là (cái) thu gọn của đại số Lie g. Tham số  và hàm ma trận ( )U U  tương ứng được gọi là tham số thu gọn và ma trận thu gọn. Quá trình biến đổi đại số Lie g về đại số Lie 0g gọi là phép thu gọn g về 0g . Hai định nghĩa trên tương đương nhau nhưng trong luận văn này, ta sử dụng định nghĩa thứ hai là chính. 2.1.3. Định nghĩa (xem[ 16, trang5]) Phép thu gọn đại số Lie g về đại số Lie 0g được gọi là tầm thường nếu 0g giao hoán và được gọi là không chuẩn (improper) nếu 0g đẳng cấu với g . Dễ thấy mỗi đại số Lie giao hoán được thu gọn về chính nó. Đây là trường hợp đặc biệt khi phép thu gọn vừa là tầm thường vừa là không chuẩn. 2.1.4. Định nghĩa (xem [16,trang 5]) Giả sử các đại số Lie g và g tương ứng được thu gọn về các đại số lie 0g và  0g . Nếu g đẳng cấu với g và 0g đẳng cấu với 0g thì các phép thu gọn đó được gọi là tương đương yếu. Từ đây về sau, ta luôn ký hiệu Aut(g) là nhóm tự đẳng cấu của đại số Lie g , Iso(g,g) là tập các đẳng cấu từ đại số Lie g vào đại số Lie g . Hơn nữa, ta luôn đồng nhất mỗi đẳng cấu với ma trận của nó trong cơ sở hay cặp cơ sở nào đó đã được chọn cố định. 2.1.5. Định nghĩa(xem [16,trang 6]) Hai phép thu gọn một tham số đại số Lie g về đại số Lie 0g với các ma trận thu gọn là U và U  được gọi là tương đương ngặt nếu tồn tại (0,1]  , tồn tại hàm : (0, ) ( )U Aut  g và : (0, ) ( )U Aut  0g và một đơn ánh liên tục : (0, ) (0,1]   , 0 lim ( ) 0    sao cho ( ) . ; (0, ].U U U U       . Định nghĩa trên có thể phát biểu lại cho các cặp đại số Lie khác nhau nhưng từng cặp đẳng cấu như sau: Giả sử các đại số Lie đẳng cấu g và g được thu gọn về các đại số lie đẳng cấu 0g và 0g với ma trận thu gọn tương ứng là U và U  . Các phép thu gọn này gọi là tương đương ngặt nếu tồn tại (0,1]  , tồn tại hàm : (0, )U   Iso(g,g) và : (0, )U   00Iso(g ,g ) và một đơn ánh liên tục : (0, ) (0,1]   , 0lim ( ) 0    sao cho ( ). ; (0, ].U U U U       . Các phép thu gọn tương đương ngặt hiển nhiên là tương đương yếu. Sau này, chúng ta chỉ xét các phép thu gọn tương đương yếu nên để cho đơn giản, ta sẽ gọi tương đương yếu là tương đương. 2.1.6. Chú ý Điều kiện về tính đẳng cấu của U và U là cần thiết và không thể bỏ được. Các phép thu gọn đại số Lie được cho bởi U và 0 0W U W , với : (0,1] ( )U GL V , 0 0, ( )W W GL V , không tương đương yếu trong trường hợp tổng quát. Chẳng hạn, sl(2, ) ([e1,e2] = e1, [e2,e3]= e3, [e1, e3] =2e2) thu gọn được về A3.1 ([e2,e3]= e1) với ma trận I3diag( , ,1  ) và 03.1A ([e1, e3] =-e2, [e2,e3]= e1) với ma trận I5diag( , ,1  ). Hơn nữa, giả sử W, U, W : (0,1] GL(V) và 00 lim W : W GL(V)   , 00lim W : W GL(V)   . Nói chung, W U W  và 00W U W cho ta hai phép thu gọn không tương đương yếu. Điều này được minh họa bởi ví dụ sau đây Xét phép thu gọn một tham số liên tục của đại số Lie bốn chiều 1 4.1so(3) A A  được cho bởi ma trận U = 2 3 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0              với 4 2 3 1 2 1 0 0 0 0 0 U 0 0 0 0 0 0                       . Các hoán tử của 1so(3) A : [e1,e2] = e3, [e2,e3]= e1, [e3, e1] =e2. Khi đó các hoán tử mới là : 1 2[e ,e ] 0  , 1 3[e ,e ] 0  , 1 4[e ,e ] 0  42 3 4[e ,e ] e  , 2 2 4 1 3[e ,e ] e e   , 3 4 2[e ,e ] e  . Lấy giới hạn khi 0   , ta được 2 4 0 1[e ,e ] e , 3 4 0 3[e ,e ] e . Ta cố định  bất kỳ thuộc (0,1]. Vì ma trận U là không suy biến và khai triển của nó có dạng U P .T   , với T 1/ 2P : (U U )   là ma trận đối xứng thực và giá trị riêng dương và 1T P .U   là ma trận trực giao. Ký hiệu ma trận trực giao biến đổi từ P đến D là W nghĩa là TP W D W    suy ra U W D W     với TW W .T   = 1 TD W .U   là ma trận trực giao. Trong đó W , D và W có dạng _ 0 0 0 1 0 0 W 0 0 1 0 0 0                 , _ 0 0 0 1 0 0 W 0 0 0 1 0 0                  , 1 1D diag(K ,0,0,K ) 2 2    , ở đây 41K 4 1 2   , 2K 1 4K    , 2K 14K  . Cho 0   ta được 0 0 0 0 1 0 1 0 0 W 0 0 1 0 1 0 0 0         , 0 0 0 1 0 0 1 0 0 W 0 0 0 1 1 0 0 0          . Xét 0 0U W D W   được suy ra từ U W D W     với việc lấy giới hạn W , W  . Các hoán tử chính tắc của đại số 1so(3) A với ma trận U và giới hạn 0   : 41 2 4 1[e ,e ] ( 4 1 1)e 0 2     , 1 3[e ,e ] 0  , 41 4 2 2 32 1[e ,e ] ( 4 1 1)e 0,[e ,e ] 0, 2        4 2 4 1 1 3 44 2[e ,e ] e e ,[e ,e ] 0. 4 1 1        Kết quả ta có được các hoán tử của đại số 13,1A A . Do đó ta có được U và U là hai phép thu gọn không tương đương yếu. Khái niệm các phép thu gọn dãy được định nghĩa một cách tương tự như phép thu gọn liên tục. Xét một dãy  p pU  các toán tử (ma trận) thuộc GL(V). Ta thu được dãy tương ứng các móc Lie mới trên V được xác định bởi hệ thức 1lim [ , ]p p pp U U x U y   , , ;x y V p    . Do đó nhận được dãy  p p( ,[.,.]V  pg các đại số Lie. Đối với mỗi số tự nhiên p, đại số Lie p[.,.] )pg =(V, đẳng cấu với g . 2.1.7. Định nghĩa (xem [16,trang 8]) Giả sử giới hạn 1 0lim[ , ] lim [ , ] :[ , ]  p p p pp px y U U x U y x y tồn tại với mọi x, y V . Khi đó giới hạn này xác định một móc Lie trên V. Đại số Lie 0[.,.] )0g =(V, được gọi là (cái) thu gọn dãy của đại số Lie  p p( ,[.,.]V  pg . 2.1.8. Đa tạp Ln Cho V là không gian vectơ n-chiều trên trường K và Ln= Ln (K) là tập hợp tất cả các móc Lie [.,.] trên V. Ta đồng nhất  Ln tương ứng với đại số Lie g=(V , ) . Khi đó Ln là một tập con đại số của đa tạp * *V V V  ( , )Hom V V V  . Thật vậy, khi đã chọn một cơ sở 1{ ,..., }ne e trong V, ta có một tương ứng 1-1 giữa Ln và tập các bộ hằng số cấu trúc 3 ' ' ' ' ' '' ' '{( ) | 0; 0}k n k k i k i k i kn ij ij ji ij i k ki i j jk i ic c K c c c c c c c c       . Mỗi móc Lie  Ln xác định bộ hằng số cấu trúc ( )kij nc c bởi công thức 1 ( , ) : n k k i j ij k ij k k e e c e c e    . Ngược lại, mỗi bộ hằng số cấu trúc ( )kij nc c hoàn toàn xác định móc Lie  Ln cũng bởi công thức đó. Ln đựơc gọi là đa tạp của các đại số Lie n-chiều (trên trường K) hoặc chính xác hơn là đa tạp của các móc Lie (có thể có) trên V. Tác động của nhóm GL(V) lên Ln được xác định như sau: 1 1( . )( , ) ( ( , ))U x y U U x U y     ( )U GL V ,   Ln,  ,x y V . ( Đây là tác động trái đối lập với tác động phải thường được dùng nhiều hơn đối với phép thu gọn trong vật lý và được xác định bởi công thức 1( . )( , ) ( ( , ))U x y U Ux Uy  . Suốt bản luận văn, chúng ta sử dụng tác động phải ngoại trừ tiểu mục này). Ký hiệu ( ) là quỹ đạo của  Ln dưới tác động của GL(V) và bao đóng của nó tương ứng với topo Zariski trên Ln là ( ) . ĐỊNH NGHĨA( xem[16, trang 8]) Đại số Lie 00g =(V , )được gọi là ( cái ) thu gọn ( hoặc suy biến ) của đại số Lie g=(V , ) nếu 0 ( )  . Phép thu gọn này được gọi là thực sự (proper) nếu 0 ( ) \ ( )    và được gọi là không tầm thường nếu 0  0. Trong trường hợp K= hoặc K= thì các quỹ đạo đóng tương ứng với topô Zariski trùng với các quỹ đạo đóng tương ứng với topô Euclide và định nghĩa trên được quy về định nghĩa thu gọn thông thường. 2.2 Các loại phép thu gọn đơn giản nhất Các phép thu gọn Inonu-Wigner thể hiện quá trình lấy giới hạn giữa các đại số Lie với ma trận thu gọn thuộc các loại đơn giản nhất. Hầu hết các phép thu gọn của đại số Lie có số chiều thấp đều tương đương với các phép thu gọn như thế. Đối với các phép thu gọn kiểu đó, chúng ta sẽ thảo luận về các tính chất mà cần thiết cho việc nghiên cứu sau này. 2.2.1. Phép thu gọn Inonu-Wigner đơn Các phép thu gọn Inonu-Wigner đơn (còn gọi tắt là phép IW-thu gọn) được đề xuất đầu tiên trong [13]. Chúng được sinh bởi các ma trận có dạng 0 0 'U U U   , với 0 0, 'U U là ma trận hằng số cấp n n . Ma trận U được giả thiết thêm là có thể biến đổi được thành ma trận chéo dạng đặc biệt 1ˆ._.