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直交リー代数に付随する群による 一般線型群の両側剰余類の計算

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Academic year: 2021

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平成 26 年度卒業論文

直交リー代数に付随する群による 一般線型群の両側剰余類の計算

広島大学理学部数学科 B111318 稲葉勇哉 指導教員 田丸博士 教授

2015210

(2)

はじめに

私は, ゼミで主に線型リー群とリー代数について学習してきた. 本論文では, 3次直交リー代数 o(3)の自己同型群と3次直交リー群 O(3) による3次一般線型群 GL(3,R) の両側剰余類を計算 ,応用として両側剰余類の計算結果からo(3)のミルナー基底が与えられることを示す. 本論文で 生成されたミルナー基底は,参考文献[4] での生成方法と異なる方法で生成されたものである.  第1章では,準備として線型リー群, リー代数等を定義し,線型リー群,リー代数の中でも特に本 論文で扱うものを紹介する.

 第2章では, o(3)の自己同型群と O(3)によるGL(3,R) の両側剰余類を計算する. この計算結 果が本論文の主定理である.

 第3章では, 応用として, 参考文献 [4] とは異なる方法でミルナー基底が与えられることを定理 として述べる.

 本論文を書くにあたり,指導教員の田丸博士先生をはじめ,奥田隆幸先生,橋永貴弘先生ならびに 先輩方にはご多忙の中多くのことを指導していただきました. 最後になりましたが, この場をお借 りして深く御礼申し上げます.

(3)

目次

1 線型リー群・リー代数等の定義 1

1.1 線型リー群の定義 . . . . 1 1.2 リー代数の定義 . . . . 2 1.3 リー代数の同型写像の定義 . . . . 3

2 R×Aut(o(3))\GL(3,R)/O(3)の計算 4

3 応用 8

3.1 内積 . . . . 8 3.2 群作用 . . . . 8 3.3 3次直交リー代数のミルナー基底 . . . . 9

(4)

1 線型リー群・リー代数等の定義

この章では,本論文で必要な数種類の線型リー群とリー代数等について定義する.

 以下, nを自然数,M(n,R) n×n 実行列の全体を表すものとする. また, 行列 gM(n,R) の行列式をdetg,転置をtg ,M(n,R) 内の単位行列をIn で表す.

1.1 線型リー群の定義

この節では, GL(n,R), O(n), SO(n) 3種類の線型リー群を紹介する.

定義 1.1. 次で定義されるGL(n,R) 一般線型群(general linear group)と呼ぶ:

GL(n,R) :={gM(n,R)|detg̸= 0}. (1.1) 線型リー群の定義を述べるために,まずは GL(n,R) に位相を定義する. M(n,R) には,Rn2 の自然な同一視により,標準的な位相が入る. GL(n,R) M(n,R) 内の部分集合なので, 標準的 な位相から決まる相対位相を入れる.

定義 1.2. GGL(n,R) とする. このとき G GL(n,R) 内の 線型リー群 (linear Lie group) であるとは,以下が成り立つこと:

(1) G GL(n,R) 内の部分群.

(2) G GL(n,R) 内で,上記の位相に関して閉集合. 定義によりGL(n,R) ,線型リー群である.

定義 1.3. 次で定義されるO(n) は線型リー群である. これを直交リー群(orthogonal Lie group) と呼ぶ:

O(n) :={gGL(n,R)|tgg=In}. (1.2) 次に, 直交群 O(n) Rn 上の自然な内積が関係することをみる. ここで, Rn 上の自然な内積

⟨, ,Rn の元を縦ベクトルとして,

v, w:=tvw (u, wRn) (1.3)

により定義されていたことに注意する.

命題 1.4. gM(n,R) に対して,以下は互いに同値である: (1) gO(n).

(2) g , を保つ. すなわち,任意のv, w Rn に対して,gv, gw=v, w. (3) g= (v1· · ·vn) と表すと,{v1, . . . , vn} Rn の正規直交基底.

(5)

証明. まず, (1)(2)を示す. そのために,gO(n)と仮定する. 任意にv, w Rn をとる. 内積

, の定義より,

⟨gv, gw⟩=t(gv)(gw) =tv(tgg)w=tvw=⟨v, w⟩. (1.4) よって,g , を保つ.

次に, (2)(3)を示す. そのために,gが自然な内積,を保つと仮定する. また,g= (v1· · ·vn) と表す. Rn の標準的な基底を{e1, . . . , en} とすると,

gei= (v1· · ·vn)ei=vi. (1.5) よって,δij をクロネッカーのデルタとすると,

vi, vj=gei, gej=ei, ej=δij. (1.6) すなわち,{v1, . . . , vn} Rn の正規直交基底である.

最後に, (3) (1)を示す. そのために,g = (v1· · ·vn) と仮定したとき,{v1, . . . , vn} Rn 正規直交基底であると仮定する. すると,

tgg =t(v1· · ·vn)(v1· · ·vn) = (tvivj) = (δij) =In. (1.7) また,上の式と行列式の性質 det(tg) = det(g) によりdet(g)̸= 0 である. よって, gO(n) であ .

定義1.5. 次で定義されるSO(n)は線型リー群である. これを特殊直交リー群(special orthogonal Lie group)と呼ぶ:

SO(n) :={gGL(n,R)|detg= 1,tgg =In}. (1.8)

1.2 リー代数の定義

この節では,リー代数を定義し o(n) というリー代数を紹介する.

定義 1.6. 実線型空間 g と写像[,] : g×g g を考える.このとき, (g,[,]) リー代数 (Lie algebra)とは,以下が成り立つこと:

(1) (双線型性) 写像[,]は双線型.

(2) (交代性) 任意のX, Y gに対して, [X, Y] =[Y, X].

(3) (ヤコビ律) 任意の X, Y, Zgに対して, [X,[Y, Z]] + [Y,[Z, X]] + [Z,[X, Y]] = 0.

定義 1.7. M(n,R) に括弧積を[X, Y] :=XY Y X で定義したものはリー代数であり,その次元 n2 である. これを 一般線型リー代数(general linear Lie algebra) と呼び,gl(n,R) で表す. 定義 1.8. リー代数 g 内の部分集合 g リー部分代数 (Lie subalgebra) とは,以下が成り立つ こと:

2

(6)

(1) g g 内の線型部分空間.

(2) g は括弧積に関して閉じている.すなわち,任意の X, Y g に対して, [X, Y]g. 命題 1.9. リー部分代数は,リー代数である.

定義 1.10. 次で定義される o(n) gl(n,R) 内のリー部分代数であり,その次元はn(n1)/2 ある. これを 直交リー代数(orthogonal Lie algebra)と呼ぶ:

o(n) :={Xgl(n,R)|tX+X= 0}. (1.9) 特に,命題 1.9により,o(n) はリー代数になる.

1.3 リー代数の同型写像の定義

この節では,リー代数の同型写像を定義する.

定義 1.11. g1,g2をリー代数とする. 写像f :g1g2がリー代数の同型写像(isomorphism) ,以下が成り立つこと:

(1) f は 線型写像. (2) f は全単射.

(3) 任意の X, Y g1 に対して,f([X, Y]) = [f(X), f(Y)].

定義 1.12. リー代数g から自分自身への同型写像を, 特に 自己同型写像 (automorphism) と呼 ,自己同型写像全体の集合をAut(g) と表す.

命題 1.13. Aut(g) は群である.

(7)

2 R×Aut(o(3))\GL(3,R)/O(3) の計算

この章では直交リー代数o(3)に付随する群であるR×Aut(o(3))O(3)によるGL(3,R)の両 側剰余類を求める. この計算結果が本論文の主定理である.

定義 2.1. G を群,K,H G の部分群とする. gGが属する K H による 両側剰余類[[g]]

を次のように定義する:

[[g]] :=KgH :={kgh|kK, hH}. (2.1) また,商集合をK\G/H :={[[g]]|gG} で表す.

以下,次のように記号を定義する:

R×:={c·id :gg|cR\ {0}}, (2.2) R×Aut(g) :={|cR×, φAut(g)}, (2.3) diag(a1, . . . , an) :=

a1

. .. an

. (2.4)

(2.5) 補題 2.2. o(3)の基底 {y1, y2, y3}が存在し,次を満たす:

[y1, y2] =y3, [y2, y3] =y1, [y3, y1] =y2. (2.6) 証明. 次のように y1, y2, y3 を定める:

y1:=

0 1 0

−1 0 0

0 0 0

, y2:=

0 0 0

0 0 1

0 1 0

, y3:=

0 0 1

0 0 0

1 0 0

. (2.7)

このとき,{y1, y2, y3} o(3)の基底である. また,括弧積の条件は行列の計算により従う.

以降, {y1, y2, y3} に関して, o(3) R3 を同一視する. 特に, R×Aut(o(3))GL(3,R) とみな .

 本論文の目標は,商集合 R×Aut(o(3))\GL(3,R)/O(3)を求めることであるが,そのためにまず, R×Aut(o(3))の群について調べる.

補題 2.3. 次が成り立つ:

SO(3)Aut(o(3)). (2.8)

証明. 任意の g SO(3) をとり, g := (aij) とする. このとき, g Aut(o(3)) を示す. つまり, 自己同型群の定義より, (1) g が線型, (2) g は全単射, (3) g が括弧積を保つことを示せばよい.

4

(8)

gSO(3), detg̸= 0 を満たすことから(1), (2)は成り立つ.  次に, (3)すなわち,以下を示す:

tg[gyi, gyj] = [yi, yj], (i, j)∈ {(1,2),(2,3),(3,1)}. (2.9) 任意の(i, j)∈ {(1,2),(2,3),(3,1)}をとる.

tg[gyi, gyj] =tg[

3 k=1

akiyk,

3 k=1

akjyk]

=tg((a1ia2ja1ja2i)y3+ (a2ia3ja2ja3i)y1+ (a3ia1j a3ja1i)y2)

= (a1ia2ja1ja2i)tgy3+ (a2ia3ja2ja3i)tgy1+ (a3ia1ja3ja1i)tgy2

=

3 k=1

((a1ia2ja1ja2i)a3k+ (a2ia3j a2ja3i)a1k+ (a3ia1ja3ja1i)a2k)yk

=

3 k=1

detA(i, j, k)yk.

上の式でのA(i, j, k) は以下で定義されたものである:

A(i, j, k) :=

a1i a1j a1k

a2i a2j a2k

a3i a3j a3k

. (2.10)

また,計算により, detA(i, j, i) = detA(i, j, i) = 0 となるので,

3 k=1

detA(i, j, k)yk = detA(i, j, k)yk, k ∈ {1,2,3} \ {i, j} (2.11) となり,k ̸=i, j のとき detA(1,2,3) = detA(2,3,1) = detA(3,1,2) = detg = 1となること及 び括弧積の条件から,k∈ {1,2,3} \ {i, j} に対して,

detA(i, j, k)yk =yk

= [yi, yj] となる. したがって, (3) が示された.

補題 2.4. 次が成り立つ:

O(3) ={cg|c=±1, gSO(3)}. (2.12)

証明. まず, () を示す. 任意の h O(3) をとる. O(3) の定義から thh = In である. この 両辺の行列式をとると (detth)(deth) = detIn より, deth = ±1 となる. deth = 1 のとき, hSO(3)(右辺) となり, deth=−1 のとき,−hSO(3)より,h=−(−h)(右辺) となる ことから, O(3)⊂ {cg|c=±1, gSO(3)} が成り立つ.

 また, () は明らかである.

(9)

命題 2.5. 次が成り立つ:

O(3)R×Aut(o(3)). (2.13)

証明. 任意の gO(3)をとる. gR×Aut(o(3))を示せばよい. 補題2.4より,あるc∈ {−1,1}, h SO(3) が存在し, g = ch となる. このとき, R× の定義より c R×, 補題 2.3 より hAut(o(3)) となり,ch=gR×Aut(o(3)となる.

以上より, O(3)R×Aut(o(3)) が示されたが,商集合R×Aut(o(3))\GL(3,R)/O(3)を求める ために,次は, O(n)\GL(n,R)/O(n) を調べる.

補題 2.6. 任意の g GL(n,R) に対して, あるP O(n) , あるλ1, . . . , λn >0 が存在して,

tP(tgg)P = diag(λ1, . . . , λn).

証明. 任意の g GL(n,R) をとる. t(tgg) = tgg より, tgg は対称行列である. 対称行列 tgg は直交行列により対角化できるので, ある P O(n) , ある λ1, . . . , λn R が存在して,

tP(tgg)P = diag(λ1, . . . , λn) となる.

 したがって,任意のi∈ {1, . . . , n}に対して,λi>0を示せばよい. ここで,任意のi∈ {1, . . . , n} をとる. y=t(y1, . . . , yn) Rn の元で,i成分が 1,i以外の成分が0 であるものとする. x=P y とおくと,

0<t(gx)(gx) =txtggx

=tydiag(λ1, . . . , λn)y

=λ1y21+· · ·+λnyn2

=λi

となることから成り立つ.

補題 2.7. 任意のg, hGL(n,R) に対して,tgg =thhならば gh1O(n).

証明. 任意の g, hGL(n,R) をとる. このとき,

t(gh1)gh1=t(h1)tggh1

=t(h1)(tgg)h1

=t(h1)(thh)h1

=t(hh1)(hh1)

=tInIn

=In. 以上の計算より,gh1O(n) となる.

命題 2.8. 任意の g GL(n,R) に対して,ある k1, k2 O(n) ,ある b1, . . . , bn >0 が存在し ,k1gk2= diag(b1, . . . , bn). すなわち:

O(n)\GL(n,R)/O(n) ={[[diag(b1, . . . , bn)]]|bi>0}. (2.14) 6

(10)

証明. 任意の gGL(n,R) をとる. 補題 2.6 より, ある P O(n) , ある λ1, . . . , λn>0 が存 在して,tP(tgg)P = diag(λ1, . . . , λn) となる.

 ここで,B,B を次のように定義する:

B := diag(λ1, . . . , λn), (2.15)

B:= diag(

λ1, . . . ,

λn). (2.16)

また,k1:=BtP g1,k2:=P,bi:=

λi (i= 1, . . . , n) とおき,k1O(n) を示す.

tgg=P BtP

=P BBtP

=t(BtP)BtP.

補題2.7 よりk1=BtP g1O(n)となる. よって, k1gk2=BtP g1gP

=B

= diag(b1, . . . , bn) となることから,成り立つ.

命題2.5 及び,命題 2.8を用いると次の定理が証明できる. この定理が,本論文の主定理である. 定理 2.9. 次が成り立つ:

R×Aut(o(3))\GL(3,R)/O(3) ={[[g]]|g= diag(1, a, b), a >0, b >0}. (2.17) 証明. まず, () は明らかである.

 次に() を示す. 任意の[[g]]R×Aut(o(3))\GL(3,R)/O(3)をとる. ある a >0,b >0 が存 在して, [[g]] = [[diag(1, a, b)]]となることを示せばよい. 命題 2.8 より,ある k1, k2O(n) , b1, b2, b3>0が存在して,k1gk2= diag(b1, b2, b3) となる. ここで,

a:= b2

b1

, b:= b3

b1

, c:= 1 b1

(2.18) とすると,R× の定義及び,命題 2.5より,ck1R×Aut(o(3)) となる. また,以下の計算をすると,

[[g]] = [[ck1gkk]]

= [[1 b1

diag(b1, b2, b3)]]

= [[diag(1,b2

b1

,b3

b1

)]]

= [[diag(1, a, b)]]

となることから成り立つ.

(11)

3 応用

この章では,2 章でのR×Aut(o(3))\GL(3,R)/O(3)の計算結果を用いて,o(3)のミルナー基 底を求める定理を導く.

 以下,n 次元リー代数g の基底を{e1, . . . , en} とし,基底 {e1, . . . , en}に関して,g Rn を同 一視する.

3.1 内積

この節では,内積の定義を述べる.

定義 3.1. V R上のベクトル空間,写像 ,:V ×V Rとする. V の任意の元 x, y, z,R 任意の元α, β に対して,写像 , 内積(inner product)とは,以下が成り立つこと:

(1) αx+βy, z=αx, z+βy, z. (2) x, y=y, x.

(3) ⟨x, x⟩ ≥0 かつ ⟨x, x⟩= 0x= 0.

内積のなかでa= (ai), b= (bi)Rn に対して,次で定義したものを Rn の標準内積と呼ぶ.

a, b=

n k=1

aibi. (3.1)

また,標準内積を,0 と表す.

3.2 群作用

この節では,群作用の定義を述べる. この節を通して,Gを群とし,その単位元を eで表す. また M を集合とする.

定義 3.2. 写像Φ :G×M M に対して,

g.p:= Φ(g, p) (3.2)

と表す. 写像 ΦG M への 群作用(group action) であるとは,以下が成り立つこと: (1) 任意の g, hGおよび任意のpM に対して(gh).p=g.(h.p).

(2) 任意の pM に対して,e.p=p.

ここで定義した群作用は, 厳密には左群作用(left group action) と呼ばれるものである. G が集合M に作用することを,記号GM で表すことが多い.

定義 3.3. G の集合 M への群作用が 推移的(transitive) とは, 次が成り立つこと: 任意の p, qM に対して,g.p=q となる gG が存在する.

8

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