平成
22
年度卒業論文実特殊線形リー群の基本群
広島大学理学部数学科 B070930 飯田隆太 指導教員 田丸博士 准教授
平成 23 年 2 月 10 日
目次
1
はじめに2
2
準備3
2.1
古典群. . . . 3 2.2
基本群. . . . 4
3
実特殊線形群の極分解10
3.1
正値. . . . 10 3.2
指数写像. . . . 11 3.3
特殊線形群の極分解. . . . 14
4
主定理24
1 はじめに
私は数学を学ぶ中で関手に興味もったのでその一例である基本群を取り上げる
.
基本群 は位相から代数への関手である.
本論文では,
特殊直交群の基本群が既知であるとして,
特 殊線形群の基本群を求める.
本論文の構成は以下のようになっている.
第
2
章では,
本論文で扱う対象である古典群の定義を述べ,
古典群に位相を入れる.
そし て,
古典群の弧状連結性,
コンパクト性を述べる.
次に,
基本群を定義するために必要な諸 概念を述べ,
基本群を定義する.
さらに,
主定理の証明に必要な基本群の直積についての定 理を示す.
第
3
章では,
特殊線形群と特殊直交群を関係づけるために必要な特殊線形群の極分解を 示す.
まず,
そのために正値と行列の指数写像を定義し,
極分解を示すために様々な補題の 証明を与える.
第
4
章では,
これまでに示した定理などを用い,
特殊線形群の基本群と特殊直交群の基 本群が位相空間として同型になることを示す.
2 準備
2.1
古典群この節では
,
本論文で取り上げる古典群の定義を述べ,
古典群に位相を入れる.
そして,
古典群の弧状連結性,
コンパクト性を述べる.
定義
2.1.1 R
上の n 次正方行列全体の集合を次のように表す: M (n, R ) = { (a ij ) i,j=1, ··· ,n | a ij ∈ R} .
定義2.1.2 M (n, R )
の n 次正則行列全体の集合を次のように表す:
GL(n, R ) = { A ∈ M (n, R ) | det A 6 = 0 } .
これはR
上の 一般線形群とよばれる.
また,
SL(n, R ) = { A ∈ GL(n, R ) | det A = 1 }
はその部分群をなし,
特殊線形群とよばれる.
定義
2.1.3 R n
上の内積を保つ直交行列全体の集合を次のように表す:
O(n) = { A ∈ GL(n, R ) | t AA = I n } .
これは直交群とよばれる.
また特に,
SO(n) = O(n) ∩ SL(n, R )
は特殊直交群とよばれる.
GL(n, R ), SL(n, R ), O(n), SO(n)
は,
それぞれ行列の積に関して群を成している.
また,
次の行列のノルムから定まる位相を入れる.
定義
2.1.4
行列X = (x ij )
に対して,
行列のノルムを次のように定める:
|| X || :=
v u u t X n
i,j=1
( || x ij || 2 ).
M (n, R )
の2
点A, B
の距離をd(A, B) = || A − B ||
と定義すると, M (n, R )
は距 離空間になる.
よって,
距離から位相を定める.
また, M (n, R )
の部分空間である古典群GL(n, R ), SL(n, R ), O(n), SO(n)
も距離空間になるので,
距離から位相を定める.
GL(n, R ), SL(n, R ), O(n), SO(n)
において,
弧状連結性,
弧状連結成分の個数,
コンパ クト性について以下の表のようになることが知られている:
群 弧状連結性 弧状連結成分の個数 コンパクト性
GL(n, R )
×2
×SL(n, R )
○1
×O(n)
×2
○SO(n)
○1
○2.2
基本群この節では
,
基本群を定義するために必要な諸概念を述べ,
基本群を定義する.
さらに,
主定理の証明に必要な基本群の直積についての定理を示す.
また以下X, Y
は位相空間と する.
定義
2.2.1
1.
閉区間I = [0, 1]
からX
への連続写像u : I → X
をX
の道という.
また, u(0)
を道u
の始点, u(1)
を終点という.
道u
をu(0)
とu(1)
を結ぶ道ともいう. 2. x 0 , x 1 ∈ X
に対して,
点x 0
とx 1
を結ぶ道u : I → X
全体の集合をΩ(X, x 0 , x 1 )
で表す
.
3.
道u ∈ Ω(X, x 0 , x 1 )
に対して, u −1 (t) = u(1 − t)
を道u
の逆道という. 4.
道u, v
をX
の中の道でu(1) = v(0)
とするとき,
道u ∗ v
をu ∗ v =
½ u(2t) (0 ≤ t ≤ 1 2 ) v(2t − 1) ( 1 2 ≤ t ≤ 1)
と定義しu
とv
の道の積という.
写像
φ : X → Y
を連続写像,
道u ∈ Ω(X, x 0 , x 1 )
とすると, φu ∈ Ω(Y, φ(x 0 ), φ(x 1 ))
となる.
定義
2.2.2 x 0 , x 1 ∈ X
とする.
集合Ω(X, x 0 , x 1 )
の2
つの道u, v
に対して½ F (t, 0) = u(t), F (0, s) = x 0
F (t, 1) = v(t), F (1, s) = x 1
をみたす連続写像
F : I × I → X
が存在するとき,
道u
とv
はホモトープであるとい い, u ∼ v
またはu ∼ v(F )
と表す.
連続写像F
をu
とv
を結ぶホモトピーという.
補題2.2.3 u, v ∈ Ω(X, x 0 , x 1 )
においてu ∼ v ⇔ u
とv
はホモトープ と定義すると関係∼
は同値法則をみたす.
(
証明開始) (i)
反射律, (ii)
対称律, (iii)
推移律を順番に示す. u, v, w ∈ Ω(X, x 0 , x 1 )
と する.
(i)
反射律を示す.
つまり, u ∼ u
を示す.
写像F : I × I → X
をF (t, s) = u(t)
と定義 するとu ∼ u(F )
である.
(ii)
対 称 律 を 示 す.
つ ま り, u ∼ v
な ら ばv ∼ u
を 示 す. u ∼ v(F )
と す る と, F (t, 0) = u(t)
かつF (t, 1) = v(t)
であるから, F 0 : I × I → X
をF 0 (t, s) = F (t, 1 − s)
と定義するとF 0
は連続であり, F 0 (t, 0) = F (t, 1) = v(t)
かつF 0 (t, 1) = F (t, 0) = u(t)
となるので, v ∼ u(F 0 )
である.
(iii)
推移律を示す.
つまり, u ∼ v, v ∼ w
ならばu ∼ w
を示す. u ∼ v(F 1 ), v ∼ w(F 2 )
とすると, F : I × I → X
をF (t, s) =
½ F 1 (t, 2s) (0 ≤ s ≤ 1 2 ) F 2 (t, 2s − 1) ( 1 2 ≤ s ≤ 1)
と定義すると
F
は連続で, F (t, 0) = F 1 (t, 0) = u(t)
かつF (t, 1) = F 2 (t, 1) = w(t)
であ るからF
はu
とw
を結ぶホモトピーである.
よって, u ∼ w(F )
である. (
証明終了)
位相空間X
の1
点x
を固定し, u : I → X
をu(t) = x
と定義すると, u
はX
の1
つ の道であるが,
この道u
を0 x
または単に0
で表し,
定値道という.
定義
2.2.4 1. X
の道u
の始点と終点がともにx 0
であるとき, u
をx 0
を基点とす る閉道(
またはループ)
という.
2. x ∈ X
を基点とする閉道の同値類の集合Ω(X, x, x)/ ∼
をπ 1 (X, x)
で表す. π 1 (X, x)
をx
を基点とするX
の基本群という.
3.
任意のx ∈ X
に対してπ 1 (X, x) = 0
のときX
は単連結であるという.
基本群
π 1 (X, x)
は[u], [v] ∈ π 1 (X, x)
に対して, [u][v] = [u ∗ v]
で定義される積をも ち,
逆元は[u] − 1 = [u − 1 ]
で与えられ,
単位元は[0 x ]
である.
補題
2.2.5 x 0 , x 1 ∈ X, w ∈ Ω(X, x 0 , x 1 )
とする.
このとき写像w ∗ : π 1 (X, x 1 ) → π 1 (X, x 0 ) ; w ∗ ([u]) = [w][u][w − 1 ] = [w ∗ u ∗ w − 1 ]
は群同型写像である.
(
証明開始) (i) w ∗
が群準同型写像であること, (ii) w ∗
は全単射を順番に示す. (i) w ∗
が群準同型写像であることを示す. [u], [v] ∈ π 1 (X, x 1 )
をとる.
w ∗ ([u])w ∗ ([v]) = [w][u][w − 1 ][w][v][w − 1 ]
= [w][u][0 x
1][v][w − 1 ]
= [w][u][v][w − 1 ]
= [w][u ∗ v][w − 1 ]
= w ∗ ([u][v])
となる.
(ii) w ∗
は全単射を示す. [u] ∈ π 1 (X, x 0 )
をとる. w − 1 ∈ Ω(X, x 0 , x 1 )
は群準同型写像w − ∗ 1 : π 1 (X, x 0 ) → π 1 (X, x 1 ) ; w ∗ − 1 ([u]) = [w − 1 ∗ u ∗ w]
を誘導する
.
このとき,
w − ∗ 1 w ∗ ([u]) = w ∗ − 1 ([w ∗ u ∗ w − 1 ])
= [w − 1 ∗ w ∗ u ∗ w − 1 ∗ w]
= [0 x
1∗ u ∗ 0 x
1]
= [u]
であるから
, w ∗ −1 w ∗ = 1
である.
同様にw ∗ w −1 ∗ = 1
となる.
よって, w ∗
は全単射である. (
証明終了) X
が弧状連結空間のとき, X
の任意の2
点x 0 , x 1
は道で結べるので, x 0 , x 1
を基点と するX
の基本群は群として同型である: π 1 (X, x 0 ) ∼ = π 1 (X, x 1 ).
したがってこの群は基 点x
の取り方に関係せずX
のみで定まる基本群と考えてπ 1 (X)
で表す.
補題
2.2.6
写像φ : X → Y
を連続写像とする.
このとき写像φ ∗ : π 1 (X, x) → π 1 (Y, φ(x)) ; φ ∗ [u] = [φu]
は群準同型写像である
.
(
証明開始) (i) well-defined
である, (ii)
群準同型であることを順番に示す.
(i) well-defined
であることを示す. u ∼ v
をみたすようなu, v ∈ Ω(X, x, x)
をとる.
このときφu, φv ∈ Ω(Y, φ(x), φ(x))
である.
ここで, u ∼ v
より½ F (t, 0) = u(t), F (0, s) = x F (t, 1) = v(t), F (1, s) = x
をみたす連続写像
F : I × I → X
が存在する.
よって,
連続写像φF : I × I → Y
は½ φF (t, 0) = φu(t), φF (0, s) = φ(x) φF (t, 1) = φv(t), φF (1, s) = φ(x)
であり
, φu
とφv
を結ぶホモトピーである.
したがって, φu ∼ φv
である. (ii)
群準同型であることを示す. ∀ [u], [v] ∈ π 1 (X, x)
をとる.
するとφ ∗ ([u][v]) = φ ∗ ([u ∗ v])
= [φ(u ∗ v)]
= [(φu) ∗ (φv)]
= [φu][φv]
= φ ∗ [u]φ ∗ [v]
となる
. (
証明終了)
これを連続写像
φ : X → Y
から誘導された準同型という.
補題
2.2.7
写像f : X → Y , g : Y → Z
を連続写像とするとき, (f g) ∗ = f ∗ g ∗
が成り 立つ.
(
証明開始) ∀ [u] ∈ π 1 (X, x)
をとる.
すると(f g) ∗ [u] = [f gu]
= f ∗ [gu]
= f ∗ g ∗ [u]
が成り立つ
. (
証明終了)
ここで
,
主定理の証明に重要な基本群の直積の定理を示す.
定理
2.2.8
点x 0 ∈ X , y 0 ∈ Y
を与える.
このとき,
次の2
つの群は群として同型で ある:
π 1 (X × Y, (x 0 , y 0 )) ∼ = π 1 (X, x 0 ) × π 1 (Y, y 0 ).
(
証明開始) (i)
群準同型写像を定めて, (ii)
群準同型写像が全単射であることを順番 示す.
まず
,
準備として次の写像を定める. X, Y
への射影をそれぞれp : X × Y → X, q : X × Y → Y
とする.
また,
写像i : X → X × Y , j : Y → X × Y
をそれぞれ,
i(x) = (x, y 0 ), j (y) = (x 0 , y)
と定義する.
このときpi = 1, pj (y) = x 0 , qj = 1, qi(x) = y 0
であるから
,
補題2.2.7
より,
p ∗ i ∗ = 1 ∗ , p ∗ j ∗ = [0 x
0], q ∗ j ∗ = 1 ∗ , q ∗ i ∗ = [0 y
0]
が成り立つ.
(i)
群準同型写像を定める.
写像φ
をφ : π 1 (X × Y, (x 0 , y 0 )) → π 1 (X, x 0 ) × π(Y, y 0 ) ; φ(γ ) = (p ∗ (γ), q ∗ (γ))
と定義すると, p ∗
とq ∗
は準同型写像だから, φ
は準同型写像である.
(ii) φ
が全単射であることを示す.
まず
,
全射を示す. ∀ (α, β) ∈ π 1 (X, x 0 ) × π 1 (Y, y 0 )
をとる.
このときγ = i ∗ (α)j ∗ (β) ∈ φ 1 (X × Y, (x 0 , y 0 ))
とおく.
すると,
φ(γ) = (p ∗ (γ), q ∗ (γ))
= (p ∗ (i ∗ (α)j ∗ (β)), q ∗ (i ∗ (α)j ∗ (β)))
= ((p ∗ i ∗ (α))(p ∗ j ∗ (β)), (q ∗ i ∗ (α))(q ∗ j ∗ (β)))
= ((p ∗ i ∗ (α))[0 x
0], [0 y
0](q ∗ j ∗ (β)))
= (p ∗ i ∗ (α), q ∗ j ∗ (β))
= (α, β).
したがって
, φ
は全射である.
次に
,
単射を示す.
つまりKer(φ) = { [0 (x
0,y
0) ] }
となることを示す.
任意にγ = [u] ∈ Ker(φ)
をとる.
定義よりφ(γ) = ([0 x
0], [0 y
0])
である.
すると,
([0 x
0], [0 y
0]) = φ(γ)
= φ([u])
= (p ∗ [u], q ∗ [u])
= ([pu], [qu]).
よって
, pu ∼ 0 x
0, qu ∼ 0 y
0 であるから,
½ F 1 (t, 0) = pu(t), F 1 (0, s) = x 0 , F 1 (t, 1) = x 0 , F 1 (1, s) = x 0 ,
½ F 2 (t, 0) = qu(t), F 2 (0, s) = y 0 , F 2 (t, 1) = y 0 , F 2 (1, s) = y 0
をみたす
,
それぞれのホモトピーF 1 : I × I → X , F 2 : I × I → Y
が存在する.
これらを 用いて, F : I × I → X × Y
をF = F 1 × F 2
で定義すると,
½ F (t, 0) = (pu(t), qu(t)), F (0, s) = (x 0 , y 0 ), F (t, 1) = (x 0 , y 0 ), F (1, s) = (x 0 , y 0 )
が成り立つ
.
よってF
は(pu, qu)
と0 (x
0,y
0)
を結ぶホモトピーである.
ここで, u(t) = (pu(t), qu(t))
より, F
はu
と0 (x
0,y
0)
を結ぶホモトピーである.
したがって, γ = [u] = [0 (x
0,y
0) ]
となり, φ
は単射である. (
証明終了)
命題2.2.9 R
は単連結である.
(
証明開始) R
は弧状連結であるから, π 1 ( R , 0) = 0
を示せばよい. R
の0
における任 意の閉道u : I → R
をとる.
このとき写像F : I × I → R ; F (t, s) = u(t)(1 − s)
はu
と0
を結ぶホモトピーである.
よって, u ∼ 0
であるから, [u] = 0
となる.
したがって, R
は単連結である
. (
証明終了)
また
,
定理2.2.8
より,
その直積空間であるR n
も単連結であることがわかる.
3 実特殊線形群の極分解
この章では
,
実特殊線形群SL(n, R )
の極分解を示す.
そのためにまず,
正値と行列の指 数写像を定義し,
極分解を示すために様々な補題の証明を与える.
3.1
正値この節では
,
正値の定義を述べ,
正値と同値な命題を示す.
定義
3.1.1
行列X ∈ M (n, R )
がt X = X
をみたすとき, X
をn
次R -Hermite
行列 または,
実対称行列という. n
次R -Hermite
行列全体の集合を次のように表すことと する:
= (n, R ) = { X ∈ M (n, R ) | X = t X } .
定義
3.1.2
行列P ∈ = (n, R )
が 正値 であるとは,
次をみたすことである.
∀ x ∈ ( R n ) ×
に対してh x, P x i > 0. ( h , i
はR n
上の標準的内積.)
また, n
次正値R -Hermite
行列全体の集合を= + (n, R )
で表すこととする.
命題3.1.3
任意の行列P ∈ = (n, R )
に対して,
次の3
つの条件は同値である.
(1)
行列P
は正値R -Hermite
行列. (2)
行列P
のすべての固有値は正.
(3) P = Q 2
となるようなQ ∈ = + (n, R )
が存在する.
(
証明開始) (1)
から(2)
を示す.
固有値λ k
に対する固有値をx k
とする.
ただし, k = 1, 2, . . . , n. ∀ k
に対して,
P x k = λ k x k
が成り立つ.
両辺にt x k
をかけるとt x k P x k = λ k || x k || 2 , h x k , P x k i = λ k || x k || 2
が成り立つ.
仮定と|| x k || 2 > 0
より,
λ k > 0.
したがって
,
正値R -Hermite
行列P
のすべての固有値は正である.
(2)
から(3)
を示す. ∀ P ∈ = (n, R )
は,
あるA ∈ O(n)
を用いて,
次のように対角化可 能である.
P = ADA − 1 , D =
λ 1
. . . λ n
, λ k ∈ R
P
のすべての固有値は正より, λ k > 0
であるから,
Q = A
√ λ 1
. . . √ λ n
A − 1
とおくと
, Q ∈ = (n, R )
であり, P = Q 2
である. (3)
から(1)
を示す. ∀ x ∈ ( R n ) ×
をとる.
h x, P x i = t xP x
= t xQQx
= t x t QQx (.. . Q ∈ = (n, R ))
= h Qx, Qx i ≥ 0
h x, P x i = 0
となるのは, x = 0
のときのみである. x ∈ ( R n ) ×
だから, h x, P x i > 0
である
. (
証明終了)
3.2
指数写像この節では
,
行列の指数写像を定義し,
性質を証明する.
まず,
定義2.1.4
の行列のノルム について,
次の性質が成り立つ.
補題
3.2.1 ∀ X, Y ∈ M (n, R )
に対して,
次の不等式が成立する: (1) ∀ (i, j), | a ij | ≤ || X || .
(2) || XY || ≤ || X || || Y || . (
証明開始)
(1)
行列のノルムの定義より明らか.
(2) ∀ X, Y ∈ M (n, R )
をとる. || X || ≥ 0, || Y || ≥ 0
であるから|| XY || 2 ≤ || X || 2 || Y || 2
を示す
. A = XY
とする.
すると,
|| XY || 2 = || A || 2
= X n i,j=1
| a ij | 2
= X n i,j=1
¯¯ ¯¯
¯ X n k=1
( | x ik || y kj | )
¯¯ ¯¯
¯
2
≤ X n i,j=1
à n X
k=1
| x ik | 2 X n l=1
| y lj | 2
!
(.. .
シュワルツの不等式)
= X n i,k=1
| x ik | 2 X n l,j=1
| y lj | 2
= || X || 2 || Y || 2
となる.
(
証明終了)
定義3.2.2 X ∈ M n ( R )
に対して,
行列の指数写像exp
を次のように定める:
exp X = X ∞ n=0
µ X n n!
¶ .
指数写像
exp
を定義するには,
収束することを証明しなければならないので,
次の命題を 考える.
命題
3.2.3 X ∈ M (n, R )
に対してexp X
は絶対収束する. (
証明開始) ∀ (i, j)
をとる.
exp X ij = X ∞ n=0
µ (X n ) ij
n!
¶
なので
,
X ∞ n=0
¯¯ ¯¯ (X n ) ij
n!
¯¯ ¯¯ = X ∞ n=0
1
n! | (X n ) ij |
≤ X ∞ n=0
1
n! || X n || (.. .
補題3.2.1(1))
≤ X ∞ n=0
1
n! || X || n (.. .
補題3.2.1(2))
= exp || X ||
< ∞ .
したがって
, exp X
は絶対収束する. (
証明終了)
次に,
行列の指数写像の基本的な性質を挙げる.
補題
3.2.4
任意の行列X, Y ∈ M n ( R )
に対して,
次が成立する: (1) exp(AXA − 1 ) = A(exp X)A − 1 (
ただし, A ∈ GL(n, R )).
(2) X
の固有値をλ 1 , λ 2 , . . . , λ n
とすると, exp X
の固有値はe λ
1, e λ
2, . . . , e λ
n で ある.
(3) det(exp X) = e tr (X) . (
証明開始)
(1) (AXA − 1 ) k = AX k A − 1
であるから, exp(AXA − 1 ) =
X ∞ k=0
(AXA − 1 ) k
n! =
X ∞ k=0
AX k A − 1 n! = A
à ∞ X
k=0
X k n!
!
A − 1 = A(exp X)A − 1
となる.
(2) X ∈ M (n, R )
は三角化可能であるから,
あるB ∈ O(n)
により,
次のように変形で きる.
B − 1 XB =
λ 1 ∗ ∗ . . . ∗ λ n
.
よって
,
B − 1 (exp X )B = exp(B − 1 XB) =
e λ
1∗ ∗ . . . ∗ e λ
n
となる
.
したがって, exp X
の固有値は, e λ
1, e λ
2, . . . , e λ
n である. (3)
前の(2)
の証明と同じ記号を用いて示す.
det(exp X) = det(B − 1 (exp X)B)
= det(exp(B −1 XB))
= e λ
1e λ
2· · · e λ
n= e λ
1+λ
2+ ··· +λ
n= e tr (B
−1XB)
= e tr (XBB
−1)
= e tr (X)
となる
. (
証明終了)
3.3
特殊線形群の極分解この節では
,
実特殊線形群は特殊直交群とあるユークリッド空間の直積と位相空間とし て同型になることを示す.
まず,
記号を導入する:
D = (n, R ) = { X ∈ = (n, R ) | X
は対角行列} , D = + (n, R ) = { X ∈ = + (n, R ) | X
は対角行列} .
補題3.3.1
写像exp : D = (n, R ) → D = + (n, R )
は同相写像である.
(
証明開始)
D =
λ 1
. . . λ n
∈ D = (n, R )
ならば
,
exp D =
e λ
1. . . e λ
n
∈ D = + (n, R )
である
.
したがって,
明らかに写像exp : D = (n, R ) → D = + (n, R )
は連続,
全単射である.
また,
写像exp
の逆写像はlog : D = + (n, R ) → D = (n, R ) ; log
µ 1
. . . µ n
=
log µ 1
. . .
log µ n
であるから
,
明らかに連続である. (
証明終了)
補題3.3.2 X ∈ = (n, R ), A ∈ O(n)
に対して, A(exp X ) = (exp X)A
ならば, AX = XA
が成り立つ.
(
証明開始)
まず, X
が対角行列D =
λ
1. . . λ
n
であるとき,
成り立つことを示す
. D ∈ = (n, R ), A = (a ij ) ∈ O(n)
に対して, exp D =
e
λ1. . .
e
λn
であるから
,
A(exp D) = (exp D)A.
成分でみると
,
(a ij e λ
j) = (e λ
ia ij ).
すなわち
, i, j = 1, 2, . . . , n
に対してa ij e λ
j= e λ
ia ij
が成り立つ
.
ゆえに,
a ij (e λ
j− e λ
i) = 0.
つまり
,
a ij = 0
または(e λ
j− e λ
i) = 0
となるから,
a ij = 0
または(λ j − λ i ) = 0.
よって
,
a ij (λ j − λ i ) = 0, a ij λ j = λ i a ij
となるので
,
AD = DA.
次に
,
一般のX ∈ = (n, R )
に対して示す. X ∈ = (n, R )
は対角化可能より,
あるB ∈ O(n)
をとり, B − 1 XB = D ∈ D = (n, R )
とできる. A(exp X) = (exp X)A
とす ると,
A(exp BDB − 1 ) = (exp BDB − 1 )A
となる
.
補題3.2.4(1)
より,
AB exp(D)B − 1 = B exp(D)B − 1 A
となり,
B −1 AB exp(D) = exp(D)B −1 AB
となる
.
ここで, B −1 AB ∈ O(n)
であるから,
前半で示したことより, B − 1 ABD = DB − 1 AB.
したがって
,
ABDB − 1 = BDB − 1 A
となり,
AX = XA.
(
証明終了)
補題3.3.3 (1) = (n, R )
はM (n, R )
の閉集合である.
(2) D = + (n, R )
はGL(n, R )
の閉集合である. (
証明開始)
(1)
写像f : M (n, R ) → M (n, R ), f(X ) = t X − X
は連続であり,
かつ= (n, R )
は1
点{ 0 } ⊂ M (n, R )
のf
による逆像であるから, = (n, R )
はM (n, R )
の閉集合で ある.
(2)
集合D = 0 (n, R ) = { D ∈ D = (n, R ) | D
の対角成分の元λ k ≥ 0, k = 1, 2, . . . }
はM (n, R )
の閉集合.
そして, D = + (n, R ) = D = 0 (n, R ) ∩ GL(n, R )
よりD = + (n, R )
はM (n, R )
の閉集合である. (
証明終了)
補題3.3.4 D m ∈ D = (n, R ), m = 1, 2, . . .
に対して, exp D 1 , exp D 2 , . . . , exp D m , . . .
が 収 束 す る な ら ば, D 1 , D 2 , . . . , D m , . . .
も 収 束 す る.
そ し て, lim
m →∞ exp D m = P, lim
m →∞ D m = D
とおくとP ∈ D = + (n, R ), D ∈ D = (n, R )
でありかつ, P = exp D
と なる.
(
証明開始)
補題3.3.1
より,
写像exp : D = (n, R ) → D = + (n, R )
は同相写像である から,
この逆写像log : D = + (n, R ) → D = (n, R )
も連続である.
したがって, D m ∈
D = (n, R ), m = 1, 2, . . .
に対して, exp D 1 , exp D 2 , . . . , exp D m , . . .
が収束するならば,
D 1 , D 2 , . . . , D m , . . .
も収束する.
P ∈ D = + (n, R )
であることを示す. exp D m ∈ D = + (n, R )
であり,
補題3.3.3 (2)
よ り, D = + (n, R )
はGL(n, R )
の閉集合である.
よって, D = (n, R )
もGL(n, R )
の閉集合で ある. lim
m→∞ exp D m = P
とおくとP ∈ D = + (n, R )
である. D ∈ D = (n, R )
とP = exp D
となることを示す. lim
m →∞ exp D m = P
にlog
を施すと,
m lim →∞ D m = log P
となる.
したがって, lim
m →∞ D m = D
とおくと, P = exp D
となり,
か つD ∈ D = (n, R )
となる. (
証明終了)
写像
exp : M (n, R ) → GL(n, R )
は連続であることを示す前に次の補題を与える.
補題3.3.5 X, X 1 , X 2 , . . . , X m , . . . ∈ M (n, R )
に対して|| X || ≤ a, || X m || ≤ a (m = 1, 2, · · · )
をみたすa ∈ R
が存在するとき,
次が成り立つ.
|| X m n − X n || = na n−1 || X m − X || . (
証明開始)
|| X m n − X n || = ¯¯¯¯ X m (X m n − 1 − X n − 1 + (X m − X)X n − 1 ) ¯¯¯¯
≤ ( || X m |||| X m n − 1 − X n − 1 || + || X m − X |||| X n − 1 || )
≤ (a || X m n − 1 − X n − 1 || + || X m − X || a n − 1 )
≤ · · ·
≤ (a(n − 1)a n − 2 || X m − X || + || X m − X || a n − 1 )
= ((n − 1)a n − 1 + a n − 1 ) || X m − X || )
= na n − 1 || X m − X ||
(
証明終了)
命題3.3.6
写像exp : M (n, R ) → GL(n, R )
は連続である.
(
証明開始) lim
m →∞ X m = X
ならば, lim
m →∞ exp X m = exp X
となることを示す.
任意の 行列の点列{ X m } ∞ m=1 ⊂ M (n, R )
をとる. X ∈ M (n, R )
に対して, lim
m →∞ X m = X
とす ると, X 1 , X 2 , . . . , X m , . . .
は収束するので,
有界である.
すなわち, || X || ≤ a, || X m || ≤ a
(m = 1, 2, . . .)
をみたすa ∈ R
が存在する.
ここで,
¯¯ ¯¯
¯
¯¯ ¯¯
¯ X N n=0
X m n
n! − X N n=0
X n n!
¯¯ ¯¯
¯
¯¯ ¯¯
¯ =
¯¯ ¯¯
¯
¯¯ ¯¯
¯ X N n=0
1
n! (X m n − X n )
¯¯ ¯¯
¯
¯¯ ¯¯
¯
≤ X N n=0
1
n! || (X m n − X n ) ||
= X N n=0
1
n! na n − 1 || X m − X || (.. .
補題3.3.5)
= X N n=0
a n − 1
(n − 1)! || X m − X ||
N → ∞
とすると, || exp X m − exp X || ≤ e a || X m − X ||
を得る.
さらに,
この式においてm → ∞
とすると|| exp X m − exp X || → 0
すなわち, lim
m →∞ exp X m = exp X
となり示せた
. (
証明終了)
これらの補題をを用いて写像
exp : = (n, R ) → = + (n, R )
は同相写像であることを示す.
命題3.3.7
写像exp : = (n, R ) → = + (n, R )
は同相写像である.
(
証明開始)
命題3.3.6
で,
連続写像であることは既に示したので, (i)
全射, (ii)
単射,
(iii)
逆写像が連続であることを順番に示す.
(i)
全射を示す. ∀ P ∈ = + (n, R )
をとる. P
は対角化可能より,
あるA ∈ O(n)
をとり, A −1 P A ∈ D = + (n, R )
とできる.
ここで, exp : D = (n, R ) → D = + (n, R )
は全射であるか ら, A − 1 P A ∈ D = + (n, R )
に対して, D ∈ D = (n, R )
をexp D = A − 1 P A
となるように とる. X = ADA − 1
とおくと, X ∈ = (n, R )
であり,
exp X = exp(ADA − 1 )
= A exp(D)A − 1
= AA − 1 P AA − 1
= P
となる.
(ii)
単射を示す. X, Y ∈ = (n, R )
に対して, exp X = exp Y (= P )
であるとする. X, Y
は対角化可能より,
あるA, B ∈ O(n)
をとり, X = AD X A − 1 , Y = BD Y B − 1
とできる.
exp D X = A −1 P A , exp D Y = B −1 P B
であるから, exp D X
とexp D Y
は同じ固有値 を持つ.
ゆえに, D X
の対角成分を入れ替えて, D Y
と一致させることができる.
すなわち
, C ∈ O(n)
をとり, CD X C − 1 = D Y
とできる.
ここで, exp X = exp Y
= exp(BD Y B − 1 )
= exp(BCD X C − 1 B − 1 )
= exp(BCA −1 XAC −1 B −1 )
= exp((BCA − 1 )X(BCA − 1 ) − 1 )
= (BCA − 1 ) exp(X)(BCA − 1 ) − 1
となり
, BCA − 1 ∈ O(n)
より補題3.3.2
を用いて, X = (BCA − 1 )X (BCA − 1 ) − 1
を得る.
したがって,
X = (BCA − 1 )X(BCA − 1 ) − 1
= BCA −1 XAC −1 B −1
= BCD X C −1 B −1
= BD Y B − 1
= Y
となる.
(iii) exp
の逆写像が連続であることを示す.
そのために, exp
は閉写像であることをを示す。つまり
, F
を= (n, R )
の閉集合とし, exp F
が= + (n, R )
の閉集合であることを 示す.
そのためには,
点列X 1 , X 2 , . . . , X m , . . . ∈ F
に対して, lim
m →∞ exp X m = P, P ∈
= + (n, R )
ならば,
あるX ∈ F
が存在してP = exp X
と表されることを示せばよい.
各X m
に対して対角化可能より,
あるA m ∈ O(n)
をとり,
A m − 1
X m A m = D m ∈ D = (n, R )
とできる