李群

李群（Lie group，iː）是一个数学概念，指具有群结构的光滑微分流形，其群作用与微分结构相容。李群的名字源于挪威数学家索菲斯·李的姓氏，以其为连续变换群奠定基础。1893年，法文名词groupes de Lie首次出现在李的学生亚瑟·特雷斯（Arthur Tresse）的论文第三页中。
粗略地说，李群是连续的群，也即其元素可由几个实参数描述。因此，李群为连续对称性的概念提供了一个自然的模型，例如三维旋转对称性。李群被广泛应用于现代数学和物理学。索菲斯·李引入李群的最初动机是为微分方程的连续对称性建模，就像有限群被用于伽罗瓦理论对代数方程的离散对称性建模一样。

**总览**
绝对值为1的复数集（对应于复平面上圆心在原点、半径为1的单位圆）是一个在复数乘法下的李群，称为圆群。
李群是光滑可微流形，因而可以用微分学来研究，这点与更一般的拓扑群不同。李群理论中的关键是替换掉“全局”的对象，也即群本身，而代之以其“局部”或线性化的版本。这个局部版本被索菲斯·李本人称为该李群的“无穷小群”，而后来以“李代数”为人熟知。
李群在现代几何学中在多个层面扮演了重要的角色。费利克斯·克莱因在他的爱尔兰根纲领中认为，可以通过选定适当的保持某种几何性质不变的变换群来考察各种“几何”。例如，欧氏几何对应于欧式空间R3中保距变换构成的欧几里得群E(3)；共形几何对应于把群扩大到共形群；而在射影几何中引起人们兴趣的是射影群的不变属性。这个观念后来发展为G-结构的概念，其中G是流形"局部"对称性形成的李群。
李群（以及与之关联的李代数）在现代物理学中起到了重要作用，并通常扮演了物理系统中的对称性。这里，李群表示或相应的李代数表示尤为重要。 表示理论在粒子物理中被频繁使用。一些具有较为重要的表示的群包括旋转群SO(3)（或其双覆盖特殊酉群SU(2))，特殊酉群SU(3)以及庞加莱群。

**定义与样例**
为有限维实解析流形
*两个解析映射，二元运算，和逆映射满足群公理，从而具有群结构。
实李群是一个满足下列条件的群：它也是一个有限维实光滑流形，其中群的乘法和求逆操作是光滑映射。 群乘法的光滑性

意味着是一个从积流形到的光滑映射。这两个条件可以合并成一条，即映射

是一个从积流形到的光滑映射。

**初步的样例**
 所有实可逆矩阵构成了一个乘法群，记作或:
: 
 这是一个非紧致的四维实李群；它是的一个开子集。这个群是非连通的；它有两个连通分量，对应于行列式的正负两种情况。- 旋转矩阵构成了的一个子群，记为。它自己本身也是一个李群：具体地说，它是一个与圆微分同胚的一维紧致连通李群。使用旋转角 作为参数，这个群可以被参数化为如下形式：
: 
其中，角度的加法对应于中元素的乘法，角度的相反数对应于逆元。因此，乘法和求逆操作也都是可微映射。- 一维仿射群是一类二维上三角阵组成的李群，其中第一个对角线上的元素为正，第二个对角线上的元素为1。因此，该群包含了如下形式的矩阵：
:

**反例**
现在我们给出一个群的例子，它拥有不可数的元素，并且在某种拓扑下不是李群。我们给定如下群：

其中是一个固定的无理数。这是一个环面  的子群，它在子空间拓扑下不是李群。 比如说，如果我们取中的一个点的任意小邻域，那幺在 中的部分是不连通的。群在环面上反复缠绕，形成了一个的稠密子群。
另一方面，我们可以给群指定另一个拓扑，使得两点之间的距离被定义为群H中连结 和的最短路径长度。在这个拓扑下，通过其元素中对应的与实直线同胚。在这种拓扑下，仅仅是加法意义下的实数群，因此也是李群。
群是李群的一个非闭"李子群"的样例。可参见下面基本概念部分关于李子群的讨论。

**矩阵李群**
用GL(n; C)表示复数域上的n × n可逆矩阵。GL(n, C)的任何闭子群也是一个李群；这类李群被称为矩阵李群。
由于李群中大多数有趣的例子都可以用矩阵李群实现，一些教科书把注意力限制在这类李群上，包括Hall以及 Rossmann等，这样可以简化李代数和指数映射的定义。下面是一些矩阵李群的标准样例：
*定义在R和C上的特殊线性群SL(n, R)和SL(n, C)，分别包括了元素属于R或C的、行列式为1的n × n矩阵。
*酉群U(n)（以及特殊酉群SU(n)）, 包含了满足（对于特殊酉群而言，还需满足）的n × n复矩阵。
*正交群O(n)（以及特殊正交群SO(n)），包含了满足 （对于特殊正交群而言，还需满足）的n × n实矩阵。
以上列举的群均为经典群。

**相关概念**
与实李群相对应，复李群是在复流形上定义的（例如SL(2, C)）。类似地，使用一种Q的度量完备化我们可以在 p-进数上定义p-进数李群，一种满足每个点都有一个p-进数邻域的拓扑群。

**更多李群的样例**
李群经常出现在数学和物理学中。矩阵群或代数群（大部分情况下）是由矩阵构成的群（例如正交群和辛群），而这些也是李群最常见的例子。

**一维李群**
一维情况下唯二的连通李群是实直线 （其群操作为加法）和由绝对值为1的复数组成的圆群  （其群操作为乘法）。 也常被记作，即酉群。

**二维李群**
在二维情况下，如果我们只考虑简单连通群，那幺可以通过它们的李代数来分类。若把同构的情况归为一类，那幺此时只存在两种李代数。与这两种李代数关联的简单连通李群分别是（其群操作为向量加法）以及一维仿射群（在前面的小节"初步的样例"中有介绍）。

**解析李群与光滑李群**
部份书籍在定义李群时假设了解析性，本条目采相同定义。另一种进路则是定义李群为实光滑（简记为）流形，并具有光滑的群二元运算与逆元运算。解析条件看似较强，实则两者等价：
定理.任意李群上具有唯一的实解析流形结构，使得群二元运算及逆元运算皆为解析映射。此时指数映射亦为解析映射。

**同态和同构**
均为李群，二者之间的一个同态：为群同态并且是解析映射（事实上，可以证明这里解析的条件只需满足连续即可）。显然，两个同态的复合是同态。所有李群的类加上同态构成一个范畴。
两个李群之间存在一个双射，这个双射及其逆射均为同态，就称之为同构。

**李代数**
李代数刻划了李群在单位元附近的局部性状；借助指数映射或源自李代数的叶状结构，可以将李代数的性质提升到李群的层次。
设为李群，其李代数定义为在单位元的切空间。自然具备了矢量空间结构，上的李括积定义如下：
# 定义对自身的伴随作用为 ，。
# 取Ad对变元在单位元上的微分，得到李代数上的伴随作用，通常记为，。
# 再对变元微分，得到映射。定义李括积为。
不难验证满足李代数的抽象定义。李括积蕴含了群乘法的无穷小性质，例如：连通李群是交换群若且唯若是交换李代数。
李括积也可以用左不变矢量场及泊松括号定义，或者取定局部坐标，用群乘法映射在原点的泰勒级数定义。

**李群对应李代数**
若是李群，是其子群，并带有李群结构，使得包含映射为浸入（不一定是闭的），则可得到子李代数。反之，任意子李代数透过左平移定义了上的叶状结构，取含单位元的极大积分流形，便得到满足前述条件的子群。此子群未必是闭子群，它可能是的稠密子集（考虑环面的例子）。
李代数的映射未必能提升至李群的映射，但可提升至映射，其中是的万有覆叠空间。

**指数映射**
对于任意矢量，根据常微分方程式的基本理论，存在中的单参数子群使得。由此得到的映射
 
 
称为指数映射。它总是解析映射。
若为的子群，则，这是指数映射一词的缘由。
当连通且非交换时，指数映射并非同态；局部上，可以由Campbell-Baker-Hausdorff公式表成涉及括积的无穷级数。

**一般体上的李群**
在任意体、环乃至于概形上，都可以定义群概形；这是概形范畴中的群对象。群概形具有深刻的几何与数论意义，然而李群未必是代数簇。
另一方面，若域对某个绝对值是完备域，其特征为零，则可照搬解析李群的定义以定义体上的李群、李代数与指数映射。较常见的例子是；至于数论方面，特别涉及自守表示的研究上，则须用到为p进数体的情形。

**参考条目**
李型群

**参考文献**

**引用**

**来源**
 D. Montgomery and L. Zippin, Topological Transformation Groups (1955), Interscience.- Anthony W. Knapp, Lie Groups Beyond an Introduction (2004), Birkhäuser. ISBN 0817642595 .- Jean-Pierre Serre, Lie algebras and Lie groups (2005), Lecture Notes in Mathematics 1500, Springer-Verlag. ISBN 3540550089 .