リー代数

数学において、リー代数 (リーだいすう、)、もしくはリー環（リーかん）は、「リー括弧積」（リーブラケット、Lie bracket）と呼ばれる非結合的な乗法 ["x", "y"] を備えたベクトル空間である。 () の概念を研究するために導入された。"Lie algebra" という言葉は、ソフス・リーに因んで、1930年代にヘルマン・ワイルにより導入された。古い文献では、無限小群 (infinitesimal group) という言葉も使われている。
リー代数はリー群と密接な関係にある。リー群とは群でも滑らかな多様体でもあるようなもので、積と逆元を取る群演算が滑らかであるようなものである。任意のリー群からリー代数が生じる。逆に、実数あるいは複素数上の任意の有限次元リー代数に対し、対応する連結リー群がによる違いを除いて一意的に存在する（）。このによってリー群をリー代数によって研究することができる。
定義.
リー代数は、ある体 formula_1 上のベクトル空間 formula_2 であって、リーブラケット ()、あるいは括弧積と呼ばれる、次の公理を満たす二項演算 formula_3 が与えられている場合を言う。
双線型性と交代性により、反交換関係、すなわち、formula_5 の全ての元 に対し、 が成り立つ。逆に、反交換関係は、体の標数が ではないとき、交代性があることを意味する。
formula_5 のように、普通、リー代数はフラクトゥールの小文字で表される。リー代数がリー群に付随していると、リー代数のスペルはリー群と同じにする（書体は異なる）。例えば、特殊ユニタリ群の のリー代数は formula_13 と書かれる。
生成子と次元.
リー代数 formula_5 の元からなる集合が生成子であるとは、その集合を含む formula_5 の最小のリー部分代数が全体 formula_5 と一致することである。リー代数の 次元は、formula_1 上のベクトル空間としての次元で定める。リー代数の生成集合の最小個数は、常に次元以下である。
準同型、部分代数、イデアル.
必ずしも formula_18 と formula_19 とが等しいとは限らないので、一般にはリーブラケットは結合法則を満たさない。しかし、結合的な環や結合多元環の理論での用語の多くは、リー代数でも共通して使われる。リーブラケットで閉じている部分空間 formula_20 をリー部分代数 () と呼ぶ。部分空間 formula_21 がより強い条件
を満たすとき、 をリー代数 formula_5 のイデアルと言う 。（同じ係数体の上の）リー代数の間の準同型とは、formula_5 の全ての元 に対し、交換関係が
と整合している線型写像を言う。リー代数 formula_5 とイデアル が与えられると、環の理論のように、イデアルはちょうど準同型の核であり、商代数 () formula_27 を構成することができ、リー代数に対しても同型定理が成り立つ。
 を formula_5 の部分集合とする。 の全ての元 に対し formula_29 となるような元 全体の集合は、 の () を構成する。formula_5 自身の中心化代数は、formula_5 の中心と呼ばれる。中心化と同様に、 の全ての元 に対し formula_32 が の元となるような の集合は、 の部分代数を構成する。この部分代数は の正規化部分代数 (normalizer of ) と呼ばれる。
直和.
2 つのリー代数 formula_5 と formula_34 が与えられると、それらの直和は、formula_35 と formula_36 の対 formula_37 からなるベクトル空間 formula_38 であり、リーブラケットは
で定める。
性質.
包絡代数を持つ.
乗法 を持つ任意の結合代数 に対し、リー代数 を構成できる。ベクトル空間としては、 は と同じである。 の 2 つの元のリーブラケットは、 における交換子として定義される。すなわち
 の乗法 の結合性は、 の交換子のヤコビ恒等式を意味する。例えば、体 上の 行列の結合代数から、 formula_41 が生じる。結合代数 をリー代数 の包絡代数 () と呼ぶ。全てのリー代数はこのようにして結合代数から作られたリー代数へ埋め込むことができる。普遍包絡代数を参照。
表現.
ベクトル空間 が与えられたとして、formula_42 で の全ての線型自己準同型からなる結合代数から生じるリー代数を表すとする。リー代数 formula_5 の 上の表現 () とは、リー代数の準同型
である。
表現は、核が自明のときに、忠実 () であるという。全ての有限次元リー代数はある有限次元ベクトル空間上の忠実な表現を持っている（）。
例えば、formula_45 により与えられる
は、随伴表現と呼ばれる、ベクトル空間 formula_5 上の formula_5 の表現である。リー代数 formula_5 （実は任意の非結合的代数でもよい）の上のとは、ライプニッツ則、すなわち、formula_5 のすべての元 に対して
が成り立つような線型写像 formula_52 のことである。ヤコビ恒等式より、任意の に対し、formula_53 は微分である。従って、formula_54 の像は、formula_5 上の微分からなる formula_56 の部分代数 formula_57 に含まれる。formula_54 の像に属する微分は、内部微分 (inner derivation) と呼ばれる。formula_5 が半単純であれば、formula_5 上の全て微分は内部微分である。
例.
3次元.
但し、物理学の慣例により、リー代数の元に因子 を乗じた関係式を用いている。角運動量演算子の問題は、このリー代数の全ての有限次元表現を求めることに帰着する。
構造論と分類.
リー代数は、ある程度、分類することが可能である。特に、このことはリー群の分類に応用される。
可換性、冪零性、可解性.
導来部分群のことばで定義される、可換群、冪零群、可解群と同様に、可換、冪零、可解リー代数を定義することができる。
リー代数 formula_5 が可換 (abelian) であるとは、リーブラケットが消えていること、すなわち、formula_5 の全ての元 "x" と "y' に対して ["x", "y"] = 0 となることをいう。可換リー代数は、ベクトル空間 formula_78 やトーラス formula_79 のような、可換連結リー群に対応していて、すべて formula_80 の形である、つまり自明なリーブラケットをもつ "n" 次元ベクトル空間である。
リー代数のより一般的なクラスは、与えられた長さのすべての交換子が消えることによって定義される。リー代数 formula_5 が、冪零 (nilpotent) とは、
が冪零であることは同値である。
さらにより一般的なものとして、リー代数 formula_5 が[[可解リー代数|可解]] (solvable) であるとは、[[交換子部分群#導来列|導来列]]
が有限回でゼロに達することを言う。
全ての有限次元リー代数は、 (radical) と呼ばれる一意的な極大可解イデアルを持つ。リー対応の下、連結なべき零リー群、連結な可解リー群はそれぞれ、べき零、可解リー代数に対応する。
単純性と半単純性.
リー代数が[[単純リー代数|単純]] (simple) とは、非自明なイデアルを持たず、可換でないときを言う。リー代数 formula_5 が[[半単純リー代数|半単純]]とは、根基がゼロであるときを言う。同じことであるが、formula_5 が半単純とは、ゼロでない可換イデアルを持たないときを言う。特に、単純リー代数は半単純である。逆に、任意の半単純リー代数は、その極小イデアルの直和であることが証明できる。この極小イデアルは、自然に決定される単純リー代数である。
リー代数の半単純性の概念は、リー代数の表現の完全可約性（半単純性）と密接に関連している。基礎体 "F" の[[標数]]が 0 のとき、半単純リー代数の任意の有限次元表現は半単純（つまり、既約表現の直和）である。一般に、リー代数が(reductive)とは、随伴表現が半単純であるときを言う。したがって、半単純リー代数は簡約である。
カルタンの判定条件.
は、リー代数がべき零、可解、あるいは半単純であるための判定条件を与える。この判定条件は、[[キリング形式]]の考え方を基礎としている。キリング形式とは、
で定義された、formula_5 上の[[対称双線型形式]]である。ここで tr は線型写像の[[跡 (線型代数学)|トレース]]を表す。リー代数 formula_5 が半単純であることと、キリング形式が[[退化形式|非退化]]であることは同値である。リー代数 formula_5 が可解であることと、formula_91 であることとは同値である。
分類.
は、任意のリー代数を、可解な根基と半単純リー代数の[[半直積|半直和]]として、ほぼ標準的に表す。さらに、代数的閉体上の半単純リー代数は、[[ルート系]]を通して完全に分類されている。しかし、可解リー代数の分類は「手に負えない」問題であり、一般には完成できない。
リー群との関係.
リー代数は多くの場合それ自体で研究されているが、歴史的にはリー群の研究のための方法として生まれた。
リーの基本定理は、[[リー群]]とリー代数の関係を記述している。特に、任意のリー群はリー代数を標準的に決定し（具体的には、"単位元における接空間"）、逆に任意のリー代数に対し、対応する連結リー群が存在する（。を参照）。このリー群は一意には決まらないが、同じリー代数をもつ任意の2つの連結リー群は"局所同型"であり、特に同じ[[被覆空間#普遍被覆|普遍被覆]]を持つ。例えば、[[特殊直交群]] と[[特殊ユニタリ群]] からは、同じリー代数が生じる。これはクロス積をもつ R3 に同型である。一方、SU(2) は SO(3) の単連結な二重被覆である。
リー群が与えられると、リー代数を次のいずれかの方法によって結びつけることができる。[[単位元]]における[[接空間]]に[[リー群の随伴表現|随伴写像]]の[[微分 (多様体)|微分]]を与えるか、あるいは、例の中で述べたように、左不変ベクトル場を考える。実[[行列群]]の場合、リー代数 formula_5 は、全ての実数 "t" に対し exp("tX") ∈ "G" となるような行列 "X" 全体から構成される。ここに exp は[[行列の指数関数]]である。
リー群に付随するリー代数の例を挙げる。
上記の例では、（リー代数の行列 "X" と "Y" に対する）リーブラケット formula_105 は formula_106 として定義する。
生成子 "Ta" の集合が与えられると、[[構造定数 (数学)|構造定数]] "f abc" は、生成子の対のリーブラケットを生成子の線型結合として表す、すなわち ．構造定数はリー代数の元のリーブラケットを決定し、したがってリー群の群構造をほぼ完全に決定する。単位元の近くのリー群の構造は、により明示的に表される。この公式は、リー代数の元 とその（入れ子になった）リーブラケットによる展開によって単一の冪で表す： .
リー群からリー代数への写像は[[関手]]的である。これはリー群の準同型がリー代数の準同型に持ち上がることを意味し、様々な性質がこの持ち上げによって満たされる。合成と可換であり、リー群の部分リー群、核、商、余核をそれぞれリー代数の部分代数、核、商、余核に写す。
各リー群をそのリー代数に写し、各準同型をその微分へ写す[[関手]] L は、[[忠実関手|忠実]]かつ[[完全関手|完全]]である。しかしながら、[[圏同値]]ではない。異なるリー群が同型なリー代数を持つかもしれず（例えば [[特殊直交群|SO(3)]] と [[特殊ユニタリ群|SU(2)]]）、また、いかなるリー群にも伴わない（無限次元の）リー代数が存在するからである。
しかしながら、リー代数 formula_5 が有限次元のときは、formula_5 をリー代数としてもつ[[単連結空間|単連結]]リー群が存在する。より正確には、リー代数の関手 L は、有限次元（実）リー代数からリー群への[[随伴関手|左随伴関手]] Γ を持っていて、単連結リー群の充満部分圏を通して分解する 。言い換えると、双関手の自然同型
が存在する。随伴 formula_110（formula_111 上の単位元に対応させる）は同型射であり、他の随伴 formula_112 は、"H" の単位元成分の[[被覆空間|普遍被覆]]群から "H" への射影準同型である。このことから直ちに次のことが従う。"G" が単連結であれば、リー代数関手は、リー群の準同型 "G" → "H" たちとリー代数の準同型 L("G") → L("H") たちの間の全単射を確立する。
上記の普遍被覆群は[[リー環の指数写像|指数写像]]によるリー代数の像として構成することができる。より一般的に、リー代数は単位元の[[近傍 (位相空間論)|近傍]]に[[同相]]である。しかし大域的には、リー群がコンパクトであれば指数写像は[[単射]]ではなく、リー群が連結、[[単連結空間|単連結]]、あるいは[[コンパクト空間|コンパクト]]でなければ、指数写像は[[全射]]とは限らない。
リー代数が無限次元であれば、問題はより微妙なものとなる。多くの例では、指数写像は局所的にさえ[[同相写像]]でない（例えば、 において、 の像に入らないような単位元にいくらでも近い微分同相写像を見つけることができる）。さらに、無限次元リー代数には、どんな群のリー代数でもないようなものがある。
リー代数とリー群の間の対応はいろいろなことに使われる。例えば、や、それに関連して[[リー群の表現|リー群の表現論]]の問題。リー代数の全ての表現は、対応する連結で単連結なリー群の表現に一意的に持ち上がり、逆に、任意のリー群のすべての表現は、そのリー群のリー代数の表現を誘導する。表現は 1 対 1 に対応する。従って、リー代数の表現を知ることで、群の表現の問題が解決される。
分類に関しては、与えられたリー代数をもつ任意の連結リー群は普遍被覆をある離散的な中心的部分群で割ったものに同型であることを示すことができる。従って、リー群の分類は、リー代数の分類が分かってしまえば（[[半単純リー代数|半単純]]な場合は、[[エリ・カルタン|カルタン]]らにより解かれた）、単純に[[中心 (代数学)|中心]]の離散部分群を数えあげる問題となる。
圏論的な定義.
[[圏論]]のことばを使うと、リー代数は、Vec"k" の[[射 (圏論)|射]] [., .]: "A" ⊗ "A" → "A" を伴った対象 "A" として定義できる。ここで Vec"k" は標数が 2 ではない体 "k" 上のであり、⊗ は Vec"k" の次のような[[モノイド圏|モノイド積]]を表す。
ここに、τ (a ⊗ b) := b ⊗ a であり、σ は (id ⊗ τA,A) ° (τA,A ⊗ id) を組み上げるである。にすると以下のようになる。
リー環 (Lie ring).
[[数学]]における（狭義の）リー環（リーかん、）はリー代数とよく似た構造で、リー代数を一般化した[[代数的構造]]と見ることもできるが、[[群 (数学)|群]]のの研究においても自然に生じてくる。
リー環と関連する概念として[[リー群]]やリー代数があるが、（[[環 (数学)|環]]が加法に関して[[群 (数学)|群]]になるのとは異なり）リー環は加法に関して必ずしもリー群を成さず、他方で任意のリー代数はリー環の例である。任意の[[環 (数学)|結合環]]は[[交換子]]括弧積 formula_115 を考えればリー環になる。逆に、任意のリー環には[[普遍包絡代数|普遍包絡環]]（普遍展開環）と呼ばれる結合環を対応させることができる。
リー環は、を通じて[[p群| "p"-群]]の研究に用いられる。"p"-群の降中心因子は有限アーベル "p"-群だから、これを Z/"p"Z 上の加群と見ることができる。降中心因子すべての（加群としての）直和には、二つの剰余類の括弧積を代表元の[[交換子|交換子積]]を代表元とする剰余類を割り当てるものと定義して、リー環の構造を入れることができる。このリー環は、もう一つ "p"-乗冪写像と呼ばれる加群の準同型によって豊饒化することができ、そうして得られたリー環がいわゆる制限リー環である。
リー環をリー代数の類似と見る立場からは、[[p進整数|"p"-進整数環]]のような整数環上のリー代数の研究などを通じて、[[p進解析群|"p"-進解析的な位相群]]やその自己準同型を定義するのにもリー環は有用である。[[クロード・シュヴァレー|シュヴァレー]]による[[リー型の群|リー型の有限群]]の定義は、複素数体上のリー代数を有理整数環上に[[係数制限]]し、さらに法 "p" で割って考えることにより[[有限体]]上のリー代数を得るものである。
厳密な定義.
リー環は[[ヤコビ恒等式]]を満足する[[反交換法則|交代的]]な乗法を持つ[[非結合環]]として定義される。より具体的に述べれば、リー環 "L" = ("L", +, [·,·]) は[[アーベル群]] ("L", +, 0) の構造を持ち、以下の性質：
を満たす二項演算 formula_119 を備えるものを言う
二つのリー環 "L"1, "L"2 の間の写像 "f": "L"1 → "L"2 がリー環準同型であるとは、それがリー環の二つの演算を保つときにいう。即ちリー環準同型 "f" は
を満たす（演算の下付き添字はそれぞれの空間における演算であることを示す）。