콤팩트 리 군

리 군론에서 콤팩트 리 군(compact Lie群, 영어: compact Lie group)은 콤팩트 공간인 리 군이다. 이들은 완전히 분류되었으며, 물리학이나 기타 수학 분야에 자주 등장한다. 콤팩트 리 군의 군 표현론 및 대수적 위상수학은 일반적인 리 군의 경우보다 더 간단하며, 잘 알려져 있다. 리 군 G {\displaystyle G} 에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다. 위상 공간으로서 콤팩트 공간이다. 다음 조건들이 모두 성립한다. 유한 개의 연결 성분을 가진다. 그 실수 리 대수 Lie ⁡ ( G ) {\displaystyle \operatorname {Lie} (G)} 는 아벨 리 대수와 반단순 리 대수의 직합이다. 이러한 분해 Lie ⁡ ( G ) = a ⊕ s {\displaystyle \operatorname {Lie} (G)={\mathfrak {a}}\oplus {\mathfrak {s}}} 에서, 반단순 리 대수 s {\displaystyle {\mathfrak {s}}} 의 킬링 형식은 음의 정부호이다. 이러한 분해 Lie ⁡ ( G ) = a ⊕ s {\displaystyle \operatorname {Lie} (G)={\mathfrak {a}}\oplus {\mathfrak {s}}} 에서, 아벨 리 대수 a {\displaystyle {\mathfrak {a}}} 의 임의의 원소 x ∈ a {\displaystyle x\in {\mathfrak {a}}} 에 대한 리 지수 사상 exp ⁡ ( R x ) ⊆ G {\displaystyle \exp(\mathbb {R} x)\subseteq G} 은 닫힌집합이 아니거나 또는 원군과 미분 동형이다. 복소다양체를 이루는 콤팩트 리 군은 항상 아벨 군이며, 이들은 복소수체 위의 아벨 대수다양체를 이룬다. 단일 연결 반단순 콤팩트 리 군의 기본 표현의 수는 그 계수(극대 아벨 부분 리 군의 차원, 또는 딘킨 도표의 꼭짓점의 수)와 같으며, 그 유한 차원 표현들은 이로부터 분류된다. 단일 연결 조건이 생략되면, 그 범피복군의 표현 가운데 일부는 원래 군의 표현을 이루지 못할 수 있다. (예를 들어, 스피너는 스핀 군의 표현을 이루지만, 직교군의 표현을 이루지 못한다.) 물론, 아벨 성분의 표현론은 자명하다. 콤팩트 리 군 위에는 양쪽 하르 측도(즉, 오른쪽 및 왼쪽 군의 작용에 대하여 불변인 확률 측도)가 존재한다. (반면, 일반적 리 군 위에는 왼쪽 또는 오른쪽 하르 측도가 항상 존재하지만 양쪽 하르 측도가 존재하지 못할 수 있다.) G {\displaystyle G} 는 왼쪽 곱셈 L g : G → G ( g ∈ G ) {\displaystyle {\mathsf {L}}_{g}\colon G\to G\qquad (g\in G)} L g : h ↦ g h {\displaystyle {\mathsf {L}}_{g}\colon h\mapsto gh} 을 통하여 G {\displaystyle G} 위의 미분 형식들의 공간 Ω ( G ) {\displaystyle \Omega (G)} 위에 당김으로서 작용하며, 특히 G {\displaystyle G} 의 작용에 불변인 부분 공간 Ω ( G ) G {\displaystyle \Omega (G)^{G}} 을 정의할 수 있다. 이 경우, G {\displaystyle G} -불변 미분 형식들은 쐐기곱과 외미분에 대하여 닫혀 있으며, 그 코호몰로지는 G {\displaystyle G} 의 드람 코호몰로지와 같다. 또한, G {\displaystyle G} -불변 미분 형식들의 공사슬 복합체는 사실 G {\displaystyle G} 의 리 대수 Lie ⁡ ( G ) {\displaystyle \operatorname {Lie} (G)} 만으로 재구성될 수 있는데, 이를 리 대수 코호몰로지라고 한다. (실수체 계수의 코호몰로지이므로, G {\displaystyle G} 의 꼬임 기본군을 무시할 수 있으며, 따라서 이는 G {\displaystyle G} 의 리 대수만으로 완전히 결정된다.) 사실, 포함 사상 Ω ( G ) G ↪ Ω ( G ) {\displaystyle \Omega (G)^{G}\hookrightarrow \Omega (G)} 의 왼쪽 역사상인 다음과 같은 공사슬 사상이 존재한다. avg G : Ω ( G ) → Ω ( G ) G {\displaystyle \operatorname {avg} _{G}\colon \Omega (G)\to \Omega (G)^{G}} avg G : α ↦ ∫ G L g ∗ α d μ G ( g ) {\displaystyle \operatorname {avg} _{G}\colon \alpha \mapsto \int _{G}{\mathsf {L}}_{g}^{*}\alpha \,\mathrm {d} \mu _{G}(g)} (여기서 μ G {\displaystyle \mu _{G}} 는 물론 G {\displaystyle G} 의 하르 측도이며, ∫ G d μ G = 1 {\displaystyle \textstyle \int _{G}\mathrm {d} \mu _{G}=1} 이다.) 즉, avg G ↾ Ω ( G ) G = id Ω ( G ) G {\displaystyle \operatorname {avg} _{G}\upharpoonright \Omega (G)^{G}=\operatorname {id} _{\Omega (G)^{G}}} 이며, 이는 또한 외미분을 보존하며, 또한 이는 코호몰로지의 동형을 유도한다. 연결 콤팩트 리 군 G {\displaystyle G} 의 드람 코호몰로지 H ∙ ⁡ ( G ; R ) {\displaystyle \operatorname {H} ^{\bullet }(G;\mathbb {R} )} 를 생각하자. 실수 등급 대수로서, 이는 유한 개의 홀수 차수의 생성원들로 생성되는 외대수이다. 또한, 생성원의 차수는 G {\displaystyle G} 의 계수( Lie ⁡ ( G ) {\displaystyle \operatorname {Lie} (G)} 의 극대 아벨 부분 리 대수의 차원)와 같다. 구체적으로, G {\displaystyle G} 의 리 대수 g = Lie ⁡ ( G ) {\displaystyle {\mathfrak {g}}=\operatorname {Lie} (G)} 의 극대 아벨 부분 리 대수 (카르탕 부분 대수) t ⊆ g {\displaystyle {\mathfrak {t}}\subseteq {\mathfrak {g}}} 를 고르고, 그 리 지수 사상에 대한 닫힌 아벨 부분군을 T ≤ G {\displaystyle T\leq G} 라고 하자. 그렇다면, g {\displaystyle {\mathfrak {g}}} 의 (반단순 성분의) 바일 군 Weyl ⁡ ( G ) {\displaystyle \operatorname {Weyl} (G)} 은 t {\displaystyle {\mathfrak {t}}} 변수 실수체 계수 다항식환 R [ t ] = R ⊕ t ∗ ⊕ Sym 2 ⁡ t ∗ ⊕ ⋯ {\displaystyle \mathbb {R} [{\mathfrak {t}}]=\mathbb {R} \oplus {\mathfrak {t}}^{*}\oplus \operatorname {Sym} ^{2}{\mathfrak {t}}^{*}\oplus \dotsb } 위에 작용하며, 따라서 불변 다항식의 대수 R [ t ] W ⁡ ( g ) {\displaystyle \mathbb {R} [{\mathfrak {t}}]^{\operatorname {W} ({\mathfrak {g}})}} 를 정의할 수 있다. 이는 항상 자유 가환 결합 대수이며, 그 생성원의 수는 G {\displaystyle G} 의 계수(즉, dim R ⁡ t {\displaystyle \dim _{\mathbb {R} }{\mathfrak {t}}} )와 같다. R [ t ] W ⁡ ( g ) {\displaystyle \mathbb {R} [{\mathfrak {t}}]^{\operatorname {W} ({\mathfrak {g}})}} 의 생성원의 다항식 차수가 d 1 , d 2 , … , d dim R ⁡ t {\displaystyle d_{1},d_{2},\dotsc ,d_{\dim _{\mathbb {R} }{\mathfrak {t}}}} 라고 하자. 그렇다면, 다음과 같은 등급 대수의 동형이 존재한다. ( R [ t ] R [ t ] Weyl ⁡ ( g ) ) ( 2 ) ≅ H ⁡ ( G / T ; R ) {\displaystyle \left({\frac {\mathbb {R} [{\mathfrak {t}}]}{\mathbb {R} [{\mathfrak {t}}]^{\operatorname {Weyl} ({\mathfrak {g}})}}}\right)_{(2)}\cong \operatorname {H} (G/T;\mathbb {R} )} 여기서 ( − ) ( 2 ) {\displaystyle (-)_{(2)}} 는 원래 등급 대수에서 각 성분의 등급을 2배로 곱하여 얻는 등급 대수이다. (즉, 홀수 등급의 성분은 모두 0이 된다.) G / T {\displaystyle G/T} 는 (아벨 군이므로 정규 부분군인) T {\displaystyle T} 에 대한 몫군이다. 즉, G / T {\displaystyle G/T} 의 실수 계수 코호몰로지는 등급 2 d i {\displaystyle 2d_{i}} 들의 원소들로 생성되는 자유 가환 결합 대수이다. 마찬가지로, G {\displaystyle G} 의 실수 계수 코호몰로지는 등급 2 d i − 1 {\displaystyle 2d_{i}-1} 의 원소들로 생성되는 자유 가환 결합 대수이다. 콤팩트 리 군의 실수 계수 호모토피 군은 그 드람 코호몰로지로부터 유리수 호모토피 이론을 통해 계산될 수 있다. 특히, 모든 단순 리 대수는 킬링 형식을 통해 2차 불변 다항식을 가지므로, 각 단순 리 대수 성분에 대하여 3차 호모토피 군의 생성원이 존재한다. 콤팩트 리 군의 정수 계수 호모토피 군은 보트 주기성으로 계산될 수 있다. 단일 연결 반단순 콤팩트 리 군 G {\displaystyle G} 가 주어졌다고 하자. G {\displaystyle G} 의 각 기본 표현 ρ i : G ↪ U ⁡ ( n i ) ⊆ U ⁡ ( ∞ ) {\displaystyle \rho _{i}\colon G\hookrightarrow \operatorname {U} (n_{i})\subseteq \operatorname {U} (\infty )} 은 −1차 위상 K군 K − 1 ⁡ ( G ) {\displaystyle \operatorname {K} ^{-1}(G)} 의 원소를 정의한다. 이를 편의상 β i {\displaystyle \beta _{i}} 로 표기하자. G {\displaystyle G} 의 위상 K군들로 구성된 환 K ∙ ⁡ ( G ) {\displaystyle \operatorname {K} ^{\bullet }(G)} 은 β i {\displaystyle \beta _{i}} 들로 생성되는 외대수이다. 모든 콤팩트 리 군 G {\displaystyle G} 는 표준적으로 다음과 같은 꼴의 짧은 완전열을 갖는다. 1 → G 0 → G → π 0 ( G ) → 1 {\displaystyle 1\to G_{0}\to G\to \pi _{0}(G)\to 1} 여기서 G 0 {\displaystyle G_{0}} 은 G {\displaystyle G} 의, 1 G ∈ G {\displaystyle 1_{G}\in G} 를 포함하는 연결 성분인 리 군이며, π 0 ( G ) {\displaystyle \pi _{0}(G)} 는 G {\displaystyle G} 의 연결 성분들로 구성된 이산군이다. 연결 콤팩트 리 군 G 0 {\displaystyle G_{0}} 는 항상 다음과 같은 꼴로 표현된다. G 0 = T × S Γ {\displaystyle G_{0}={\frac {T\times S}{\Gamma }}} 여기서 T ≅ U ⁡ ( 1 ) n {\displaystyle T\cong \operatorname {U} (1)^{n}} 은 원환면이다. S {\displaystyle S} 는 음의 정부호 킬링 형식을 갖는 반단순 리 대수에 대응되는 단일 연결 리 군이다. Γ ≤ T × Z ⁡ ( S ) {\displaystyle \Gamma \leq T\times \operatorname {Z} (S)} 는 T × S {\displaystyle T\times S} 의 중심에 속하는 유한군이다. 또한, 이 경우 T ∩ Γ = { 1 } {\displaystyle T\cap \Gamma =\{1\}} 이 되게 잡을 수 있다. 따라서, 콤팩트 리 군의 분류는 반단순 리 대수의 분류로 귀결되며, 이들은 딘킨 도표로 완전히 분류된다. 특히, 위 분류에 따라, 초구 가운데 리 군의 구조를 갖출 수 있는 것은 S 0 ≅ Cyc ⁡ ( 2 ) {\displaystyle \mathbb {S} ^{0}\cong \operatorname {Cyc} (2)} (2차 순환군) S 1 ≅ U ⁡ ( 1 ) {\displaystyle \mathbb {S} ^{1}\cong \operatorname {U} (1)} (원군) S 3 ≅ SU ⁡ ( 2 ) {\displaystyle \mathbb {S} ^{3}\cong \operatorname {SU} (2)} (2차 특수 유니터리 군) 밖에 없다. 이들은 각각 실수체 · 복소수체 · 사원수 대수의 절댓값 1의 원소들의 리 군이다. 콤팩트 리 군의 실수 계수 코호몰로지에 대한 정리는 하인츠 호프가 1941년에 증명하였다. 사실, 호프는 호프 대수의 개념을 이 정리를 증명하기 위하여 이 논문에서 도입하였다. Hopf, Heinz (1941년 1월). “Über die Topologie der Gruppen-Mannigfaltigkeiten und ihrer Verallgemeinerungen”. 《Annals of Mathematics》 (독일어) 42 (1): 22–52. doi:10.2307/1968985. ISSN 0003-486X. JSTOR 1968985.  “Compact group”. 《Encyclopedia of Mathematics》 (영어). Springer-Verlag. 2001. ISBN 978-1-55608-010-4.  “Lie group, compact”. 《Encyclopedia of Mathematics》 (영어). Springer-Verlag. 2001. ISBN 978-1-55608-010-4.  Weisstein, Eric Wolfgang. “Compact Lie group”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.  Fok, Chi-Kwong. “Cohomology and K-theory of compact Lie groups” (PDF) (영어).  “Cohomology of BG, G compact Lie group” (영어). Math Overflow.  “Proof of Hopf's theorem (the one about cohomology of Lie groups being equal to the cohomology of a product of spheres)” (영어). StackExchange.