李代数

挪威数学家索菲斯·李发现的非结合代数

李代数（Lie algebra）是一类重要的非结合代数。最初是由19世纪挪威数学家索菲斯·李创立李群时引进的一个数学概念，经过一个世纪，特别是19世纪末和20世纪的前叶，由于威廉·基灵、嘉当、外尔等人卓有成效的工作，李代数本身的理论才得到完善，并且有了很大的发展。

简介

一类重要的非结合代数。非结合代数是环论的一个分支，与结合代数有着密切联系。结合代数的定义中把乘法结合律删去，就是非结合代数。

李代数是挪威数学家索菲斯·李在19世纪后期研究连续变换群时引进的一个数学概念，它与李群的研究密切相关。在更早些时候，它曾以含蓄的形式出现在力学中，其先决条件是“无穷小变换”概念，这至少可追溯到微积分的发端时代。可用李代数语言表述的最早事实之一是关于哈密顿方程的积分问题。李是从探讨具有r个参数的有限单群的结构开始的，并发现李代数的四种主要类型。法国数学家嘉当在1894年的论文中给出变数和参变数在复数域中的全部单李代数的一个完全分类。他和德国数学家基灵都发现，全部单李代数分成4个类型和5个例外代数，嘉当还构造出这些例外代数。嘉当和德国数学家外尔还用表示论来研究李代数，后者得到一个关键性的结果。“李代数”这个术语是1934年由外尔引进的。随着时间的推移，李代数在数学以及古典力学和量子力学中的地位不断上升。到20世纪80年代，李代数不再仅仅被理解为群论问题线性化的工具，它还是有限群理论及线性代数中许多重要问题的来源。李代数的理论不断得到完善和发展，其理论与方法已渗透到数学和理论物理的许多领域。

抽象定义

设F是特征为0的域，L是F上的线性空间。如果L上有一个运算L×L→L，(x,y)→[x,y]满足以下三个条件，则称L是一个李代数。

（1）这个运算是双线性的，即 [ax+by,cz+dw]=ac[x,z]+cb[y,z]+ad[x,w]+bd[y,w]。

（2）[x,x]=0，对任意x∈L。

（3）雅可比恒等式：[x,[y,z]]+[y,[z,x]]+[z,[x,y]]=0，对所有L中元素x，y，z∈L。

首两个条件蕴含反对称性[x,y]=-[y,x]。

李群的李代数

设G为李群，TeG为G在e点的切空间。则LG:=TeG为李群G的李代数。

相关概念

李代数g作为F上向量空间，它的维数称为李代数g的维数。

设g是域F上一个向量空间，在g中定义换位运算：对于X,Y∈g，令【X,Y】=0，则g作成一个李代数，称为交换（或阿贝尔）李代数。

令g是域F上一个李代数，α、b是g的子空间。记[α,b]={Σ【A,B】(有限和)│A∈α,B∈b }，则[α, b]是g的一个子空间。设是的一个子空间。如果，那么就称是的一个子代数；如果，那么就称为的一个理想。由于[α,g]=[g,α]，因此李代数的理想都是双边理想。如果α是g的一个理想，在商空间g/α里，定义[X+α,Y+α]=[X,Y]+α，那么g/α作成F上一个李代数,称为g模α的商代数。

设g1、g2是域F上李代数。ƒ:g1→g2是一个线性映射。如果对于X、Y∈g,ƒ(【X,Y】)=【ƒ(X), ƒ(Y)】，那么ƒ就称为一个代数同态。如果ƒ还是一个双射，那么就称ƒ是一个代数同构，这时g1与g2就称为同构的，记作g1≌g2。设ƒ:g1→g2是一个同态，则 Im ƒ=ƒ(g1)是g2的一个子代数,而Kerƒ=ƒ-1(0)是g1的一个理想，并且ƒ导出一个同构g1/Ker ƒ≌Im ƒ。

设g是域F上一个李代数，α、b是g的理想，那么【α,b】仍是g的一个理想，特别,g(1)=【g,g】, g(2)=【g(1),g(1)】,…,gn+1=【g(n), g(n)】，…都是g的理想。于是有g叾g(1)叾g(2)叾…，称为g的导出列。g(1)称为g的导出代数。如果存在一个正整数n，使得g(n)={0}，那么就说g是可解李代数。

李代数的导出代数为其理想。

李代数的中心为其理想。

李代数的包含导出代数的子空间为其理想。

李代数的中心的子空间为其理想。

再定义g1=g,g2=【g,g1】,…,gn+1=【g,gn】,…，又可得到g的一个理想序列g1叾g2叾…,称为g的下中心序列。如果存在一个正整数n，使得gn={0}，那么就说g是幂零李代数。因为g(i)嶅gi，所以幂零李代数一定是可解李代数。

域F上一个李代数g是所谓单李代数，即指除了g本身和{0}以外,g不含其他理想。F上一个有限维李代数g是所谓半单李代数，即指g不含非零可解理想。每一个有限维李代数g都含有惟一的最大可解理想r，就是这样一个理想, 它包含g的一切可解理想，称为g的根基。g是半单的当且仅当它的根基 r={0}。除一维李代数外,有限维单李代数都是半单的。特征为0的域上每一个半单李代数都是一些单李代数的直和。

表示

令g是域F上一个李代数，V 是F上一个线性空间。李代数的一个同态ρ: g→g{(V)，称为g在V上的一个线性表示，简称表示。用(ρ,V)代表g在V上的表示ρ，V称为ρ的表示空间。当dimV=n时,取定V的一个基，将g{(V)与g{(n,F)看成一样,于是就得到一个代数同态ρ: g→g{(n,F)，仍记作ρ，称为g的一个矩阵表示。如果g的一个表示ρ是单射，那么就称(ρ,V)是一个忠实表示。有阿多－岩沢定理：域F上每一个有限维李代数都有一个忠实表示。

设(ρ,V)是李代数的一个表示。V的一个子空间W称为ρ()不变子空间，即指W在一切ρ(X)(X∈)之下不变。李代数g的一个表示(ρ,V)称为不可约表示，是指除{0}和V本身外，V没有其他ρ()不变子空间。所谓(ρ,V)是完全可约的,意即V是一些ρ()不变的子空间的直和,并且ρ在每一个这样的子空间上的限制都是不可约的。有外尔定理：特征为 0的域上半单李代数的每一（有限维）表示都是完全可约的。

设X∈李代数。对于每一Y∈，定义ad X(Y)=[X,Y]，则ad X是的一个导子，并且ad:X→ad X(X∈)是到End()的同态。因此，(ad,)是的一个表示，其表示空间就是本身，称为的伴随表示。则为阿贝尔李代数，当且仅当对中所有X，ad X=0。伴随表示的核称为的中心。

设(ρ，V)是g的一个有限维表示。定义一个对称双线性型 k:g×g→F；对于X、Y ∈g, 定义k(X,Y)=Trρ(X)·ρ(Y)(ρ(X)ρ(Y)的迹)。特别,当g是有限维的而ρ是伴随表示ad时, k称为g的基灵型。基灵型在研究李代数的结构中起重要的作用。例如有嘉当判定准则：特征为0的域上一个(有限维)李代数是半单的,必要而且只要g的基灵型非退化。