Álgebra de Lie

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En matemáticas, un álgebra de Lie (nombrada así por Sophus Lie) es una estructura algebraica cuyo uso principal reside en el estudio de objetos geométricos tales como grupos de Lie y variedades diferenciables.

[editar] Definición

Un álgebra de Lie A es un espacio vectorial sobre un cierto cuerpo F junto con una operación binaria [·, ·] : A × A -> A, llamado el corchete de Lie, que satisface las propiedades siguientes:

es bilineal, es decir, [a x + b y, z] = a [x, z] + b [y, z] y [z, a x + b y] = a [z, x] + b [z, y] para todo a, b en F y todo x, y, z en A.

satisface la identidad de Jacobi, es decir, [[x, y], z] + [[z, x], y] + [[y, z], x] = 0 para todo x, y, z en A.

[x, x] = 0 para todo x en A.

Observe que la primera propiedad y la tercera juntas implican [x, y] = − [y, x] para todo x, y en A ("anti-simetría") si el cuerpo F es de característica diferente de dos. Observe también que la multiplicación representada por el corchete de Lie no es, en general, asociativa, es decir, [[x, y], z] no necesariamente es igual a [x, [y, z]].

[editar] Ejemplos

Cada espacio vectorial se convierte en un álgebra de Lie abeliana trivial si definimos el corchete de Lie como idénticamente cero.

El espacio euclídeo $\R^3$ se convierte en un álgebra de Lie con el corchete de Lie dado por el producto vectorial.

Si se da un álgebra asociativa A con la multiplicación * , se puede dar un álgebra de Lie definiendo [x, y] = x * y − y * x. esta expresión se llama el conmutador de x e y.

Inversamente, puede ser demostrado que cada álgebra de Lie se puede sumergir en otra que surja de un álgebra asociativa de esa manera.

Otros ejemplos importantes de álgebras de Lie vienen de la topología diferencial: los campos vectoriales en una variedad diferenciable forman un álgebra de Lie infinito dimensional; para dos campos vectoriales X y Y, el corchete de Lie [X, Y] se define como:

[X, Y] f = (XY − YX) f

para cada función f en la variedad (aquí consideramos los campos vectoriales como operadores diferenciales que actúan sobre funciones en una variedad). (La generalización adecuada de la teoría de variedades debiera determinar ésta como el álgebra de Lie del grupo de Lie infinito dimensional de los difeomorfismos de la variedad).

El espacio vectorial de los campos vectoriales en un grupo de Lie es cerrado bajo esta operación y es por lo tanto una álgebra de Lie de dimensión finita. Uno puede pensar alternativamente en el espacio subyacente del álgebra de Lie de un grupo de Lie como el espacio tangente en el elemento de identidad del grupo. La multiplicación es el diferencial del conmutador del grupo, (a, b) |-> aba⁻¹b⁻¹, en el elemento de identidad.

Como ejemplo concreto, consideremos el grupo de Lie SL(n, R) de todas las matrices n-por-n a valores reales y determinante 1. El espacio tangente en la matriz identidad se puede identificar con el espacio de todas las matrices reales n-por-n con traza 0 y la estructura de álgebra de Lie que viene del grupo de Lie coincide con el que surge del conmutador de la multiplicación de matrices.

[editar] Homomorfismos, subálgebras e ideales

Un homomorfismo φ : A -> B entre las álgebra de Lie A y B sobre el mismo cuerpo de base F es una función F-lineal tal que [φ(x),φ(y)] =φ([x, y]) para todo x y y en A. La composición de tales homomorfismos es otra vez un homomorfismo, y las álgebras de Lie sobre el cuerpo F, junto con estos morfismos, forman una categoría. Si tal homomorfismo es biyectivo, se llama un isomorfismo, y las dos álgebras de Lie A y B se llaman isomorfas. Para todos los efectos prácticos, las álgebras de Lie isomorfas son idénticas.

Una subalgebra del álgebra de Lie A es un subespacio vectorial B de A tal que [x, y] ∈ B para todo x, y ∈ B. i.e. [B, B] ⊆ B. La subalgebra es entonces un álgebra de Lie.

Un ideal del álgebra de Lie A es un subespacio vectorial I de A tales que [a, y ] ∈ I para toda a ∈ A y y ∈ I. i.e. [A, I] ⊆ I. Todos los ideales son subalgebras. Si I es un ideal de A, entonces el espacio cociente A/I se convierte en una álgebra de Lie definiendo [x + I, y + I] = [x, y] + I para todo x, y ∈ A. Los ideales son precisamente los núcleos de homomorfismos, y el teorema fundamental sobre homomorfismos es válido para las álgebras de Lie.

[editar] Clasificación de las álgebras de Lie

Las álgebras de Lie reales y complejas se puede clasificar hasta un cierto grado, y esta clasificación es un paso importante hacia la clasificación de los grupos de Lie. Cada álgebra de Lie real o compleja finito-dimensional se presenta como el álgebra de Lie de un único grupo de Lie simplemente conexo real o complejo (teorema de Ado), pero puede haber más de un grupo, aún más de un grupo conexo, dando lugar a la misma álgebra. Por ejemplo, los grupos SO(3) (matrices ortogonales 3×3 de determinante 1) y SU(2) (matrices unitarias 2×2 de determinante 1), ambos dan lugar a la misma álgebra de Lie, a saber R³ con el producto vectorial. Un álgebra de Lie es abeliana si el corchete de Lie se anula, es decir [x, y] = 0 para todo x e y. Más generalmente, un álgebra de Lie A es nilpotente si la serie central descendente

A ⊇ [A, A] ⊇ [[A, A]], A] ⊇ [[[A, A]], A], A] ⊇...

acaba haciéndose cero. Por el teorema de Engel, un álgebra de Lie es nilpotente si y sólo si para cada x en A, la función ad(x): A -> A definida por

ad(x)(y) = [x, y]

es nilpotente. Más generalmente aún, un álgebra de Lie A es soluble si la serie derivada

A ⊇ [A, A] ⊇ [[A, A]], [A, A]] ⊇ [[[A, A]], [A, A]],[[A, A]], [A, A]]] ⊇ ...

acaba haciéndose cero. Una subálgebra soluble maximal se llama una subálgebra de Borel.

Un álgebra de Lie A se llama semi-simple si el único ideal soluble de A es trivial. Equivalente, A es semi-simple si y solamente si la forma de Killing K(x, y) = tr(ad(x)ad(y)) es no-degenerada; aquí tr denota el operador de traza. Cuando el cuerpo F es de característica cero, A es semi-simple si y solamente si cada representación es totalmente reducible, esto es, que para cada subespacio invariante de la representación hay un complemento invariante (teorema de Weyl). Un álgebra de Lie es simple si no tiene ningún ideal no trivial. En particular, un álgebra de Lie simple es semi-simple, y más generalmente, las álgebras de Lie semi-simples son suma directa de simples. Las álgebras de Lie complejas semi-simples se clasifican a través de sus sistemas de raíz.