
数学において、位相群は群と位相空間の両方の性質を持ち、群演算は連続でなければならない。これにより、これら2つの構造が結び付けられ、互いに関連付けられる。[ 1 ]
位相群は1925年から1940年にかけて広く研究された。ハールとワイルは(それぞれ1933年と1940年に)、積分とフーリエ級数は、非常に広いクラスの位相群上で定義できる構成の特殊な場合であることを示した。[ 2 ]
位相群は、連続群作用とともに、物理学など多くの応用分野を持つ連続対称性を研究するために用いられます。関数解析においては、すべての位相ベクトル空間は、スカラー乗法が連続であるという性質を持つ加法位相群です。したがって、位相群の理論から得られる多くの結果を関数解析に適用することができます。
位相群Gは、位相空間であり、かつ群でもあるもので、群演算 (この場合は積) が次のようになる。
そして反転マップ:
連続である。[注1 ] ここでは積位相を持つ位相空間とみなされる。このような位相は群演算と互換性があるとされ、群位相と呼ばれる。
積マップが連続であるのは、任意のそして西の近隣Gにおいて、 xの近傍Uとyの近傍Vが存在し、、 どこ反転写像が連続であるのは、任意の に対して の場合に限る。そして、任意の近隣VのGにおいて、 G内のxの近傍Uが存在し、どこ
トポロジーが群演算と互換性があることを示すには、マップが
は連続である。具体的には、任意の に対して、そして、 GのWの近隣Gにはxの近傍Uとyの近傍Vが存在し、。
この定義では乗法群の表記法を用いましたが、加法群の場合、以下の2つの演算が連続であるということになります。
この定義には含まれていませんが、多くの著者[ 3 ]は、 G上の位相がハウスドルフ位相であることを要求しています。その理由の一つは、適切な商を取ることで、任意の位相群をハウスドルフ位相群と正準的に関連付けることができるからです。ただし、この場合も、元の非ハウスドルフ位相群を扱う必要があることがよくあります。その他の理由と、いくつかの同等の条件については、以下で説明します。
本稿では、位相群が必ずしもハウスドルフ群であるとは仮定しない。
圏論の言葉で言えば、位相群は、通常の群が集合の圏における群であるのと同様に、位相空間の圏における群対象として簡潔に定義できる。なお、公理は写像(二項積、単項逆元、零項単位元)を用いて与えられるため、圏論的な定義である。
位相群の準同型は、連続群準同型として定義される。位相群とその準同型写像は圏を形成する。位相群間の群準同型写像は、ある点で連続である場合に限り連続である。[ 4 ]
位相群の同型写像とは、基となる位相空間の同相写像でもある群同型写像のことである。これは単に連続な群同型写像を要求するよりも強い条件であり、逆写像も連続でなければならない。通常の群としては同型であるが、位相群としては同型ではない位相群の例も存在する。
例えば、G を任意の群とする。G には少なくとも 2 つの位相、すなわち離散位相または非離散位相を適用することができ、どちらの位相も群演算を連続にする。離散位相を持つ群を次のように表す。、そして離散的でない位相を持つ群はアイデンティティマップ定義されるは連続群同型ですが、位相群の同型ではありません(もし(自明なグループではない)。
離散位相を用いて考えると、どの群も自明に位相群にすることができる。このような群は離散群と呼ばれる。この意味で、位相群の理論は通常の群の理論を包含する。非離散位相(すなわち自明な位相)を用いても、どの群も位相群になる。
実数のグループ通常の位相では、加算に関して位相群を形成する。 ユークリッドn空間は加法に関して位相群であり、より一般的には、すべての位相ベクトル空間は(アーベル)位相群を形成します。アーベル位相群の他の例としては、円群があります。またはトーラス任意の自然数nに対して。
古典的な群は、非可換位相群の重要な例である。例えば、一般線形群実数要素を持つすべての可逆なn × n行列は、位相を次のように定義する位相群として見ることができる。ユークリッド空間の部分空間としてもう一つの古典的な群は直交群である。、からのすべての線形マップのグループすべてのベクトルの長さを保存するような、それ自体への変換。直交群は位相空間としてコンパクトである。ユークリッド幾何学の多くは、直交群、あるいはそれと密接に関連する群の構造を研究するものと見なすことができる。等長変換の。
これまで述べてきた群はすべてリー群であり、これは群演算が連続であるだけでなく滑らかであるような滑らかな多様体であることを意味します。リー群は最もよく理解されている位相群であり、リー群に関する多くの疑問は、リー代数に関する純粋な代数的な疑問に変換して解決することができます。
リー群ではない位相群の例として、加法群がある。有理数の、継承されたトポロジーを持つこれは可算空間であり、離散位相を持たない。数論における重要な例として群がある。p進整数の、素数pに対する、有限群の逆極限を意味する。nが無限大に近づくとき。はコンパクトである(実際にはカントール集合と同相である)という点で性質が良いが、(実)リー群とは異なり、完全に不連結である。より一般的には、コンパクト群などを含むp進リー群の理論が存在する。また、以下のような地域的にコンパクトなグループも含まれる。、 どこp進数の局所コンパクト体。
グループはプロ有限群であり、積の部分群と同型である。その位相が積位相によって誘導されるように、有限群離散位相が与えられます。数論で重要なもう 1 つの大きなプロ有限群のクラスは、絶対ガロア群のクラスです。
位相群の中には、無限次元リー群とみなせるものがあります。この表現は、いくつかの異なる例の族を含むものとして、非公式に理解するのが最も適切です。例えば、バナッハ空間やヒルベルト空間のような位相ベクトル空間は、加法に関してアーベル位相群です。その他、ループ群、カッツ・ムーディー群、微分同相群、同相群、ゲージ群など、様々な成功度合いで研究されてきた無限次元群があります。
乗法単位元を持つすべてのバナッハ環において、可逆要素の集合は乗法に関して位相群を形成する。例えば、ヒルベルト空間上の可逆有界作用素の群はこのようにして生じる。
すべての位相群の位相は並進不変量とは、定義上、任意のに対してこの要素による左または右の乗算は同相写像を生み出すこれにより、すべての位相群が均質な空間 となる。したがって、任意のそして部分集合開いている(または閉じている)これは左翻訳について真である場合に限る。そして正しい翻訳 もし位相群における単位元の近傍基底である。そしてすべての 近隣ベースで[ 4 ] 特に、位相群上の任意の群位相は、単位元における任意の近傍基底によって完全に決定される。は、そしては、の開部分集合である。それからは、の開部分集合である。[ 4 ]
反転操作位相群については同相写像であるそれ自体に対して。
サブセット対称であるとは、どこE が位相群Gの任意の部分集合である場合、集合E −1 ∩ E、E −1 ∪ E、およびE −1 Eは対称である。アーベル群Gの場合、すべての対称集合の閉包は対称である。[ 4 ]
単位元の可換位相群G内の任意の近傍Nに対して、単位元の対称近傍Mが存在し、 M −1 M ⊆ Nとなる。ここで、 M −1 Mは必ず単位元の対称近傍であることに注意する。 [ 4 ] したがって、すべての位相群は、対称集合からなる単位元の近傍基底を持つ。
Gが局所コンパクト可換群である場合、単位元のG内の任意の近傍Nに対して、 cl M ⊆ Nとなるような、単位元の対称相対コンパクト近傍Mが存在する( cl Mも対称である)。[ 4 ]
すべての位相群は、2 つの方法で一様空間として見なすことができます。左一様性はすべての左乗法を一様連続写像に変換し、右一様性はすべての右乗法を一様連続写像に変換します。[ 5 ] Gがアーベル群でない 場合、これら 2 つは必ずしも一致しません。一様構造により、位相群上の完全性、一様連続性、一様収束などの概念について議論することができます。
U が可換位相群Gの開部分集合であり、U がコンパクト集合Kを含む場合、単位元の近傍Nが存在し、 KN ⊆ Uとなる。[ 4 ]
一様空間として、すべての可換位相群は完全正則である。したがって、単位元が 1 である乗法位相群Gについては、以下は同値である。[ 4 ]
可換位相群の部分群は、孤立点を持つ場合に限り離散的である。[ 4 ]
Gがハウスドルフ群でない場合、単位元の閉包である商群G / Kに移行することでハウスドルフ群を得ることができます。 [ 6 ]これはGのコルモゴロフ商 を取ることと同等です。
させて位相群である。あらゆる位相空間と同様に、メトリックが存在する場合に限り、メトリック化可能である。の上これは、同じトポロジーを誘導する指標の上と呼ばれる
バーコフ・カクタニの定理(数学者のギャレット・バーコフと静雄カクタニにちなんで名付けられた)は、位相群に関する次の3つの条件が成り立つことを述べている。同等である: [ 7 ]
さらに、以下のことは任意の位相群に対して同等である。:
注:この記事の他の部分と同様に、ここではハウスドルフ位相を仮定します。その意味合いは4321 任意の位相空間で成り立つ。特に 32 は成り立つ。特に、適切に距離化可能な空間は、コンパクト距離化可能で、したがって分離可能な(コンパクト距離空間の性質を参照 )部分集合の可算和集合である。非自明な含意 14 は 1974 年に Raimond Struble によって最初に証明されました。[ 8 ]別のアプローチは2006 年にUffe Haagerupと Agata Przybyszewska によって行われました。 [ 9 ] そのアイデアは次のとおりです。左不変計量の構成に依存します。第一可算空間の場合と同様である。局所コンパクト性により、十分に小さな半径の閉球はコンパクトであり、正規化により、半径に対してこれが成り立つと仮定できる。開いたボールを閉じる、半径乗算の下では、開部分群が得られる。、 の指標は適切です。開いていてが第2可算群である場合、部分群は可算個の剰余類を持つ。ここで、この剰余類の列と距離が使用される。適切な指標を構築する。
位相群のすべての部分群は、部分空間位相が与えられたとき、それ自体が位相群になります。すべての開部分群Hは、 Gにおいて閉部分群でもあります。なぜなら、 Hの補集合は、 g ∈ G \ Hの剰余類gHの和集合によって与えられる開集合であり、これらは開集合だからです。HがGの部分群である場合、 Hの閉包も部分群になります。同様に、HがGの正規部分群である場合、 Hの閉包はGにおいて正規です。
HがGの部分群である場合、商位相を持つ左剰余類 の集合G / Hは、 Gの同質空間と呼ばれる。商写像は常に開いている。例えば、正の整数nに対して、球面S n は回転群SO( n +1)の同質空間である。、S n = SO( n +1)/SO( n )である。同次空間G / Hは、 HがGで閉じている場合に限りハウスドルフである。[ 10 ] 部分的にはこの理由から、位相群を研究する際には閉じた部分群に焦点を当てるのが自然である。
HがGの正規部分群である場合、商群G / H は商位相が与えられたときに位相群になります。HがGにおいて閉群である場合に限り、ハウスドルフ群となります。例えば、商群は円群S 1と同型である。
任意の位相群において、単位元を含む連結成分(すなわち、単位元を含む連結成分)は閉正規部分群である。Cが単位元であり、aがGの任意の点である場合、左剰余類aC はa を含むGの成分である。したがって、 GにおけるCのすべての左剰余類(または右剰余類)の集合は、Gのすべての成分の集合と等しい。したがって、商群G / Cは完全に不連結である。[ 11 ]
可換位相群では、コンパクト集合Kと閉集合Cの積 (群が乗法的であると仮定) KC は閉集合である。[ 4 ]さらに、 Gの任意の 部分集合RとSに対して、(cl R )(cl S ) ⊆ cl( RS )が成り立つ。[ 4 ]
H が可換位相群Gの部分群であり、N がGにおける単位元の近傍で、 H ∩ cl Nが閉集合であるならば、Hは閉集合である。[ 4 ] ハウスドルフ可換位相群のすべての離散部分群は閉集合である。[ 4 ]
The isomorphism theorems from ordinary group theory are not always true in the topological setting. This is because a bijective homomorphism need not be an isomorphism of topological groups.
For example, a native version of the first isomorphism theorem is false for topological groups: if is a morphism of topological groups (that is, a continuous homomorphism), it is not necessarily true that the induced homomorphism is an isomorphism of topological groups; it will be a bijective, continuous homomorphism, but it will not necessarily be a homeomorphism. In other words, it will not necessarily admit an inverse in the category of topological groups. For example, consider the identity map from the set of real numbers equipped with the discrete topology to the set of real numbers equipped with the Euclidean topology. This is a group homomorphism, and it is continuous because any function out of a discrete space is continuous, but it is not an isomorphism of topological groups because its inverse is not continuous.
There is a version of the first isomorphism theorem for topological groups, which may be stated as follows: if is a continuous homomorphism, then the induced homomorphism from G/ker(f) to im(f) is an isomorphism if and only if the map f is open onto its image.[12]
The third isomorphism theorem, however, is true more or less verbatim for topological groups, as one may easily check.
There are several strong results on the relation between topological groups and Lie groups. First, every continuous homomorphism of Lie groups is smooth. It follows that a topological group has a unique structure of a Lie group if one exists. Also, Cartan's theorem says that every closed subgroup of a Lie group is a Lie subgroup, in particular a smooth submanifold.
ヒルベルトの第 5 問題は、位相多様体である位相群G は必ずリー群であるかどうかを問うものでした。言い換えれば、 G は滑らかな多様体の構造を持ち、群演算を滑らかにするのでしょうか。アンドリュー・グリーソン、ディーン・モンゴメリー、レオ・ジッピンによって示されたように、この問題の答えはイエスです。 [ 13 ] 実際、 G は実解析構造を持っています。滑らかな構造を使用すると、 Gのリー代数を定義できます。これは、連結群G を被覆空間まで決定する線形代数の対象です。結果として、ヒルベルトの第 5 問題の解決は、位相多様体である位相群の分類を代数的な問題に還元しますが、一般的には複雑な問題です。
この定理は、より広範な位相群にも影響を与える。まず、すべてのコンパクト群(ハウスドルフ群とみなされる)は、コンパクトリー群の逆極限である。(重要な例の一つは、有限群の逆極限であり、プロ有限群と呼ばれる。例えば、群p進整数群と体の絶対ガロア群はプロ有限群である。)さらに、連結局所コンパクト群はすべて連結リー群の逆極限である。 [ 14 ] もう一方の極端な例として、完全に非連結な局所コンパクト群は常にコンパクト開部分群を含み、それは必然的にプロ有限群である。[ 15 ] (例えば、局所コンパクト群コンパクト開部分群を含むこれは有限群の逆極限である。(r 'が無限大に近づくとき)
位相群Gの位相空間Xへの作用とは、対応する関数が次のようになるようなGのXへの群作用のことである。は連続である。同様に、実数または複素数の位相ベクトル空間V上の位相群Gの表現は、各 V に対して、GのVへの連続作用である。地図VからV自身への経路は線形である。
群作用と表現論は、特にコンパクト群においてよく理解されており、有限群の場合に起こることを一般化しています。例えば、コンパクト群のすべての有限次元(実数または複素数)表現は、既約表現の直和です。コンパクト群の無限次元ユニタリ表現は、すべて有限次元である既約表現のヒルベルト空間直和として分解できます。これはピーター・ワイルの定理の一部です。[ 16 ]例えば、フーリエ級数 の理論は、円群のユニタリ表現の分解を記述します。複素ヒルベルト空間において還元不可能な表現すべて1次元で、整数nに対して(ここで乗法群の部分群とみなされるこれらの表現はそれぞれ、多重度1で出現します。。
すべてのコンパクト連結リー群の既約表現が分類されている。特に、各既約表現の指標はワイル指標公式によって与えられる。
より一般的に言えば、局所コンパクト群はハール測度によって与えられる自然な測度と積分の概念を許容するため、調和解析の豊かな理論を持つ。局所コンパクト群のすべてのユニタリ表現は、既約ユニタリ表現の直積分として記述できる。( GがタイプIの場合、分解は本質的に一意であり、これにはアーベル群や半単純リー群などの最も重要な例が含まれる。[ 17 ])基本的な例としては、加法群の作用を分解するフーリエ変換がある。ヒルベルト空間において既約ユニタリ表現の直接積分として. の既約ユニタリ表現すべて1次元で、のために。
局所コンパクト群の既約ユニタリ表現は無限次元になる可能性がある。表現論の主要な目標の一つは、許容表現のラングランズ分類に関連して、半単純リー群のユニタリ双対(すべての既約ユニタリ表現の空間)を見つけることである。ユニタリ双対は、実数体上の2次の特殊線形群など、多くのケースで既知である。しかし、すべてではない。
局所コンパクトアーベル群Gの場合、すべての既約ユニタリ表現の次元は 1 です。この場合、ユニタリ双対はは群であり、実際には別の局所コンパクトアーベル群である。 ポントリャーギン双対性によれば、局所コンパクトアーベル群Gの双対は、は元の群Gです。たとえば、整数の双対群円グループはグループは実数の は、それ自身の双対と同型である。
局所コンパクト群Gには、既約ユニタリ表現が豊富にあります。例えば、Gの点を区別するのに十分な表現があります(ゲルファント-ライコフの定理)。対照的に、局所コンパクトでない位相群の表現論は、これまで特殊な状況でのみ開発されており、一般的な理論を期待するのは妥当ではないかもしれません。例えば、ヒルベルト空間上のすべての表現が自明であるアーベルバナッハ-リー群は多数存在します。[ 18 ]
位相群は、ホモトピー型に関しても、すべての位相空間の中で特別な存在である。基本的な点の一つは、位相群Gがパス連結位相空間、すなわち分類空間を決定するということである。(これは、緩やかな仮定の下で、位相空間上の主G束を分類する)。群Gは、ホモトピー圏において、ループ空間と同型である。;これはGのホモトピー型に様々な制約があることを意味する。[ 19 ]これらの制約の一部はH空間 のより広い文脈で成り立つ。
例えば、位相群Gの基本群はアーベル群である。(より一般的には、Gのホモトピー群上のホワイトヘッド積はゼロである。)また、任意の体kに対して、コホモロジー環ははホップ代数の構造を持つ。ハインツ・ホップとアルマン・ボレルによるホップ代数に関する構造定理を考慮すると、これは位相群の可能なコホモロジー環に強い制約を課す。特に、Gが有理コホモロジー環を持つパス連結位相群である場合各次数において有限次元である場合、この環は上の自由次数付き可換代数でなければならない。すなわち、偶数次生成子上の多項式環と奇数次生成子上の外積代数のテンソル積である。 [ 20 ]
特に、連結リー群Gの場合、 Gの有理コホモロジー環は奇数次生成子上の外積代数です。さらに、連結リー群Gは共役を除いて一意な最大コンパクト部分群Kを持ち、KをGに含めることはホモトピー同値です。したがって、リー群のホモトピー型を記述することは、コンパクトリー群の場合に帰着します。例えば、最大コンパクト部分群は円グループは、そして均質な空間双曲平面と同一視できる。双曲平面は縮約可能であるため、円群を に含めると、これはホモトピー同値である。
最後に、コンパクト連結リー群は、ヴィルヘルム・キリング、エリー・カルタン、ヘルマン・ワイルによって分類されました。その結果、リー群の可能なホモトピー型のほぼ完全な記述が得られました。例えば、次元が最大で3のコンパクト連結リー群は、トーラス、群SU(2) ( 3次元球面と微分同相)のいずれかです。)、またはその商群SU(2)/{±1} ≅ SO(3) ( RP 3と微分同相)。
ネットとフィルタの収束に関する情報(定義や特性など)は、トポロジーにおけるフィルタに関する記事に記載されています。
本稿では、今後考察する位相群はすべて単位元を持つ加法的可換位相群であると仮定する。
対角線セットは そしてどんな含む正典の周辺または正典の近隣セットは
位相群の場合正準均一性[ 21 ]これは、すべての標準的なアントラージュの集合によって誘導される均一な構造である。としてあらゆる地域に及ぶで
つまり、それは次のプリフィルタの上方閉包である。 ここで、この前処理フィルターは、正準均一性の周囲関係の基底として知られているものを形成する。
可換加法群の場合基本的な側近システムは、すべてのに対して、並進不変な均一性と呼ばれる。かつその場合に限りすべての人々のために均一性周囲関係の基底が並進不変である場合、並進不変であると呼ばれる。 [ 22 ]
一様空間の一般理論には、「コーシー前フィルター」と「コーシーネット」の独自の定義があります。これらは、以下に説明する定義に集約されます。
仮定するネットはそしてネットは作る宣言することで有向集合にするかつその場合に限りそして[ 23 ]正味の製品を表します。次に、加算マップの下にあるこのネットの画像これは、これら2つのネットの 合計を表します。 同様に、それらの差は、減算マップによる積ネットの像として定義される。
ネット加法的位相群においてがコーシーネットと呼ばれる場合[ 24 ] または同等に、すべての近隣地域についてのでいくつか存在するそのため すべてのインデックスについて
コーシー列とは、列であるコーシーネットのことである。
もし加法群の部分集合であるそしては、それからと言われている-少量セットまたは少量の注文もし[ 25 ]
プレフィルター加法的位相群について以下のいずれかの条件を満たす場合、コーシー前フィルタと呼ばれます。
そしてもし可換性も成り立つ。
仮定する可換位相群上の前置フィルターであるそしてそれからでかつその場合に限りそしてコーシーである。[ 23 ]
任意のプレフィルターの上は必然的に の部分集合であるつまり、
サブセット位相群の以下のいずれかの条件を満たす場合、完全部分集合と呼ばれる。
サブセットは、 のすべてのコーシー列が である場合、逐次完全部分集合と呼ばれます。(あるいは同等に、すべての基本的なコーシーフィルター/プリフィルター) は少なくとも 1 つの点に収束する
可換位相群以下のいずれかの同値条件が満たされる場合、完全群と呼ばれる。
位相群が、それ自身の部分集合として順次完全である場合、その位相群は順次完全であると呼ばれる。
近隣ベース:可換位相群の完備化であるとそしてそれはは、起源の近隣拠点です。次に集合の族 起源は近隣ベースです[ 23 ]
均一な連続性
させてそして位相群である、そして地図になる。それからすべての近傍に対して、一様連続である。起源の近隣地域が存在する起源のすべてのもしそれから
位相群のさまざまな一般化は、連続条件を弱めることによって得られる。[ 26 ]