齐性空间,又称齐性流形,是容有传递变换群的
微分流形。齐性空间理论与李群论有极为密切的联系。在几何中出现的许多重要
流形都是齐性空间。齐性空间在现代数学的许多分支如李群无限维表示论、
调和分析、
复变函数、
数论和
代数几何等方面有广泛的应用。
定义
G空间定义
简明地说,如果X是范畴C中一个对象,则一个G-空间结构是G到范畴C中对象X的自同构群一个
同态:
若是承载集合X的一个传递的、对称群,则二元组定义了一个齐性空间。
拓扑群定义
设H为
拓扑群G的子群,则
商空间G/H称为齐性空间。
齐性空间G/H为
豪斯多夫空间,当且仅当H为G中
闭集。
相关概念
设X是一个非空集合,G是一个群。如果存在G在X上一个作用,则X称为一个G空间。注意G通过
自同构自动作用在这个集合上。如果X还额外属于某一个
范畴,则要求G中元的作用是这个范畴中的自同构。从而由G在X上产生的映射保持结构。
理论介绍
在
数学,特别是李群、
代数群与
拓扑群的理论中,关于
群G的一个齐性空间是一个非空
流形或
拓扑空间X,G可传递性作用在X上,G中的元素称之为X的对称。一个特例是群G就是空间X的
自同构群,这里自同构群可以是等矩同构群、
微分同胚群或是同胚群。在这些例子中,如果直觉想成X于任何地方局部看起来一样,则X是齐性空间。像是等矩同构(刚体几何)、
微分同胚(微分几何)或是
同胚(拓扑)。一些作者要求G的作用是有效的,不过本文并不要求这样。从而X上存在可以想象为保持X上相同“
几何结构”的一个群作用,使X成为一个单G轨道。
性质
例如,若X是一个拓扑空间,则要求群元素在X上的作用是自同胚。G-空间的结构是到X自同胚群的一个群同态
类似地,如果X是一个
微分流形,则群元素是
微分同胚。G-空间结构是到X微分同胚群的一个
群同态例子
n+1维实
正交群O(n+1)在球面Sn的作用是传递的,故Sn是O(n+1)群的齐性空间,
稳定子群为O(n)。
n+1维实
特殊正交群SO(n+1)在球面Sn的作用是传递的,故Sn是SO(n+1)群的齐性空间,稳定子群为SO(n)。
陪集定理
一般地,如果X是一个齐性空间,而是X中某一给定点的稳定子(选取一个
原点),X中的点对应于左陪集。
选取不同的原点一般将得到商去一个不同子群,它与相差一个的
内自同构。准确地,
这里是中任何元素使得。注意内自同构与的选取无关,只取决与模去。
如果在X上的作用连续,则是的一个闭子群。特别地,如果是一个李群,则由嘉当定理是一个闭
李子群。从而是一个光滑流形,并且X带有与这个群作用相容惟一的光滑结构。
准齐性质
准齐性向量空间
它是带有一个
代数群G作用的有限维
向量空间X,使得存在G的一个轨道在
扎里斯基拓扑下是开集(从而稠密)。一个例子是作用在一维空间空间上。
这个定义比它最初出现时更加严格:这样的空间具有不寻常的性质,不可约准齐性向量空间在相差一个称之为“castling”的转换下存在一个分类。
物理原理
凡用到广义相对论的
宇宙学都会使用比安基分类系统。相对论中的齐性空间代表某种宇宙模型的背景
度量的空间部分;例如弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度量的三个案例可以用比安基(平坦),(开),(平坦或开)与(闭)型子集来代表,而Mixmaster universe代表一个比安基IX型宇宙的
各向异性例子。
一个N维齐性空间允许一个由
基灵向量场组成的集合。三维时,总共给出了六个线性无关的基灵向量场;齐性3-空间可以使用这些向量场的线性组合,来寻找在任何地方都非零的基灵向量场,
这里为“结构常数”,是一个常秩-3张量,两个下指标反对称,表示共变微分算子。在一个平坦各向同性宇宙情形,可能有(I型),但在闭FLRW宇宙情形,这里是列维-奇维塔符号。