Симметричный конус - Википедия - Symmetric cone
В математика, симметричные конусыиногда называют области позитивности, являются открытыми выпуклыми самодуальными шишки в евклидовом пространстве, которые имеют транзитивную группу симметрий, то есть обратимые операторы, переводящие конус на себя. Посредством Теорема Кохера – Винберга они соответствуют конусу квадратов в конечномерном вещественные евклидовы йордановы алгебры, первоначально изученные и классифицированные Иордания, фон Нейман и Вигнер (1934). В пробка домен связанный с симметричным конусом, является некомпактным Эрмитово симметричное пространство из тип трубки. Все алгебраические и геометрические структуры, связанные с симметричным пространством, могут быть естественным образом выражены в терминах йордановой алгебры. Остальные неприводимые эрмитовы симметрические пространства некомпактного типа соответствуют Siegel домены второго рода. Их можно описать с помощью более сложных структур, называемых Иорданские тройные системы, которые обобщают йордановы алгебры без единицы.[1]
Определения
А выпуклый конус C в конечномерном реальном внутреннее пространство продукта V - выпуклое множество, инвариантное относительно умножения на положительные скаляры. Он охватывает подпространство C – C и самое большое подпространство, которое оно содержит, это C ∩ (−C). Он охватывает все пространство тогда и только тогда, когда содержит основу. Поскольку выпуклый корпус базиса - многогранник с непустой внутренностью, это происходит тогда и только тогда, когда C имеет непустой интерьер. Внутренность в этом случае также представляет собой выпуклый конус. Более того, открытый выпуклый конус совпадает с внутренней частью своего замыкания, так как любая внутренняя точка в замыкании должна лежать внутри некоторого многогранника исходного конуса. Выпуклый конус называется правильный если его замыкание, тоже конус, не содержит подпространств.
Позволять C - открытый выпуклый конус. Его двойной определяется как
Это также открытый выпуклый конус и C** = C.[2] Открытый выпуклый конус C как говорят самодвойственный если C* = C. Он обязательно правильный, так как не содержит 0, поэтому не может содержать оба Икс и -Икс.
В группа автоморфизмов открытого выпуклого конуса определяется формулой
Четко грамм лежит в Aut C если и только если грамм принимает закрытие C на себя. Итак, Aut C - замкнутая подгруппа в GL (V) и, следовательно, Группа Ли. Кроме того, Aut C* = (Aut C)*, куда грамм* примыкает к грамм. C как говорят однородный если Aut C действует транзитивно на C.
Открытый выпуклый конус C называется симметричный конус если он самодуальный и однородный.
Теоретико-групповые свойства
- Если C симметричный конус, то Aut C замкнуто относительно присоединения.
- Компонент идентичности Aut0 C действует транзитивно на C.
- Стабилизаторы очков - максимальные компактные подгруппы, все сопряжены, и исчерпывают максимальные компактные подгруппы Aut C.
- В Aut0 C стабилизаторы очков максимальные компактные подгруппы, все сопряжены, и исчерпывают максимальные компактные подгруппы Aut0 C.
- Максимальные компактные подгруппы в Aut0 C подключены.
- Компонентная группа Aut C изоморфна группе компонентов максимальной компактной подгруппы и, следовательно, конечна.
- Aut C ∩ O (V) и Aut0 C ∩ O (V) - максимальные компактные подгруппы в Aut C и Aut0 C.
- C естественно Риманово симметрическое пространство изоморфен грамм / K куда грамм = Aut0 C. Инволюция Картана определяется формулой σ (грамм)=(грамм*)−1, так что K = грамм ∩ O (V).
Спектральное разложение в евклидовой йордановой алгебре
В своей классической статье Иордания, фон Нейман и Вигнер (1934) изучил и полностью классифицировал класс конечномерных йордановых алгебр, которые теперь называются Евклидовы йордановы алгебры или же формально вещественные йордановы алгебры.
Определение
Позволять E - конечномерное вещественное векторное пространство с симметричным билинейным произведением
с единичным элементом 1 таким, что а1 = а за а в А и настоящий внутренний продукт (а,б), для которого операторы умножения L(а) определяется L(а)б = ab на E самосопряжены и удовлетворяют соотношению Жордана
Как будет показано ниже, условие на сопряжения можно заменить эквивалентным условием, что след формирует Tr L(ab) определяет внутренний продукт. Форма следа имеет то преимущество, что она явно инвариантна относительно автоморфизмов йордановой алгебры, которая, таким образом, является замкнутой подгруппой в O (E) и, следовательно, компактная группа Ли. Однако в практических примерах часто бывает проще произвести внутренний продукт, для которого L(а) являются самосопряженными, чем непосредственно подтверждают положительную определенность формы следа. (Эквивалентное исходное условие Джордана, фон Неймана и Вигнера заключалось в том, что если сумма квадратов элементов равна нулю, то каждый из этих элементов должен исчезнуть.[3])
Ассоциативность власти
Из условия Жордана следует, что йорданова алгебра ассоциативный, т.е. йорданова подалгебра, порожденная любым единственным элементом а в E на самом деле ассоциативная коммутативная алгебра. Таким образом, определяя ап индуктивно ап = а (ап−1) выполняется следующее соотношение ассоциативности:
так что подалгебру можно отождествить с р[а], многочлены от а. Фактически поляризующий отношения Жордана - заменяя а к а + tb и принимая коэффициент т- урожайность
Из этого тождества следует, что L(ам) - многочлен от L(а) и L(а2) для всех м. Фактически, предполагая результат для более низких показателей, чем м,
Параметр б = ам – 1 в поляризованном тождестве Жордана дает:
а отношение повторения индуктивно показывая, что L(ам + 1) - многочлен от L(а) и L(а2).
Следовательно, если ассоциативность степеней верна, когда первый показатель ≤ м, то это верно и для м+1 с
Идемпотенты и ранг
Элемент е в E называется идемпотент если е2 = е. Два идемпотента называются ортогональными, если ef = 0. Это эквивалентно ортогональности по отношению к скалярному произведению, поскольку (ef,ef) = (е,ж). В этом случае грамм = е + ж также идемпотент. Идемпотент грамм называется примитивный или же минимальный если его нельзя записать как сумму ненулевых ортогональных идемпотентов. Если е1, ..., ем являются попарно ортогональными идемпотентами, то их сумма также является идемпотентом, и порождаемая ими алгебра состоит из всех линейных комбинаций ея. Это ассоциативная алгебра. Если е идемпотент, то 1 - е ортогональный идемпотент. Ортогональный набор идемпотентов с суммой 1 называется полный комплект или раздел 1. Если каждый идемпотент в наборе минимален, он называется Рамка Jordan. Поскольку количество элементов в любом ортогональном множестве идемпотентов ограничено dim E, Жордановы рамки существуют. Максимальное количество элементов в жордановом фрейме называется классифицировать р из E.
Спектральное разложение
Спектральная теорема утверждает, что любой элемент а можно однозначно записать как
где идемпотенты ея's представляют собой разбиение 1, а λя, то собственные значения из а, реальны и отчетливы. На самом деле пусть E0 = р[a] и пусть Т быть ограничением L(а) к E0. Т самосопряжен и имеет 1 как циклический вектор. Итак коммутант из Т состоит из многочленов от Т (или же а). Посредством спектральная теорема для самосопряженных операторов,
где пя ортогональные проекции на E0 с суммой я а λя- различные действительные собственные значения Т. Поскольку пяездит с Т и являются самосопряженными, они задаются элементами умножения ея из р[a] и, таким образом, образуют разбиение 1. Единственность следует, потому что если жя является разбиением 1 и а = ∑ μя жя, затем с п(т)=∏ (т - μj) и пя = п/(т - μя), жя = пя(а)/пя(μя). Итак жя- многочлены от а а единственность следует из единственности спектрального разложения Т.
Из спектральной теоремы следует, что ранг не зависит от жордановой шкалы. Для рамы Jordan с k минимальные идемпотенты могут использоваться для создания элемента а с k различные собственные значения. Как и выше, минимальный многочлен п из а имеет степень k и р[а] имеет измерение k. Его размер также самый большой k такой, что Fk(а) ≠ 0 где Fk(а) - определитель Матрица Грама:
Итак, звание р это наибольшее целое число k для которого Fk не является тождественным нулем на E. В этом случае как ненулевой многочлен Fр отлична от нуля на открытом плотном подмножестве E. то регулярные элементы. Любой другой а предел регулярных элементов а(п). Поскольку операторная норма L(Икс) дает эквивалентную норму на E, стандартное рассуждение о компактности показывает, что переходя, если необходимо, к подпоследовательности, спектральные идемпотенты а(п) и соответствующие им собственные значения сходятся. Предел жордановых шкал является жордановой шкалой, поскольку предел ненулевых идемпотентов дает ненулевой идемпотент по непрерывности операторной нормы. Отсюда следует, что каждый фрейм Жордана состоит из р минимальные идемпотенты.
Если е и ж ортогональные идемпотенты, спектральная теорема показывает, что е и ж являются многочленами от а = е − ж, так что L(е) и L(ж) ездить. Это видно непосредственно из поляризованного тождества Жордана, из которого следует L(е)L(ж) = 2 L(е)L(ж)L(е). Коммутативность следует за счет присоединения к ней.
Спектральное разложение идемпотента
Если е ненулевой идемпотент, то собственные значения L(е) может быть только 0, 1/2 и 1, так как взяв а = б = е в поляризованном тождестве Жордана дает
В частности, операторная норма L(е) равно 1 и его след строго положителен.
Имеется соответствующее разложение на собственное ортогональное подпространство E
где, для а в E, Eλ(а) обозначает λ-собственное подпространство L(а). В этом разложении E1(е) и E0(е) - йордановы алгебры с единицами е и 1 - е. Их сумма E1(е) ⊕ E0(е) является прямой суммой йордановых алгебр в том смысле, что любое произведение между ними равно нулю. Это централизаторная подалгебра из е и состоит из всех а такой, что L(а) ездит с L(е). Подпространство E1/2(е) является модулем централизатора е, то модуль центратора, а произведение любых двух элементов в ней лежит в централизующей подалгебре. С другой стороны, если
тогда U самосопряжено, равное 1 на алгебре централизаторов и −1 на модуле централизаторов. Так U2 = я и свойства выше показывают, что
определяет инволютивный автоморфизм йордановой алгебры σ E.
Фактически свойства йордановой алгебры и модуля следуют заменой а и б в поляризованном жордановом тождестве е и а. Если еа = 0, это дает L(е)L(а) = 2L(е)L(а)L(е). Взяв присоединения, получаем, что L(а) ездит с L(е). Аналогично, если (1 - е)а = 0, L(а) ездит с я − L(е) и поэтому L(е). Отсюда следует йорданова алгебра и свойства модуля. Чтобы проверить, что произведение элементов в модуле лежит в алгебре, достаточно проверить это для квадратов: но если L(е)а = ½ а, тогда еа = ½ а, так L(а)2 + L(а2)L(е) = 2L(а)L(е)L(а) + L(а2е). Взяв присоединения, получаем, что L(а2) ездит с L(е), что влечет свойство квадратов.
Форма следа
Форма следа определяется
Это внутренний продукт, поскольку для ненулевого а = ∑ λя ея,
Поляризованную идентичность Джордана можно снова поляризовать, заменив а к а + tc и принимая коэффициент т. Дальнейшая асимметризация в а и c дает:
Нанесение следа на обе стороны
так что L(б) является самосопряженным для формы следа.
Простые евклидовы йордановы алгебры
Классификация простых евклидовых йордановых алгебр была проведена Иордания, фон Нейман и Вигнер (1934), с деталями одной исключительной алгебры, приведенной в статье сразу после их Альберт (1934). С использованием Разложение Пирса, они свели проблему к алгебраической задаче, включающей мультипликативные квадратичные формы уже решено Гурвиц. Презентация здесь, после Фараут и Кораньи (1994), с помощью композиционные алгебры или же Евклидовы алгебры Гурвица, это более короткая версия оригинального происхождения.
Центральное разложение
Если E является евклидовой йордановой алгеброй и идеальный F в E - линейное подпространство, замкнутое относительно умножения на элементы из E, т.е. F инвариантен относительно операторов L(а) за а в E. Если п ортогональная проекция на F он коммутирует с операторами L(а), Особенно F⊥ = (я − п)E также идеал и E = F ⊕ F⊥. Кроме того, если е = п(1), то п = L(е). Фактически для а в E
так что еа = а за а в F и 0 для а в F⊥. Особенно е и 1 - е ортогональные идемпотенты с L(е) = п и L(1 − е) = я − п. е и 1 - е являются тождествами в евклидовых йордановых алгебрах F и F⊥. Идемпотент е является центральный в E, где центр из E определяется как набор всех z такой, что L(z) ездит с L(а) для всех а. Он образует коммутативную ассоциативную подалгебру.
Продолжая таким образом E можно записать в виде прямой суммы минимальных идеалов
Если пя это проекция на Eя и ея = пя(1) тогда пя = L(ея). В ея's ортогональны с суммой 1 и являются тождествами в Eя. Минимальность сил Eя быть просто, т.е. не иметь нетривиальных идеалов. Ибо с тех пор L(ея) ездит со всеми L(а), любой идеал F ⊂ Eябудет инвариантным относительно E поскольку F = еяF. Такое разложение в прямую сумму простых евклидовых алгебр единственно. Если E = ⊕ Fj другое разложение, то Fj= ⊕ eяFj. По минимальности только один из членов здесь отличен от нуля, поэтому равен Fj. По минимальности соответствующие Eя равно Fj, доказывая уникальность.
Таким образом, классификация евклидовых йордановых алгебр сводится к классификации простых. Для простой алгебры E все внутренние продукты, для которых операторы L(а) самосопряжены, пропорциональны. Действительно, любой другой продукт имеет вид (Та, б) для некоторого положительного самосопряженного оператора, коммутирующего с L(а) s. Любое ненулевое собственное подпространство Т идеал в А и поэтому по простоте Т должен действовать в целом E как положительный скаляр.
Список всех простых евклидовых йордановых алгебр
- Позволять ЧАСп(р) - пространство действительных симметричных п к п матрицы с внутренним произведением (а,б) = Tr ab и продукт Иордании а ∘ б = ½(ab + ба). потом ЧАСп(р) - простая евклидова йорданова алгебра ранга п за п ≥ 3.
- Позволять ЧАСп(C) - пространство комплексных самосопряженных п к п матрицы с внутренним произведением (а,б) = Re Tr ab* и продукт Jordan а ∘ б = ½(ab + ба). потом ЧАСп(C) - простая евклидова йорданова алгебра ранга п ≥ 3.
- Позволять ЧАСп(ЧАС) - пространство самосопряженных п к п матрицы с записями в кватернионы, внутренний продукт (а,б) = Re Tr ab* и продукт Jordan а ∘ б = ½(ab + ба). потом ЧАСп(ЧАС) - простая евклидова йорданова алгебра ранга п ≥ 3.
- Позволять V быть конечномерным вещественным внутренним пространством продукта и положить E = V ⊕ р с внутренним продуктом (ты⊕λ,v⊕μ) = (ты,v) + λμ и произведение (u⊕λ) ∘ (v⊕μ) = (μты + λv) ⊕ [(ты,v) + λµ]. Это евклидова йорданова алгебра ранга 2.
- Приведенные выше примеры фактически дают все простые евклидовы йордановы алгебры, за исключением одного исключительного случая. ЧАС3(О) самосопряженные матрицы над октонионы или же Числа Кэли, еще одна простая евклидова йорданова алгебра ранга 3 размерности 27 (см. ниже).
Разложение Пирса
Позволять E - простая евклидова йорданова алгебра со скалярным произведением, задаваемым формой следа τ (а) = Tr L(а). Доказательство того, что E имеет указанный выше вид, основанный на построении аналога матричных единиц для жордановой шкалы в E. Следующие свойства идемпотентов выполняются в E.
- Идемпотент е минимален в E если и только если E1(е) имеет размерность один (так что равно ре). более того E1/2(е) ≠ (0). Фактически спектральные проекции любого элемента E1(е) роды E поэтому, если ненулевое значение должно быть равно е. Если собственное подпространство 1/2 исчезло, то E1(е) = ре был бы в идеале.
- Если е и ж являются неортогональными минимальными идемпотентами, то существует автоморфизм σ периода 2 E такое, что σе=ж, так что е и ж имеют такой же след.
- Если е и ж ортогональные минимальные идемпотенты, то E1/2(е) ∩ E1/2(ж) ≠ (0). Более того, существует автоморфизм σ периода 2 E такое, что σе=ж, так что е и ж имеют такой же след, и для любого а на этом перекрестке, а2 = ½ τ (е) |а|2 (е + ж).
- Все минимальные идемпотенты в E находятся на одной орбите группы автоморфизмов, поэтому имеют один и тот же след τ0.
- Если е, ж, грамм - три минимальных ортогональных идемпотента, то для а в E1/2(е) ∩ E1/2(ж) и б в E1/2(ж) ∩ E1/2(грамм), L(а)2 б = ⅛ τ0 |а|2 б и |ab|2 = ⅛ τ0 |а|2|б|2. Более того, E1/2(е) ∩ E1/2(ж) ∩ E1/2(грамм) = (0).
- Если е1, ..., ер и ж1, ..., жр - это рамки Иордании в E, то существует автоморфизм α такой, что αея = жя.
- Если (ея) - жорданов фрейм и Eii = E1(ея) и Eij = E1/2(ея) ∩ E1/2(еj), тогда E ортогональная прямая сумма Eii'песок Eijс. С E просто, Eiiодномерны, а подпространства Eij все ненулевые для я ≠ j.
- Если а = ∑ αя ея для некоторого фрейма Жордана (ея), тогда L(а) действует как αя на Eii и (αя + αя) / 2 на Eij.
Приведение к евклидовым алгебрам Гурвица
Позволять E - простая евклидова йорданова алгебра. Из свойств разложения Пирса следует, что:
- Если E имеет ранг 2, то имеет вид V ⊕ р для некоторого внутреннего пространства продукта V с продуктом Jordan, как описано выше.
- Если E имеет звание р > 2, то существует неассоциативная алгебра с единицей А, ассоциативно, если р > 3, снабженный внутренним произведением, удовлетворяющим (ab, ab) = (a, a) (b, b) и таким, что E = ЧАСр(А). (Спряжение в А определяется а* = −a + 2 (a, 1) 1.)
Такая алгебра А называется Евклидова алгебра Гурвица. В А если λ (а)б = ab и ρ (а)б = ба, тогда:
- инволюция - антиавтоморфизм, т. е. (а б)*=б* а*
- а а* = ‖ а ‖2 1 = а* а
- λ (а*) = λ (а)*, ρ (а*) = ρ (а)*, так что инволюция на алгебре соответствует взятию примыкает
- Re (а б) = Re (б а) если ReИкс = (Икс + Икс*)/2 = (Икс, 1)1
- Re (а б) c = Reа(до н.э)
- λ (а2) = λ (а)2, ρ (а2) = ρ (а)2, так что А является альтернативная алгебра.
К Теорема Гурвица А должен быть изоморфен р, C, ЧАС или же О. Первые три являются ассоциативными алгебрами с делением. Октонионы не образуют ассоциативной алгебры, поэтому ЧАСр(О) может дать йорданову алгебру только для р = 3. Потому что А ассоциативен, когда А = р, C или же ЧАС, немедленно, что ЧАСр(А) является йордановой алгеброй для р ≥ 3. Отдельный аргумент, первоначально приведенный Альберт (1934), требуется, чтобы показать, что ЧАС3(О) с Иордановым произведением а∘б = ½(ab + ба) удовлетворяет тождеству Жордана [L(а),L(а2)] = 0. Более позднее существует более прямое доказательство с использованием Теорема Фрейденталя о диагонализации из-за Фройденталь (1951): он доказал, что для любой матрицы в алгебре ЧАСр(А) существует автоморфизм алгебры, переводящий матрицу на диагональную матрицу с вещественными элементами; тогда несложно проверить, что [L(а),L(б)] = 0 для вещественных диагональных матриц.[4]
Исключительные и специальные евклидовы йордановы алгебры
В исключительный Евклидова йорданова алгебра E= ЧАС3(О) называется Алгебра Альберта. Из теоремы Кона – Ширшова следует, что он не может быть порожден двумя элементами (и тождеством). Это видно прямо. Так как по теореме Фройденталя о диагонализации один элемент Икс можно рассматривать как диагональную матрицу с действительными элементами, а другие Y быть ортогональной йордановой подалгебре, порожденной Икс. Если все диагональные элементы Икс различны, йорданова подалгебра, порожденная Икс и Y порождается диагональными матрицами и тремя элементами