Бесконечная группа

Бесконечная группа — группа с бесконечным числом элементов, в противоположность конечным группам. Первое исследование бесконечных групп восходит к Жордану (1870).^[источник не указан 850 дней]

Топологические группы

Основная статья: Топологическая группа

Бесконечные группы часто предполагаются топологическими — то есть снабжёнными топологией, согласованной с операциями умножения и взятия обратного элемента. В таком случае можно выделить два противоположных подкласса групп — дискретные группы и связные группы. Примером дискретной бесконечной группы является бесконечная циклическая группа ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ с естественной, то есть дискретной, топологией. Примером связной бесконечной группы является ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ (${\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}$) — конечномерное векторное пространство на вещественными (или комплексными) числами.

При этом «дискретная часть» топологической группы — то есть группа её компонент связности — является дискретной (не обязательно бесконечной) группой, в то время как её «непрерывная часть» — компонента связности единицы группы — является связной (и также не обязательно бесконечной) группой. Сама группа не полностью определяется «дискретной» и «непрерывной» компонентами, а именно не обязательно является их прямым произведением. Например, группа рациональных чисел вполне несвязна, а потому её «непрерывная часть» тривиальна, но группа не изоморфна своей «дискретной части» — счётна, но не дискретна. Аналогичным свойством обладает любая проконечная группа.

Группы Ли

Основная статья: Группа Ли

Часто используемый класс бесконечных топологических групп — это группы Ли размерности больше 0. Нестрого говоря, это группы, локально выглядящие как конечномерное вещественное (или комплексное) векторное пространство (размерности больше 0). Строгое определение использует понятие гладкого или алгебраического многообразия: на группе должна быть введена структура такого многообразия, так что операции умножения и взятия обратного элемента согласованы с этой структурой.

Примеры групп Ли (и гладких, и алгебраических одновременно) — это общая линейная группа ${\displaystyle GL_{n}(\mathbb {R} )}$, то есть группа вещественных матриц ${\displaystyle n}$ на ${\displaystyle n}$ с ненулевым определителем, и её подгруппа специальная ортогональная группа ${\displaystyle SO_{n}(\mathbb {R} )}$, состоящая из ортогональных матриц с определителем 1.

При этом «дискретная часть» группы Ли (группа её компонент связности), обязательно конечна, в то время как «непрерывная часть» (компонента связности единицы) группы Ли размерности больше 0, напротив, бесконечна. Тем не менее, группа Ли не обязательно является их полупрямым произведением[1].

С физической точки зрения

Элементы многих бесконечных групп, встречающихся в физике, нумеруются вещественными параметрами, изменяющимися непрерывно. Каждый элемент g n-параметрической бесконечной группы можно записать в виде: ${\displaystyle g(x_{1},x_{2},x_{3},...,x_{n})}$, где ${\displaystyle x_{1},x_{2},x_{3},...,x_{n}}$ — n вещественных чисел. Для бесконечной группы отсутствует таблица Кэли. Если ${\displaystyle g(x)g(y)=g(z)}$, то n параметров ${\displaystyle z_{1},z_{2},z_{3},...,z_{n}}$ являются функциями от параметров ${\displaystyle x_{1},x_{2},x_{3},...,x_{n},y_{1},y_{2},y_{3},...,y_{n},}$. Таким образом, аналогом таблицы Кэли для бесконечной группы является набор из n вещественных функций, каждая из которых зависит от 2n вещественных переменных ${\displaystyle z=f(x,y)}$. Элементы бесконечной группы должны удовлетворять четырём обычным условиям принадлежности к группе:

1. Произведение ${\displaystyle g(x)g(y)}$ любых двух элементов группы должно быть элементом группы.
2. Умножение элементов ассоциативно: ${\displaystyle [g(x)g(y)]g(z)=g(x)[g(y)g(z)]}$.
3. Имеется единичный элемент группы g(1), так что для всех g(x) выполняется ${\displaystyle g(1)g(x)=g(x)g(1)=g(x)}$
4. Каждый элемент имеет единственный обратный, те для каждого g(x) имеется единственный элемент группы ${\displaystyle g(x_{-1})}$, такой что ${\displaystyle g(x)g(x_{-1})=g(x_{-1})g(x)=g(1)}$.

Из требования (2), выраженного через функции f(x, y), следует, что равенство ${\displaystyle f(f(x,y),z)=f(x,f(y,z))}$ выполняется для всех x, y, z.

Например, преобразования Лоренца образуют бесконечную группу. Элементы этой группы нумеруются вещественным параметром — скоростью инерциальной системы отсчёта. Произведение двух преобразований Лоренца с параметрами ${\displaystyle u_{1}}$ и ${\displaystyle u_{2}}$ есть преобразование Лоренца с параметром ${\displaystyle u={\frac {u_{1}+u_{2}}{1+{\frac {u_{1}u_{2}}{c^{2}}}}}}$ — релятивистский закон сложения скоростей.[2]

Вращения твёрдого тела вокруг всевозможных осей, проходящих через некоторую фиксированную точку, образуют бесконечную группу вращений. Элементы этой группы ${\displaystyle C_{k}\left(\varphi \right)}$ нумеруются набором вещественных чисел — углами Эйлера.[3]

См. также

• Конечная группа
• Группа Ли
• Специальная унитарная группа
• Ортогональная матрица

Примечания

1. Lie Group Decomposition as Semidirect Product of Connected and Discrete Groups Архивная копия от 14 апреля 2019 на Wayback Machine // Math.StackExchange
2. Любарский Г. Я. Теория групп и физика. — М., Наука, 1986. — c. 95
3. Любарский Г. Я. Теория групп и физика. — М., Наука, 1986. — c. 70-71

Литература

• Мэтьюз Дж., Уокер Р. Математические методы в физике. — Пер. с англ., М., Атомиздат, 1972, 392 стр.
• Фукс Л. Бесконечные абелевы группы. — Мир, 1974.

Ссылки

• А. В. Михалёв, А. П. Мишина, «Бесконечные абелевы группы: методы и результаты», Фундамент. и прикл. матем., 1:2 (1995), 319—375
• А. Ю. Ольшанский, A. Л. Шмелькин, «Бесконечные группы», Алгебра — 4, Итоги науки и техн. Сер. Соврем. пробл. мат. Фундам. направления, 37, ВИНИТИ, М., 1989, 5—113
• М. И. Каргаполов, Ю. И. Мерзляков, «Бесконечные группы», Итоги науки. Сер. Мат. Алгебра. Топол. Геом. 1966, ВИНИТИ, М., 1968, 57-90
• А. Л. Шмелькин, «Абстрактная теория бесконечных групп», Итоги науки. Сер. Мат. Алгебра. 1964, ВИНИТИ, М., 1966, 47—82