Топологічна група
Топологі́чна гру́па — група, яка одночасно є топологічним простором, при цьому множення елементів групи і обертання елемента є неперервними.
Означення
ред.Нехай на множині G задані структури групи і топологічного простору, так, що множення
і операція взяття оберненого елементу
— неперервні функції. Тут G × G розглядається як добуток топологічних просторів. Тоді G називається топологічною групою.
Еквівалентно достатньо вимагати неперервність відображення:
Лише однієї вимоги неперервності множення є недостатньо. Наприклад якщо на множині цілих чисел ввести топологію у якій відкритими множинами є і інтервали виду то стандартна операція додавання буде неперервною у цій топології, а взяття оберненого елемента (зміна знаку) — ні.
Хоча формально такої вимоги нема але багато авторів вимагають додатково, щоб простір G був гаусдорфовим.
Гомоморфізмом топологічних груп називається гомоморфізм груп G → H, що є також неперервним відображенням між топологічними просторами. Топологічні групи із їх гомоморфізмами утворюють категорію.
Аналогічно ізоморфізмом топологічних груп називають ізоморфізм груп, що є гомеоморфізмом між топологічними просторами.
Приклади
ред.- Довільна абстрактна група із дискретною топологією або антидискретною топологією.
- Векторна група — прямий добуток n екземплярів адитивної групи дійсних чисел із стандартною топологією
- Коло — факторгрупа групи по підгрупі цілих чисел
- Множина раціональних чисел із топологією породженою стандартною метрикою
- Множина p-адичних цілих чисел із топологією породженою p-адичною нормою
- Групи Лі є топологічними групами із додатковою структурою диференційовного многовиду
- Топологічні векторні простори є топологічними групами щодо операції додавання елементів векторного простору. Простір із прикладу вище є одним із прикладів топологічного векторного простору.
Властивості
ред.- Операція множення на групі задає відображення і Оскільки вони є композиціями тотожного відображення, константи і множення у групі, то обидва ці відображення є неперервними. Оскільки і є неперервними і оберененими до і то всі і є гомеоморфізмами.
- З попереднього випливає, що якщо для деяких підмножин позначити то для відкритої (замкнутої) підмножини усі підмножини і теж будуть відкритими (замкнутими). Також якщо хоча б одна із підмножин буде відкритою, то і будуть відкритими підмножинами. Якщо ж одна із цих підмножин буде замкнутою, а інша — скінченною, то і будуть замкнутими підмножинами.
- У комутативній топологічній групі компактної підмножини і замкнутої множини також буде замкнутою множиною.
- Якщо 𝒩 є базою околів одиничного елемента G то для кожного g ∈ G,
- x𝒩 := { xN : N ∈ 𝒩} є базою околів точки g. Тому топологія у групі однозначно визначається базою околів одиничного елемента (чи будь-якого елемента групи). Більш детально, якщо сім'я підмножин групи G, що містять одиничний елемент задовільняє умови:
- Для кожних існує для якої
- Для кожної існує для якої
- Для кожної і g ∈ U існує для якої
- Для кожної і g ∈ G існує для якої
- то існує єдина топологія на групі для якої є базою відкритих околів одиничного елемента.
- Базу околів завжди можна вибрати так щоб її елементами були тільки симетричні множини, тобто множини для яких
- Топологічні групи є регулярними просторами. Для топологічної групи з одиничним елементом 1, твердження нижче є еквівалентними:
- G є T0-простором;
- G є гаусдорфовим простором;
- G є цілком регулярним простором;
- Множина { 1} є замкнутою у G;
- Для g ∈ G і g ≠ 1 існує окіл U одиничного елемента у G для якого g ∉ U.
- Теорема Біркгофа — Какутані. Топологічна група є метризовною тоді і тільки тоді коли вона є гаусдорфовою і задовольняє першу аксіому зліченності. Із попередніх властивостей твердження можна перефразувати, що група є метризовною коли одиничний елемент є замкнутою підмножиною і для нього існує зліченна база околів. Для метризовних груп завжди існують лівоінваріантні і правоінваріантні метрики тобто метрики такі, що для всіх виконуються рівності і
Підгрупи і факторгрупи
ред.- Підгрупа H топологічної групи G є топологічною групою для індукованої топології. Факторпростір G/H суміжних класів забезпечується фактортопологією щодо канонічного відображення групи G на G/H. Відображення q : G → G/H завжди є відкритим.
- Якщо H є нормальною підгрупою топологічної групи G, то факторгрупа G/H є топологічною групою щодо фактортопології.
- Компонента зв'язності одиничного елемента групи G0 завжди є замкнутою нормальною підгрупою. Факторгрупа G/G0 є цілком незв'язаною.
- Для будь якого елемента g ∈ G компонента зв'язності, що містить цей елемент має вигляд gG0 або еквівалентно G0g, тобто компонентами зв'язності є ліві і праві класи суміжності по підгрупі G0.
- Кожна відкрита підгрупа H є також замкнутою у G, оскільки доповнення H є об'єднанням відкритих множин gH для g ∈ G \ H. Якщо H є підгрупою G то і замикання H є підгрупою. Зокрема якщо H є нормальною підгрупою, то і замикання H є нормальною підгрупою у G.
- Факторпростір G/H є гаусдорфовим тоді і тільки тоді коли підгрупа H є замкнутою у (не обов'язково гаусдорфовій) групі G. Якщо підгрупа H і факторпростір G/H є гаусдорфовими, то і група G є гаусдорфовою. Факторпростір G/H завжди є регулярним.
- Як і кожна абстрактна група топологічна група G задовольняє групові теореми про ізоморфізми. У випадку першої теореми про ізоморфізм якщо гомоморфізм топологічних груп є не лише неперервним, а й відкритим (або замкнутим) відображенням, то ізоморфізм груп і образу гомоморфізма є також гомеоморфізмом, тобто також і ізоморфізмом у категорії топологічних груп. Додаткові вимоги для гомоморфізму є необхідними. Якщо, наприклад, розглянути тор і неперервний гомоморфізм заданий як для ірраціонального числа , то є ін'єктивним відображенням і його образ є ізоморфний як група адитивній групі дійсних чисел. Проте із індукованою топологією він не є гомеоморфний множині дійсних чисел із стандартною топологією, оскільки будь-який окіл довільної точки містить як завгодно великі дійсні числа.
- Для третьої теореми про ізоморфізм якщо , — нормальні підгрупи в , такі що , тоді існує ізоморфізм груп і і він також завжди є гомеоморфізмом відповідних топологічних просторів, тобто також і ізоморфізмом у категорії топологічних груп.
- Для другої теореми про ізоморфізм для — підгрупи в і — нормальної підгрупи в ізоморфізм факторгруп і може не бути гомеоморфізмом. Наприклад нехай і де є деяким ірраціональним числом і груповою операцією в усіх групах є звичайне додавання. Тоді і тому тобто є дискретним простором ізоморфним адитивній групі цілих чисел. Натомість є щільною підмножиною дійсних чисел, а тому є щільною підмножиною кола Відповідно не є дискретним простором оскільки кожна його відкрита підмножина містить нескінченну кількість елементів. Відповідно простори і не є гомеоморфними.
Рівномірні структури
ред.Топологічна група є рівномірним простором якщо прийняти, що підмножина є оточенням якщо і тільки якщо вона містить множину для деякого околу одиничного елемента групи . Ця рівномірна структура на називається правою рівномірною структурою на , оскільки для кожного елемента , праве множення є рівномірно неперервним щодо цієї рівномірної структури.
Також можна ввести ліву рівномірну структуру на , вони можуть бути різними але породжують однакову топологію на .
Існування рівномірної структури на топологічній групі дозволяє ввести і використовувати поняття рівномірної неперервності, послідовності Коші, повноти і поповнення.
Гомотопні властивості
ред.Якщо є петлями в одиничному елементі (тобто ) то для фундаментальної групи множення визначається множенням у самій групі тобто де є петлею одержаною звичайним множенням у групі, тобто Аналогічно у фундаментальній групі
Фундаментальна група топологічної групи є комутативною.
Оскільки будь-яка петля у елементі є неперервним образом петлі при відображенні і дві петлі у елементі є гомотопними тоді і тільки тоді коли гомотопними є відповідні петлі і то всі фундаментальні групи є ізоморфними і групу як правило просто позначають
П'ята проблема Гільберта
ред.Визначальну роль в побудові теорії топологічних групі відіграла п'ята проблема Гільберта. Сформульована в 1900 як проблема про локальні групи перетворень, ця проблема була переосмислена в процесі розвитку теорії топологічних груп.
У сучасних термінах проблему можна сформулювати як: чи є будь-яка топологічна група, що є також топологічним многовидом групою Лі?
П'ята проблема Гільберта була вирішена у 1952. Важливим елементом стало доведення критерію, що локально компактна група є групою Лі тоді і тільки тоді, коли у існує окіл одиниці, який не містить нетривіальних підгруп.
Було показано також, що локально компактна група з компактною факторгрупою G/G0 є проективною границею груп Лі.
Див. також
ред.Джерела
ред.- Бурбакі Н. Загальна топологія: Топологічні групи. Числа і пов'язані з ними групи і простори. — М. : Наука, 1969. — С. 392. — (Елементи математики)(рос.)
- Голод П. І., Клімик А. У. Математичні основи теорії симетрії. — К. : Наукова думка, 1992. — 368 с. (укр.)
- Higgins, Philip J. (1974), An Introduction to Topological Groups, London Mathematical Society Lecture Note Series, т. 15, Cambridge University Press, ISBN 0-521-20527-1
- Montgomery, Deane; Zippin, Leo (1955), Topological Transformation Groups, New York, London: Interscience Publishers, MR 0073104