En matemáticas , el grupo simpléctico es el grupo de transformaciones lineales que preservan la estructura geométrica del espacio de fases , el espacio de variables de posición y momento utilizado en la mecánica clásica . Se define como el grupo de cambios lineales de coordenadas en el espacio de fases que preservan la forma simpléctica .
Los grupos simplécticos se suelen denotar, dóndees un número entero positivo yes un campo , a menudo los números reales o los números complejos . Se encuentran entre las cuatro familias de grupos clásicos y juegan un papel central en la geometría simpléctica , la mecánica hamiltoniana y la teoría de la representación . Una familia relacionada pero diferente es el grupo simpléctico compacto , generalmente denotadoo.
Terminología y notación
El término "simpléctico" fue introducido por Hermann Weyl para reemplazar términos más antiguos como " grupo complejo de líneas ". Su intención era que fuera un análogo de origen griego de la palabra " complejo ".
La notacióngeneralmente denota el grupo simpléctico de unespacio vectorial simpléctico de dimensión sobre un campo. Una familia relacionada pero diferente es el grupo simpléctico compacto , denotadoo, que es la forma real compacta del grupo simpléctico complejo.
Muchos autores utilizan notaciones ligeramente diferentes, que a menudo difieren por factores de. En la clasificación de Cartan , el álgebra de Lie detiene tipo.
Sp(2 n , F )
El grupo simpléctico es un grupo clásico definido como el conjunto de transformaciones lineales de unespacio vectorial de dimensión sobre el campoque preservan una forma bilineal antisimétrica no degenerada . Dicho espacio vectorial se llama espacio vectorial simpléctico , y el grupo simpléctico de un espacio vectorial simpléctico abstracto.se denota. Al fijar una base para, la forma simpléctica está representada por una matriz antisimétrica no singular, yse identifica con el grupo dematrices sobresatisfactorio
Este grupo de matrices se denotao, aunque la notación depende de la convención que se utilice. Aquídenota la transpuesta de.
En una base arbitraria, la matrizNo es necesario que tenga una forma particular. Sin embargo, se puede elegir una base simpléctica , en la que la forma está representada por la matriz estándar.
dóndees la matriz identidad. En tal base,
En este caso,se pueden expresar como esas matrices de bloques, dónde, satisfaciendo las tres ecuaciones:
Dado que todas las matrices simplécticas tienen determinante, el grupo simpléctico es un subgrupo del grupo lineal especial. Cuando, la condición simpléctica en una matriz se satisface si y solo si el determinante es uno, de modo que. Para, existen condiciones adicionales, es decires entonces un subgrupo propio de.
Por lo general, el campoes el campo de los números realeso números complejosEn estos casoses un grupo de Lie real o complejo de dimensión real o compleja, respectivamente. Estos grupos están conectados pero no son compactos .
El centro deconsta de las matricesysiempre y cuando la característica del campo no sea. [ 1 ] Dado que el centro dees discreto y su cociente módulo el centro es un grupo simple ,se considera un grupo de Lie simple .
El rango real del álgebra de Lie correspondiente y, por lo tanto, del grupo de Lie., es.
El álgebra de Lie dees el conjunto
equipado con el conmutador como su corchete de Lie. [ 2 ] Para la forma bilineal antisimétrica estándar, esta álgebra de Lie es el conjunto de todas las matrices de bloquessujeto a las condiciones
Sp(2 n , C )
El grupo simpléctico sobre el cuerpo de los números complejos es un grupo de Lie simple , no compacto y simplemente conexo . La definición de este grupo no incluye conjugados (contrariamente a lo que se podría esperar ingenuamente), sino que es exactamente la misma que la definición salvo por el cambio de cuerpo. [ 3 ]
Sp(2 n , R )
es un grupo de Lie simple, real, no compacto y conexo de dimensión. [ 4 ] Tiene un grupo fundamental isomorfo a los enteros bajo la suma. [ 5 ] Como la forma real de un álgebra de Lie compleja simple, su álgebra de Lie es la forma real escindida de. [ 4 ]
El mapa exponencial deano es sobreyectiva. [ 6 ]
Por cadaen, uno tiene una descomposición de Cartan/polar [ 4 ] [ 7 ] con y. Como un colector,es difeomorfo aveces un espacio vectorial de dimensión. [ 4 ]
Generadores
generadores infinitesimales
Los miembros del álgebra de Lie simplécticason las matrices hamiltonianas .
Estas son matrices,de tal manera que dóndeyson matrices simétricas . Véase el grupo clásico para una derivación.
Generación por transvecciones
El grupo simpléctico se genera mediante sus transvecciones simplécticas . Más precisamente, sies un espacio vectorial simpléctico de dimensión finita sobre, entoncesse genera mediante las transformaciones dóndeyEsto forma parte de la teoría estructural de los grupos clásicos y aparece en una forma temprana en la obra de Dieudonné; véanse también los tratamientos posteriores dedicados específicamente a las transvecciones simplécticas y los subgrupos que generan. [ 8 ] [ 9 ]
Generación por involuciones
El grupo simplécticopueden generarse mediante transformaciones linealesdel espacio vectorial simplécticode tal manera quey. [ 8 ] [ 10 ]
Ejemplo de matrices simplécticas
Para, el grupo dematrices con determinante, los tres simplécticosLas matrices son: [ 11 ]
Sp(2n, R)
Resulta quepuede tener una descripción bastante explícita usando generadores. Si dejamosdenotamos lo simétricomatrices, entonceses generado pordónde son subgrupos de. [ 12 ] [ 13 ]
Relación con la geometría simpléctica
La geometría simpléctica es el estudio de las variedades simplécticas . El espacio tangente en cualquier punto de una variedad simpléctica es un espacio vectorial simpléctico . [ 14 ] Como se mencionó anteriormente, las transformaciones que preservan la estructura de un espacio vectorial simpléctico forman un grupo y este grupo es, dependiendo de la dimensión del espacio y del campo sobre el que se define.
Un espacio vectorial simpléctico es, en sí mismo, una variedad simpléctica. Por lo tanto, una transformación bajo la acción del grupo simpléctico es, en cierto sentido, una versión linealizada de un simplectomorfismo , que es una transformación más general que preserva la estructura en una variedad simpléctica.
Sp( n )
El grupo simpléctico compacto [ 15 ]es la intersección decon elgrupo unitario:
A veces se escribe comoAlternativamente,puede describirse como el subgrupo de( matrices cuaterniónicas invertibles) que conserva la forma hermitiana estándar en:
Eso es,es simplemente el grupo unitario cuaterniónico ,. [ 16 ] De hecho, a veces se le llama grupo hiperunitario . Tambiénes el grupo de cuaterniones de norma, equivalente a SU(2) y topológicamente una 3 -esfera.
Tenga en cuenta queno es un grupo simpléctico en el sentido de la sección anterior ; no conserva una simetría antisimétrica no degenerada.-forma bilineal en: no existe tal forma excepto la forma cero. Más bien, es isomorfo a un subgrupo dey, por lo tanto, conserva una forma simpléctica compleja en un espacio vectorial de doble dimensión. Como se explica a continuación, el álgebra de Lie dees la forma real compacta del álgebra de Lie simpléctica compleja.
es un grupo de Lie real con dimensión (real)Es compacto y de conexión sencilla . [ 17 ]
El álgebra de Lie deestá dado por las matrices antihermíticas cuaterniónicas , el conjunto dematrices cuaterniónicas que satisfacen
dóndees la transpuesta conjugada de(Aquí se toma el conjugado cuaterniónico). El corchete de Lie viene dado por el conmutador.
Subgrupos importantes
Algunos subgrupos principales son:
Por el contrario, es en sí mismo un subgrupo de otros grupos:
También existen los isomorfismos de las álgebras de Lie.y.
El grupo simpléctico unitariose puede representar en términos de un álgebra de Clifford definida como un producto tensorial de álgebras de cuaterniones llamadas números hipercuaterniones. Uno tiene,. Por eso,implica el grupo simpléctico compacto. [ 18 ]
Sp(2 n , Z )
El grupo simpléctico integrales el subgrupo deque consiste en matrices con entradas enteras. Equivalentemente, es el grupo deMatrices enteras que conservan la forma simpléctica estándar:
dónde
ParaEste grupo coincide con el grupo modular..
El grupoactúa sobre el semiplano superior de Siegel , el espacio de complejos simétricosmatrices con parte imaginaria definida positiva, mediante transformaciones lineales fraccionarias
Por esta razón,También se le llama grupo modular de Siegel de grado.
Sus subgrupos de congruencia , como el subgrupo de congruencia principal.
desempeñan un papel central en la teoría de las formas modulares de Siegel . El cociente del semiespacio superior de Siegel pores el espacio de módulos de variedades abelianas polarizadas principalmente de dimensióny los cocientes por subgrupos de congruencia corresponden a la adición de estructura de nivel.
En geometría aritmética también se estudian otros subgrupos aritméticos del grupo simpléctico, como los grupos paramodulares .
Relación entre los grupos simplécticos
Toda álgebra de Lie compleja y semisimple tiene una forma real escindida y una forma real compacta ; la primera se denomina complejización de las dos últimas.
El álgebra de Lie dees semisimple y se denotaSu forma real dividida esy su forma real compacta esEstos corresponden a los grupos de Lie.yrespectivamente.
Las álgebras,, que son las álgebras de Lie de, son la signatura indefinida equivalente a la forma compacta.
isomorfismos accidentales
También existen varios isomorfismos accidentales , con diversos grupos de espín :
- (en características diferentes de dos), yEsto se debe a que el grupo lineal especial conserva automáticamente cualquier forma simpléctica en dos dimensiones.
- Este isomorfismo se exhibe al identificarcon el grupo dematrices cuaterniónicasde tal manera quedóndees la transpuesta conjugada de. El rastro reducido enes invariante bajo-conjugación y el espacio de trazas (reducidas) libresde tal manera quees un espacio euclidiano pentadimensional, con forma cuadrática.
- Este isomorfismo se exhibe al identificarcon el grupo dematrices cuaterniónicasde tal manera quedóndeyes la transpuesta conjugada de. La traza reducida es invariante bajo-conjugación y el espacio de trazas (reducidas) libresde tal manera quees un espacio pseudoeuclidiano pentadimensional, con forma cuadrática, de firma.
- . Identificarcomo subconjunto del anillodematrices realesde tal manera quedónde(conbloques yelmatriz identidad). El subespacioque consisten en matrices sin trazade tal manera quees pentadimensional, y la forma de traza define una firma.métrica pseudoeuclidiana sobre ella, que se conserva mediante la acciónde.
Significado físico
Mecánica clásica
El verdadero grupo simplécticosurge en la mecánica hamiltoniana como el grupo de transformaciones canónicas lineales del espacio de fases. En coordenadas canónicas
Sus elementos son precisamente los cambios lineales de variables que preservan la forma simpléctica estándar, o equivalentemente el corchete de Poisson .
El álgebra de Liese identifica naturalmente con hamiltonianos cuadráticos en el espacio de fases: si
entonces el flujo hamiltoniano correspondiente es lineal y define un subgrupo de un parámetro deEn este sentido, el grupo simpléctico se genera mediante hamiltonianos cuadráticos.
Mecánica cuántica y el grupo metapléctico
El grupo simpléctico actúa mediante cambios lineales de coordenadas en el espacio de fases de la mecánica clásica. Cuando se intenta aplicar las mismas transformaciones a las funciones de onda de la mecánica cuántica , se produce una ambigüedad de fase, y es necesario recurrir a un recubrimiento doble . El grupo metapléctico es un recubrimiento doble del grupo simpléctico sobre(Tiene análogos en otros cuerpos locales , cuerpos finitos y anillos de adele ).
Véase también
Notas
- ↑ "Grupo simpléctico" , Enciclopedia de Matemáticas. Consultado el 13 de diciembre de 2014.
- ↑ Hall 2015 Prop. 3.25
- ↑ Hall 2015 , pág. 10.
- 1 2 3 4 Knapp, Anthony W. (2002). Lie Groups Beyond an Introduction (2nd ed.). Birkhäuser.
- ↑ Salón 2015 .
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- ↑ "Apuntes de clase – Clase 2: Reducción simpléctica" , consultado el 30 de enero de 2015.
- ↑ Sala 2015 Sección 1.2.8
- ↑ Hall 2015 pág. 14
- ↑ Hall 2015 Prop. 13.12
- ↑ Girard, PR; Clarysse, P.; Pujol, R.; Delachartre, P. (2025). "Grupos simplécticos unitarios hipercuaterniónicos: una herramienta unificadora para la física" . Advances in Applied Clifford Algebras . 35 (40). Springer. doi : 10.1007/s00006-025-01402-w .
Referencias
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- Grupos mentirosos
- Geometría simpléctica