리 대수 코호몰로지

리 군론에서 리 대수 코호몰로지(Lie代數cohomology, 영어: Lie algebra cohomology)는 리 대수 위에 정의되는 코호몰로지 이론이다. Ext 함자의 특수한 경우이다.

정의

가환환 $R$ 위의 리 대수 $𝔤$의 보편 포락 대수가 $U𝔤$라고 하고, $M$이 $𝔤$의 표현(즉, $U$ 위의 가군)이라고 하자.

$R$를 $𝔤$의 자명한 표현이라고 여기면, 리 대수 코호몰로지는 다음과 같은 Ext 함자이다.

${\mathrm{H}}^n(𝔤;M)={\mathrm{Ext}}_{U𝔤}^n(R;M)$

즉, 왼쪽 완전 함자인 불변 부분 가군 함자

$M\mapsto M^{𝔤}=\{m\in M:𝔤m=0\}$

의 오른쪽 유도 함자이다.

마찬가지로, 리 대수 호몰로지(영어: Lie algebra homology)는 다음과 같은 Tor 함자이다.

${\mathrm{H}}_n(𝔤;M)={\mathrm{Tor}}_n^{U𝔤}(R;M)$

즉, 오른쪽 완전 함자인 쌍대 불변 몫가군 함자

$M\mapsto M_{𝔤}=M/𝔤M$

의 왼쪽 유도 함자이다.

성질

연결 콤팩트 리 군 $G$에 대하여, 그 드람 코호몰로지는 그 리 대수 $\mathrm{Lie}(G)$의 리 대수 코호몰로지와 (등급 가환 대수로서) 일치한다.

${\mathrm{H}}^{\bullet }(G;ℝ)\cong {\mathrm{H}}^{\bullet }(\mathrm{Lie}(G);ℝ)$

(같은 리 대수에 여러 개의 연결 리 군이 대응할 수 있는데, 이는 꼬임 부분군을 포함하지 않는 실수 계수인 드람 코호몰로지로 구별할 수 없다.)

슈발레-에일렌베르크 복합체

체 $K$ 위의 리 대수 코호몰로지는 슈발레-에일렌베르크 복합체(Chevalley-Eilenberg複合體, 영어: Chevalley–Eilenberg complex)라는 공사슬 복합체로 계산할 수 있다.

구체적으로, $n$차 슈발레-에일렌베르크 공사슬(영어: Chevalley–Eilenberg $n$-cochain)은 $K$-선형 변환

${\mathrm{hom}}_K({\bigwedge }^n𝔤;M)$

이며, 그 공경계는 다음과 같다.

$(\delta f)(x_1,\dots ,x_{n+1})=\sum _i(-1{)}^{i+1}{x}_{i}f(x_1,\dots ,{\hat{x}}_i,\dots ,x_{n+1})+\sum _{i<j}(-1{)}^{i+j}f([x_i,x_j],x_1,\dots ,{\hat{x}}_i,\dots ,{\hat{x}}_j,\dots ,x_{n+1})$

여기서 ${\hat{x}}_i$는 해당 항을 생략하라는 뜻이다.

만약 $𝔤$가 콤팩트 단일 연결 리 군 $G$의 리 대수인 경우, 슈발레-에일렌베르크 복합체는 $G$ 위의 $M$ 계수 $G$-불변 미분 형식의 드람 복합체와 동형이다.

낮은 차원의 리 대수 코호몰로지

0차 코호몰로지

정의에 따라, 0차 리 대수 코호몰로지는 리 대수의 작용에 대하여 불변인 가군 원소들로 구성된 부분 가군이다.

${\mathrm{H}}^0(𝔤;M)=M^{𝔤}=\{m\in M\mid 𝔤m=0\}$

1차 코호몰로지

리 대수의 미분(영어: derivation)은 다음 조건을 만족시키는 $R$-가군 준동형이다.

$\delta :𝔤\to M$

$\delta [x,y]=x\delta y-y\delta x\mathrm{\forall }x,y\in 𝔤$

미분들은 $R$-가군을 이루며, 이를 $\mathrm{Der}(𝔤;M)$이라고 쓰자.

임의의 가군 원소 $m\in M$에 대하여, $x\mapsto xm\mathrm{\forall }x\in 𝔤$는 미분을 이룬다. 이렇게 나타낼 수 있는 미분을 내부 미분(영어: inner derivation)이라고 한다. 내부 미분들 역시 $R$-가군을 이루며, 이를 $\mathrm{IDer}(𝔤;M)$이라고 쓰자.

그렇다면, 1차 리 대수 코호몰로지는 미분 가군의 내부 미분 가군에 대한 몫가군이다.

${\mathrm{H}}^1(𝔤;M)\cong \mathrm{Der}(𝔤;M)/\mathrm{IDer}(𝔤;M)$

2차 코호몰로지

2차 리 대수 코호몰로지 군 ${\mathrm{H}}^2(𝔤;M)$은 리 대수의 확대

$0\to M\to 𝔥\to 𝔤\to 0$

의 동치류들의 아벨 군과 동형이다. (여기서 $M$은 아벨 리 대수로 간주한다.)

예

아벨 리 대수

체 $K$ 위의 아벨 리 대수 $V$와 그 자명한 표현 $W$를 생각하자. 이 경우, 슈발레-에일렌베르크 복합체의 공경계는 항상 0이다. (첫 항은 가군 작용이 들어가며, 둘째 항은 리 괄호가 들어간다.) 따라서, 리 대수 코호몰로지는 슈발레-에일렌베르크 공사슬 공간과 같다.

${\mathrm{H}}^{\bullet }(V;W)={\mathrm{hom}}_{K\text{-Vect}}({\bigwedge }^{\bullet }V;W)$

특히, $W=K$라고 하자. 그렇다면

${\mathrm{H}}^{\bullet }(V;K)={\bigwedge }^{\bullet }{V}^{*}$

이며, $V$가 유한 차원일 경우

${\dim }_K{\mathrm{H}}^{\bullet }(V;K)=(\genfrac{}{}{0ex}{}{\dim V}{\bullet })$

이다.

기하학적으로, $K=ℝ$라고 하고, 아벨 리 군 $\mathrm{U}(1{)}^n$을 생각하자. 이는 위상수학적으로 $n$차원 원환면이며, 그 드람 코호몰로지는

${\mathrm{H}}_{\text{dR}}^{\bullet }({𝕋}^n)\cong {ℝ}^{(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{\bullet })}$

이다. 즉, 리 대수 코호몰로지가 콤팩트 리 군의 드람 코호몰로지와 일치하는 것을 알 수 있다. 호지 이론에 따라, 드람 코호몰로지는 (임의의 리만 계량을 주었을 때) 조화 형식의 벡터 공간과 표준적으로 동형이다. 평탄한 리만 계량을 준 원환면 위의 조화 형식은 평행 이동에 대하여 불변인 것이며, 이는 슈발레-에일렌베르크 공사슬과 표준적으로 대응함을 쉽게 알 수 있다.

코쥘 복합체

 이 부분의 본문은 코쥘 복합체입니다.

가환환 $R$ 위의 가군 $M$ 및 가군 준동형 $\varphi \in {\mathrm{hom}}_{R\text{-Mod}}(M,R)$이 주어졌다고 하자. 그렇다면, $M$을 $R$ 위의 아벨 리 대수로 여길 수 있으며, 또한 $R$ 위에

$m\cdot r=\varphi (m)r$

로 정의하여 $R$를 아벨 리 대수 $M$의 표현으로 생각하자. 이 경우, $R$ 계수의 $M$의 슈발레-에일렌베르크 복합체는 $(R,M,\varphi )$에 대한 코쥘 공사슬 복합체와 같다. 즉, 코쥘 복합체는 아벨 리 대수의 1차원 표현의 슈발레-에일렌베르크 복합체이다.

2차원 비아벨 리 대수

체 $K$ 위의 유일한 2차원 비아벨 리 대수

$𝔤=\mathrm{Span}\{x,y\}$

$[x,y]=x$

가 주어졌다고 하자. 이는 가해 리 대수이다. 그렇다면, $K$ 계수의 슈발레-에일렌베르크 사슬 복합체는 다음과 같다.

${\delta }_1:C_1\to C_0$

${\delta }_1:x,y\mapsto 0$

${\delta }_2:C_2\to C_1$

${\delta }_2:x\wedge y\mapsto -[x,y]=-x$

즉, $K$ 계수의 리 대수 호몰로지는 다음과 같다.

${\mathrm{H}}_0=C_0\cong K$

${\mathrm{H}}_1=C_1/\mathrm{im}{\delta }_2=\mathrm{Span}\{y\}\cong K$

${\mathrm{H}}_2=\ker {\delta }_2=\{0\}$

즉, 호몰로지 베티 수는 각각 ${\dim }_K{\mathrm{H}}_0=1$, ${\dim }_K{\mathrm{H}}_1=1$, ${\dim }_K{\mathrm{H}}_2=0$이다. 마찬가지로, 슈발레-에일렌베르크 공사슬 복합체는 다음과 같다.

$d_0:C^0\to C^1$

$d_0:a\mapsto (x,y\mapsto 0)$

$d_1:C^1\to C^2$

$d_1:(x\mapsto a,y\mapsto b)\mapsto (x\wedge y\mapsto -a)$

따라서, 코호몰로지의 차원도 ${\dim }_K{\mathrm{H}}^0=1$, ${\dim }_K{\mathrm{H}}^1=1$, ${\dim }_K{\mathrm{H}}^2=0$이다.

3차원 직교 대수

3차원 직교군의 리 대수 $𝔰𝔬(3;ℝ)\cong 𝔰𝔲(2)$의 리 대수 코호몰로지를 계산해 보자. $𝔰𝔬(3)$의 기저는 다음과 같다. $[x,y]=z$

$[y,z]=x$

$[z,x]=y$

따라서, $ℝ$ 계수의 슈발레-에일렌베르크 사슬 복합체는 다음과 같다.

${\partial }_1:C_1\to C_0$

${\partial }_1:x,y,z\mapsto 0$

${\partial }_2:C_2\to C_1$

${\partial }_2:x\wedge y\mapsto -[x,y]=-z$

${\partial }_2:y\wedge z\mapsto -[y,z]=-x$

${\partial }_2:z\wedge x\mapsto -[z,x]=-y$

${\partial }_3:C_3\to C_2$

${\partial }_3:x\wedge y\wedge z\mapsto 0$

따라서, 이 경우

${\dim }_{ℝ}{\mathrm{H}}_0=1$

${\dim }_{ℝ}{\mathrm{H}}_1=0$

${\dim }_{ℝ}{\mathrm{H}}_2=0$

${\dim }_{ℝ}{\mathrm{H}}_3=1$

이다. 리 군 $\mathrm{SU}(2)=\mathrm{Spin}(3)$은 3차원 초구 ${𝕊}^3$와 위상 동형이며, 위 값들은 3차원 초구의 베티 수와 일치한다.

역사

클로드 슈발레와 사무엘 에일렌베르크가 1948년에 도입하였다.

외부 링크

• “Lie algebra cohomology” (영어). 《nLab》. 
• “Nonabelian Lie algebra cohomology” (영어). 《nLab》. 
• “Lie group cohomology” (영어). 《nLab》.