指數(shù)映射(exponential mapping)是由李群的李代數(shù)到李群的一種解析映射。若G為李群,e為單位元素,Te(G)為G中點e的切空間，任取Xe∈Te(G),則唯一存在左不變向量場X,使得Xg=dLg(Xe),?g∈G.

外文名

exponential mapping

所屬學科

微分幾何

定義

定義一

由李群的李代數(shù)到李群的一種解析映射。若G為李群,e為單位元素,T(G)為G中點e的切空間，任取

,則惟一存在左不變向量場X,使得

.任給左不變向量場X,構作算子

任意取定單位坐標鄰域U,點

,記

當

為U中點。于是，在U中有一條單參數(shù)解析曲線

記

.它可開拓到

,使得

且

為G之一維連通李子群。反之，任意一維連通李子群惟一決定左不變向量場X,使得此李子群為exp(tX).于是，有映射

,稱為指數(shù)映射，這里J為李群G的李代數(shù)。指數(shù)映射是建立李群和它的李代數(shù)間的關系的重要工具，在李群理論中占有重要的地位.

且

為G之一維連通李子群。反之，任意一維連通李子群惟一決定左不變向量場X，使得此李子群為exp (tX ).于是，有映射

，稱為指數(shù)映射，這里J為李群G的李代數(shù)。指數(shù)映射是建立李群和它的李代數(shù)間的關系的重要工具，在李群理論中占有重要的地位 ? .

定義二

切平面到曲面的一種映射。設T是曲面S在P點的切平面，指數(shù)映射是從切平面T到曲面S上的一個對應關系，記成

,定義如下：設v是曲面S在P點的一個切向量，過P作S上切于v的測地線，在此測地線上取一點M使得從P到M的弧長正好等于v的長度|v|,則定義

? .引理1 對于曲面M上的每點p0，存在包含p0的一個坐標鄰域U及常數(shù)

，使得對于每點

和p點切空間T(M)中每個長度小于ε的切向量v，都有唯一的一條滿足初始條件

的測地線:

設

，若存在測地線

滿足初始條件

那么點

叫做在q點切向量v的指數(shù)映像，用

表示γ(1)，而映射

稱為在q點的指數(shù)映射．于是，滿足初始條件的唯一測地線可表達為

根據引理1 當||v|| 充分小時，

是確定的．一般地說，對于長度較長的向量v，指數(shù)映像

未必能確定．然而如果能確定，則總是唯一的．

定義 若對于任何點

和任何向量

，指數(shù)映像

總是確定的，則曲面M稱為測地完備的．

顯然，測地完備性等價于下述要求：對于每段測地線段

，總能夠把

延拓成無限長的測地線：

因此，我們也可把后者作為測地完備性的定義 ? ．

與李代數(shù)

研究李代數(shù)元素的另一種方法是把它看作群上的左不變向量場．迄今為止，我們只是討論單位元處的向量，對于向量場，需要涉及所有群元素的切線．將一個群元素在左側相乘。就定義了群流形的一個同構

，其中

，群在它的基礎流形上的這個作用誘導出在該流形向量場上的作用．左不變向量場關于這個作用是固定不變的．將任何左不變向量場限制到單位元上的切向量。即一個李代數(shù)元素．而給出一個單位元上的切向量。就能產生一個左不變向量場．我們需要做的就是左平移原始向量到流形上的每個點．如果X是一個矩陣。描述單位元處的切向量。則在群的點g處的切向量定義為gX．因此，單位元的切向量和左不變向量場之間是一一對應的．

這些左不變向量場的積分曲線在后面起重要的作用．向量場的積分曲線是在每一點都與該場相切的曲線．對于左不變向量場。這個曲線滿足如下微分方程：

這個方程有解析解，通過單位元素的解是

矩陣X的指數(shù)可以展開成冪級數(shù)：

對于矩陣指數(shù)有如下關系：

當且僅當

．

這表示只有當指數(shù)是可交換時，指數(shù)積運算時指數(shù)才可以相加．當然，元素

和

是可交換的，這表示形如

的群元素構成子群：

它們是群的一維或單參數(shù)子群．用這種方法。每個李代數(shù)元素都產生一個單參數(shù)子群．

指數(shù)函數(shù)也可以被看作給出了從李代數(shù)到群的映射。這個映射通常既不是單射也不是滿射，但是在單位元附近它是同胚映射．即在李代數(shù)上存在0的鄰域同胚映射到群的單位元的鄰域．在這個鄰域存在一個逆映射。通常被稱作對數(shù)，由眾所周知的Mercator級數(shù)定義。即

當g遠離單位元時，級數(shù)不收斂．

矩陣指數(shù)的行列式是矩陣跡的指數(shù)：

矩陣的跡Tr()是它的對角線元素之和．如果矩陣X的特征值都不相同。那么這個關系能夠通過對角化矩陣簡單地證明．即使在一般情況下，這個關系也是正確的．由這個關系可以得到：矩陣指數(shù)的行列式為1當且僅當矩陣是跡為0的．這就是李代數(shù)so(n),su(n)和sl(n)由跡為0的矩陣構成的原因．

對于某些李代數(shù)，我們能夠更詳細地確定它的指數(shù)映射．例如?？紤]su(2),典型的李代數(shù)元素m用伴隨表示可以描述成如下形式的矩陣：

通過簡單的計算可以得到

．如果要求

。則得到

．由此將

看作是參數(shù)t2。將它們代入到指數(shù)定義得到

這也可以用原始的李代數(shù)元素

M

寫作

可以由M的行列式得到t．

上述關系是線性的。這意味著對數(shù)也能夠簡單地求出．如果U是su(2)的元素。則

這里,t可以根據等式

得到．如上所述，這個對數(shù)并不是在整個群上有定義，顯然上面得到的公式在

弧度時無意義 ? ．