施瓦茨引理、自同構與雙曲幾何

圓盤的自同構群(automorphism group of the disk)

把圓盤的每一個共形自同構——每個解析、一對一、映滿的自映射——全部收集起來,你會得到一個對複合封閉(先做一個再做另一個,仍在集合裡)且對取反封閉的集合。這使它成為一個群:圓盤的自同構群,記作 Aut(D)。它是圓盤解析對稱的完整目錄,是圓盤雙曲幾何剛體運動的全名單。

每個元素都有標準形式 f(z) = e^(i theta) (z - a)/(1 - a-bar z),其中 |a| < 1 且 theta 為實數,故此群由三個實數參數化:中心被送往何處(點 a,兩個座標)與最後的旋轉角 theta。兩個這樣的映射複合得到同形式的另一個——你可驗證這是貨真價實的群運算,單位元是映射 z -> z,反元素由另一個自同構給出。在結構上,Aut(D) 同構於矩陣群 PSU(1,1)(保持某不定型的 2 乘 2 複矩陣,模去純量),且透過凱萊變換同構於 PSL(2,R),即上半平面的自同構群。所以「圓盤對稱」與「上半平面對稱」是同一個抽象群披著兩件外衣。

這個群正是圓盤配稱為齊性幾何的原因:它可遞移地作用(把任一點搬到任何另一點),而點的穩定子是旋轉,故圓盤是該群對一個旋轉子群的商(齊性空間)。它恰是龐加萊度量的保定向等距群。它也是雙曲鋪砌、模形式(透過像模群這樣的離散子群)與圓盤譜分析背後的對稱群。一個誠實的範圍說明:這裡的 Aut(D) 指的是解析自同構。把反共形的反射納入會得到大一倍的群,但那些翻轉定向,落在這個解析故事之外。

複合仍留在群內:先旋轉 theta(z -> e^(i theta) z),再用布拉施克因子 B_a 重新置中。結果又是形式 e^(i phi)(z - b)/(1 - b-bar z)(對某新的 b 與 phi)。特別地,純旋轉子群 {z -> e^(i theta) z} 恰是中心 0 的穩定子,因為那些是唯一固定 0 的自同構(這正是施瓦茨引理在說話)。

旋轉是 0 的穩定子;它們與布拉施克重置中一起生成整個 Aut(D)。

Aut(D) 作為實群是三維的,並非完整的六實維莫比烏斯群:只有保持圓盤的莫比烏斯映射才算數。也要當心它是非交換的——以兩種次序複合旋轉與布拉施克重置中會得到不同結果。

又稱
Aut(D)conformal automorphism group of the unit disk圓盤自守群