矩陣群與李理論

一般線性群 GL(n)

取所有 n x n 矩陣,再扔掉其中每一個不可逆的。剩下的就是 GL(n):可逆矩陣的集合。它是本領域一切事物的天然歸宿,因為對稱就是某種你能撤銷的操作,而撤銷恰好意味著擁有逆。

精確地說,GL(n, F) = { A in M_n(F) : det(A) != 0 },其中 F = R 或 C。在矩陣乘法下它是一個群:可逆矩陣之積仍可逆(行列式相乘),單位矩陣是么元,每個 A 都有逆 A^-1。它不是向量空間——零矩陣以及大多數和都不可逆——所以應把它看作一個乘法世界,而非加法世界。

幾何上,GL(n) 是 F^n 上全部可逆線性映射構成的群:每一種可逆的拉伸、剪切、旋轉與反射,以及它們的任意組合。本章其餘每一個矩陣群(正交、酉、特殊線性、辛)都是從 GL(n) 中、通過要求其保持某種額外結構而切出的子群。

關於它形狀的一點提醒:det 是連續函數,所以 det != 0 這一條件使 GL(n,R) 成為 n^2 維矩陣空間中的一個開子集,並裂成兩塊(det > 0 與 det < 0),二者之間無法連續地往來。相比之下 GL(n,C) 是連通的。這一連通性問題是這些群擁有有趣幾何的第一個暗示——它們是李群。

A = [2, 1; 0, 3], det A = 6 != 0, A^-1 = (1/6)[3, -1; 0, 2] in GL(2,R)

一個 2x2 矩陣屬於 GL(2,R),當且僅當其行列式非零;此時它的逆存在,且仍屬於 GL(2,R)。

為何 GL(n) 是群而 M_n(F) 只是環?因為可逆性正是缺失的那條公理:M_n(F) 有乘積與單位元,但大多數元素沒有逆。GL(n) 恰好是該環的單位群(即可逆元之群)。

又稱
GL(n,R)GL(n,C)general linear group可逆矩阵群