基靈型(Killing form)
/ KILL-ing (after Wilhelm Killing) /
李代數本身沒有長度或角度的概念;單靠括號給不出內積。基靈型由括號本身典範地製造出一個:它詢問代數如何作用於自身。它是附於任何李代數的自然對稱雙線性型,而讀出它的符號差與退化程度,便能診斷最深層的結構事實——代數是否半單、是否緊型、是否有中心。
精確地說,在有限維李代數 g 上定義 B(X, Y) = trace(ad(X) ad(Y)),其中 ad(X) = [X, -] 是 g 的伴隨自同態,跡取自合成線性映射 ad(X) ad(Y): g -> g。此 B 對稱且雙線性,並且是不變的(結合的):B([X, Y], Z) = B(X, [Y, Z]),以及 Ad-不變,B(Ad(g)X, Ad(g)Y) = B(X, Y)。兩條定理使它成為診斷工具。卡坦半單判準:g 半單,當且僅當 B 非退化(其矩陣行列式非零)。卡坦緊型判準:實半單 g 是某緊群的李代數,當且僅當 B 負定。所以你計算一個跡型,就能得知代數是否剛性(半單),以及它是否積分為緊群。
基靈型是根系、單李代數分類,以及在緊群上構造雙不變度量的主力(取 B 的相反數得到正定不變內積,從而得到雙不變黎曼度量)。誠實提醒:基靈型可能退化(在任何阿貝爾李代數上恆為零,在任何非半單代數上退化),故它並非總是度量。而且它只是「一個」不變型;半單代數可攜帶其他不變雙線性型,不過在「單」代數上,每個不變對稱型都是 B 的純量倍。
對 su(2),以類包立生成元參數化,使 [e_1, e_2] = e_3(並循環)。則 ad(e_1) 是把 e_2 |-> e_3、e_3 |-> -e_2、e_1 |-> 0 的矩陣,計算得 B(e_i, e_i) = trace(ad(e_i)^2) = -2(對每個 i),且 i != j 時 B(e_i, e_j) = 0。故 B 負定——診斷 su(2) 為半單且緊型,與 SU(2) 緊緻相符。
su(2) 的基靈型負定,證實其為緊型、半單。
基靈型在任何阿貝爾李代數上退化(實為零),故它並非總是內積。B 的非退化恰是半單性的判準級別檢驗(卡坦判準)。