Tài liệu Nhóm Lie các ma trận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA TOÁN -------o0o------- Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Nhóm Lie các m a trận GVHD SVTH Lớp MSSV : TS. Nguyễn Hà Thanh : Nguyễn Duy Quang : Toán 4B : 34101071 Lời cảm ơn Tôi muốn gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Hà Thanh – Giảng viên khoa Toán Trường Đại học Sư phạm vì những sự chỉ dẫn nhiệt tình và đóng góp quý báu của Thầy cho luận văn này. Ngoài ra, tôi cũng xin được cảm ơn bạn Võ Văn Vinh Quang – người cộng sự thân thiết đã cùng với tôi nghiên cứu phần đầu của luận văn. Lời mở đầu Từ khi hình học Euclid ra đời cho đến mãi nửa đầu thế kỉ thứ 19, các nhà toán học nói chung và hình học nói riêng trên toàn thế giới đều đao đáo trước một câu hỏi: “Liệu chỉ có một loại hình học duy nhất là hình học Euclid hay còn những loại hình học khác?”. Và câu trả lời đã dần được sáng tỏ khi các nhu cầu thực tế trong vật lý và toán học ngày càng đòi hỏi hình học phải được nghiên cứu trên nhiều chiều hơn chứ không chỉ đơn thuần là 2 hay 3 chiều như trước nữa, đã làm phát sinh một loại hình học mới là hình học phi Euclid. Do đó với một ý tưởng táo bạo là tất cả các loại hình học đều chỉ là những trường hợp đặc biệt của hình học xạ ảnh, vào năm 1872, Felix Klein đã khởi động một chương trình nghiên cứu mang tên chương trình Erlangen với mục đích để giải quyết bài toán phân loại và mô tả các loại hình học dựa trên cơ sở hình học xạ ảnh và lý thuyết nhóm. Kết quả của công trình nghiên cứu này đã cho thấy hình học Euclide quen thuộc thì tương ứng với nhóm E(3) của các phép đẳng cự trong không gian Euclid  3 , hình học bảo giác tương ứng với sự mở rộng nhóm của nhóm bảo giác, trong khi hình học xạ ảnh thì tương ứng với nhóm xạ ảnh… Từ các cấu trúc cụ thể đó người ta xây dựng nên một khái niệm mới là G-cấu trúc, trong đó G là một nhóm Lie. Vậy nhóm Lie là gì? Nhóm Lie là một đa tạp khả vi cùng với một cấu trúc nhóm sao cho các phép toán của nhóm là khả vi. Cấu trúc nhóm Lie như vậy được khởi xướng bởi Sophus Lie (cha đẻ của lý thuyết nhóm liên tục) vào cuối thế kỷ 19 với tên gọi ban đầu là nhóm vi phân và sau đó được phát triển bởi H.Weyl. Tuy nhiên sau này người ta đã đặt tên lại cho nhóm vi phân là nhóm Lie để ghi nhớ đến công lao của S.Lie như là người đã đặt viên đá mở đường cho một lý thuyết tối quan trọng trong nền toán học hiện đại. Nói như vậy thật không quá vì nhóm Lie không chỉ có mặt trong hình học mà còn xuất hiện cả trong lĩnh vực đại số. Vào thập niên 40,50 của thế kỷ trước, các nhà toán học như Ellis Kolchin, Armand Borel và Claude Chevalley đã nhận ra rằng rất nhiều kết quả cơ bản của nhóm Lie có thể được xây dựng hoàn toàn dựa theo đại số. Chính điều này đã dẫn đến việc cho ra đời lý thuyết nhóm đại số trên một trường bất kỳ vốn là một phát kiến quan trọng trong đại số thuần túy vì nó cung cấp cho những ai quan tâm đến vấn đề này một công cụ xây dựng thống nhất cho hầu hết các nhóm hữu hạn đơn giản. Với những lý do đó thì nhóm Lie đã, đang và sẽ đóng một vai trò rất lớn trong toán học hiện đại và các ngành toán học ứng dụng. Vì vậy với mục đích tiếp cận đại số Lie và nhóm Lie, luận văn này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về các nhóm ma trận cũng như lý thuyết Lie trong khuôn khổ một luận văn tốt nghiệp đại học. Luận văn được chia làm bốn chương chính với nội dung như sau: Chương 1: Bổ sung lại các kiến thức cơ bản về đại số, giải tích hàm và đa tạp trơn. Chương 2: Định nghĩa thế nào một nhóm tuyến tính tổng quát GLn () với  = ,  , sau đó nghiên cứu nó như một nhóm và đồng thời như một không gian tôpô. Tiếp theo ta sẽ định nghĩa nhóm ma trận và tìm hiểu những ví dụ quan trọng về nhóm ma trận. Ngoài ra mối quan hệ của nhóm ma trận phức đối với nhóm ma trận thực cũng được xem xét trong chương này và cuối cùng là phần ánh xạ lũy thừa được xây dựng trên nhóm ma trận tổng quát được giới thiệu để làm nền tảng cho các chương sau. Chương 3: Dành hẳn cho câu trả lời thế nào là đại số Lie của một nhóm ma trận? Chương 4: Định nghĩa khái niệm một nhóm Lie, từ đó chứng minh rằng tất cả các nhóm ma trận đều là một nhóm con Lie của nhóm tuyến tính tổng quát. Tuy nhiên cũng cần phải lưu ý thêm là các khái niệm trong chương 4 đều được xây dựng dựa trên đa tạp, vì vậy ở đây sẽ xuất hiện những khái niệm cũ và mới, những sự so sánh với các khái niệm đã được định nghĩa trong các chương trước, và đây là điều mà độc giả cần quan tâm nhiều. Mục lục Trang bìa 1 Lời cảm ơn 2 Lời mở đầu 3 Mục lục 5 Chương 1: Kiến thức cơ bản 1. Kiến thức về đại số 2. Kiến thức về giải tích 3. Kiến thức về đa tạp trơn (khả vi) 6 6 12 16 Chương 2: Nhóm ma trận thực và phức 1. Những nhóm của các ma trận 2. M n () là một không gian mêtric 3. Nhóm ma trận 4. Các nhóm ma trận quan trọng UTn (), SUTn (), O(n), SO(n), U (n), SU (n) 5. Nhóm ma trận phức là nhóm ma trận thực 6. Đồng cấu liên tục của nhóm ma trận 7. Tác động của nhóm liên tục 8. Hàm lũy thừa và logarit của ma trận 18 18 18 22 23 25 26 27 27 Chương 3: Đại số Lie của nhóm ma trận 1. Phương trình vi phân trong ma trận 2. Đường cong, không gian tiếp xúc và đại số Lie 3. Một vài đại số Lie của nhóm ma trận 32 32 33 36 Chương 4: Nhóm Lie các ma trận 1. Không gian tiếp xúc và đạo hàm 2. Nhóm Lie 3. Một vài ví dụ về nhóm Lie 4. Một số công thức quan trọng trong nhóm ma trận 5. Các nhóm ma trận là những nhóm Lie 6. Không phải tất cả các nhóm Lie đều là những nhóm ma trận 42 42 44 45 48 54 56 Kết luận 1. Nội dung của luận văn 2. Các bài toán và hướng nghiên cứu mới về nhóm Lie 61 61 62 Tài liệu tham khảo 63 Chương 1: Kiến thức cơ bản Chương này được đưa ra nhằm hệ thống lại các kiến thức cơ bản về đại số, giải tích và đa tạp trơn (khả vi) mà người đọc luận văn này cần phải có để lĩnh hội được những khái niệm về sau. Do tính đặc thù của việc ôn lại kiến thức cũ nên bố cục trình bày của chương 1 khá rời rạc, do đó độc giả có thể xem một cách tùy ý không theo thứ tự vẫn có thể nắm bắt được. Tuy nhiên bên cạnh đó phần 3 của chương nói về đa tạp trơn – vốn là một khái niệm khó và quan trọng để xây dựng nên lý thuyết Lie là phần mà độc giả nên quan tâm nhiều. 1. Kiến thức về đại số Định nghĩa 1.1: Ta gọi là phép toán hai ngôi (hay còn gọi tắt là phép toán) trong một tập hợp X một ánh xạ f từ X × X đến X . Giá trị f ( x, y ) của f tại ( x, y ) gọi là cái hợp thành của x và y. Định nghĩa 1.2: Một bộ phận A của X gọi là ổn định (đối với phép toán hai ngôi trong X) nếu và chỉ nếu xy ∈ A với mọi x, y ∈ A . Định nghĩa 1.3: Một phép toán hai ngôi trong một tập hợp X gọi là kết hợp nếu và chỉ nếu ta có ( xy ) z = x( yz ) với mọi x, y, z ∈ X ; là giao hoán nếu và chỉ nếu ta có xy = yx với mọi x, y ∈ X . Định nghĩa 1.4: Giả sử đã cho một phép toán hai ngôi trong một tập hợp X. Một phần tử e của X gọi là một đơn vị trái của phép toán hai ngôi nếu và chỉ nếu ex = x với mọi x ∈ X . Tương tự, một phần tử e của X gọi là một đơn vị phải của phép toán hai ngôi nếu và chỉ nếu xe = x với mọi x ∈ X . Trong trường hợp một phần tử e của X vừa là một đơn vị trái vừa là một đơn vị phải, thì e gọi là một đơn vị, hoặc một phần tử trung lập của phép toán hai ngôi. Định nghĩa 1.5: Ta gọi là nửa nhóm một tập hợp X cùng với một phép toán hai ngôi kết hợp đã cho trong X. Một nửa nhóm có phần tử trung lập gọi là một vị nhóm. Một nửa nhóm là giao hoán nếu phép toán của nó giao hoán. Định nghĩa 1.6: Ta gọi là nhóm một nửa nhóm X có các tính chất sau: a) Có phần tử trung lập. b) Với mọi x ∈ X , có một x ' ∈ X sao cho x= ' x xx =' e (phần tử x ' gọi là một phần tử đối xứng hay nghịch đảo của x) Như vậy, một nhóm là một vị nhóm mà mỗi phần tử đều có nghịch đảo. Nếu tập hợp X là hữu hạn thì ta bảo ta có một nhóm hữu hạn và số phần tử của X gọi là cấp của nhóm. Nếu phép toán hai ngôi trong X là giao hoán thì ta bảo ta có một nhóm giao hoán hay nhóm aben. Định lý 1.7: Mỗi phần tử của một nhóm chỉ có một phần tử đối xứng. Trong trường hợp phép toán hai ngôi của nhóm kí hiệu bằng dấu . (dấu cộng +), thì phần tử đối xứng duy nhất của x kí hiệu là x −1 ( − x ) và còn gọi là nghịch đảo của x (đối của x). Từ định nghĩa của phần tử nghịch đảo (phần tử đối) ta có nghịch ( x −1 ) −1 = x , ( −(− x) =x ). Nếu nhóm là aben và phép toán của nhóm kí hiệu bằng dấu . (dấu +) thì phần tử xy −1 = y −1 x ( x + (− y ) = (− y ) + x ) kí hiệu là x / y ( x − y ) và gọi là thương của x trên y (hiệu của x và y). Định lý 1.8: Một nửa nhóm X là một nhóm nếu và chỉ nếu hai điều kiện sau được thỏa mãn: a) X có một đơn vị trái e. b) Với mọi x ∈ X , có một x ' ∈ X sao cho x ' x = e . Định lý 1.9: Một nửa nhóm khác rỗng X là một nhóm nếu và chỉ nếu các phương trình ax = b và ya = b có nghiệm trong X với mọi a, b ∈ X . Định nghĩa 1.10: Một bộ phận ổn định A của một nhóm X là một nhóm con của X nếu A cùng với phép toán cảm sinh là một nhóm, kí hiệu là A ≤ X . Định lý 1.11: Một bộ phận A của một nhóm X là một nhóm con của X nếu và chỉ nếu các điều kiện sau đây thỏa mãn: a) Với mọi x, y ∈ A, xy ∈ A . b) e ∈ A , với e là phần tử trung lập của X. c) Với mọi x ∈ A, x −1 ∈ A . Hệ quả 1.12: Giả sử A là một bộ phận khác rỗng của một nhóm X. Các điều kiện sau đây là tương đương: a) A là một nhóm con của X. b) Với mọi x, y ∈ A, xy ∈ A và x −1 ∈ A . c) Với mọi x, y ∈ A, xy −1 ∈ A . Định nghĩa 1.13: Giả sử U là một bộ phận của một nhóm X. Nhóm con A bé nhất của X chứa U gọi là nhóm con sinh ra bởi U. Trong trường hợp A = X , ta nói rằng U là một hệ sinh của X và X được sinh ra bởi U. Kí hiệu nhóm con sinh bởi tập hợp U là U . Định nghĩa 1.14: Một nhóm X gọi là xyclic nếu và chỉ nếu X được sinh ra bởi một phần tử a ∈ X . Phần tử a gọi là một phần tử sinh của X. Như vậy một nhóm X là xyclic nếu và chỉ nếu các phần tử của nó là các lũy thừa a λ , λ ∈  , của một phần tử a ∈ X , kí hiệu là= a {a λ } | λ ∈ . Định nghĩa 1.15: Giả sử a là một phần tử bất kì của một nhóm X và A là nhóm con sinh ra bởi a. Phần tử a gọi là có cấp vô hạn nếu A vô hạn; trong trường hợp này không có một số nguyên dương n nào sao cho a n = e . Phần tử a gọi là có cấp m nếu A có cấp m; trong trường hợp này m là số nguyên dương bé nhất sao cho a m = e . Một phần tử a ∈ X có cấp 1 khi và chỉ khi a = e . Định nghĩa 1.16: Giả sử A là nhóm con của một nhóm X, ta định nghĩa quan hệ ~ trong tập hợp X như sau: với mọi x, y ∈ A , x ~ y nếu và chỉ nếu x −1 y ∈ A . Bổ đề 1.17: Quan hệ ~ trong X là một quan hệ tương đương. Với mỗi phần tử x ∈ X , ta kí hiệu lớp tương đương chứa x là x và kí hiệu bộ phận của X gồm các phần tử có dạng xa với a chạy khắp A là xA , tức là = xA { xa | a ∈ A} . Bổ đề 1.18: x = xA . Định nghĩa 1.19: Các bộ phận xA gọi là các lớp trái của nhóm con A trong X. Tương tự các lớp phải Ax của A trong X là các bộ phận mà các phần tử có dạng là ax với a ∈ A . Cũng như đối với các lớp trái, ta có thể chứng minh các lớp phải của A là các lớp tương đương theo quan hệ tương đương: x ~ y nếu và chỉ nếu xy −1 ∈ A . Định nghĩa 1.20: Tập hợp thương của X trên quan hệ tương đương ~ gọi là tập hợp thương của nhóm X trên nhóm con A, kí hiệu là X / A . Các phần tử của X / A là các lớp trái xA . Số l các lớp trái xA (hay lớp phải Ax ) gọi là chỉ số của nhóm con A trong X. Định nghĩa 1.21 (Chuẩn hóa): Chuẩn hóa của S trong nhóm (nửa nhóm) G được định bởi N G ( S ) =∈ gS } . Khi đó N G ( S ) ≤ G . { g G | Sg = Định nghĩa 1.22: Một nhóm con A của một nhóm X gọi là chuẩn tắc nếu và chỉ nếu x −1ax ∈ A với mọi a ∈ A và x ∈ X . Kí hiệu là A  X . Định lý 1.23: Nếu A là một nhóm con chuẩn tắc của một nhóm X, thì: a) Quy tắc cho tương ứng với cặp ( xA, yA) lớp trái xyA là một ánh xạ từ X / A × X / A đến X / A b) X / A cùng với phép toán hai ngôi ( xA, yA)  xyA là một nhóm, gọi là nhóm thương của X trên A Định lý 1.24: Giả sử A là một nhóm con của một nhóm X. Các điều kiện sau đây là tương đương: a) A là chuẩn tắc. b) xA = Ax với mọi x ∈ X . Do định lý trên, từ giờ nếu A là chuẩn tắc thì ta không phân biệt lớp trái, lớp phải của A và gọi một lớp trái (hay một lớp phải) của A là một lớp của A. Định nghĩa 1.25: Một đồng cấu (nhóm) là một ánh xạ f từ một nhóm X đến một nhóm Y sao cho f (ab) = f (a ) f (b) với mọi a, b ∈ X . Nếu X = Y thì đồng cấu f gọi là một tự đồng cấu của X. Một đồng cấu mà là một đơn ánh thì gọi là một đơn cấu, một đồng cấu toàn ánh gọi là một toàn cấu, một đồng cấu song ánh gọi là một đẳng cấu, một tự đồng cấu song ánh gọi là một tự đẳng cấu. Nếu f : X → Y là ~ một đẳng cấu từ nhóm X đến nhóm Y thì người ta viết f : X → Y (Trong trường hợp X và Y là những nửa nhóm, ta cũng định nghĩa đồng cấu (nửa nhóm) như trên và cũng có các khái niệm tương tự). Mệnh đề 1.26: Nếu f : X → Y là một đẳng cấu từ nhóm X đến nhóm Y thì ánh xạ ngược f −1 : Y → X cũng là một đẳng cấu. Định nghĩa 1.27: Nếu có một đẳng cấu từ nhóm X đến nhóm Y thì ta bảo hai nhóm X và Y là đẳng cấu với nhau, và ta viết X ≅ Y . Định nghĩa 1.28: Giả sử f : X → Y là một đồng cấu từ nhóm X đến nhóm Y, các phần tử trung lập của X và Y được kí hiệu theo thứ tự là eX và eY .Ta kí hiệu Im f = f ( X ) Kerf = eY } = f −1 (eY ) { x ∈ X | f ( x) = và gọi Im f là ảnh của đồng cấu f , Kerf là hạt nhân của đồng cấu f . Định lý 1.29: Giả sử X , Y , Z là những nhóm và f : X → Y và g : Y → Z là những đồng cấu. Thế thì ánh xạ tích gf : X → Z cũng là một đồng cấu. Đặc biệt tích của hai đẳng cấu là một đẳng cấu. Định lý 1.30: Giả sử f : X → Y là một đồng cấu từ một nhóm X đến một nhóm Y. Thế thì: a) f (eX ) = eY b) f ( x −1 ) = [ f ( x)]−1 với mọi x ∈ X . Định lý 1.31: Giả sử f : X → Y là một đồng cấu từ một nhóm X đến một nhóm Y, A là một nhóm con của X và B là một nhóm con chuẩn tắc của Y. Thế thì: a) f ( A) là một nhóm con của Y. b) f −1 ( B) là một nhóm con chuẩn tắc của X. Hệ quả 1.32: Giả sử f : X → Y là một đồng cấu từ một nhóm X đến một nhóm Y. Thế thì Im f là một nhóm con của Y và Kerf là một nhóm con chuẩn tắc của X. Định lý 1.33: Giả sử f : X → Y là một đồng cấu từ nhóm X đến nhóm Y. Thế thì: a) f là một toàn ánh nếu và chỉ nếu Im f = Y . b) f là một đơn ánh nếu và chỉ nếu Kerf = {eX } c) f ( X ) ≅ X / Kerf Định nghĩa 1.34: Giả sử X là một nhóm, ta gọi là tâm của X bộ phận C ( X ) = {a ∈ X | ax = xa, ∀x ∈ X } Mệnh đề 1.35: C(X) là một nhóm con giao hoán của X và mọi nhóm con của C(X) là một nhóm con chuẩn tắc của X. Định nghĩa 1.36: Giả sử X là một nhóm, x và y là hai phần tử của X. Ta gọi là hoán tử của x và y phần tử xyx −1 y −1 Định nghĩa 1.37: Ta gọi là vành một tập hợp X cùng với hai phép toán hai ngôi đã cho trong X kí hiệu theo thứ tự bằng cấu dấu + và  (người ta thường kí hiệu như vậy) và gọi là phép cộng và phép nhân sao cho các điều kiện sau thỏa mãn: a) X cùng với phép cộng là một nhóm aben. b) X cùng với phép nhân là một nửa nhóm. c) Phép nhân phân phối đối với phép cộng, nghĩa là:  x( y + z ) = xy + xz ∀x, y, z ∈ X :  ( y + z ) x =yx + zx Phần tử trung lập của phép cộng thì kí hiệu là 0 và gọi là phần tử không. Phần tử đối xứng (đối với phép cộng) của một phần tử x thì kí hiệu là − x và gọi là đối của x. Nếu phép nhân là giao hoán thì ta bảo vành X là giao hoán. Nếu phép nhân có phần tử trung lập thì phần tử đó gọi là phần tử đơn vị của X và thường được kí hiệu là e hay 1 (nếu không có sự nhầm lẫn). Định nghĩa 1.38: Trường là X-vành giao hoán, e ≠ 0 và mỗi phần tử x ≠ 0 đều có nghịch đảo x −1 .    Định nghĩa 1.39: Cho tập hợp V mà các phần tử được kí hiệu α , β , γ  và trường  mà các phần tử được kí hiệu x, y, z Giả sử trên V có hai phép toán: Phép toán trong, kí hiệu + : V ×V → V     (α , β )  α + β Phép toán ngoài, kí hiệu  :  ×V → V   ( x, α )  xα    thỏa mãn các tiên đề sau với mọi α , β , γ ∈ V và với mọi x, y ∈  .       1) α + β + γ =α + β + γ       2) Có 0 ∈ V sao cho 0 + α = α + 0 = α        3) Với mọi α ∈ V tồn tại α ' ∈ V sao cho α ' + α = α + α ' = 0     4) α + β = β + α    5) ( x + y )α =xα + yα     6) x α + β = xα + x β   7) x yα = ( xy )α   8) 1.α = α (1 là phần tử đơn vị của  ) Khi đó V cùng với hai phép toán nói trên gọi là một không gian vectơ trên trường  hay  -không gian vectơ.  Định nghĩa 1.40: Hệ vectơ (α i , i ∈ I ) của V gọi là hệ vectơ độc lập tuyến tính nếu   ∑ xi α i = 0 ⇒ xi = 0, ∀i ∈ I ( ) ( ) ( ) ( ) i∈I Một hệ vectơ gọi là phụ thuộc tuyến tính nếu nó không độc lập tuyến tính.   Định nghĩa 1.41: Hệ vectơ (α i , i ∈ I ) gọi là độc lập tuyến tính tối đại trong hệ vectơ B = α i ∈ V , i ∈ I { } nếu B chứa hệ đó, hệ đó độc lập tuyến tính và mọi vectơ của B đều biểu thị tuyến tính qua các vectơ của hệ.  Hệ vectơ (α i , i ∈ I ) gọi là một hệ sinh của hệ vectơ B nếu mọi vectơ của B đều biểu thị tuyến tính qua các vectơ của hệ. Nếu B hữu hạn sinh (nghĩa là có hệ sinh gồm hữu hạn phần tử) thì B có hệ độc lập tuyến tính tối đại gồm hữu hạn phần tử và số phần tử của các hệ vectơ độc lập tuyến tính tối đại trong B là bằng nhau. Số đó gọi là hạng của hệ vectơ B. Nếu B = V thì số đó gọi là số chiều của không gian vectơ V và kí hiệu là dimV . Mỗi hệ vectơ độc lập tuyến tính tối đại của V gọi là một cơ sở của V.    Định nghĩa 1.42: Giả sử e1 , , en là một cơ sở của V, khi đó mỗi vectơ x ∈ V đều có thể viết được một ( ) cách duy nhất    = x x1 e1 +  xn en    Bộ n số ( x1 , , xn ) gọi là các tọa độ của x trong cơ sở e1 , , en . ( ) Định nghĩa 1.43: Một tập con khác rỗng W của V được gọi là một không gian vectơ con của V nếu nó ổn định đối với hai phép toán của V, nghĩa là:     ∀ x, y ∈ W thì λ x + µ y ∈ W với ∀λ , µ ∈  . Định nghĩa 1.44: Cho X ⊆ V thì giao của mọi không gian vectơ con của V chứa X gọi là bao tuyến tính của X trong V và kí hiệu là X . Nếu X ≠ ∅ thì X là tập các tổ hợp tuyến tính của các hệ (hữu hạn)  vectơ trong X. ∅ =0 {} Định nghĩa 1.45: Tổng của một họ các không gian vectơ con của V: {Wi } , i ∈ I , kí hiệu: bởi: ∑W i∈I i = ∑W i∈I i xác định W i i∈I  Khi đó ∀α ∈ ∑ Wi , đều có thể viết được dưới dạng i∈I    = α ∑ α i , α i ∈ Wi , i ∈ I i∈I Nếu cách viết đó là duy nhất thì tổng trên được gọi là tổng trực tiếp của họ {Wi } , i ∈ I và được kí hiệu: ⊕ Wi . Nếu I = {1, , n} thì tổng đó được viết là: W1 ⊕  ⊕ Wn . Đặc biệt W1 + W2 là tổng trực tiếp khi và chỉ  khi W1  W2 = 0 . i∈I {} Nếu V= W ⊕ Z thì Z gọi là bù tuyến tính của W trong V. Giả sử W và Z là hai không gian vectơ con của không gian vectơ hữu hạn chiều V thì dim W + dim= Z dim(W + Z ) + dim(W  Z ) Định nghĩa 1.46: Giả sử V, W là những  -không gian vectơ. Ánh xạ f : V → W bảo tồn hai phép toán của  -không gian vectơ, tức là:       f (α + β )= f (α ) + f ( β ) , ∀α , β ∈ V , k ∈    f (kα ) = kf (α ) được gọi là ánh xạ tuyến tính từ V đến W. Định nghĩa 1.47: Một ma trận A loại (cấp) m × n trên trường  là một bảng chữ nhật gồm m × n phần tử trong  được viết thành m dòng và n cột như sau:  a11  a1n  A =       am1  amn  trong đó aij ∈  là phần tử ở vị trí dòng i, cột j của A. Đôi khi A được viết ngắn gọn là A = (aij ) m×n hay ( A) m×n Các ma trận thường được kí hiệu bởi A, B, C và tập hợp các ma trận loại m × n trên trường  được kí hiệu bởi M m×n () Ma trận không cấp m × n (ma trận zero), kí hiệu 0m×n là ma trận mà mọi phần tử đều bằng 0. Nếu m = n thì A được gọi là ma trận vuông cấp n trên  . Tập hợp tất cả các ma trận vuông cấp n trên  kí hiệu là M n () . Ma trận cấp 1× n được gọi là ma trận hàng; ma trận cấp m ×1 được gọi là ma trận cột. Nếu A ∈ M n () thì đường chứa các phần tử a11 , a22 , , ann được gọi là đường chéo chính của A. Định nghĩa 1.48: Nếu A ∈ M n () thì vết của A (kí hiệu là tr(A)) được cho bởi tr ( A) = a11 + a22 +  + ann = n ∑a i =1 ii . Định nghĩa 1.49: Ma trận chéo là ma trận vuông trong đó các phần tử không nằm trên đường chéo chính đều bằng 0. Ta thường dùng kí hiệu diag (a1 , a2 ,..., an ) để chỉ một ma trận đường chéo cấp n có các phần tử nằm trên đường chéo lần lượt là a1 , a2 ,..., an . 1  0  Định nghĩa 1.50: Ma trận đơn vị I n là ma trận có dạng I n =      . 0  1  Định nghĩa 1.51: Cho= A (aij ),= B (bij ) ∈ M m×n () . Ta nói A = B khi và chỉ khi a= bij , ∀i, j ij Định nghĩa 1.52: Cho= A (aij ) ∈ M m×n () . Ta nói= B (bij ) ∈ M n×m () là chuyển vị của A (kí hiệu b ji , ∀i, j . B = AT ) nếu a= ij Định nghĩa 1.53: Cho= A (aij ) ∈ M n () thì= A∗ Hecmit với A, nghĩa là A ) ( A ) ∈ M () được gọi là ma trận liên hợp (= T T n (A ) ∗ ij = a ji Định nghĩa 1.54: Cho A ∈ M n () . Khi đó nếu AT = A thì ta nói A là ma trận đối xứng, nếu AT = − A thì ta nói A là ma trận phản xứng. Định nghĩa 1.55 (Phép nhân một số với một ma trận): Cho A = (aij ) ∈ M m×n (), a ∈  . Ta gọi tích a và A (kí hiệu aA) là một ma trận= C (cij ) ∈ M m×n () được xác định bởi cij = aaij Nếu a = −1 thì ta kí hiệu (−1) A bởi − A và gọi là ma trận đối của A. Định nghĩa 1.56 (Phép cộng hai ma trận): Cho= A (aij ),= B (bij ) ∈ M m×n () . Ta gọi tổng của A và B (kí hiệu là A + B ) là một ma trận= C (cij ) ∈ M m×n () được xác định bởi c= aij + bij ij Tổng của A + (− B) được kí hiệu bởi A − B và gọi là hiệu của ma trận A và B. Tính chất 1.57: Cho A = (aij ) ∈ M m×n (); α , β ∈  . Khi đó: a) (ab) A = a (bA) b) (aA)T = aAT c) Tổng hai ma trận có tính chất giao hoán: A + B = B + A d) Tổng hai ma trận có tính kết hợp: A + ( B + C ) = ( A + B) + C e) Tồn tại ma trận 0m×n sao cho: A + 0 = 0 + A = A f) Tồn tại ma trận đối của A sao cho: A + (− A) = (− A) + A = 0 g) Phép nhân vô hướng có tính chất phân phối: α ( A + B) = α A + α B;(α + β ) A = α A + β A h) Chuyển vị của tổng bằng tổng các chuyển vị: ( A + B)T =AT + BT Định nghĩa 1.58 (Phép nhân hai ma trận): Cho ma trận= B (bkj ) ∈ M n× p () . A (aik ) ∈ M m×n () và= Tích của hai ma trận A và B là ma trận= C (cij ) ∈ M m× p () (kí hiệu C = A.B ), được xác định bởi cij= ai1b1 j + ai 2b2 j +  + aik bkj Nếu A, B ∈ M n () và AB = BA thì A và B được gọi là giao hoán nhau. Định nghĩa 1.59: Nếu A, B ∈ M n () và AB = BA = I n thì B được gọi là ma trận khả nghịch của A và kí hiệu B = A−1 . Lúc đó ta cũng nói ma trận A khả nghịch hay A không suy biến. Tính chất 1.60: Nếu A ∈ M n () thì AI = I= A n nA Tính chất 1.61: Cho A, A ' ∈ M m×n (); B, B ' ∈ M n× p (); B ∈ M p×q () . Ta có: a) Phép nhân ma trận có tính chất kết hợp: ( AB)C = A( BC ) b) A.0n× p = 0m× p ; 0r×m. A = 0r×n c) Phép nhân ma trận có tính chất phân phối: A( B ± B ') = AB ± AB ';( A ± A ') B = AB ± A ' B d) ( AB)T = BT AT e) α ( AB = ) (α A = ) B A(α B), ∀α ∈  Định nghĩa 1.62 (Định thức): Cho= A (aij ) ∈ M n () . Định thức ma trận A (kí hiệu là detA hay A ) là một giá trị được tính bởi công thức: det A = A = a11 A11 + a12 A12 +  + a1n A1n trong đó: Aij = (−1)i + j .det( M ij ).M ij là ma trận vuông cấp n − 1 nhận được từ ma trận A bằng cách bỏ đi dòng thứ i và cột thứ k. Đại lượng Aij được gọi là phần bù đại số của aij . Định lý 1.63: Với ma trận vuông cấp n ( n ≥ 2 ) ta có thể khai triển định thức của nó theo một dòng bất kì hoặc một cột bất kì theo các công thức sau: - Theo dòng i: det A = A = ai1 Ai1 + ai 2 Ai 2 +  + ain Ain - Theo cột j: det A = A = a1 j A1 j + a2 j A2 j +  + anj Anj với Aij là phần bù đại số của phần tử aij được xác định như trên. Định lý 1.64 (Công thức tính ma trận nghịch đảo): Nếu det A ≠ 0 thì ma trận nghịch đảo của A được tính bằng công thức  A11 A21  An1    1  A12 A22  An 2  A −1 =    det A      A1n A2 n  Ann  Định nghĩa 1.65: Cho A ∈ M n () . Số λ ∈  được gọi là giá trị riêng của ma trận A, nếu tồn tại một   t1      vectơ 0 ≠ u ∈  sao cho Au = λu ,= trong đó      | t1 , , tn ∈   .  t    n   Khi đó vectơ u được gọi là vectơ riêng của ma trận A ứng với giá trị riêng λ . Tính chất 1.66: a) Giá trị riêng λ chính là nghiệm của phương trình det( A − λ I ) = 0 , được gọi là phương trình đặc trưng của ma trận A. b) Một giá trị riêng có thể có nhiều vectơ riêng. c) Mỗi vectơ riêng chỉ ứng với một giá trị riêng duy nhất. d) Ma trận A là nghiệm của đa thức đặc trưng của chính nó. e) Nếu λ = 0 là giá trị riêng của ma trận A thì A không khả nghịch. Ngược lại, nếu mọi giá trị riêng của A đều khác không thì A khả nghịch. f) Nếu λ là giá trị riêng của ma trận A thì λ k là giá trị riêng của ma trận Ak . Định nghĩa 1.67 (Ma trận đồng dạng): Hai ma trận A, B vuông cấp n được gọi là đồng dạng nhau nếu tồn tại một ma trận không suy biến S sao cho B = S −1 AS . Kí hiệu A ~ B . Định nghĩa 1.68 (Ma trận chéo hóa được): Ma trận A được gọi là ma trận chéo hóa được nếu nó đồng dạng với ma trận chéo. Định lý 1.69: Điều kiện cần và đủ để ma trận A chéo hóa được là nó có n vectơ riêng độc lập tuyến tính. n n 2. Kiến thức về giải tích Định nghĩa 1.70: Cho X là một tập. Một mêtric trên X là một hàm d : X × X →  thỏa mãn các tính chất 1) d ( x, y ) ≥ 0; d ( x, y ) = 0 nếu và chỉ nếu x = y 2) d ( x, y ) = d ( y, x) 3) d ( x, z ) ≤ d ( x, y ) + d ( y, z ) với mọi x, y, z ∈ X . Không gian mêtric X = ( X , d ) là một tập X cùng với một mêtric d trên nó. Trường  là không gian mêtric với mêtric d ( x, y )= x − y , gọi là mêtric thông thường. Tổng quát hơn,  n là không gian mêtric với mêtric d= ( x, y ) n ∑x −y i =1 i 2 i với mọi x (= = x1 , , xn ), y ( y1 , , yn ) , gọi là mêtric Eulide hay mêtric thông thường. Định nghĩa 1.71: Cho X là một không gian mêtric. Với mọi a ∈ X và số ε > 0 ta gọi B ( a, ε ) = { x ∈ X : d ( x, a) < ε } là ε -lân cận của điểm a. Tập con M ⊂ X gọi là mở nếu mọi a ∈ M , tồn tại ε > 0 sao cho B(a, ε ) ⊂ M . Với mọi a ∈ X và ε > 0 , tập B(a, ε ) là mở. Họ T tất cả các tập mở của X có các tính chất 1) ∅ ∈ T ; X ∈ T 2) U i ∈ T , i ∈ I thì U i ∈T i∈I 3) U , V ∈ T thì U  V ∈ T Định nghĩa 1.72: Cho X là một tập. Một họ T các tập con của X gọi là tôpô trên X nếu họ T có các tính chất (1), (2) và (3) như trên. Không gian tôpô X = ( X , T ) là một tập X cùng với một tôpô T trên nó. Nếu X là một không gian tôpô thì các tập U ∈ T gọi là các tập mở, các phần tử của X gọi là các điểm. Cho X là một tập và T1 , T2 là hai tôpô trên X. Ta nói T1 yếu hơn T2 ( T2 mạnh hơn T1 ) nếu T1 ⊂ T2 . Các không gian mêtric là các không gian tôpô, tôpô T trên nó gọi là tôpô sinh bởi mêtric. Định nghĩa 1.73: Không gian tôpô X gọi là Hausdorff nếu mọi cặp điểm khác nhau x, y ∈ X , tồn tại hai tập mở không giao nhau U và V sao cho x ∈ U , y ∈ V . Không gian mêtric là không gian tôpô Haudorff. Định nghĩa 1.74: Cho X là một không gian tôpô. Tập con U ⊂ X gọi là một lân cận của điểm a ∈ X nếu tồn tại một tập mở G sao cho a ∈ G ⊂ U Họ A các lân cận của điểm a gọi là một cơ sở lân cận của điểm a nếu mọi lân cận của a đều tồn tại V ∈ A sao cho V ⊂ U . Cho tập M ⊂ X . Điểm a ∈ X gọi là điểm trong của M nếu tồn tại lân cận của a sao cho U ⊂ M . Tập tất 0 cả các điểm trong của M kí hiệu là M và gọi là phần trong của M. 0 Tập M mở nếu và chỉ nếu M = M . Định nghĩa 1.75: Cho X là một không gian tôpô. Tập con A ⊂ X gọi là đóng nếu X \ A là tập mở. 0 Với mọi tập con M ⊂ X , ta gọi bao đóng của M là tập M = X \ ( X \ M ) . Dễ thấy rằng M= {x ∈ X : U  M ≠ ∅ với mọi lân cận U của x} Tập M đóng nếu và chỉ nếu M = M . Ta gọi biên của M là tập ∂M = M  ( X \ M ) . Dễ thấy rằng ∂M = {x ∈ X : U  M ≠ 0, U  ( X \ M ) ≠ 0 với mọi lân cận U của x} Cho các tập con M , N ⊂ X . Tập M gọi là trù mật trong tập N nếu M ⊃ N . Định nghĩa 1.76: Một ánh xạ α  xα từ  vào tập X gọi là một dãy trong X, kí hiệu là {xn } Trường hợp X = ( X , d ) là không gian mêtric thì dãy {xn } hội tụ đến x (kí hiệu là lim xn = x hoặc xn → x ) tương đương với ∀ε > 0, ∃n0 : n ≥ n0 ⇒ d ( xn , x) < ε . Mệnh đề 1.77: Cho X là không gian mêtric, thì: a) Giới hạn của một dãy trong X nếu có là duy nhất. b) Tập A ⊂ X đóng nếu và chỉ nếu ∀{xn } ⊂ A, xn → x ∈ X ⇒ x ∈ A Định nghĩa 1.78: Cho X và Y là hai không gian tôpô và ánh xạ f : X → Y . Ánh xạ f gọi là liên tục tại a ∈ X nếu mọi lân cận V của f(a) trong Y tồn tại một lân cận U của a trong X sao cho f (U ) ⊂ V . Ánh xạ f gọi là liên tục nếu nó liên tục tại mọi a ∈ X . Ánh xạ f gọi là đồng phôi nếu f song ánh và cả hai ánh xạ f và f −1 liên tục. Mệnh đề 1.79: Nếu X và Y là các không gian mêtric và f : X → Y thì f liên tục tại x ∈ X nếu và chỉ nếu mọi dãy xn → x đều có f ( xn ) → f ( x) . Mệnh đề 1.80: Nếu X và Y là các không gian tôpô và f : X → Y thì f liên tục nếu và chỉ nếu thỏa mãn một trong các điều kiện sau a) f −1 ( B) mở trong X với mọi B mở trong Y b) f −1 ( B) đóng trong X với mọi B đóng trong Y Định nghĩa 1.81: Cho ( X , T ) là không gian tôpô và Y ⊂ X . Khi đó tôpô trên Y xác định bởi = T {G  Y : G ∈ T } gọi là tôpô cảm sinh trên Y. Không gian tôpô (Y , T ) gọi là không gian tôpô con của X. Nếu (X,d) là không gian mêtric và Y ⊂ X thì d(x,y) với x, y ∈ Y cũng là một mêtric trên Y, gọi là mêtric cảm sinh. Tôpô sinh bởi mê tric này cũng chính là tôpô cảm sinh. Định nghĩa 1.82: Cho họ tập {Ei }i∈I . Ta gọi tập có các phần tử là các ánh xạ x : I →  Ei ; x(i ) ∈ Ei , ∀i ∈ I i∈I là tích Descartes của họ tập đã cho, kí hiệu là ∏E . i∈I i Định nghĩa 1.83: Với mọi x ∈ ∏ Ei , đặt x(i ) = xi . Khi đó có thể= viết x ( xi )i∈I , xi ∈ Ei . Ta gọi xi là tọa i∈I độ thứ i của x và ánh xạ π i : ∏ E j →Ei , π i ( x) = xi j∈I là ánh xạ tọa độ (hay phép chiếu chính tắc) thứ i. Nếu I = {1,..., n} thì ∏ Ei được kí hiệu là i∈I n ∏E Nếu Ei = E với mọi i ∈ I thì ∏E i∈I i i i =1 hoặc E1 × ... × En được kí hiệu là E I . Nếu thêm nữa I = {1,..., n} thì ta kí hiệu là E n , gọi là lũy thừa Descartes bậc n của E. Định nghĩa 1.84: Cho {( X i , Ti )}i∈I là một họ các không gian tôpô. Kí hiệu tích Descartes của họ { X i } là X = ∏ Xi . i∈I Tôpô T yếu nhất trên X để tất cả các ánh xạ tọa độ liên tục gọi là tôpô tích. Không gian tôpô (X,T) gọi là tích (hay tích Tikhonov) của họ các không gian { X i }i∈I . Nếu kí hiệu   = B ∏ Gi : Gi ∈ Ti , Gi ≠ X i chi mot so huu han i ∈ I   i∈I  thì = T {G ⊂ X : G là hợp của các tập trong B} Cho {( X , d )} i i n i =1 là một họ hữu hạn các không gian mêtric. Khi đó mêtric d ( x, y ) = max di ( xi , yi ) 1≤i ≤ n với x ( x1 ,..., = = xn ), y ( y1 ,..., yn= )∈ X n ∏X i =1 i là mêtric sinh ra tôpô tích trên X. Định nghĩa 1.85: Cho X là một không gian mêtric. Một dãy {xn } trong X gọi là dãy Cauchy nếu ∀ε > 0, ∃n0 : n, m ≥ n0 ⇒ d ( xn , xm ) < ε Các dãy hội tụ là dãy Cauchy. Không gian mêtric X được gọi là đầy đủ nếu mọi dãy Cauchy trong X đều hội tụ. Tập A ⊂ X gọi là tập đầy đủ nếu nó đầy đủ với mêtric cảm sinh. Mọi tập con đầy đủ của một không gian mêtric là tập đóng; mọi tập con đóng của một không gian mêtric đầy đủ là tập đầy đủ. Định nghĩa 1.86: Cho X là một không gian tôpô. Một họ {Gα }α ∈I các tập mở của X gọi là phủ mở của X nếu  Gα = X . α ∈I Không gian X gọi là compact nếu mọi phủ mở {Gα }α ∈I tồn tại tập con hữu hạn J ⊂ I sao cho {Gα }α ∈J cũng là một phủ mở của X. Tập A ⊂ X gọi là compact nếu nó compact đối với tôpô cảm sinh. Tập A ⊂ X gọi là compact tương đối nếu A compact. Không gian X gọi là compact địa phương nếu mọi x ∈ X đều có một lân cận compact và đóng. Nếu không gian X compact thì mọi tập con đóng của X đều là tập compact. Nếu không gian X Hausdorff thì mọi tập con compact của X đều là tập đóng. Cho X, Y là các không gian tôpô và ánh xạ liên tục f : X → Y . Khi đó nếu tập A ⊂ X compact thì f ( A) ⊂ Y compact. Cho X compact, Y Hausdorff và ánh xạ f : X → Y là đơn ánh liên tục thì f : X → f ( X ) là phép đồng phôi. Định lý 1.87 (Định lý Tikhonov): Không gian tôpô tích ∏ X i compact nếu và chỉ nếu mọi không gian i∈I X i compact. Cho X là một không gian mêtric. Tập A ⊂ X gọi là bị chặn nếu tồn tại số thực r > 0 và điểm a ∈ X sao cho A ⊂ B(a, r ) . n Tập A gọi là hoàn toàn bị chặn (hay tiền compact) nếu ∀ε > 0, ∃x1 ,..., xn ∈ X : A ⊂  B ( xi , ε ) . Nếu tập A i =1 n hoàn toàn bị chặn thì ∀ε > 0 có thể chọn x1 ,..., xn ∈ A để A ⊂  B( xi , ε ) . i =1 Các tập hoàn toàn bị chặn là bị chặn. Tập bị chặn  với mêtric thông thường là hoàn toàn bị chặn. Không gian mêtric X gọi là hoàn toàn bị chặn nếu bản thân X là một tập hoàn toàn bị chặn. Cho X là không gian mêtric và tập con A của X. Ta có các khẳng định sau: 1) Tập con A compact nếu và chỉ nếu thỏa mãn một trong các điều kiện sau a) Mọi dãy trong A đều có một dãy con hội tụ (trong A) b) A đầy đủ và hoàn toàn bị chặn. 2) Tập con A hoàn toàn bị chặn nếu và chỉ nếu mọi dãy trong A đều có một dãy con là dãy Cauchy. 3) Tập con A compact tương đối nếu mỗi dãy trong A đều có một dãy con hội tụ trong X. Cho (X,d) và (Y,p) là các không gian mêtric. Khi đó: f liên tục tại a ∈ X nếu ∀ε > 0, ∃δ > 0 : ∀x ∈ X , d ( x, a ) < δ ⇒ p ( f ( x), f (a )) < ε n Định nghĩa 1.88: Cho E là một  -không gian vectơ. Một chuẩn trên E là một hàm x  x từ E vào  thỏa mãn các điều kiện sau với mọi x, y ∈ E , mọi λ ∈  1) x ≥ 0, x = 0 nếu và chỉ nếu x = 0 2) λx = λ x 3) x+ y ≤ x + y Định lý 1.89: Nếu x  x là một chuẩn trên E thì d ( x, y= ) x − y là một mêtric trên E. Mêtric này thỏa mãn d ( x + z , y + z ) = d ( x, y ) và d (λ x, λ y ) = λ d ( x, y ) với mọi x, y, z ∈ E; λ ∈  . Ta gọi không gian định chuẩn là không gian vectơ cùng với một chuẩn trên nó. Không gian định chuẩn là không gian mêtric với mêtric sinh bởi chuẩn (mêtric nói trong định lý 1.89) Tập con A của không gian định chuẩn E gọi là bị chặn nếu tồn tại số thực M sao cho x ≤ M với mọi x ∈ A . Ta cũng nói A bị chặn bởi M. Định nghĩa 1.90: Giả sử {xn } là một dãy trong không gian định chuẩn E. Khi đó tổng hình thức x1 + x2 + ... hay ∞ ∑x n =1 n được gọi là một chuỗi trong E. Phần tử sn = x1 + x2 + ... + xn được gọi là tổng riêng thứ n của chuỗi. Chuỗi được gọi là hội tụ nếu dãy các tổng riêng của nó hội tụ. Giới hạn s của dãy tổng riêng được gọi là tổng của chuỗi và ta cũng viết ∞ ∑x n =1 n = s. Định nghĩa 1.91: Cho E là một  -không gian vectơ. Một dạng Hermite trên E là một hàm ϕ : E × E →  thỏa mãn 1) ϕ ( x1 + x2 , y )= ϕ ( x1 , y ) + ϕ ( x2 , y ) 2) ϕ ( x, y1 + y= ϕ ( x, y1 ) + ϕ ( x, y2 ) 2) 3) ϕ (λ x, y ) = λϕ ( x, y ) 4) ϕ ( x, λ y ) = λϕ ( x, y ) 5) ϕ ( x, y ) = ϕ ( y, x) Với mọi x, x1 , x2 , y, y1 , y2 ∈ E ; λ ∈  . Định nghĩa 1.92: Một dạng Hermite ϕ được gọi là xác định dương nếu ϕ ( x, x) > 0 với 0 ≠ x ∈ E . Một dạng Hermite xác định dương còn được gọi là một tích vô hướng. Kí hiệu tích vô hướng của x và y là ( x | y) . Tích vô hướng là một hàm liên tục từ E × E →  . 3. Kiến thức về đa tạp trơn (khả vi) Định nghĩa 1.93: Một ánh xạ liên tục g : V1 → V2 mà mỗi Vk ⊆  mk là mở, được gọi là trơn nếu nó khả vi vô hạn lần. Một ánh xạ trơn g là một vi phôi nếu có một nghịch đảo g −1 cũng trơn. Cho M là một không gian tôpô Hausdorff tách được. Định nghĩa 1.94: Một đồng phôi f : U → V mà U ⊆ M và V ⊆  n là những tập con mở, được gọi là một n-bản đồ của U. Nếu 𝒰 {Uα : α ∈ A} là một phủ mở của M và ℱ { fα : Uα → Vα } là một họ các bản đồ, thì ℱ được gọi = = là một họ bản đồ cho M nếu, bất cứ khi nào Uα  U β ≠ ∅ , f β  fα−1 : fα (Uα  U β ) → f β (Uα  U β ) là một vi phôi. Uα  U β fα−1 fβ (1.1) fα (Uα  U β ) f β (Uα  U β ) −1 f β  fα Ta ký hiệu một họ bản đồ bởi ( M , 𝒰, ℱ) và xem nó như một đa tạp trơn n-chiều hay n-đa tạp trơn. Định nghĩa 1.95: Cho ( M , 𝒰, ℱ) và ( M ′ , 𝒰’, ℱ’) là các họ bản đồ trên những không gian tôpô M và M ′ . Một ánh xạ trơn h : ( M , 𝒰, ℱ) → ( M ′ , 𝒰’, ℱ’) là một ánh xạ liên tục h : M → M ′ mà với mỗi cặp α , α ′ có h(Uα )  Uα′ ′ ≠ ∅ , hợp thành fα′′  h  fα−1 : fα (h −1Uα′ ′ ) → Vα′′ là trơn. fα′′  h  fα−1 Vα′′ fα (h −1Uα′ ′ ) fα′′ −1 fα−1 h(Uα )  Uα′ ′ h −1Uα′ ′ h (1.2) Chương 2: Nhóm ma trận thực và phức Dựa vào các kiến thức đã nhắc lại trong chương 1, trong chương 2 này ta sẽ khảo sát nhóm tuyến tính tổng quát GLn () với  = ,  , từ đó nghiên cứu nó như là một nhóm, đồng thời như là một không gian tôpô. Sau đó, ta sẽ đi vào phần trọng tâm của chương 2 là định nghĩa nhóm ma trận và chỉ ra những ví dụ quan trọng về nhóm ma trận, cũng như các khái niệm dẫn xuất liên quan. 1. Nhóm của các ma trận Trong lớp các ma trận vuông, ta quan tâm đến lớp các ma trận vuông khả nghịch. Dưới góc độ của nhóm, ta có tính chất sau: Trong phần này ta xét trường  = ,  . Cho M m ,n () là tập hợp của những ma trận có kích thước m × n với các phần tử lấy trong  . Ta ký hiệu phần tử nằm ở hàng thứ i, cột thứ j của một ma trận A có kích thước m × n là Aij hoặc aij ,  a11  a1n    = A [a= ij ]      a   m1  amn  Ta đặt M n () = M n ,n () . Khi đó M n () là một vành dưới phép cộng và nhân thông thường các ma trận với phần tử đơn vị là I n . Mệnh đề 2.1: Hàm định thức det : M n () →  có những tính chất sau: a) Cho A, B ∈ M n () thì det( AB) = det A.det B b) det I n = 1 c) A ∈ M n () khả nghịch nếu và chỉ nếu det A ≠ 0 Ta sử dụng ký hiệu: - Tập các ma trận khả nghịch cấp n × n : GLn () = { A ∈ M n () : det A ≠ 0} - Tập các ma trận đơn môđun (có môđun bằng 1) cấp n × n : SLn () = { A ∈ M n () : det A = 1} ⊆ GLn () Định lý 2.2: Các tập GLn (), SLn () là những nhóm với phép nhân ma trận. Hơn nữa, SLn () là nhóm con của GLn () , tức là SLn () ≤ GLn () . - GLn () được gọi là nhóm tuyến tính tổng quát cấp n × n - SLn () được gọi là nhóm tuyến tính đặc biệt cấp n × n hay nhóm đơn môđun cấp n × n . Khi  =  (hoặc  =  ) ta sẽ xem GLn () (hoặc GLn () ) là một nhóm tuyến tính tổng quát thực (phức). 2. M n (  ) là một không gian mêtric Sau khi đã xem xét tập hợp các ma trận theo khía cạnh cạnh thứ nhất như là một nhóm, bây giờ ta sẽ xem xét nó theo khía cạnh thứ hai như là một không gian tôpô. Muốn làm được như vậy thì trước hết ta phải xây dựng mêtric trên các ma trận như sau: Trong phần này ta xem M n () như một không gian vectơ trên  với số chiều là n 2 . Ta sẽ định nghĩa một chuẩn trên M n () như sau: Cho  n là tập hợp của những ma trận n ×1 trên  , và với x ∈  n đặt = x x1 + ... + xn , 2 2  x1  trong đó x =    xn  Với A ∈ M n () , xét tập hợp:  Ax  : 0 ≠ x ∈ n  = SA   x  Điều này cho thấy S A bị chặn, vì thế ta có thể xác định một số thực A = sup S A Đặt  Ax  : x ∈  n , x= 1 , S 1A=    x ta có: = A sup = S 1A max S 1A , khi { x ∈  n : x = 1} là compact. Chú ý 2.3: Trong đại số tuyến tính, ta có một quy trình để tính A như sau: Tất cả những giá trị riêng của ma trận dạng hecmit dương A* A là những số thực không âm, vì vậy nó có một giá trị riêng thực không âm lớn nhất là λ . Khi đó: A = λ. Thực ra, với bất kỳ đơn vị vectơ riêng v của A* A với giá trị riêng λ , A = Av . Khi A là thực, A* A = AT A là đối xứng thực dương và có những đơn vị vectơ riêng w∈  n ⊆  n của A* A với giá trị riêng λ làm cho A = Aw . Đặc biệt, điều này cho thấy A không phụ thuộc vào việc A được xét dưới dạng một ma trận thực hay phức. là một  - chuẩn trên M n () , nghĩa là: Mệnh đề 2.4: a) tA = t A với t ∈ , A ∈ M n () b) AB ≤ A B với A, B ∈ M n () c) A + B ≤ A + B với A, B ∈ M n () d) A = 0 nếu và chỉ nếu A = 0 Chuẩn được gọi là toán tử hay chuẩn sup. Chúng ta định nghĩa một mêtric ρ trên M n () bởi: ρ ( A, B= ) A− B Liên quan đến mêtric này là một tôpô tự nhiên trên M n () cho phép ta xác định các hàm liên tục từ M n () đến không gian tôpô X. Trước tiên ta sẽ xây dựng khái niệm đĩa mở như sau: Với A ∈ M n () và r > 0 , đặt: N M n (  ) ( A; r ) = { B ∈ M n () : B − A < r} thì N M n (  ) ( A; r ) được gọi là đĩa mở bán kính r trong M n () . Tương tự nếu Y ⊆ M n () và A ∈ Y , đặt: NY ( A; r ) = { B ∈ Y : B − A < r} = N M n (  ) ( A; r ) ∩ Y thì một tập con V ⊆ Y là mở trong Y nếu và chỉ nếu với mọi A ∈ V , có một δ > 0 sao cho NY ( A; δ ) ⊆ V . Định nghĩa 2.5 (Định nghĩa ánh xạ liên tục): Cho Y ⊆ M n () và ( X , Τ) là một không gian tôpô. Thì một hàm f : Y → X là liên tục hoặc là một ánh xạ liên tục nếu với mỗi A ∈ Y và U ∈ Τ sao cho f ( A) ∈ U , có một δ > 0 để: B ∈ NY ( A; δ ) ⇒ f ( B) ∈ U . Tương đương, f liên tục nếu và chỉ nếu với U ∈ Τ , f −1 (U ) ⊆ Y là mở trong Y . Trong không gian tôpô ( X , Τ) một tập con W ⊆ X là đóng nếu X − W ⊆ X là mở nên f liên tục nếu và chỉ nếu với mỗi tập con đóng W ⊆ X thì f −1 (W ) ⊆ Y là đóng trong Y . Đặc biệt khi X =  và T là một không gian tôpô mêtric sinh bởi chuẩn chính tắc trên  thì ta có thể xét một số các hàm liên tục Y →  thường sử dụng: Mệnh đề 2.6: Với 1 ≤ r , s ≤ n , hàm tọa độ coord rs : M n () →   coord rs ( A) = Ars A là liên tục. Chứng minh: Xét các vectơ đơn vị cơ sở ei (1 ≤ i ≤ n) của  n , ta có: n Ars ≤ ∑A = ∑A e 2 is i =1 n i =1 is i = Aes ≤ A Vì vậy với A, A ' ∈ M n () thì A 'rs − Ars ≤ A '− A . Bây giờ cho A ∈ M n () và ε > 0, A '− A < ε ⇒ A 'rs − Ars < ε . Điều này cho thấy hàm coord rs thì liên tục tại mỗi A ∈ M n () . □ Hệ quả 2.7: Nếu f :  →  là liên tục, thì hàm liên đới F : M n () →  n2 A  F ( A) = f (( Aij )1≤i , j ≤ n ) là liên tục. Hệ quả 2.8: Định thức det : M n () →  và vết tr : M n () →  là những hàm liên tục. Chứng minh: 2 2 Do định thức là sự hợp thành của hàm liên tục M n () →  n (khi đồng nhất M n () với  n ) và một hàm đa thức  n →  (cũng liên tục) nên định thức là hàm liên tục. Tương tự cho vết. 2 Mệnh đề 2.9: Cho A ∈ M n () thì A ≤ n ∑ i , j =1 Chứng minh: Cho x= x1e1 + ... + xn en với x = 1 . Do mỗi xk ≤ 1 nên Aij □ Ax = x1 Ae1 + ... + xn Aen ≤ x1 Ae1 + ... + xn Aen ≤ Ae1 + ... + Aen n = n ∑ Ai21 + ... + ∑A =i 1 =i 1 ≤ 2 in n ∑ Aij i , j =1 Do điều trên là đúng cho tất cả các vectơ x với x = 1 nên theo định nghĩa của A thì A ≤ n ∑ i , j =1 Định nghĩa 2.10: Một dãy { Ar }r ≥0 Aij . □ là dãy Cauchy nếu với mỗi ε > 0 , có một N sao cho r , s > N thì suy ra Ar − As < ε Định lý 2.11: Với  = ,  , mỗi dãy Cauchy { Ar }r ≥0 trong M n () có một giới hạn lim Ar . Hơn nữa, ( lim A ) r →∞ r r →∞ ij = lim ( Ar )ij r →∞ Chứng minh: Theo mệnh đề 2.6 thì lim ( Ar )ij tồn tại, vì vậy ma trận giới hạn cần tìm chính là ma trận A với r →∞ Aij = lim ( A r )ij r →∞ Theo mệnh đề 2.9 thì dãy { Ar − A}r ≥0 thỏa: Ar − A ≤ n ∑ (A ) r ij i , j =1 − Aij → 0 khi r → ∞ , vì vậy nên Ar → A . Theo định lý trên thì M n () là đầy đủ theo chuẩn □ . Điều này có thể cho thấy là các tôpô mêtric cảm sinh bởi và chuẩn thông thường trên  n thống nhất 2 với nhau theo nghĩa chúng có cùng những tập mở (thực ra điều này là đúng với hai chuẩn bất kỳ trên  n ). Mệnh đề 2.12: Một hàm F : M m () → M n () liên tục theo chuẩn nếu và chỉ nếu mỗi hàm thành 2 phần Frs : M m () →  liên tục. Một hàm f : M m () →  liên tục theo chuẩn và mêtric thông thường trên  nếu và chỉ nếu nó liên tục khi được xét như là một hàm từ  m →  . Bây giờ ta hãy xét tính chất tôpô của hai tập con quan trọng của M n () là GLn () và SLn () Mệnh đề 2.13: Nếu  = ,  a) GLn () ⊆ M n () là một tập con mở. b) SLn () ⊆ M n () là một tập con đóng. Chứng minh: a) Ta có: GL = M n () − det −1{0} n () 2 Mà det : M n () →  liên tục và {0} là đóng trong  nên ta có GLn () là mở trong M n () . b) Tương tự: SLn () = det −1{1} là tập đóng trong M n () vì {1} đóng trong  . □