形式陈述
如果手上的多项式并不对称,能否有系统地取出其中不变的部分?设有限群 通过 -代数自同构作用于交换含幺代数 ,并要求 在域 中可逆,即特征理路域的特征Characteristic of a field单位元反复相加首次得到零的最小正整数,若不存在则为零。不整除 。定义
这个Reynolds算子是到不变量环理路有限群不变量环Finite-group invariant ring · 有限群不变式环从有限群保持的多项式构造不变量代数,证明任意特征下的有限生成,并以三阶作用交出完整生成元、关系与轨道分离证书。 的 -线性投影:
它还满足
即对不变量系数线性。一般不能把式(3)中的 换成任意 元素,也不能声称 是代数同态。
如果 有分次理路分次环与齐次理想Graded ring · Homogeneous ideal通过二次关系逐层算维数,说明齐次理想何以允许商分次,并区分齐次局部化与零次比例环。且群保持每层, 就保持次数。在 的线性变量作用中,取全部次数 单项式,逐个作式(1),再从结果中抽取一组线性基,便得到整个 的基。这个结论针对指定次数;要证明若干低次不变量生成整个环,还须另有全次数依据。
直觉
沿群作一圈变换后求平均,会把“依赖于从哪一个群元素开始”的差异抵消掉。若原式已经不变,每一项都相同,平均就原样保留。
这与Maschke定理理路Maschke 定理Maschke's theorem当域特征不整除有限群阶时,每个有限维表示都完全可约。中把任意投影作共轭平均共享有限平均的机制,但输入和输出不同:这里直接平均元素的像,输出固定子空间上的特定投影;Maschke从给定不变子空间出发,构造与作用交换的补空间。无需先分解出全部不可约表示,也能使用式(1)。
“投影”只表示做第二次不会再改变结果。它不意味着乘法也按同样方式投影:两个各自平均为零的量,相乘后可能恰好不变。
例子与边界
三次单位根筛出同余条件
继续三阶作用 。直接计算
次数6的七个单项式中,只留下 ,它们是一组完整基。对二项式展开再筛选,得到
其中 。系数20是原展开中间项的二项式系数,并非群阶平均后再随意归一化成1。
平均不保乘法
让二阶群作用于 ,非单位元把 送为 。则
因此不能通过“先平均变量,再把它们代入 ”计算平均 。这个错误在高次项中会丢失真正的不变量。
特征二中没有这个平均,却有完整不变量环
现在令 ,并设
两次作用恢复 ,所以这是二阶群作用。没有 ,式(1)不可定义。不除分母的转移和 满足
它仍产生不变量,但杀掉所有已有不变量,所以不是保留不变量的投影。
然而令 ,直接代入可得 。事实上
证明需要说明这已是全部。因为 ,按 次数逐步降幂,任意多项式都能写成
这份表达唯一: 作为 中多项式的最高 次数是 ,首项系数为1; 则是 。任意非零有限线性组合中最高的 次数不能与其他项抵消。这个论证同时说明 代数无关。
把式(8)作用一次,利用 不变,得到 。 是整环且 ,因此 不变当且仅当 ,证明式(7)。例如
不变,而 不是。有限群不变量的有限生成定理仍成立,失败的只是这条带 的平均公式。
投影与模特征转移和的不同输入输出
推论与应用
为什么平均恰好投到全部不变量
对固定 ,
因为 是群的置换。所以像包含在 中。若 ,每项都是 ,故 。这同时给出满到 与幂等性。对不变量 ,利用 后取和,就得到式(3)。
由此还有向量空间分解 :写 ,后项落在核中;若一个不变量又在核中,它等于自己的平均,因而为零。这里的核一般不是理想,前面的 与 已是反例。
指定次数的可执行证书
固定单项式顺序 ,其中 ,假定 。对每个群生成元,展开 并把系数放在矩阵 的第 列。于是两条可独立核对的路线是:
- 计算完整群平均矩阵 ,取它的列空间基;
- 把生成元的 纵向叠放,用高斯消元理路行化简Row reduction用初等行变换把矩阵化为阶梯形以求解线性方程组和判定秩。求联立核。
第二条不要求群阶可逆,因为被生成元固定就被它们生成的整个群固定。第一条在非模条件下给 。实际验收应同时核 、每个输出列被生成元固定、列独立、以及列数等于联立核维数。
平均全部单项式为什么不会漏?若 不变,则
所以它必在这些列的张成中。抽取线性无关列不会改变该张成空间。
在已经构造全部 张 矩阵后,求平均与稠密消元分别需要 与 次域运算,若作用矩阵逐张构造并累加,额外工作空间可控制为 ;若把全部 张矩阵同时保留,单是这些输入存储就需要 。这些界不包含单项式代入展开的成本,也不是有理数系数增长后的位复杂度。若群阶很大而生成元很少,联立核路线可能避免枚举整个群;没有哪条路线仅凭“用了平均”就必然更快。
怎样避免把次数截断误当作生成证明
算完 的所有基,只证明这些层没有遗漏。更高次数是否还需新代数生成元,必须有正常形、全次数级数比较或另外证明的次数界。三阶例子由 的正常形覆盖所有不变单项式;特征二例子由式(8)覆盖全部多项式,两者都不依赖把程序运行次数偷偷当成定理。
公开终点要求同时交出固定空间核、平均列基和关系正常形,并在式(6)下明确拒绝除以二。后续Molien级数理路Molien 级数Molien series · Molien theorem · Molien 公式从各次不变量投影的迹推导平均行列式公式,用三阶作用核对全次数维数,并说明级数何时能认证生成完备性。将各次投影的迹组合成一条全次数公式。
参考资料