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定理Theorem

Schur 引理

Schur's lemma · 舒尔引理

不可约表示之间的非零交织算子必为同构,而有限维复不可约表示的自交织算子只能是标量。

形式陈述 ​

设 G 是任意群,V,W 是同一域 F 上的非零不可约群表示。交织算子 T:V→W 满足

TρV(g)=ρW(g)T(g∈G).

Schur 引理的一般形式断言:这样的 T 要么为零,要么是表示的同构。因此,若 V,W 不同构,则 HomG(V,W)=0;一个不可约表示的每个非零自交织算子都可逆。

标量形式进一步假设 F=C 且 V 有限维,此时

EndG(V)=CIV.

也就是说,凡是与所有 ρV(g) 交换的线性算子,都形如 λIV。同样的结论适用于任意代数闭域上的有限维不可约表示。

核与像为何决定交织算子 ​

证明先看核与像。若 v∈ker⁡T,则

TρV(g)v=ρW(g)Tv=0,

所以 ker⁡T 在 G 下不变。若 w=Tv∈imT,则 ρW(g)w=TρV(g)v 仍在像中,故 imT 也是不变子空间。

现在设 T≠0。不可约性把核的选择缩减为 0 与 V,而 T≠0 排除了 V,所以 T 单射;像的选择只有 0 与 W,非零性排除了 0,所以 T 满射。其逆也交织,因为原等式左右乘以 T−1 就得到 T−1ρW(g)=ρV(g)T−1。一般形式证毕。

再设 T∈EndG(V),其中 V 是有限维复向量空间。T 至少有一个特征值 λ。算子 T−λI 仍与全部群作用交换,而且有非零核。一般形式说非零自交织算子必须可逆,因此 T−λI 只能等于零。这就得到了标量形式。

直觉

交织条件要求 T 尊重整套群作用:先施加对称性再映射,与先映射再施加同一个对称性,结果一致。因此,T 丢掉的方向和留下的方向也必须成组地尊重对称性。不可约表示没有可供它“丢掉一部分、保留一部分”的中间不变子空间,非零交织算子只能完整地搬运整个表示。

标量形式描述的是与整套群作用相容的自映射。一个特征值 λ 先给出 T 在某个方向上的行为,不可约性再迫使这个行为扩展到整个空间。因此全部自交织算子只剩“对每个向量乘同一个数”这一种自由度。

例子与边界

从平凡表示到符号表示 ​

取 C2={e,s} 的两个一维复表示:平凡表示令 s 作用为 1,符号表示令 s 作用为 −1。它们之间的线性映射就是乘以一个数 t,交织条件要求

t⋅1=(−1)⋅t.

于是 2t=0,故 t=0。两表示不同构,确实没有非零交织算子。若源与目标都是平凡表示,任意复数 t 都满足交织条件,自交织空间恰好一维。

实数域上可以有非标量自交织算子 ​

让 C3 的生成元在 R2 上作用为 120∘ 旋转 R。如果存在一条不变实直线,R 就有实特征向量;但其特征多项式为 t2+t+1,没有实根,因此这个实表示不可约。

另一方面,90∘ 旋转

J=(0−110)

与 R=−12I+32J 交换,却不是实标量矩阵。解交换方程可得,全部自交织算子恰为 aI+bJ,其中 a,b∈R。当 (a,b)≠(0,0) 时,

(aI+bJ)−1=aI−bJa2+b2.

所以非零自交织算子仍都可逆;全部自交织算子组成的除环同构于 C,其中 J 对应虚数单位。这里一般形式成立,标量形式的代数闭条件则由这个二维实例体现出来。

可约表示允许更大的交换空间 ​

在 C2 的平凡表示与符号表示的直和上,s 的矩阵是 diag(1,−1)。任意 diag(a,b) 都与它交换,无需 a=b。若取两个平凡表示的直和,则群作用全部为 I2,每个 2×2 矩阵都交织,连两个副本也可以互相混合。可约表示的自交织算子因而会记录不同不可约成分及其重复次数。

推论与应用

若两个有限维复不可约表示同构,选定一个交织同构 S:V→W,则任意交织算子 T 都满足 S−1T=λI,即 T=λS。结合不同构时的零结论,得到

dimC⁡HomG(V,W)={1,V≅W,0,V≇W.

当 G 有限时,特征标正交关系把这个维数写成两个迹函数的内积,从而将同构判定转为有限求和。Maschke 定理保证有限群的复表示可以拆成不可约块;Schur 引理则确定块与块之间的交织空间,两者共同给出特征标的重数公式。

对阿贝尔群的有限维不可约复表示,每个 ρ(g) 都与全部群作用交换,因而都是标量。若维数大于一,每条直线便都不变,与不可约性矛盾。因此这类表示必为一维。这给有限阿贝尔群上的 Fourier 展开提供了表示论解释。

参考资料
  • Pavel Etingof, Oleg Golberg, Sebastian Hensel, Tiankai Liu, Alex Schwendner, Dmitry Vaintrob, Elena Yudovina, Introduction to Representation Theory,MIT 作者公开讲义,2011-01-10 版,§1.3,Proposition 1.16 与 Corollary 1.17,印刷页 8–9。
  • Charles Rezk, Notes on Finite Group Representations,University of Illinois 本科课程讲义,Fall 2020,§11 “Schur’s lemma”,印刷页 8。
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