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 公理库 群表示 Group representation 把群同态地映入向量空间可逆线性变换群的结构。 。交织算子 T : V → W 满足
T ρ V ( g ) = ρ W ( 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 Hom G ( 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
End G ( V ) = C I V . 也就是说,凡是与所有 ρ V ( g ) 交换的线性算子,都形如 λ I V 。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 公理库 线性映射的核与像 Kernel and image · Null space and range 分别记录被线性映射压到零的方向与实际能够到达的向量集合。 。若 v ∈ ker T ,则
T ρ V ( g ) v = ρ W ( g ) T v = 0 , 所以 ker T 在 G 下不变。若 w = T v ∈ im T ,则 ρ W ( g ) w = T ρ V ( g ) v 仍在像中,故 im T 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 − 1 ρ W ( g ) = ρ V ( g ) T − 1 。一般形式证毕。
再设 T ∈ End G ( V ) ,其中 V 是有限维复向量空间。T 至少有一个特征值 公理库 特征值与特征向量 Eigenvalue and eigenvector 满足 Tv=λv 且 v 非零的标量 λ 与向量 v。 λ 。算子 T − λ I 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 − λ I 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 C 2 = { 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 2 t = 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 C 3 的生成元在 R 2 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 t 2 + 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 − 1 1 0 ) 与 R = − 1 2 I + 3 2 J 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 a I + b J ,其中 a , b ∈ R 。当 ( a , b ) ≠ ( 0 , 0 ) 时,
( a I + b J ) − 1 = a I − b J a 2 + b 2 . 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 C 2 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 I 2 ,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 − 1 T = λ I ,即 T = λ S 。结合不同构时的零结论,得到
dim C Hom G ( V , W ) = { 1 , V ≅ W , 0 , V ≇ W . 当 G 有限时,特征标正交关系 公理库 特征标正交关系 Character orthogonality · Orthogonality of characters · 特征标正交定理 有限群的不可约复特征标构成类函数空间的正交规范基,其内积直接给出表示分解的重数。 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 公理库 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。 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