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定理Theorem

Weyl 群的简单反射词长

Weyl group simple length · Weyl群根逆序数 · 简单反射约化词

用简单反射的逐根交换机制证明词长等于转负正根数,输出最短词及最长元,并把一般点归约到唯一正室代表。

形式陈述 ​

固定有限约化结晶根系 Φ⊂E、正根 Φ+ 和简单基 Δ=(α1,…,αr)。记 si=sαi。所有根反射生成的子群

(1)W=⟨sα:α∈Φ⟩⊆O(E)

称为Weyl群。本页使用左作用和通常函数复合:uv(x)=u(v(x)),所以乘积右端先作用。群是有限的,而且只用 s1,…,sr 就能生成它。

对 w∈W,简单反射词长定义为

(2)ℓ(w)=min{k≥0:w=si1⋯sik}.

长度为零的词是单位元。达到这个最小值的表达式称为约化词。另定义根逆序集合

(3)Inv(w)={β∈Φ+:wβ∈−Φ+}.

核心结论是

(4)ℓ(w)=|Inv(w)|.

它把一个要比较所有词的最优化问题变成有限根表的符号计数。因此一份“最短词证书”应交付两部分:词的矩阵乘积确为 w;词长等于式(3)独立算出的根数。只检验乘积正确,不能认证最短。

设 N=|Φ+|。还有唯一的最长元 w0,满足

(5)w0(Φ+)=−Φ+,ℓ(w0)=N,w02=1.

w0 不一定是 −I;式(5)要求它交换两半根集合,不要求把每个根送到自身相反数。

直觉

一个简单反射只把自己的简单根从正变负,同时置换其他正根。于是每追加一个简单生成元,逆序数只变一。若某个词造成了可以回退的符号变化,交换机制会删掉其中一个旧反射,解释为什么存在更短表达式。

这与排列的逆序计数同源,但现在排序对象是全部正根,而非只比较位置上的整数。生成集也很重要:允许任意根反射作为一步,会得到另一种长度;一个反射可能本身需要多个简单反射来实现。

例子与边界

A2:一面镜子也可以需要三步 ​

用根系页的简单基,六根为 ±α1,±α2,±(α1+α2)。三个正根都被

(6)w=s1s2s1

送为负根:α1↦−α2、α2↦−α1、α1+α2↦−(α1+α2)。故 ℓ(w)=3,并且它就是最长元。

然而 w=sα1+α2,本身是一条根超平面的反射。因此允许所有根反射时,它的最短反射表达只有一步。这不矛盾:式(2)固定了简单反射生成集。此处 w0≠−I,因为它交换两个简单根的负向,而不是逐个取负。

简单反射词长与任意反射长度

图中把全部根统一缩放;蓝色根的三个负向像给简单词长三,红色镜面给任意根反射的一步实现。

另外 s1s2s1=s2s1s2,表明约化词不唯一。词长和群元素唯一,不代表最短执行路径只有一条。反过来,s1s2s1s1=s1s2 是正确但不约化的四步表达。

B3:带符号列像的四步证书 ​

在 R3 取 B3 根系,简单根为

α1=e1−e2,α2=e2−e3,α3=e3.

s1,s2 分别交换相邻坐标,s3 把第三坐标变号。用带符号列像 w=(−3,1,−2) 表示

(7)w(e1)=−e3,w(e2)=e1,w(e3)=−e2.

正根是三个 ei,以及 ei−ej,ei+ej(i<j)。其中被 w 送负的恰为

(8)e1,e3,e1−e2,e1+e3.

下列右乘归约依次减少一个逆序:

当前列像右乘逆序数(−3,1,−2)s14(1,−3,−2)s33(1,−3,2)s22(1,2,−3)s31(1,2,3)结束0

因为归约记录为 1,3,2,3,倒过来得到 w=s3s2s3s1。式(8)给长度下界四,乘积给四步实现,二者闭合。

非约化根配置会破坏计数 ​

若允许一维集合 {±e,±2e},唯一镜面反射只需一步,却将两个正根同时送负。此时式(4)右边为二、左边为一。有限性与反射稳定还在,失败的是约化根系的“一个简单反射只翻一根”接口。

若输入的是随意整数矩阵,则还不能先假定 W 有限。Cartan乘积等于四的例子给一个无限幺幂积;依赖有限根集合的闭包和最长元结论都不能照搬。

推论与应用

为什么群有限,且简单反射已经足够 ​

每个根反射置换 Φ,因此 W 在有限根集上有群作用。若某个 w 固定每根,由根张成 E 可知它固定整个空间,即 w=I。这个作用忠实,故 W 嵌入有限置换群,尤其 |W|≤|Φ|!。

根系页已经证明:每根都可写成 α=uαi,其中 u 是简单反射的乘积。正交变换保持内积,将反射公式逐项代入即得

(9)sα=usiu−1.

所以每个根反射都属于简单反射生成的群,式(1)确实等于 ⟨s1,…,sr⟩。这里先用根恢复证明生成性,不把“两个变换把某个室送到同处”误当成二者相等。

一个可实际删除字符的交换证明 ​

暂记 n(w)=|Inv(w)|。因为 si 置换 Φ+∖{αi} 并翻转 αi,直接换元计数得

(10)n(wsi)={n(w)+1,wαi∈Φ+,n(w)−1,wαi∈−Φ+.

接下来证明交换机制。设已给一个词

w=si1⋯sik,wαj∈−Φ+.

从右往左把这些反射依次作用于 αj。起点为正,终点为负,因此有第一次正转负。假设发生在 sit,并令后缀 u=sit+1⋯sik。一个简单反射只翻自己的简单根,故

uαj=αit,usju−1=sit.

于是

(11)wsj=si1⋯sit−1situsj=si1⋯sit−1u.

原词中第 t 个反射被删掉,其余顺序不变。这个证明对任意给定词成立;它不是仅说明“存在某个更短词”,而是指出删除位置怎样通过逐根符号找到。

从交换机制得到最短性 ​

对约化词长度 k 归纳。单位元的结论显然。设 w=vsi 为长度 k>0 的约化词,则前缀 v 也必须约化,长度为 k−1。

若 vαi 为负,式(11)会把 vsi=w 改写成仅 k−2 个简单反射,与最短性矛盾。因此 vαi 为正;由式(10)及归纳假设,

n(w)=n(v)+1=(k−1)+1=k.

式(4)得证,特别地 n(w)=0 当且仅当 w=I。证明没有预先假定室的稳定子平凡,也没有用待证词长结论来证明交换。

最短词提取与最长元 ​

给定 w≠I,必有一个简单根满足 wαi<0。否则每个正根都是简单根的非负组合,其像也具有非负简单坐标;便会有 n(w)=0,矛盾。

因此反复选择这样一个 i 并右乘 si,式(10)每次把 n 降一,最终恰在 n(w) 步到达单位元。若选出的下标顺序为 j1,…,jk,则输出约化词

w=sjk⋯sj1.

若以简单坐标中的稠密 r×r 矩阵存储 w,一次检查全部简单根只需看其 r 列的符号,为 O(r2) 次坐标检查。右乘 Si 只需用第 i 列更新各列,同样是 O(r2) 次域运算;提取成本为 O(ℓ(w)r2+r2)。另做独立逆序证书需要把 N 个正根逐个乘矩阵,为 O(Nr2) 次域运算。这里均另计精确整数位成本,未把大整数当作固定机器字。

在有限 W 中取词长最大的元素 w0。若某个 w0αi 为正,右乘会使长度加一,矛盾;所以它把全部正根送负,长度为 N。若 u 也如此,则 u−1w0 把所有正根送正,逆序数零,故 u=w0。逆变换 w0−1 同样交换正负两半,所以由唯一性得 w0−1=w0。还直接有

ℓ(w0w)=N−ℓ(w),

因为 w0 把 w 已经得到的每个根符号再翻一次。

把一般点归约到正室 ​

称 x∈E 为一般点,若它避开全部根超平面。正室是开锥

(12)C={x:(x,αi)>0 对全部 i}.

它非空,因为定义正根的向量 h 在其中。全部正根都是简单根的非负组合,所以式(12)等价于 (x,β)>0 对全部正根成立。它是凸且连通的;不穿过某条根超平面就不能改变对应符号,故它恰为超平面补集的一个连通分支,称为Weyl室。

对一般点 x,记录

q(x)=|{β∈Φ+:(x,β)<0}|.

若 x∉C,至少有一个简单根与它负配对。选择这样的 i,更新 x←six。内积不变性与简单反射只翻一根说明:正根中除 αi 外的配对只是重新排列,而该负配对变正,因此 q 恰减一。算法至多 N 步终止于 C,并保持点在原 W 轨道中。

再证唯一性。W 置换根超平面,故置换其补集的室。若 x,y∈C 且 y=wx,则 wC 与 C 相交,所以两室相同。对任意正根 β,w−1β 在 C 上配对为正,因此也是正根;于是 n(w−1)=0,w=I,从而 x=y。这同时证明一般点归入正室的群元素唯一。

一般点条件不能删除。例如 B3 中 x=(2,2,1) 在墙 x1=x2 上,非恒等的 s1 也固定它。墙上可以继续讨论闭室代表,但“将它送到代表的群元素唯一”已经不成立,本页算法合同不作这项承诺。

参考资料
  • Pavel Etingof,MIT18.745 Lie Groups and Lie Algebras I,2020,§§22.1–22.3,Definitions22.1、22.11,Corollary22.9、Theorem22.14、Proposition22.15与Corollary22.17:室、简单反射生成、逆序数和词长。本文先独立证明交换删除,再推室的自由传递性。
  • Sergey Fomin、Nathan Reading,Root Systems and Generalized Associahedra,2007,§§1.2–1.5、2.2:有限反射群、经典根模型和简单生成元。本文只使用有限结晶范围,不把一般Coxeter呈示当成已证结论。
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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