Skip to content

定理Theorem

Peter–Weyl 定理

Peter-Weyl theorem

紧群的不可约酉表示矩阵系数组成 L² 的正交基;由 Schur 平均解释正交性,并在圆群中完成 Fourier 系数计算。

形式陈述 ​

设 G 为第二可数的紧 Hausdorff 群,μ 是归一化 Haar 测度。对每个有限维连续不可约酉复表示的同构类 π,选一个代表及正交规范基,记维数 dπ、矩阵条目 πij(g)。则

∫Gπij(g)σkℓ(g)―dμ(g)={1dπδikδjℓ,π=σ,0,π≇σ.

并且所有 dππij 在 p=2 的积分范数空间 L2(G,μ) 中组成完备正交系;这里按几乎处处相等取商,并使用内积 ⟨f,h⟩=∫Gf―hdμ,从而得到相应的Hilbert 空间。本页采用第二可数条件,与前面的 Haar 测度范围一致;完整定理也适用于不第二可数的紧 Hausdorff 群,此时正交基可能不可数。这里不仅断言系数彼此正交,还断言它们的有限线性组合在 L2 范数下稠密。

更强的逼近版本是:这些矩阵系数的有限线性组合在 C(G) 中对一致范数稠密。它说每个连续函数都可被某些有限组合一致逼近,不是说任意排序的 Fourier 部分和都一致收敛。

正交性为何来自 Schur 引理 ​

把一个线性映射 A:Vσ→Vπ 作群平均:

TA=∫Gπ(g)Aσ(g)−1dμ(g).

平移不变性保证 TA 是交织算子。若 π,σ 不同构,Schur 引理给出 TA=0。若两者相同,TA 必为标量倍恒等;取迹得到

TA=trAdπI.

让 A 依次取只有一个非零条目的矩阵,再比较 TA 的条目,便得到上面的正交关系。分母 dπ 是由取迹确定的,不能遗漏。

正交关系本身还不保证完备性。证明完备性的一个机制是使用右卷积

(Tkf)(x)=∫Gf(y)k(y−1x)dμ(y),k∈C(G).

它与左平移 Lgf(x)=f(g−1x) 对易。连续核在紧空间上平方可积,故 Tk 为紧算子;若 k(h−1)=k(h)―,它还自伴。谱定理的紧自伴情形给出特征向量分解,非零特征空间由紧性而有限维:否则一列正交单位特征向量的像不能有收敛子列。对易关系使这些空间在左平移下不变;非零特征函数又因连续核而连续,对有限维平移作用在单位元处取值,便将这些函数写成矩阵系数。逼近单位元的卷积核又让这些有限维部分逼近任意函数,从而排除与所有矩阵系数都正交的非零余项。

直觉

圆上的函数能用 Fourier 级数 einθ 分解。如果群的乘法不交换,整数频率不再足够,应该换成什么?Peter–Weyl 定理告诉我们:把一维角色换成不可约酉表示的全部矩阵系数,就得到紧群上的 Fourier 分解。

例子与边界

圆群的系数从头算一次 ​

圆群的不可约酉表示都是一维角色

χn(eiθ)=einθ,n∈Z.

由于 dχn=1,定理中的正交关系变为

12π∫02πeinθe−imθdθ={1,n=m,0,n≠m.

当 n≠m 时,原函数为 ei(n−m)θ/(i(n−m)),两端值相同,所以积分为零;当 n=m 时被积函数恒为 1。

取具体函数

f(eiθ)=2+3cos⁡θ−sin⁡2θ.

利用 cos⁡θ=(eiθ+e−iθ)/2、sin⁡2θ=(e2iθ−e−2iθ)/(2i),得到

f=2+32eiθ+32e−iθ+i2e2iθ−i2e−2iθ.

因此 f^(0)=2、f^(±1)=3/2、f^(2)=i/2、f^(−2)=−i/2,其余为零。Parseval 恒等式给出

‖f‖22=4+2⋅94+2⋅14=9.

直接积分也一样:常数平方贡献 4,9cos2⁡θ 平均为 9/2,sin2⁡2θ 平均为 1/2,所有交叉项积分为零。这是一次完整的系数与范数交叉核验。

推论与应用

若 G 非交换,可能有 dπ>1,一个不可约表示贡献 dπ2 个矩阵系数。作为左正则表示,每种 π 出现 dπ 次;这与有限群正则表示的重数规律一致。不能只保留角色 χπ(g)=trπ(g):角色只捕捉对共轭不变的类函数,而一般函数需要全部条目。

例如 SU(2) 的标准二维表示给出四个矩阵条目,每个条目的平方模积分为 1/2;对角两项的和是角色,却不足以分别恢复四个条目。正交公式清楚地标明了丢失的信息。

非紧群不能原样使用这个离散正交基结论。实数加法群上的 eiξx 不属于 L2(R,dx),频率也形成连续参数;对应理论使用 Fourier 积分或更一般的直接积分分解。紧性在本定理中承担实质作用。

参考资料
关系图谱27 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系