群表示基本思路是建立群到一般线性群 GL(V) 的同态映射,将复杂的群论问题转化为相对熟悉的线性代数问题。该理论主要沿着有限群表示论、李群表示论和模表示论三条脉络发展,它们分别对应于离散对称性、连续对称性,以及在素数特征域上的深入研究。这不仅丰富了数学本身,也为现代物理学和化学提供了不可或缺的理论语言和分析工具。
群表示基础
基本定义
通俗来讲,群表示就是将群元素写成矩阵的方式。例如循环群 C4={e,a,a2,a3},从几何变换出发,我们能得到矩阵群
I=[1001],M=[01−10],M2=[−100−1],M3=[0−110]
它是二阶一般线性群 GL2(C) 的一个子群,且与 C4 同构:a↦M 。

矩阵表示:从群 G 到一般线性群 GLn(C) 的群同态
R:G→GLn(C)
称为一个矩阵表示。其中每个 R(g) 是一个可逆矩阵,且由同态性质知道
R(gh)=R(g)R(h)
当研究表示时,本质上尽可能不用固定的基,为此,我们引入群在一个有限维向量空间 V 上表示的抽象概念。记 GL(V) 是 V 上的所有可逆线性变换的集合,则 GL(V) 构成一个群,乘法则是函数复合。
群表示:从群 G 到一般线性群 GL(V) 的群同态
ρ:G→GL(V)
称为群 G 的一个表示,常记作二元组 (ρ,V) ,其中 dimρ=dimV 称为表示维度。若表示 ρ 是单同态,则称该表示为忠实表示 (faithful)。对于任意群 G ,将每个群元素都映射到恒等映射 ,显然是一个群表示,称为平凡表示。
选定向量空间 V 的一组基 B=(e1,⋯,en) ,矩阵表示 R 满足
ρ(g)(B)=BR(g)
如果 x 是 v∈V 的坐标向量,即 v=Bx ,则 R(g)x 是 ρ(g)(v) 的坐标向量。因此,若选定一组基,G 在一个有限维向量空间的所有表示都可变为矩阵表示
GL(V)≅GLn(C),ρ(g)↦R(g)
本文中,将使用 ρ(g) 符号同时代表抽象表示和矩阵表示。当 ρ 是矩阵表示时,则默认附加了一组基。
示例1:Klein四元群 V4={e,h,v,hv} 在二维笛卡尔坐标系上的几何表示
ρ(e)=[1001],ρ(h)=[−1001],ρ(v)=[100−1],ρ(hv)=[−100−1]

示例2:对称群 Sn 的符号表示:
sgn:Sn→C2,sgn(σ)={+1,−1,if σ is an even permutationif σ is an odd permutation
示例3:二面体群 D3=⟨r,f⟩ 的矩阵表示
ρ(e)=[1001],ρ(r)=[−2123−23−21],ρ(r2)=[−21−2323−21]ρ(f)=[−1001],ρ(fr)=[212323−21],ρ(fr2)=[21−23−23−21]
表示的性质
- 表示的限制:设 ρ:G→GL(V) 是群 G 的表示,H 是 G 的子群。将 ρ 限制在 H 上,得到 H 的表示 ρ∣H:H→GL(V) 。
- 表示的复合:设 f:H→G 是群同态,ρ:G→GL(V) 是 G 的表示,则复合映射 ρ∘f:H→GL(V) 是 H 的表示。
证明:(2) 群同态的复合仍是群同态,故结论成立。
G-同态
等价:令 R, R′ 为同一个表示 ρ 的两个矩阵表示,若存在可逆矩阵 P ,对所有 g∈G 满足
R′(g)=P−1R(g)P
则称 R′ 与 R 等价 (equivalent),记作 R′∼R。线性代数中,其实就是不同基下的相似变换。
表示的同态:设 ρV:G→GL(V), ρW:G→GL(W) 是群 G 的两个表示。若线性映射 T:V→W 对于任意 g∈G 满足:
T∘ρV(g)=ρW(g)∘T
则称 T 为 G-同态 (G-homomorphism),也称为 G-不变映射 (G-equivariant) 或 交织算子 (intertwining operator)。若 T 是双射,则称为 G-同构,并称这两个表示同构 。

另外 T 是线性映射,还需要满足
T(av+bu)=aT(v)+bT(u)
定理:设 ρV:G→GL(V), ρW:G→GL(W) 是群 G 的两个表示,则表示 ρV,ρW 同构当且仅当它们的矩阵表示等价 。
证明:取定 V 和 W 的基,对应的矩阵表示为 R 和 R′
(⇒) 令 T:V→W 是 G-同构,其矩阵为 A。于是对任意 g∈G 有
AR(g)=R′(g)A
由于 T 是双射,故 A 可逆。因此
R′(g)=AR(g)A−1
所以 R′∼R 。
(⇐) 设存在可逆矩阵 A 使得 R′(g)=AR(g)A−1 ,取以 A 为矩阵的线性映射 T:V→W ,便可得到
T∘ρV(g)=ρW(g)∘T
所以表示 ρV,ρW 同构。
例如,循环群 C2={e,a},其表示矩阵为:
ρ(e)=[1001], ρ(a)=[0110]
在复数域 C 上的一维表示 σ 为
σ(e)=1, σ(a)=−1
定义线性映射 T:C2→C,其矩阵为 (1,−1)。对任意向量 x=[x1x2]∈C2 ,有
T∘ρ(a)(x)=[1−1][0110][x1x2]=−[1−1][x1x2]=σ(a)∘T(x)
同时 T 是双射,因此 T 是 G-同构。
置换表示
从群作用的角度,群表示 ρ:G→GL(V) 等价于群 G 在向量空间 V 上的一个线性作用:
∗:G×V→V,gv=ρ(g)(v)
满足群作用的两条基本性质和线性性
- ev=v
- (gh)v=g(hv)
- g(av+bw)=a(gv)+b(gw)
回忆Cayley定理,任意 n 阶有限群 G 同构于对称群 Sn 的一个子群,因此我们可以利用群 G 在集合上的作用构造群 G 的一个表示,称为置换表示。
令 V 是一个 n 维向量空间,取一组基 {e1,⋯,en}。定义表示 ρ(g) 在这个基上的作用为:
ρ(g):ei↦gei
对于任意向量
v=v1e1+⋯+vnen∈V
构造同态映射 ρ
ρ(g):V→V,ρ(g)(v)=i=1∑nvi(gei)
即元素 g∈G 通过置换基向量并令系数不变而作用在向量上。其中 ρ(g) 是描述 g 在基向量上作用的置换矩阵——每行每列恰好只有一个1。
例如:对称群 S3 作用在三维空间,置换表示
ρ((1))=100010001,ρ((12))=010100001,ρ((13))=001010100,ρ((23))=100001010,ρ((123))=010001100,ρ((321))=001100010,
正则表示
我们可以从任意有序集合 X={x1,⋯,xn} 出发,通过形式化的线性组合来定义一个复向量空间
C[X]={a1x1+⋯+anxn∣a1,⋯,an∈C}
加法和数乘则定义为
i∑aixi+i∑bixi=i∑(ai+bi)xi,λi∑aixi=i∑(λai)xi
容易验证 C[X] 是向量空间。
对于有限群 G ,向量空间 C[G] 称为群空间。空间中的任意向量按基展开
v=g∈G∑vgg,(vg∈C)
群 G (左乘)作用于自身得到的表示
ρreg(g):h→gh
称为正则表示 (regular representation)。显然 G 是 C[G] 的一组基,因此 dimC[G]=∣G∣ 。
示例1:设三阶循环群 C3={e,a,a2},该群同构于 S3 的子群 {(1),(123),(132)} 。其正则表示为:
ρ(e)=100010001, ρ(a)=010001100, ρ(a2)=001100010
示例2:Klein 四元群 V4={e,h,v,r} 的正则表示
ρ(e)=1000010000100001, ρ(h)=0100100000010010,ρ(v)=0010000110000100, ρ(r)=0001001001001000,
酉表示
选定一组基,若群表示 ρ:G→GL(V) 的所有矩阵都是酉矩阵,则称为酉表示(Unitary,又译为幺正)。矩阵表示记为 Rg ,对所有 g∈G 满足
Rg†Rg=RgRg†=In
定理:有限群 G 的任何矩阵表示都存在等价的酉表示。
先在 V 上随便选一个正定的Hermitian矩阵 A ,定义一个群内积
⟨v,w⟩G=g∈G∑[Rgv]†A[Rgw]
简写为群作用的形式
⟨v,w⟩G=g∈G∑(gv)†A(gw)
由于
(gv)†Ag(w+w′)=(gv)†A(gw+gw′)=(gv)†A(gw)+(gv)†A(gw′)
因此
⟨v,w+w′⟩G=g∈G∑(gv)†Ag(w+w′)=g∈G∑(gv)†A(gw)+g∈G∑(gv)†A(gw′)=⟨v,w⟩G+⟨v,w′⟩G
定义的 ⟨,⟩G 却是一个内积。
根据群的重排定理,易知
⟨gv,gw⟩G=h∈G∑(hgv)†A(hgw)=⟨v,w⟩G
对旧基关于新内积 ⟨,⟩G 做Gram-Schmidt正交化,得到标准正交基
{e1,e2,⋯,en} s.t. ⟨ei,ej⟩G=δij
在这组基下,ρ(g) 的矩阵记为 M ,则
gej=i∑Mijei
新内积
⟨gej,gek⟩G=⟨i∑Mijei,l∑Mlkel⟩G=i,l∑MijMlk⟨ei,el⟩G=i∑MijMik
由于
(M†M)jk=i∑MijMik=⟨ej,ek⟩G=δjk
故
M†M=I
即 M 是酉表示。
有了这个定理,对有限群的表示的所有分析都可以基于酉表示的性质。
不可约表示
子表示
子表示:设 (ρ,V) 是群 G 的一个表示,W 是 V 的子空间。若对任意 g∈G, w∈W,都有
ρ(g)(w)∈W
则称 W 是 (ρ,V) 的不变子空间 (invariant subspace)。此时,限制在 W上的线性映射
ρW(g)=ρ(g)∣W:W→W
是 G 的一个新表示 (ρW,W) ,称为原表示 (ρ,V) 的子表示。
给全空间 V 选适配不变子空间的基 {e1,⋯,em,em+1,⋯,en} ,前 m 个是不变子空间W的一组基。 此时,任意 ρ(g) 写成分块形式
ρ(g)=[Ag0BgCg]
其中 Ag 就是限制表示矩阵 ρW(g) ,左下角是零块,这正是W 不变的矩阵等价条件。
这意味着 W 中的变量 w=(x,0)⊤ 变换后仍然在 W 中
ρ(g)[x0]=[Agx0]
对于任意表示,都有两个平凡的不变子空间:零空间 {0} 和全空间 V 。
不可约表示:若表示 (ρ,V) 只有平凡不变子空间,称为不可约表示(irreducible);否则称为可约表示(reducible) 。
可约表示的表示矩阵可以通过相似变换写成上三角块矩阵,而不可约表示则不能。与不可约表示 ρ 等价的表示也是不可约的,通过相似变换可以得到无穷多个与 ρ 等价但不相同的不可约表示。
示例1:对于循环群 C3={e,a,a2} 的正则表示。取一维子空间 W=span⎩⎨⎧111⎭⎬⎫,验证不变性:
ρreg(a)111=010001100111=111∈W
故 W 是不变子空间。子表示
ρW:e↦1, a↦1, a2↦1
示例2:若向量 v∈Cn 是全体表示矩阵 ρ(g) 的公共特征向量,即 ρ(g)v=λgv ,则 span{v} 是一维不变子空间。
示例3:二面体群 D3=⟨f,r⟩ 。取二维表示:
ρ(r)=[ζ00ζ2],ρ(f)=[0110]
其中 ζ=exp(2πi/3) 。
我们来证明 ρ 是不可约的:假设 ρW 是一个非平凡子表示,dimW=1,则 W 在 ρ(r) 和 ρ(f) 的作用下保持不变,即它必须是这两个矩阵的公共特征子空间。但 ρ(r) 的特征向量为 [11] 和 [1−1] ,而 ρ(f) 的特征向量为 [10] 和 [01] 。二者没有公共特征向量,因此不存在这样的不变子空间 W。
定理:设 T:V→W 是 G-同态,则 ker(T) 是 V 的不变子空间,Im(T) 是 W 的不变子空间。
证明:对任意 v∈ker(T)⊆V 有 T(v)=0 ,于是
T∘ρV(g)(v)=ρW(g)∘T(v)=0
因此 ρV(g)(v)∈ker(T) ,故 ker(T) 是 V 的不变子空间。
对任意 w∈Im(T)⊆W ,令 w=T(v),于是
ρW(g)(w)=ρW(g)∘T(v)=T∘ρV(g)(v)∈Im(T)
因此 Im(T) 是 W 的不变子空间。
直和表示
先回顾向量空间直和:设 V=W⊕U ,则对于任意 v∈V 都可唯一的表示成 v=w+u 。

对于有限群 G ,若 W, U 都是 G-不变子空间。定义线性映射
T:W⊕U→V,(w,u)↦w+u
记
ρW:G→GL(W),ρU:G→GL(U)
分别为 G 在 W和 U 上的子表示。由定义,对于任意 w∈W, u∈U 有
ρW(g)(w)=ρV(g)(w),ρU(g)(u)=ρV(g)(u)
于是有如下交换图

因此 T 是 G-同构,从而
ρV∼ρW⊕ρU
我们称 ρ 是它的子表示 ρW 和 ρU 的直和。
取 W,U 的基 {e1,⋯,em} 和 {em+1,⋯,en} ,则 {e1,⋯,em,em+1,⋯,en} 显然是 V=W⊕U 的一组基。在这组基下的直和表示是分块对角阵(block-diagonal)
(ρW⊕ρU)(g)=[ρW(g)00ρU(g)]
每个块的乘法分别对应相应的子表示的作用。

这个结论可以推广到 V 是多个 G-不变子空间的直和的情形,相应的矩阵表示是子矩阵表示组成的分块对角矩阵。
反之,已知群 G 的两个矩阵表示,我们可以通过分块对角阵的形式构造更大表示空间的矩阵表示。
例如:循环群 C2 的二维正则表示中,取不变子空间 W=span{[11]} 的一个补空间 U=span{[1−1]} 。有
ρ(a)[1−1]=[0110][1−1]=[−11]∈U
因此 U 也是不变子空间,且 R2=W⊕U 。
取一组新的基 e1=[11], e2=[1−1] ,表示矩阵变为分块对角:
ρ(a)=[100−1]
Maschke定理
Maschke定理是有限群表示论中最重要的定理之一。
Maschke定理:设 (ρ,V) 是有限群 G 的一个表示,ρW 是一个子表示,则在 V 中必存在一个补表示 ρU,使得 ρ∼ρW⊕ρU 。
先来回顾下投影的概念。设 V 是向量空间,W 是一个子空间,则存在(不唯一)补空间 U 满足 V=W⊕U ,对于任意 v∈V 都可唯一的表示成 v=w+u 。称
P:V→W,v↦w
是 V 在 W 上的投影。容易验证, P 是线性映射。
若 x∈ker(P)∩W ,则 P(x)=x=0 ,因此 ker(P)∩W={0}。又 P 是满射,由Rank-Nullity定理
dimV=dimker(P)+rank(P)=dimker(P)+dimW
因此,ker(P) 是 W 的补空间
V=W⊕ker(P)
若 P 是 G-同态,则 ker(P) 是不变子空间。因此,我们只需要找到一个投影 P:V→W 是 G-同态即可。
我们先定义一个普通的投影 P:V→W ,一般来说 P 未必是 G-同态。接着通过群平均技巧构造
P=∣G∣1g∈G∑ρ(g)∘P∘ρ(g−1)
由于线性变换的复合和线性变换的和仍是线性变换,因此 P 仍是线性变换。
对任意 w∈W ,因为 W 是 G-不变子空间,故 g−1w∈W,且 P 在 W 上是恒等映射,因此
P(w)=∣G∣1g∑gg−1w=w
故 P 是线性投影。
任取 h∈G, v∈V ,利用群元素重排求和不变的性质
P(hv)=∣G∣1g∈G∑gPg−1(hv)=∣G∣1g∈G∑h(g−1h)−1P(g−1h)(v)=hP(v)
因此,P 是 G-同态。
综上, U=ker(P) 是 G-不变子空间,且 V=W⊕U。又 ρW 是子表示,故 ρ∼ρW⊕ρU 。
推论:任何有限群表示都可以分解为有限个不可约表示的直和。
ρ(g)∼ρ1(g)⊕ρ2(g)⊕⋯⊕ρr(g)
证明:对表示空间做数学归纳。若表示本身不可约则结论成立;若存在非平凡不变子空间,则由Maschke定理拆分为两个子表示的直和。有限维空间下该分解过程必然终止。证毕。

不可约表示相当于表示论中的素数,所有表示都由不可约表示以直和的方式构造出来。
示例1:循环群 C3=⟨a⟩ 的正则表示
ρreg(a)=010001100
若 v 是 ρreg(a) 的特征向量,则它也是 ρreg(a2) 的特征向量,因此 v 是一维 G-不变子空间。
ρreg(a) 的特征向量有
v1=111,v2=1ζ2ζ,v3=1ζζ2
因此正则表示是3个1维不可约表示的直和:
W1=span{v1},W2=span{v2},W3=span{v3}
在特征向量基组下的等价表示
ρ(a)=1ζζ2
Schur引理
Schur引理:设 (ρV,V), (ρW,W) 是群 G 的不可约表示
- 若映射 T:V→W 是 G-同态,则 T 要么是零映射,要么是 G-同构;
- 若映射 T:V→V 是 G-同态,则 T 只能是标量乘法,即 T=λ⋅Id;
证明:(1) 由于 ker(T) 是 V 的不变子空间,且 ρV 不可约,故 ker(T)=V 或 ker(T)={0}。在第一种情形下, T=0 ;第二种情形下, T 是单射,由于 Im(T) 是 W 的非零不变子空间,且 ρW 不可约,故 Im(T)=W ,从而 T 是G-同构。
(2) 设 λ 是 T 矩阵的一个特征值,令 T^=T−λ⋅Id,对任意 v∈V 有
T^∘ρV(g)(v)=T∘ρV(g)(v)−λρV(g)(v)=ρV(g)∘T(v)−ρV(g)(λv)=ρV(g)∘T^(v)
因此 T^ 是 G-同态。由于 λ 是特征值,故 ker(T^)={0}。由 (1) 得 T^=0 ,即 T=λ⋅Id。
推论:Schur引理直接推出Abel群有限维不可约表示结构。
- Abel群的任意不可约表示都是一维的;
- Abel群的任意表示,都可在某组基下化为对角矩阵;
- 循环群 Cn 恰好有 n 个互不同构一维不可约表示;
证明:(1) 设 G 为Abel群,(ρ,V) 是不可约表示。任取 h∈G,考虑线性映射
ρ(h):V→V
对任意 g∈G 有:
ρ(h)∘ρ(g)=ρ(gh)=ρ(hg)=ρ(g)∘ρ(h)
即 ρ(h) 是 G-同态。由Schur引理,存在 λh∈C 使得 ρ(h)=λhI。
任取非零向量 v∈V,对任意 h∈G 有
ρ(h)(v)=λhv∈span{v}
因此 span{v} 是一维不变子空间。但 (ρ,V) 不可约,故 V=span{v} ,即 V 是一维空间。
(2) 由Maschke定理,任意表示可分解为不可约表示的直和
ρ∼ρ1⊕⋯⊕ρr
由推论1知,每个 ρi 都是一维的,故ρ 可通过基变换对角化。
(3) 设 Cn=⟨a∣an=e⟩ 为 n 阶循环群,其不可约表示全为一维。一维表示由生成元 a 的表示 ρ(a)∈C 唯一确定,且满足 ρ(a)n=1,即 ρ(a) 是 n 次单位根。记 n 个不同的一维不可约表示:
ρk(a)=e2πik/n(k=0,1,…,n−1)
一维矩阵共轭恒等,故互不同构。
例如:循环群 C4 的4个一维不可约表示:
ρ1ρ2ρ3ρ4e1111a1i−1−ia21−11−1a31−i−1i
正交关系
由群 G 到复数域 C 的线性映射被称为群函数。全体群函数构成复向量空间
VG={ϕ:G→C}
群函数加法、数乘定义为:
(ϕ+ψ)(g)=ϕ(g)+ψ(g),(λϕ)(g)=λ⋅ϕ(g)
例如,映射到表示矩阵的一个元素就是一个群函数 ϕ:g↦ρ(g)ij 。
一般地,把群 G 的元素按一定顺序排列,从而把群函数值写成一个向量
ϕ=ϕ(g1)⋮ϕ(gn)
有限群 G 的不可约表示的矩阵元函数,彼此之间正交。
取有限群 G 的两个不可约表示 (ρ,V), (σ,W) 。任取一个线性变换 T:W→V ,构造群平均化
T=∣G∣1g∈G∑ρ(g)Tσ(g−1)
同Maschke定理的推理方法,易知 T 是 G-同态。矩阵 T 的矩阵乘法展开为
Tij=∣G∣1g∈G∑k,l∑ρ(g)ilTlkσ(g−1)kj
(1) 若 ρ 和 σ 不同构, 根据Schur引理,有 T=0 。
取 T 为矩阵单位 Tij=δiaδbj,即矩阵元素只有 Tab=1,其余为 0。展开矩阵乘法
Tij=∣G∣1g∈G∑ρ(g)iaσ(g−1)bj
由于 T 的任意性,我们可以取遍所有的矩阵单位,因此对所有的 i,j,a,b 都满足
g∈G∑ρ(g)iaσ(g−1)bj=0
(2) 若 ρ=σ ,根据Schur引理,有 T=λI 。利用矩阵迹的性质
tr(T)=∣G∣1g∈G∑tr(ρ(g)Tρ(g−1))=tr(T)
再次取 T 为矩阵单位 Tij=δiaδbj ,则
tr(T)=tr(T)=δab
另一方面,令 d=dimρ,则 tr(T)=λd 。于是
λ=d1δab
于是
Tij=λδij=d1δijδab
由定义 T 的矩阵乘法展开
Tij=∣G∣1g∈G∑ρ(g)iaρ(g−1)bj
因此
g∈G∑ρ(g)iaρ(g−1)bj=d∣G∣δijδab
通常取 ρ,σ 为酉表示,即 ρ(g−1)=ρ(g)† ,因此
g∈G∑ρ(g)iaσ(g−1)bj=g∈G∑ρ(g)iaσ(g)jb=⟨ρia,σjb⟩
合并上述两种情形,统一写为
⟨ρia,σjb⟩=d∣G∣δρ,σδijδab
这个公式的意思是:两个不可约表示的任意矩阵元,其内积只有表示等价、行号列号都对应相等时才非零。
群向量的正交关系是有限群表示论中很重要的一个定理。
例如,二面体群 D3=⟨r,f⟩ 的不可约表示序列
ρ1ρ2ρ3e11[1001]r11[−2123−23−21]r211[−21−2323−21]f1−1[−1001]fr1−1[212323−21]fr21−1[21−23−23−21]
验证 ρ2 和 ρ3 矩阵元 (1,1) 的正交性:
1⋅1−1⋅21−1⋅21+(−1)⋅(−1)−1⋅21−1⋅21=0
特征标
在有限群表示论中,特征标是简化群表示研究的终极工具:它把复杂的矩阵表示压缩为一个群上的函数,完美保留了表示的核心等价信息。
基本性质
回忆矩阵迹的核心性质:tr(MN)=tr(NM),因此对任意可逆矩阵 P 有:
tr(P−1MP)=tr(M)
即相似矩阵的迹相等。因此,矩阵的迹与表示空间基的选取无关。
特征标:设 (ρ,V) 是群 G 的一个表示,ρ(g) 的迹称作元素 g 的特征标(Character):
χρ:G→C,g↦tr(ρ(g))
注意:特征标一般不是群同态,因为通常 tr(MN)=tr(M)tr(N)。
例如 Klein四元群 V4={e,h,v,r} 的一组群表示
ρ(e)=[1001],ρ(h)=[−1001],ρ(v)=[100−1],ρ(r)=[−100−1]
对应的特征标取值:
χρe2h0v0r−2
基本性质:设 χρ 是群表示 ρ 的特征标,令 d=dimρ:
- 若 g,h∈G 共轭,则 χρ(g)=χρ(h);
- 对任意 g∈G 有 χρ(g−1)=χρ(g);
- 单位元的特征标 χρ(e)=d;
- 对任意 g∈G,∣χρ(g)∣≤d;等号成立当且仅当存在复数 λ 使得ρ(g)=λI。
证明:
(1) 共轭元素对应相似矩阵,迹相等;
(2) 设 g 的阶为 k,则 ρ(gk)=I,故 ρ(g) 的特征值全为 k 次单位根。因此,存在一组基使 ρ(g) 对角化,记对角元为 λ1,…,λd,则 ∣λi∣=1,因此 λi−1=λi。于是
χρ(g−1)=tr(ρ(g−1))=i=1∑dλi−1=i=1∑dλi=χρ(g).
(3) 单位元对应单位矩阵,迹为维数 d;
(4) 沿用 (2) 的对角化记号,由三角不等式:
∣χρ(g)∣=i=1∑dλi≤i=1∑d∣λi∣=d.
等号成立当且仅当所有 λi 辐角相同;而 ∣λi∣=1,故所有 λi 彼此相等,即ρ(g)=λI。
推论:设 (ρ,V) 是群 G 的一个表示,令 d=dimρ。则
ρ(g)=I⟺χρ(g)=d
证明:(⇒) 显然,单位矩阵迹为 d。
(⇐) 若 χρ(g)=d,由性质(4)知 ρ(g)=λI,代入迹得 λd=d,故 λ=1,即ρ(g)=I。
由此,可通过特征标确定群表示 ρ 的核,进而判断表示是否忠实。
运算性质:设 (ρV,V),(ρW,W) 是群 G 的两个表示,它们的特征标为 χV,χW:
- 若 ρ=ρV⊕ρW ,则对应的特征标 χ=χV+χW ;
- 张量积表示 ρV⊗ρW 对应的特征标为 χV⋅χW;
- 对偶表示的特征标 χV∗=χV
证明:分别取 V,W 的一组基,任取 g∈G ,令 M, N 是 ρV(g),ρW(g) 在这组基下的对应矩阵
(1) 直和表示 ρV⊕ρW 为分块对角阵[M00N],计算特征标
tr(M)+tr(N)=χV(g)+χW(g)
(2) 张量积矩阵
(M⊗N)js,it=MjiNst
这个矩阵的迹
tr(M⊗N)=i,t∑MiiNtt=(i∑Mii)(t∑Ntt)=tr(M)tr(N)
因此
χV⊗W(g)=χV(g)χW(g)
该公式极为实用,绝大多数张量积相关计算无需再回到线性映射定义。
(3) 对偶表示ρV∗(g) 的矩阵为 M−T,故
χV∗(g)=tr(M−T)=tr(M−1)=χV(g−1)=χV(g)
容易计算置换表示的特征标:S 中由 g 保持不变的元素个数
χ(g)=∣Sg∣
正交定理
类函数:若群函数 ξ:G→C 满足:
ξ(h−1gh)=ξ(g),∀g,h∈G
则称 ξ 为类函数。类函数在每个共轭类上取值恒定。全体类函数构成 VG 的子空间 VCl(G)。显然,所有特征标都是类函数。
定理:(正交关系) 设 ρ 和 σ 是有限群 G 的两个不可约表示,则
⟨χρ,χσ⟩G={1,0,ρ∼σotherwise
证明:利用特征标的性质 χσ(g−1)=χσ(g) ,内积重新写为
⟨χρ,χσ⟩=g∈G∑χρ(g)χσ(g−1)
我们使用矩阵元素的形式
⟨χρ,χσ⟩=g∈G∑i,j∑ρ(g)iiσ(g−1)jj
再看群函数的正交关系
g∈G∑ρ(g)iaσ(g−1)bj=⎩⎨⎧dρ∣G∣δijδab,0,ρ∼σotherwise
若不可约表示 ρ, σ 不等价,则
⟨χρ,χσ⟩=0
若 ρ∼σ ,交换求和顺序,取 a=i, b=j 。则
⟨χρ,χσ⟩=dρ∣G∣i,j∑δij=∣G∣
通常取群平均内积
⟨χρ,χσ⟩G=∣G∣1⟨χρ,χσ⟩
于是
⟨χρ,χσ⟩G={1,0,ρ∼σotherwise
综上可知,不可约特征标 χ1,χ2,⋯ 彼此标准正交。
定理:有限群 G 不可约表示的数量等于群的共轭类的数量。
只需证明,若某个类函数 ϕ∈V 与所有不可约特征标正交,则 ϕ≡0。
设 (ρ,V) 是有限群 G 的一个表示,χρ 是其特征标。定义线性映射 T:V→V
T=∣G∣1g∈G∑ϕ(g)ρ(g)
其迹为
tr(T)=∣G∣1g∈G∑ϕ(g)χρ(g)=⟨χρ,ϕ⟩G=0
对任意 h∈G 有
ρ(h)T=∣G∣1g∈G∑ϕ(g)ρ(h)ρ(g)=∣G∣1g∈G∑ϕ(g)ρ(hgh−1)ρ(h)=Tρ(h)
即 T 是 G-同态。若 ρ 是不可约的,根据Schur引理得到 T=λI,因为 tr(T)=0 ,因此 T=0 。任意表示都是不可约表示的直和,因此恒有 T=0 。
考虑正则表示 ρreg ,表示空间为 C[G] 。由正则表示的定义 ρreg(g)(e)=g,于是
T(e)=∣G∣1g∈G∑ϕ(g)g=0
由于 G 的元素是 C[G] 的一组基,故对所有的 g∈G 都有 ϕ(g)=0 ,因此 ϕ≡0 。
推论:全体不可约特征标构成类函数空间 VCl(G)的一组标准正交基。
证明:因为不可约特征标是标准正交的,故它们是线性无关的;并且类函数空间的维度是共轭类的个数,也就是不可约特征标的个数,所以他们张成整个空间。
这个推论使得利用投影公式,可以将任意给定特征标分解为不可约特征标的线性组合。设 χ 是群表示 ρ 的特征标,由Maschke定理,ρ 同构于不可约表示 ρ1,⋯,ρr 的直和,记为
ρ∼n1ρ1⊕⋯⊕nrρr
其中 niρi 代表 ni 个不可约表示 ρi 的直和。则
χ=n1χ1+⋯+nrχr
因为 (χ1,⋯,χr) 是标准正交基,于是系数可由内积提取
ni=⟨χ,χi⟩G
推论:特征标 χ 不可约等价于 ⟨χ,χ⟩G=1 。
证明:将 χ 分解为不可约特征标的线性组合 χ=n1χ1+⋯+nrχr ,由正交性
⟨χ,χ⟩G=n12+⋯+nr2
该值等于1当且仅当恰好一个 ni=1,其余全为0,即χ是单个不可约特征标。
特征标的内积 ⟨χ,χ⟩G 是检验一个表示是否可约的一个实用方法。例如,
定理:设 ρi,ρj 是有限群 G 的两个表示,则
ρi∼ρj⟺χi=χj
证明:(⇒) 若两个表示同构,则二者对应的矩阵等价,因此迹处处相等。
(⇐) 特征标分解为
χi=a1χ1+⋯+arχrχj=b1χ1+⋯+brχr
由于 χ1,⋯,χr 是线性无关的,由 χi=χj 可得,对每个 k 有 ak=bk ,即 ρi,ρj 的不可约分解完全相同,故表示同构。
这说明特征标完全决定表示结构,是有限群表示论的核心工具。
正则表示
正则表示的征标特别简单:
- 当 g=e 时,ρreg(e) 是恒等映射,迹为 dimC[G]=∣G∣ ;
- 当 g=e 时,左乘 g 会将基向量 h 映射到 gh ,没有不动点,故矩阵所有对角元均为 0,迹为 0。
综上
χreg(g)={∣G∣,0,g=eg=e
例如,对于群 D3=⟨r,f⟩ ,正则表示的特征标是
χrege6r0f0
有限群的复表示完全可约,故正则表示可分解为不可约表示的直和:
ρreg∼n1ρ1⊕⋯⊕nrρr
其中而 niρi 是表示 ni 个不可约表示 ρi 的直和
根据特征标内积公式,重数
ni=⟨χreg,χi⟩G=∣G∣1g∈G∑χreg(g)χi(g)
只有 g=e 项非零,于是
ni=χi(e)=dimρi
每个不可约表示 ρi 在正则表示中出现的重数恰好等于其自身的维数 dimρi
令 di=dimρi ,于是
ρreg∼d1ρ1⊕⋯⊕drρr
并且
χreg=d1χ1+⋯+drχr
对上述直和取维数
∣G∣=dimρreg=i=1∑rdidimρi=i=1∑rdi2
Burnside定理:设不可约表示的个数为 r ,记 di=dimρi ,则 di 整除 ∣G∣ 且
∣G∣=d12+⋯+dr2
推论:不可约表示的矩阵元函数构成群函数空间的正交基。
因为不可约表示的矩阵元函数是正交的,故它们是线性无关的;并且Burnside定理说明群函数空间的维度恰好是不可约表示的矩阵元函数的个数,所以他们张成整个空间。
例如 D3 群的不可约表示构成的正交基底
B=111111111−1−1−11−21−21−121210−2323023−23023−23023−231−21−211−21−21
特征标表
我们通常将所有不可约特征标列成特征标表。特征标表中第一行对应于平凡的特征标,完全由1组成。第一列包含表示的维数,因为 χi(e)=dimρi 。
示例1:循环群 C3=⟨a⟩ 的特征标表
χ1χ2χ3e111a1ζζ2a21ζ2ζ
示例2:Klein四元群 V4={e,h,v,r} 的特征标表
χ1χ2χ3χ4e1111h1−11−1v1−1−11r11−1−1
示例3:二面体群 D4=⟨r,f⟩ 的特征标表
χ1χ2χ3χ4χ5e11112r21111−2{r,r3}11−1−10{f,fr2}1−11−10{fr,fr3}1−1−110
利用前面的定理,仅通过共轭类信息即可求解未知的特征标取值。
例如,二面体群 D3=⟨r,f⟩ 有3个共轭类,因而有3个不可约表示。方程 6=d12+d22+d32 仅有的解是 6=12+12+22 ,因而 D3 有两个一维表示和一个二维表示。每个群都有一维平凡表示,记为 ρ1 ;另一个一维表示则是同构于 S3 的符号表示,记为 ρ2 ; 二维表示的特征标可通过方程组求得。
χ1χ2χ3e112{r,r2}11−1{f,fr,fr2}1−10
对偶空间与张量积
对偶表示
一般地,对于向量空间 V 的一组基 {ei} ,取对偶空间 V∗ 对应的基
ϵi(ej)=δji
那么,对于任意 α∈V∗ 就有
α=αiϵi
其中 αi=α(ei) 。
设 (ρ,V) 是群 G 的一个表示,定义对偶表示 (ρ∗,V∗):
ρ∗(g):α↦α∘ρ(g−1)
若 ρ(g) 的矩阵为 R,则 ρ∗(g) 在对偶基下的矩阵为 R−⊤(逆转置)。
例如,设二面体群 D3=⟨r,f⟩ 的二维不可约表示 ρ。在合适的基下
ρ(r)=[ζ00ζ−1],ρ(f)=[0110]
其对偶表示在对偶基下的矩阵为
ρ∗(r)=[ζ−100ζ],ρ∗(f)=[0110]
定理:表示 ρV 不可约当且仅当对偶表示 ρV∗ 不可约。
张量积表示
设 V,W 是向量空间,取一组基 {ai}, {bj} ,定义以 {ai⊗bj} 为基的张量积空间
V⊗W={i,j∑αiβj(ai⊗bj)∣αiβj∈C}
设 ρV,ρW 分别是 G 在 V,W 上的表示,定义张量积表示:
ρV⊗W(g)(ai⊗bj)=ρV(g)(ai)⊗ρW(g)(bj)
若 ρV(g)=M, ρW(g)=N,则张量积对应的矩阵为克罗内克积 M⊗N。
例如,取 D3=⟨r,f⟩ 的二维不可约表示
ρV(r)=[ζ00ζ−1],ρV(f)=[0110]
一维符号表示
ρV(r)=1,ρV(f)=−1
则张量积表示
ρV⊗W(r)=[ζ00ζ−1],ρV⊗W(f)=[0−1−10]
参考资料:
蔷薇课堂——群论
Group Representation Theory
从零开始的群世界生活
群论 (Group Theory) 终极速成 / 物理系零基础火箭级 notes