群表示基本思路是建立群到一般线性群 GL(V)\text{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}C_4=\{e,a,a^2,a^3\},从几何变换出发,我们能得到矩阵群

I=[1001],M=[0110],M2=[1001],M3=[0110]I=\begin{bmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{bmatrix},\quad M=\begin{bmatrix}0 & -1 \\ 1 & 0\end{bmatrix},\quad M^2=\begin{bmatrix}-1 & 0 \\ 0 & -1\end{bmatrix},\quad M^3=\begin{bmatrix}0 & 1 \\ -1 & 0\end{bmatrix}

它是二阶一般线性群 GL2(C)\mathrm{GL}_2(\Complex) 的一个子群,且与 C4C_4 同构:aMa \mapsto M

矩阵表示:从群 GG 到一般线性群 GLn(C)\mathrm{GL}_n(\Complex) 的群同态

R:GGLn(C)R:G \to \mathrm{GL}_n(\Complex)

称为一个矩阵表示。其中每个 R(g)R(g) 是一个可逆矩阵,且由同态性质知道

R(gh)=R(g)R(h)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 VV 上表示的抽象概念。记 GL(V)\mathrm{GL}(V)VV 上的所有可逆线性变换的集合,则 GL(V)\mathrm{GL}(V) 构成一个群,乘法则是函数复合。

群表示:从群 GG 到一般线性群 GL(V)\mathrm{GL}(V) 的群同态

ρ:GGL(V)\rho: G \to \mathrm{GL}(V)

称为群 GG 的一个表示,常记作二元组 (ρ,V)(\rho,V) ,其中 dimρ=dimV\dim \rho=\dim V 称为表示维度。若表示 ρ\rho 是单同态,则称该表示为忠实表示 (faithful)。对于任意群 GG ,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 VV 的一组基 B=(e1,,en)B=(\boldsymbol e_1,\cdots,\boldsymbol e_n) ,矩阵表示 RR 满足

ρ(g)(B)=BR(g)\rho(g)(B)=BR(g)

如果 x\boldsymbol xvV\boldsymbol v\in V 的坐标向量,即 v=Bx\boldsymbol v=B\boldsymbol x ,则 R(g)xR(g)\boldsymbol xρ(g)(v)\rho(g)(\boldsymbol v) 的坐标向量。因此,若选定一组基,GG 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)\mathrm{GL}(V)\cong\mathrm{GL}_n(\Complex),\quad \rho(g)\mapsto R(g)

本文中,将使用 ρ(g)\rho(g) 符号同时代表抽象表示和矩阵表示。当 ρ\rho 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}V_4=\{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)=[1001],ρ(hv)=[1001]\rho(e)=\begin{bmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{bmatrix},\quad \rho(h)=\begin{bmatrix}-1 & 0 \\ 0 & 1\end{bmatrix},\quad \rho(v)=\begin{bmatrix}1 & 0 \\ 0 & -1\end{bmatrix},\quad \rho(hv)=\begin{bmatrix}-1 & 0 \\ 0 & -1\end{bmatrix}

示例2:对称群 SnS_n符号表示

sgn:SnC2,sgn(σ)={+1,if σ is an even permutation1,if σ is an odd permutation\mathrm{sgn}: S_n \to C_2,\quad \mathrm{sgn}(\sigma)= \begin{cases} +1,& \text{if }\sigma\text{ is an even permutation} \\ -1,& \text{if }\sigma\text{ is an odd permutation} \end{cases}

示例3:二面体群 D3=r,fD_3=\lang r,f\rang 的矩阵表示

ρ(e)=[1001],ρ(r)=[12323212],ρ(r2)=[12323212]ρ(f)=[1001],ρ(fr)=[12323212],ρ(fr2)=[12323212]\rho(e)=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix},\quad \rho(r)=\begin{bmatrix}-\frac{1}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}\\ \frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix},\quad \rho(r^2)=\begin{bmatrix}-\frac{1}{2}&\frac{\sqrt3}{2}\\ -\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix} \\ \rho(f)=\begin{bmatrix}-1&0\\ 0&1\end{bmatrix},\quad \rho(fr)=\begin{bmatrix}\frac{1}{2}&\frac{\sqrt3}{2}\\ \frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix},\quad \rho(fr^2)=\begin{bmatrix}\frac{1}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}\\ -\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix}

表示的性质

  1. 表示的限制:设 ρ:GGL(V)\rho:G\to\mathrm{GL}(V) 是群 GG 的表示,HHGG 的子群。将 ρ\rho 限制在 HH 上,得到 HH 的表示 ρH:HGL(V)\rho|_H:H\to\mathrm{GL}(V)
  2. 表示的复合:设 f:HGf:H\to G 是群同态,ρ:GGL(V)\rho:G\to\mathrm{GL}(V)GG 的表示,则复合映射 ρf:HGL(V)\rho\circ f:H\to\mathrm{GL}(V)HH 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, RR,\ R' 为同一个表示 ρ\rho 的两个矩阵表示,若存在可逆矩阵 PP ,对所有 gGg\in G 满足

R(g)=P1R(g)PR'(g)=P^{-1}R(g)P

则称 RR'RR 等价 (equivalent),记作 RRR'\sim 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:GGL(V), ρW:GGL(W)\rho_V:G\to\mathrm{GL}(V),\ \rho_W:G\to\mathrm{GL}(W) 是群 GG 的两个表示。若线性映射 T:VWT :V\to W 对于任意 gGg\in G 满足:

TρV(g)=ρW(g)TT\circ \rho_V(g) = \rho_W(g)\circ T

则称 TTGG-同态 (GG-homomorphism),也称为 GG-不变映射 (GG-equivariant) 或 交织算子 (intertwining operator)。若 TT 是双射,则称为 GG-同构,并称这两个表示同构

另外 TT 是线性映射,还需要满足

T(av+bu)=aT(v)+bT(u)T(a\boldsymbol v+b\boldsymbol u)=aT(\boldsymbol v)+bT(\boldsymbol u)

定理:设 ρV:GGL(V), ρW:GGL(W)\rho_V:G\to\mathrm{GL}(V),\ \rho_W:G\to\mathrm{GL}(W) 是群 GG 的两个表示,则表示 ρV,ρW\rho_V,\rho_W 同构当且仅当它们的矩阵表示等价 。

证明:取定 VVWW 的基,对应的矩阵表示为 RRRR'

()(\Rightarrow)T:VWT:V\to WGG-同构,其矩阵为 AA。于是对任意 gGg\in G

AR(g)=R(g)AAR(g)=R'(g)A

由于 TT 是双射,故 AA 可逆。因此

R(g)=AR(g)A1R'(g)=AR(g)A^{-1}

所以 RRR'\sim R

()(\Leftarrow) 设存在可逆矩阵 AA 使得 R(g)=AR(g)A1R'(g)=AR(g)A^{-1} ,取以 AA 为矩阵的线性映射 T:VWT:V\to W ,便可得到

TρV(g)=ρW(g)TT\circ \rho_V(g) = \rho_W(g)\circ T

所以表示 ρV,ρW\rho_V,\rho_W 同构。

例如,循环群 C2={e,a}C_2=\{e,a\},其表示矩阵为:

ρ(e)=[1001], ρ(a)=[0110]\rho(e)=\begin{bmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{bmatrix},\ \rho(a)=\begin{bmatrix}0 & 1 \\ 1 & 0\end{bmatrix}

在复数域 C\Complex 上的一维表示 σ\sigma

σ(e)=1, σ(a)=1\sigma(e)=1,\ \sigma(a)=-1

定义线性映射 T:C2CT:\Complex^2\to\Complex,其矩阵为 (1,1)(1,-1)。对任意向量 x=[x1x2]C2\boldsymbol x=\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}\in\Complex^2 ,有

Tρ(a)(x)=[11][0110][x1x2]=[11][x1x2]=σ(a)T(x)T\circ\rho(a)(\boldsymbol x)=\begin{bmatrix}1&-1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0 & 1 \\ 1 & 0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix} =-\begin{bmatrix}1&-1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix} =\sigma(a)\circ T(\boldsymbol x)

同时 TT 是双射,因此 TTGG-同构。

置换表示

从群作用的角度,群表示 ρ:GGL(V)\rho: G \to \mathrm{GL}(V) 等价于群 GG 在向量空间 VV 上的一个线性作用:

:G×VV,gv=ρ(g)(v)*:G \times V \to V,\quad g\boldsymbol v=\rho(g)(\boldsymbol v)

满足群作用的两条基本性质和线性性

  1. ev=ve\boldsymbol v = \boldsymbol v
  2. (gh)v=g(hv)(gh)\boldsymbol v = g(h\boldsymbol v)
  3. g(av+bw)=a(gv)+b(gw)g(a\boldsymbol v+b\boldsymbol w)=a(g\boldsymbol v)+b(g\boldsymbol w)

回忆Cayley定理,任意 nn 阶有限群 GG 同构于对称群 SnS_n 的一个子群,因此我们可以利用群 GG 在集合上的作用构造群 GG 的一个表示,称为置换表示

VV 是一个 nn 维向量空间,取一组基 {e1,,en}\{\boldsymbol e_1,\cdots,\boldsymbol e_n\}。定义表示 ρ(g)\rho(g) 在这个基上的作用为:

ρ(g):eigei\rho(g):\boldsymbol e_i\mapsto g\boldsymbol e_i

对于任意向量

v=v1e1++vnenV\boldsymbol v=v_1\boldsymbol e_1+\cdots+v_n\boldsymbol e_n\in V

构造同态映射 ρ\rho

ρ(g):VV,ρ(g)(v)=i=1nvi(gei)\rho(g):V\to V,\quad \rho(g)(\boldsymbol v)=\sum_{i=1}^nv_i (g\boldsymbol e_i)

即元素 gGg\in 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)\rho(g) 是描述 gg 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 S3S_3 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))=[001100010],ρ((321))=[010001100],\rho((1))=\begin{bmatrix}1&0&0\\ 0&1&0\\ 0&0&1\end{bmatrix},\quad \rho((12))=\begin{bmatrix}0&1&0\\ 1&0&0\\ 0&0&1\end{bmatrix},\quad \rho((13))=\begin{bmatrix}0&0&1\\ 0&1&0\\ 1&0&0\end{bmatrix}, \\ \rho((23))=\begin{bmatrix}1&0&0\\ 0&0&1\\ 0&1&0\end{bmatrix},\quad \rho((123))=\begin{bmatrix}0&0&1\\ 1&0&0\\ 0&1&0\end{bmatrix},\quad \rho((321))=\begin{bmatrix}0&1&0\\ 0&0&1\\ 1&0&0\end{bmatrix},

正则表示

我们可以从任意有序集合 X={x1,,xn}X=\{x_1,\cdots,x_n\} 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++anxna1,,anC}\Complex[X]=\left\{a_1x_1+\cdots+a_nx_n\mid a_1,\cdots,a_n\in\Complex\right\}

加法和数乘则定义为

iaixi+ibixi=i(ai+bi)xi,λiaixi=i(λai)xi\sum_ia_ix_i+\sum_ib_ix_i=\sum_i(a_i+b_i)x_i,\\ \lambda\sum_ia_ix_i=\sum_i(\lambda a_i)x_i

容易验证 C[X]\Complex[X] 是向量空间。

对于有限群 GG ,向量空间 C[G]\Complex[G] 称为群空间。空间中的任意向量按基展开

v=gGvgg,(vgC)\boldsymbol v=\sum_{g\in G}v_gg,\quad (v_g\in\Complex)

GG (左乘)作用于自身得到的表示

ρreg(g):hgh\rho_{\mathrm{reg}}(g):h\to gh

称为正则表示 (regular representation)。显然 GGC[G]\Complex[G] 的一组基,因此 dimC[G]=G\dim\Complex[G]=|G|

示例1:设三阶循环群 C3={e,a,a2}C_3=\{e,a,a^2\},该群同构于 S3S_3 的子群 {(1),(123),(132)}\{(1),(123),(132)\} 。其正则表示为:

ρ(e)=[100010001], ρ(a)=[001100010], ρ(a2)=[010001100]\rho(e)=\begin{bmatrix}1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1\end{bmatrix},\ \rho(a)=\begin{bmatrix}0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0\end{bmatrix},\ \rho(a^2)=\begin{bmatrix}0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0\end{bmatrix}

示例2:Klein 四元群 V4={e,h,v,r}V_4=\{e,h,v,r\} 的正则表示

ρ(e)=[1000010000100001], ρ(h)=[0100100000010010],ρ(v)=[0010000110000100], ρ(r)=[0001001001001000], \rho(e)=\begin{bmatrix}1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 &0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0&0&0&1\end{bmatrix},\ \rho(h)=\begin{bmatrix}0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 &0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0&0&1&0\end{bmatrix},\\ \rho(v)=\begin{bmatrix}0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 &1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0&1&0&0\end{bmatrix},\ \rho(r)=\begin{bmatrix}0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 &0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1&0&0&0\end{bmatrix},\

酉表示

选定一组基,若群表示 ρ:GGL(V)\rho:G \to \mathrm{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 RgR_g ,对所有 gGg\in G 满足

RgRg=RgRg=InR^\dagger_g R_g=R_gR^\dagger_g=I_n

定理:有限群 GG 的任何矩阵表示都存在等价的酉表示。

先在 VV 上随便选一个正定的Hermitian矩阵 AA ,定义一个群内积

v,wG=gG[Rgv]A[Rgw]\langle\boldsymbol v,\boldsymbol w\rangle_G=\sum_{g\in G} [R_g\boldsymbol v]^\dagger A[R_g \boldsymbol w]

简写为群作用的形式

v,wG=gG(gv)A(gw)\langle\boldsymbol v,\boldsymbol w\rangle_G=\sum_{g\in G}(g\boldsymbol v)^\dagger A(g\boldsymbol w)

由于

(gv)Ag(w+w)=(gv)A(gw+gw)=(gv)A(gw)+(gv)A(gw)(g\boldsymbol v)^\dagger Ag(\boldsymbol w+\boldsymbol w')=(g\boldsymbol v)^\dagger A(g\boldsymbol w+g\boldsymbol w')=(g\boldsymbol v)^\dagger A(g\boldsymbol w)+(g\boldsymbol v)^\dagger A(g\boldsymbol w')

因此

v,w+wG=gG(gv)Ag(w+w)=gG(gv)A(gw)+gG(gv)A(gw)=v,wG+v,wG\begin{aligned} \lang\boldsymbol v,\boldsymbol w+\boldsymbol w'\rang_G &=\sum_{g\in G} (g\boldsymbol v)^\dagger Ag(\boldsymbol w+\boldsymbol w') \\ &=\sum_{g\in G} (g\boldsymbol v)^\dagger A(g\boldsymbol w) +\sum_{g\in G} (g\boldsymbol v)^\dagger A(g\boldsymbol w') \\ &=\lang\boldsymbol v,\boldsymbol w\rang_G+\lang\boldsymbol v,\boldsymbol w'\rang_G \end{aligned}

定义的 ,G\lang,\rang_G 却是一个内积。

根据群的重排定理,易知

gv,gwG=hG(hgv)A(hgw)=v,wG\lang g\boldsymbol v, g\boldsymbol w\rang_G=\sum_{h\in G} (hg\boldsymbol v)^\dagger A(hg\boldsymbol w)=\lang\boldsymbol v, \boldsymbol w\rang_G

对旧基关于新内积 ,G\lang,\rang_G 做Gram-Schmidt正交化,得到标准正交基

{e1,e2,,en} s.t. ei,ejG=δij\{\boldsymbol e_1,\boldsymbol e_2,\cdots,\boldsymbol e_n\}\quad \text{ s.t. } \lang\boldsymbol e_i, \boldsymbol e_j\rang_G=\delta_{ij}

在这组基下,ρ(g)\rho(g) 的矩阵记为 MM ,则

gej=iMijeig\boldsymbol e_j=\sum_i M_{ij}\boldsymbol e_i

新内积

gej,gekG=iMijei,lMlkelG=i,lMijMlkei,elG=iMijMik\begin{aligned} \lang g\boldsymbol e_j, g\boldsymbol e_k\rang_G &=\left\langle \sum_i M_{ij}\boldsymbol e_i, \sum_lM_{lk}\boldsymbol e_l\right\rangle_G \\ &=\sum_{i,l}M_{ij}\overline{M_{lk}}\lang\boldsymbol e_i, \boldsymbol e_l\rang_G \\ &=\sum_{i}M_{ij}\overline{M_{ik}} \end{aligned}

由于

(MM)jk=iMijMik=ej,ekG=δjk(M^\dagger M)_{jk}=\sum_{i}M_{ij}\overline{M_{ik}}=\lang\boldsymbol e_j, \boldsymbol e_k\rang_G=\delta_{jk}

MM=IM^\dagger M=I

MM 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)(\rho,V) 是群 GG 的一个表示,WWVV 的子空间。若对任意 gG, wWg\in G,\ \boldsymbol w\in W,都有

ρ(g)(w)W\rho(g)(\boldsymbol w)\in W

则称 WW(ρ,V)(\rho,V)不变子空间 (invariant subspace)。此时,限制在 WW上的线性映射

ρW(g)=ρ(g)W:WW\rho_W(g)=\rho(g)|_W:W\to W

GG 的一个新表示 (ρW,W)(\rho_W,W) ,称为原表示 (ρ,V)(\rho,V)子表示

给全空间 VV 选适配不变子空间的基 {e1,,em,em+1,,en}\{\boldsymbol e_1,\cdots,\boldsymbol e_m,\boldsymbol e_{m+1},\cdots,\boldsymbol e_n\} ,前 mm 个是不变子空间WW的一组基。 此时,任意 ρ(g)\rho(g) 写成分块形式

ρ(g)=[AgBg0Cg]\rho(g)=\begin{bmatrix}A_g & B_g \\ 0 & C_g\end{bmatrix}

其中 AgA_g 就是限制表示矩阵 ρW(g)\rho_W(g) ,左下角是零块,这正是WW 不变的矩阵等价条件。

这意味着 WW 中的变量 w=(x,0)\boldsymbol w=(x,0)^\top 变换后仍然在 WW

ρ(g)[x0]=[Agx0]\rho(g)\begin{bmatrix}x\\0\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}A_gx\\0\end{bmatrix}

对于任意表示,都有两个平凡的不变子空间:零空间 {0}\{0\} 和全空间 VV

不可约表示:若表示 (ρ,V)(\rho,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\rho 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\rho 等价但不相同的不可约表示。

示例1:对于循环群 C3={e,a,a2}C_3=\{e,a,a^2\} 的正则表示。取一维子空间 W=span{[111]}W=\mathrm{span}\left\{\begin{bmatrix}1 \\ 1 \\ 1\end{bmatrix}\right\},验证不变性:

ρreg(a)[111]=[001100010][111]=[111]W\rho_{\text{reg}}(a)\begin{bmatrix}1 \\ 1 \\ 1\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0\end{bmatrix} \begin{bmatrix}1 \\ 1 \\ 1\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}1 \\ 1 \\ 1\end{bmatrix}\in W

WW 是不变子空间。子表示

ρW:e1, a1, a21\rho_W:e\mapsto1,\ a\mapsto1,\ a^2\mapsto1

示例2:若向量 vCn\boldsymbol v\in\Complex^n 是全体表示矩阵 ρ(g)\rho(g) 的公共特征向量,即 ρ(g)v=λgv\rho(g)\boldsymbol v=\lambda_g \boldsymbol v ,则 span{v}\mathrm{span}\{\boldsymbol v\} 是一维不变子空间。

示例3:二面体群 D3=f,rD_3=\langle f,r\rangle 。取二维表示:

ρ(r)=[ζ00ζ2],ρ(f)=[0110]\rho(r)=\begin{bmatrix}\zeta & 0 \\ 0 & \zeta^2\end{bmatrix},\quad \rho(f)=\begin{bmatrix}0 & 1 \\ 1 & 0\end{bmatrix}

其中 ζ=exp(2πi/3)\zeta=\exp(2\pi\mathrm{i}/3)

我们来证明 ρ\rho 是不可约的:假设 ρW\rho_W 是一个非平凡子表示,dimW=1\dim W=1,则 WWρ(r)\rho(r)ρ(f)\rho(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)\rho(r) 的特征向量为 [11]\begin{bmatrix}1 \\ 1\end{bmatrix}[11]\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix} ,而 ρ(f)\rho(f) 的特征向量为 [10]\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}[01]\begin{bmatrix}0 \\ 1\end{bmatrix} 。二者没有公共特征向量,因此不存在这样的不变子空间 WW

定理:设 T:VWT:V\to WGG-同态,则 ker(T)\ker(T)VV 的不变子空间,Im(T)\mathrm{Im}(T)WW 的不变子空间。

证明:对任意 vker(T)V\boldsymbol v\in\ker(T)\subseteq VT(v)=0T(\boldsymbol v)=0 ,于是

TρV(g)(v)=ρW(g)T(v)=0T\circ\rho_V(g)(\boldsymbol v)=\rho_W(g)\circ T(\boldsymbol v)=0

因此 ρV(g)(v)ker(T)\rho_V(g)(\boldsymbol v)\in \ker(T) ,故 ker(T)\ker(T)VV 的不变子空间。

对任意 wIm(T)W\boldsymbol w\in\mathrm{Im}(T)\subseteq W ,令 w=T(v)\boldsymbol w=T(\boldsymbol v),于是

ρW(g)(w)=ρW(g)T(v)=TρV(g)(v)Im(T)\rho_W(g)(\boldsymbol w)=\rho_W(g)\circ T(\boldsymbol v)=T\circ\rho_V(g)(\boldsymbol v)\in\mathrm{Im}(T)

因此 Im(T)\mathrm{Im}(T)WW 的不变子空间。

直和表示

先回顾向量空间直和:设 V=WUV=W\oplus U ,则对于任意 vV\boldsymbol v\in V 都可唯一的表示成 v=w+u\boldsymbol v=\boldsymbol w+\boldsymbol u

对于有限群 GG ,若 W, UW,\ U 都是 GG-不变子空间。定义线性映射

T:WUV,(w,u)w+uT:W\oplus U\to V ,\quad (\boldsymbol w,\boldsymbol u)\mapsto \boldsymbol w+\boldsymbol u

ρW:GGL(W),ρU:GGL(U)\rho_W:G\to\text{GL}(W),\quad\rho_U:G\to\text{GL}(U)

分别为 GGWWUU 上的子表示。由定义,对于任意 wW, uU\boldsymbol w\in W,\ \boldsymbol u\in U

ρW(g)(w)=ρV(g)(w),ρU(g)(u)=ρV(g)(u)\rho_W(g)(\boldsymbol w)=\rho_V(g)(\boldsymbol w),\quad\rho_U(g)(\boldsymbol u)=\rho_V(g)(\boldsymbol u)

于是有如下交换图

direct-sum-of-group-representations

因此 TTGG-同构,从而

ρVρWρU\rho_V\sim \rho_W\oplus \rho_U

我们称 ρ\rho 是它的子表示 ρW\rho_WρU\rho_U 的直和。

W,UW,U 的基 {e1,,em}\{\boldsymbol e_1,\cdots,\boldsymbol e_m\}{em+1,,en}\{\boldsymbol e_{m+1},\cdots,\boldsymbol e_n\} ,则 {e1,,em,em+1,,en}\{\boldsymbol e_1,\cdots,\boldsymbol e_m,\boldsymbol e_{m+1},\cdots,\boldsymbol e_n\} 显然是 V=WUV=W\oplus U 的一组基。在这组基下的直和表示是分块对角阵(block-diagonal)

(ρWρU)(g)=[ρW(g)00ρU(g)](\rho_W\oplus \rho_U)(g)=\begin{bmatrix}\rho_W(g)& 0\\ 0 &\rho_U(g)\end{bmatrix}

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 VV 是多个 GG-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 GG 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 C2C_2 的二维正则表示中,取不变子空间 W=span{[11]}W=\mathrm{span}\left\{\begin{bmatrix}1 \\ 1\end{bmatrix}\right\} 的一个补空间 U=span{[11]}U=\mathrm{span}\left\{\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}\right\} 。有

ρ(a)[11]=[0110][11]=[11]U\rho(a)\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}0 & 1 \\ 1 & 0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}-1 \\ 1\end{bmatrix}\in U

因此 UU 也是不变子空间,且 R2=WU\R^2=W\oplus U

取一组新的基 e1=[11], e2=[11]\boldsymbol e_1=\begin{bmatrix}1 \\ 1\end{bmatrix},\ \boldsymbol e_2=\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix} ,表示矩阵变为分块对角:

ρ(a)=[1001]\rho(a)=\begin{bmatrix}1&0 \\ 0&-1\end{bmatrix}

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)(\rho,V) 是有限群 GG 的一个表示,ρW\rho_W 是一个子表示,则在 VV 中必存在一个补表示 ρU\rho_U,使得 ρρWρU\rho\sim\rho_W\oplus \rho_U

先来回顾下投影的概念。设 VV 是向量空间,WW 是一个子空间,则存在(不唯一)补空间 UU 满足 V=WUV=W\oplus U ,对于任意 vV\boldsymbol v\in V 都可唯一的表示成 v=w+u\boldsymbol v=\boldsymbol w+\boldsymbol u 。称

P:VW,vwP:V\to W,\quad\boldsymbol v\mapsto\boldsymbol w

VVWW 上的投影。容易验证, PP 是线性映射。

xker(P)W\boldsymbol x\in\ker(P)\cap W ,则 P(x)=x=0P(\boldsymbol x)=\boldsymbol x=0 ,因此 ker(P)W={0}\ker(P)\cap W=\{0\}。又 PP 是满射,由Rank-Nullity定理

dimV=dimker(P)+rank(P)=dimker(P)+dimW\dim V=\dim\ker(P)+\text{rank}(P)=\dim\ker(P)+\dim W

因此,ker(P)\ker(P)WW 的补空间

V=Wker(P)V=W\oplus\ker(P)

PPGG-同态,则 ker(P)\ker(P) 是不变子空间。因此,我们只需要找到一个投影 P:VWP:V\to WGG-同态即可。

我们先定义一个普通的投影 P~:VW\widetilde P:V\to W ,一般来说 P~\widetilde P 未必是 GG-同态。接着通过群平均技巧构造

P=1GgGρ(g)P~ρ(g1)P=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\rho(g)\circ \widetilde{P}\circ\rho(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 PP 仍是线性变换。

对任意 wW\boldsymbol w\in W ,因为 WWGG-不变子空间,故 g1wWg^{-1}\boldsymbol w\in W,且 P~\widetilde{P}WW 上是恒等映射,因此

P(w)=1Gggg1w=wP(\boldsymbol w)=\frac{1}{|G|}\sum_ggg^{-1}\boldsymbol w=\boldsymbol w

PP 是线性投影。

任取 hG, vVh\in G,\ \boldsymbol v\in V ,利用群元素重排求和不变的性质

P(hv)=1GgGgP~g1(hv)=1GgGh(g1h)1P~(g1h)(v)=hP(v)\begin{aligned} P(h\boldsymbol v) &=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}g \widetilde{P}g^{-1}(h\boldsymbol v)\\ &=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}h(g^{-1}h)^{-1}\widetilde{P}(g^{-1}h)(\boldsymbol v) \\ &=hP(\boldsymbol v) \end{aligned}

因此,PPGG-同态。

综上, U=ker(P)U=\ker(P)GG-不变子空间,且 V=WUV=W\oplus U。又 ρW\rho_W 是子表示,故 ρρWρU\rho\sim\rho_W\oplus \rho_U

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)\rho(g)\sim\rho_1(g)\oplus\rho_2(g)\oplus\cdots\oplus\rho_r(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=aC_3=\lang a\rang 的正则表示

ρreg(a)=[001100010]\rho_{\text{reg}}(a)=\begin{bmatrix}0&0&1 \\ 1&0&0 \\ 0&1&0\end{bmatrix}

v\boldsymbol vρreg(a)\rho_{\text{reg}}(a) 的特征向量,则它也是 ρreg(a2)\rho_{\text{reg}}(a^2) 的特征向量,因此 v\boldsymbol v 是一维 GG-不变子空间。

ρreg(a)\rho_{\text{reg}}(a) 的特征向量有

v1=[111],v2=[1ζ2ζ],v3=[1ζζ2]\boldsymbol v_1=\begin{bmatrix}1\\1\\1\end{bmatrix},\quad \boldsymbol v_2=\begin{bmatrix}1\\\zeta^2\\\zeta\end{bmatrix},\quad \boldsymbol v_3=\begin{bmatrix}1\\\zeta\\\zeta^2\end{bmatrix}

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}W_1=\mathrm{span}\{\boldsymbol v_1\},\quad W_2=\mathrm{span}\{\boldsymbol v_2\},\quad W_3=\mathrm{span}\{\boldsymbol v_3\}

在特征向量基组下的等价表示

ρ(a)=[1ζζ2]\rho(a)=\begin{bmatrix}1&&\\&\zeta&\\&&\zeta^2\end{bmatrix}

Schur引理

Schur引理:设 (ρV,V), (ρW,W)(\rho_V,V),\ (\rho_W,W) 是群 GG 的不可约表示

  1. 若映射 T:VWT:V\to WGG-同态,则 TT 要么是零映射,要么是 GG-同构;
  2. 若映射 T:VVT:V\to VGG-同态,则 TT 只能是标量乘法,即 T=λIdT=\lambda\cdot\text{Id}

证明:(1) 由于 ker(T)\ker(T)VV 的不变子空间,且 ρV\rho_V 不可约,故 ker(T)=V\ker(T)=Vker(T)={0}\ker(T)=\{0\}。在第一种情形下, T=0T=0 ;第二种情形下, TT 是单射,由于 Im(T)\mathrm{Im}(T)WW 的非零不变子空间,且 ρW\rho_W 不可约,故 Im(T)=W\mathrm{Im}(T)=W ,从而 TTGG-同构。

(2) 设 λ\lambdaTT 矩阵的一个特征值,令 T^=TλId\hat{T}=T-\lambda\cdot\text{Id},对任意 vVv\in V

T^ρV(g)(v)=TρV(g)(v)λρV(g)(v)=ρV(g)T(v)ρV(g)(λv)=ρV(g)T^(v)\begin{aligned} \hat{T}\circ\rho_V(g)(\boldsymbol v)&=T\circ\rho_V(g)(\boldsymbol v)-\lambda\rho_V(g)(\boldsymbol v) \\ &=\rho_V(g)\circ T(\boldsymbol v)-\rho_V(g)(\lambda \boldsymbol v) \\ &=\rho_V(g)\circ\hat{T}(\boldsymbol v) \end{aligned}

因此 T^\hat{T}GG-同态。由于 λ\lambda 是特征值,故 ker(T^){0}\ker(\hat{T})\neq\{0\}。由 (1) 得 T^=0\hat T=0 ,即 T=λIdT=\lambda\cdot\text{Id}

推论:Schur引理直接推出Abel群有限维不可约表示结构。

  1. Abel群的任意不可约表示都是一维的;
  2. Abel群的任意表示,都可在某组基下化为对角矩阵;
  3. 循环群 CnC_n 恰好有 nn 个互不同构一维不可约表示;

证明:(1) 设 GG 为Abel群,(ρ,V)(\rho,V) 是不可约表示。任取 hGh\in G,考虑线性映射

ρ(h):VV\rho(h):V\to V

对任意 gGg\in G 有:

ρ(h)ρ(g)=ρ(gh)=ρ(hg)=ρ(g)ρ(h)\rho(h)\circ\rho(g)=\rho(gh)=\rho(hg)=\rho(g)\circ\rho(h)

ρ(h)\rho(h)GG-同态。由Schur引理,存在 λhC\lambda_h\in\Complex 使得 ρ(h)=λhI\rho(h)=\lambda_h I

任取非零向量 vV\boldsymbol v\in V,对任意 hGh\in G

ρ(h)(v)=λhvspan{v}\rho(h)(v)=\lambda_h \boldsymbol v\in\mathrm{span}\{\boldsymbol v\}

因此 span{v}\mathrm{span}\{\boldsymbol v\} 是一维不变子空间。但 (ρ,V)(\rho,V) 不可约,故 V=span{v}V=\mathrm{span}\{\boldsymbol v\} ,即 VV 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

ρρ1ρr\rho\sim\rho_1\oplus\cdots\oplus\rho_r

由推论1知,每个 ρi\rho_i 都是一维的,故ρ\rho 可通过基变换对角化。

(3) 设 Cn=aan=eC_n=\langle a\mid a^n=e\ranglenn 阶循环群,其不可约表示全为一维。一维表示由生成元 aa 的表示 ρ(a)C\rho(a)\in\Complex 唯一确定,且满足 ρ(a)n=1\rho(a)^n=1,即 ρ(a)\rho(a)nn 次单位根。记 nn 个不同的一维不可约表示:

ρk(a)=e2πik/n(k=0,1,,n1)\rho_k(a)=e^{2\pi\mathrm{i}k/n}\quad (k=0,1,\dots,n-1)

一维矩阵共轭恒等,故互不同构。

例如:循环群 C4C_4 的4个一维不可约表示:

eaa2a3ρ11111ρ21i1iρ31111ρ41i1i\begin{array}{c|cccc} &e&a&a^2&a^3 \\ \hline \rho_1&1&1&1&1 \\ \hdashline \rho_2&1&\mathrm i&-1&-\mathrm i \\ \hdashline \rho_3&1&-1&1&-1 \\ \hdashline \rho_4&1&-\mathrm i&-1&\mathrm i \end{array}

正交关系

由群 GG 到复数域 C\Complex 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:GC}V_G=\{\phi:G\to\Complex\}

群函数加法、数乘定义为:

(ϕ+ψ)(g)=ϕ(g)+ψ(g),(λϕ)(g)=λϕ(g)(\phi+\psi)(g)=\phi(g)+\psi(g),\\ (\lambda\phi)(g)=\lambda\cdot \phi(g)

例如,映射到表示矩阵的一个元素就是一个群函数 ϕ:gρ(g)ij\phi:g\mapsto \rho(g)_{ij}

一般地,把群 GG 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)]\boldsymbol\phi=\begin{bmatrix}\phi(g_1) \\ \vdots\\ \phi(g_n)\end{bmatrix}

有限群 GG 的不可约表示的矩阵元函数,彼此之间正交

取有限群 GG 的两个不可约表示 (ρ,V), (σ,W)(\rho, V),\ (\sigma, W) 。任取一个线性变换 T:WVT:W\to V ,构造群平均化

T~=1GgGρ(g)Tσ(g1)\widetilde{T}=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\rho(g) T\sigma(g^{-1})

同Maschke定理的推理方法,易知 T~\widetilde{T}GG-同态。矩阵 T~\widetilde{T} 的矩阵乘法展开为

T~ij=1GgGk,lρ(g)ilTlkσ(g1)kj\widetilde{T}_{ij}=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\sum_{k,l}\rho(g)_{il}T_{lk}\sigma(g^{-1})_{kj}

(1) 若 ρ\rhoσ\sigma 不同构, 根据Schur引理,有 T~=0\widetilde{T}=0

TT 为矩阵单位 Tij=δiaδbjT_{ij}=\delta_{ia}\delta_{bj},即矩阵元素只有 Tab=1T_{ab}=1,其余为 0。展开矩阵乘法

T~ij=1GgGρ(g)iaσ(g1)bj\widetilde{T}_{ij}=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\rho(g)_{ia}\sigma(g^{-1})_{bj}

由于 TT 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,bi,j,a,b 都满足

gGρ(g)iaσ(g1)bj=0\sum_{g\in G}\rho(g)_{ia}\sigma(g^{-1})_{bj}=0

(2) 若 ρ=σ\rho=\sigma ,根据Schur引理,有 T~=λI\widetilde{T}=\lambda I 。利用矩阵迹的性质

tr(T~)=1GgGtr(ρ(g)Tρ(g1))=tr(T)\text{tr}(\widetilde T)=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\text{tr}(\rho(g)T\rho(g^{-1}))=\text{tr}(T)

再次取 TT 为矩阵单位 Tij=δiaδbjT_{ij}=\delta_{ia}\delta_{bj} ,则

tr(T~)=tr(T)=δab\text{tr}(\widetilde{T})=\text{tr}(T)=\delta_{ab}

另一方面,令 d=dimρd=\dim\rho,则 tr(T~)=λd\text{tr}(\widetilde T)=\lambda d 。于是

λ=1dδab\lambda=\frac{1}{d}\delta_{ab}

于是

T~ij=λδij=1dδijδab\widetilde{T}_{ij}=\lambda\delta_{ij}=\frac{1}{d}\delta_{ij}\delta_{ab}

由定义 T~\widetilde{T} 的矩阵乘法展开

T~ij=1GgGρ(g)iaρ(g1)bj\widetilde{T}_{ij}=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\rho(g)_{ia}\rho(g^{-1})_{bj}

因此

gGρ(g)iaρ(g1)bj=Gdδijδab\sum_{g\in G}\rho(g)_{ia}\rho(g^{-1})_{bj}=\frac{|G|}{d}\delta_{ij}\delta_{ab}

通常取 ρ,σ\rho,\sigma 为酉表示,即 ρ(g1)=ρ(g)\rho(g^{-1})=\rho(g)^\dagger ,因此

gGρ(g)iaσ(g1)bj=gGρ(g)iaσ(g)jb=ρia,σjb\sum_{g\in G}\rho(g)_{ia}\sigma(g^{-1})_{bj}= \sum_{g\in G}\rho(g)_{ia}\overline{\sigma(g)_{jb}} =\lang\boldsymbol\rho_{ia},\boldsymbol\sigma_{jb}\rang

合并上述两种情形,统一写为

ρia,σjb=Gdδρ,σδijδab\lang\boldsymbol\rho_{ia},\boldsymbol\sigma_{jb}\rang=\frac{|G|}{d}\delta_{\rho,\sigma}\delta_{ij}\delta_{ab}

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,fD_3=\langle r,f\rangle 的不可约表示序列

err2ffrfr2ρ1111111ρ2111111ρ3[1001][12323212][12323212][1001][12323212][12323212]\begin{array}{c|cccccc} &e&r&r^2&f&fr&fr^2 \\ \hline \rho_1&1&1&1&1&1&1 \\ \hdashline \rho_2&1&1&1&-1&-1&-1 \\ \hdashline \rho_3&\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix} &\begin{bmatrix}-\frac{1}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}\\ \frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix} &\begin{bmatrix}-\frac{1}{2}&\frac{\sqrt3}{2}\\ -\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix} &\begin{bmatrix}-1&0\\ 0&1\end{bmatrix} &\begin{bmatrix}\frac{1}{2}&\frac{\sqrt3}{2}\\ \frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix} &\begin{bmatrix}\frac{1}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}\\ -\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2}\end{bmatrix} \end{array}

验证 ρ2\rho_2ρ3\rho_3 矩阵元 (1,1)(1,1) 的正交性:

11112112+(1)(1)112112=01\cdot1-1\cdot\frac{1}{2}-1\cdot\frac{1}{2}+(-1)\cdot(-1)-1\cdot\frac{1}{2}-1\cdot\frac{1}{2}=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)\mathrm{tr}(MN)=\mathrm{tr}(NM),因此对任意可逆矩阵 PP 有:

tr(P1MP)=tr(M)\mathrm{tr}(P^{-1}MP)=\mathrm{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)(\rho,V) 是群 GG 的一个表示,ρ(g)\rho(g) 的迹称作元素 gg特征标(Character):

χρ:GC,gtr(ρ(g))\chi_\rho: G\to\Complex,\quad g\mapsto\mathrm{tr}(\rho(g))

注意:特征标一般不是群同态,因为通常 tr(MN)tr(M)tr(N)\mathrm{tr}(MN)\neq \mathrm{tr}(M)\mathrm{tr}(N)

例如 Klein四元群 V4={e,h,v,r}V_4=\{e,h,v,r\} 的一组群表示

ρ(e)=[1001],ρ(h)=[1001],ρ(v)=[1001],ρ(r)=[1001]\rho(e)=\begin{bmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{bmatrix},\quad \rho(h)=\begin{bmatrix}-1 & 0 \\ 0 & 1\end{bmatrix},\quad \rho(v)=\begin{bmatrix}1 & 0 \\ 0 & -1\end{bmatrix},\quad \rho(r)=\begin{bmatrix}-1 & 0 \\ 0 & -1\end{bmatrix}

对应的特征标取值:

ehvrχρ2002\begin{array}{c|ccc}&e&h&v&r \\ \hline \chi_{\rho} &2&0&0&-2 \end{array}

基本性质:设 χρ\chi_\rho 是群表示 ρ\rho 的特征标,令 d=dimρd=\dim\rho

  1. g,hGg,h\in G 共轭,则 χρ(g)=χρ(h)\chi_\rho(g)=\chi_\rho(h)
  2. 对任意 gGg\in Gχρ(g1)=χρ(g)\chi_\rho(g^{-1}) = \overline{\chi_\rho(g)}
  3. 单位元的特征标 χρ(e)=d\chi_\rho(e)=d
  4. 对任意 gGg\in Gχρ(g)d|\chi_\rho(g)|\leq d;等号成立当且仅当存在复数 λ\lambda 使得ρ(g)=λI\rho(g)=\lambda I

证明:

(1) 共轭元素对应相似矩阵,迹相等;

(2) 设 gg 的阶为 kk,则 ρ(gk)=I\rho(g^k)=I,故 ρ(g)\rho(g) 的特征值全为 kk 次单位根。因此,存在一组基使 ρ(g)\rho(g) 对角化,记对角元为 λ1,,λd\lambda_1,\dots,\lambda_d,则 λi=1|\lambda_i|=1,因此 λi1=λi\lambda_i^{-1}=\overline{\lambda_i}。于是

χρ(g1)=tr(ρ(g1))=i=1dλi1=i=1dλi=χρ(g).\chi_\rho(g^{-1})=\mathrm{tr}(\rho(g^{-1}))=\sum_{i=1}^d \lambda_i^{-1}=\sum_{i=1}^d \overline{\lambda_i}=\overline{\chi_\rho(g)}.

(3) 单位元对应单位矩阵,迹为维数 dd

(4) 沿用 (2) 的对角化记号,由三角不等式:

χρ(g)=i=1dλii=1dλi=d.|\chi_\rho(g)|=\left|\sum_{i=1}^d \lambda_i\right|\leq \sum_{i=1}^d |\lambda_i|=d.

等号成立当且仅当所有 λi\lambda_i 辐角相同;而 λi=1|\lambda_i|=1,故所有 λi\lambda_i 彼此相等,即ρ(g)=λI\rho(g)=\lambda I

推论:设 (ρ,V)(\rho,V) 是群 GG 的一个表示,令 d=dimρd=\dim\rho。则

ρ(g)=I    χρ(g)=d\rho(g)=I \iff \chi_\rho(g)=d

证明:(\Rightarrow) 显然,单位矩阵迹为 dd

(\Leftarrow) 若 χρ(g)=d\chi_\rho(g)=d,由性质(4)知 ρ(g)=λI\rho(g)=\lambda I,代入迹得 λd=d\lambda d = d,故 λ=1\lambda=1,即ρ(g)=I\rho(g)=I

由此,可通过特征标确定群表示 ρ\rho 的核,进而判断表示是否忠实。

运算性质:设 (ρV,V),(ρW,W)(\rho_V,V),(\rho_W,W) 是群 GG 的两个表示,它们的特征标为 χV,χW\chi_V,\chi_W

  1. ρ=ρVρW\rho=\rho_V\oplus\rho_W ,则对应的特征标 χ=χV+χW\chi=\chi_V+\chi_W
  2. 张量积表示 ρVρW\rho_V\otimes\rho_W 对应的特征标为 χVχW\chi_V\cdot\chi_W
  3. 对偶表示的特征标 χV=χV\chi_{V^*} = \overline{\chi_V}

证明:分别取 V,WV,W 的一组基,任取 gGg\in G ,令 M, NM,\ NρV(g),ρW(g)\rho_V(g),\rho_W(g) 在这组基下的对应矩阵

(1) 直和表示 ρVρW\rho_V\oplus\rho_W 为分块对角阵[M00N]\begin{bmatrix}M&0\\0&N\end{bmatrix},计算特征标

tr(M)+tr(N)=χV(g)+χW(g)\mathrm{tr}(M)+\mathrm{tr}(N)=\chi_V(g)+\chi_W(g)

(2) 张量积矩阵

(MN)js,it=MjiNst(M\otimes N)_{js,it}=M_{ji}N_{st}

这个矩阵的迹

tr(MN)=i,tMiiNtt=(iMii)(tNtt)=tr(M)tr(N)\mathrm{tr}(M\otimes N)=\sum_{i,t}M_{ii}N_{tt} =\left(\sum_i M_{ii}\right)\left(\sum_t N_{tt}\right) =\mathrm{tr}(M)\mathrm{tr}(N)

因此

χVW(g)=χV(g)χW(g)\chi_{V\otimes W}(g)=\chi_V(g)\chi_W(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)\rho_{V^*}(g) 的矩阵为 MTM^{-T},故

χV(g)=tr(MT)=tr(M1)=χV(g1)=χV(g)\chi_{V^*}(g)=\mathrm{tr}(M^{-T})=\mathrm{tr}(M^{-1})=\chi_V(g^{-1})=\overline{\chi_V(g)}

容易计算置换表示的特征标:SS 中由 gg 保持不变的元素个数

χ(g)=Sg\chi(g)=|S^g|

正交定理

类函数:若群函数 ξ:GC\xi:G\to\Complex 满足:

ξ(h1gh)=ξ(g),g,hG\xi(h^{-1}gh)=\xi(g),\quad \forall g,h\in G

则称 ξ\xi类函数。类函数在每个共轭类上取值恒定。全体类函数构成 VGV_G 的子空间 VCl(G)V_{\text{Cl}(G)}。显然,所有特征标都是类函数。

定理:(正交关系) 设 ρ\rhoσ\sigma 是有限群 GG 的两个不可约表示,则

χρ,χσG={1,ρσ0,otherwise\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle_G=\begin{cases} 1, & \rho\sim\sigma \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}

证明:利用特征标的性质 χσ(g1)=χσ(g)\chi_\sigma(g^{-1})=\overline{\chi_\sigma(g)} ,内积重新写为

χρ,χσ=gGχρ(g)χσ(g1)\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle=\sum_{g\in G} \chi_\rho(g)\,\chi_\sigma(g^{-1})

我们使用矩阵元素的形式

χρ,χσ=gGi,jρ(g)iiσ(g1)jj\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle= \sum_{g\in G}\sum_{i,j}\rho(g)_{ii}\sigma(g^{-1})_{jj}

再看群函数的正交关系

gGρ(g)iaσ(g1)bj={Gdρδijδab,ρσ0,otherwise\sum_{g\in G}\rho(g)_{ia}\sigma(g^{-1})_{bj}= \begin{cases} \dfrac{|G|}{d_\rho}\delta_{ij}\delta_{ab}, &\rho\sim\sigma\\ 0, &\text{otherwise} \end{cases}

若不可约表示 ρ, σ\rho,\ \sigma 不等价,则

χρ,χσ=0\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle=0

ρσ\rho\sim\sigma ,交换求和顺序,取 a=i, b=ja=i,\ b=j 。则

χρ,χσ=Gdρi,jδij=G\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle= \frac{|G|}{d_\rho}\sum_{i,j}\delta_{ij}=|G|

通常取群平均内积

χρ,χσG=1Gχρ,χσ\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle_G= \frac{1}{|G|}\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle

于是

χρ,χσG={1,ρσ0,otherwise\langle \boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\chi_\sigma \rangle_G=\begin{cases} 1, & \rho\sim\sigma \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}

综上可知,不可约特征标 χ1,χ2,\chi_1,\chi_2,\cdots 彼此标准正交。

定理:有限群 GG 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 ϕV\phi\in V 与所有不可约特征标正交,则 ϕ0\phi\equiv0

(ρ,V)(\rho,V) 是有限群 GG 的一个表示,χρ\chi_\rho 是其特征标。定义线性映射 T:VVT:V\to V

T=1GgGϕ(g)ρ(g)T=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\overline{\phi(g)}\rho(g)

其迹为

tr(T)=1GgGϕ(g)χρ(g)=χρ,ϕG=0\text{tr}(T)=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\overline{\phi(g)}\chi_\rho(g)=\lang\boldsymbol\chi_\rho,\boldsymbol\phi\rang_G=0

对任意 hGh\in G

ρ(h)T=1GgGϕ(g)ρ(h)ρ(g)=1GgGϕ(g)ρ(hgh1)ρ(h)=Tρ(h)\begin{aligned} \rho(h)T&=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\overline{\phi(g)}\rho(h)\rho(g)\\ &=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\overline{\phi(g)}\rho(hgh^{-1})\rho(h) \\ &=T\rho(h) \end{aligned}

TTGG-同态。若 ρ\rho 是不可约的,根据Schur引理得到 T=λIT=\lambda I,因为 tr(T)=0\text{tr}(T)=0 ,因此 T=0T=0 。任意表示都是不可约表示的直和,因此恒有 T=0T=0

考虑正则表示 ρreg\rho_{\mathrm{reg}} ,表示空间为 C[G]\Complex[G] 。由正则表示的定义 ρreg(g)(e)=g\rho_{\mathrm{reg}}(g)(e)=g,于是

T(e)=1GgGϕ(g)g=0T(e)=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\overline{\phi(g)}g=0

由于 GG 的元素是 C[G]\Complex[G] 的一组基,故对所有的 gGg\in G 都有 ϕ(g)=0\overline{\phi(g)}=0 ,因此 ϕ0\phi\equiv 0

推论:全体不可约特征标构成类函数空间 VCl(G)V_{\text{Cl}(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\boldsymbol\chi 是群表示 ρ\rho 的特征标,由Maschke定理,ρ\rho 同构于不可约表示 ρ1,,ρr\rho_1,\cdots,\rho_r 的直和,记为

ρn1ρ1nrρr\rho\sim n_1\rho_1\oplus\cdots\oplus n_r\rho_r

其中 niρin_i\rho_i 代表 nin_i 个不可约表示 ρi\rho_i 的直和。则

χ=n1χ1++nrχr\boldsymbol\chi=n_1\boldsymbol\chi_1+\cdots+n_r\boldsymbol\chi_r

因为 (χ1,,χr)(\boldsymbol\chi_1,\cdots,\boldsymbol\chi_r) 是标准正交基,于是系数可由内积提取

ni=χ,χiGn_i=\lang\boldsymbol\chi,\boldsymbol\chi_i\rang_G

推论:特征标 χ\chi 不可约等价于 χ,χG=1\lang\boldsymbol\chi,\boldsymbol\chi\rang_G=1

证明:将 χ\chi 分解为不可约特征标的线性组合 χ=n1χ1++nrχr\boldsymbol\chi=n_1\boldsymbol\chi_1+\cdots+n_r\boldsymbol\chi_r ,由正交性

χ,χG=n12++nr2\lang\boldsymbol\chi,\boldsymbol\chi\rang_G=n_1^2+\cdots+n_r^2

该值等于1当且仅当恰好一个 ni=1n_i=1,其余全为0,即χ\chi是单个不可约特征标。

特征标的内积 χ,χG\lang\boldsymbol\chi,\boldsymbol\chi\rang_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\rho_i,\rho_j 是有限群 GG 的两个表示,则

ρiρj    χi=χj\rho_i\sim\rho_j\iff \chi_i=\chi_j

证明:(\Rightarrow) 若两个表示同构,则二者对应的矩阵等价,因此迹处处相等。

(\Leftarrow) 特征标分解为

χi=a1χ1++arχrχj=b1χ1++brχr\boldsymbol\chi_i=a_1\boldsymbol\chi_1+\cdots+a_r\boldsymbol\chi_r \\ \boldsymbol\chi_j=b_1\boldsymbol\chi_1+\cdots+b_r\boldsymbol\chi_r

由于 χ1,,χr\boldsymbol\chi_1,\cdots,\boldsymbol\chi_r 是线性无关的,由 χi=χj\chi_i=\chi_j 可得,对每个 kkak=bka_k=b_k ,即 ρi,ρj\rho_i,\rho_j 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:

  • g=eg=e 时,ρreg(e)\rho_\mathrm{reg}(e) 是恒等映射,迹为 dimC[G]=G\dim\Complex[G]=|G|
  • geg\neq e 时,左乘 gg 会将基向量 hh 映射到 ghgh ,没有不动点,故矩阵所有对角元均为 0,迹为 0。

综上

χreg(g)={G,g=e0,ge\chi_{\mathrm{reg}}(g)=\begin{cases}|G|, &g=e\\0, &g\neq e\end{cases}

例如,对于群 D3=r,fD_3=\lang r,f\rang ,正则表示的特征标是

erfχreg600\begin{array}{c|ccc}&e&r&f \\ \hline \chi_{\mathrm{reg}} &6&0&0 \end{array}

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:

ρregn1ρ1nrρr\rho_{\mathrm{reg}}\sim n_1\rho_1\oplus\cdots\oplus n_r\rho_r

其中而 niρin_i\rho_i 是表示 nin_i 个不可约表示 ρi\rho_i 的直和

根据特征标内积公式,重数

ni=χreg,χiG=1GgGχreg(g)χi(g)n_i=\lang\boldsymbol\chi_{\mathrm{reg}},\boldsymbol\chi_i\rang_G= \frac{1}{|G|}\sum_{g\in G} \chi_\text{reg}(g)\,\overline{\chi_i(g)}

只有 g=eg=e 项非零,于是

ni=χi(e)=dimρin_i=\overline{\chi_i(e)}=\dim\rho_i

每个不可约表示 ρi\rho_i 在正则表示中出现的重数恰好等于其自身的维数 dimρi\dim\rho_i

di=dimρid_i=\dim\rho_i​ ,于是

ρregd1ρ1drρr\rho_{\mathrm{reg}}\sim d_1\rho_1\oplus\cdots\oplus d_r\rho_r

并且

χreg=d1χ1++drχr\boldsymbol\chi_{\mathrm{reg}}=d_1\boldsymbol\chi_1+\cdots+d_r\boldsymbol\chi_r

对上述直和取维数

G=dimρreg=i=1rdidimρi=i=1rdi2|G|=\dim\rho_{\mathrm{reg}}=\sum_{i=1}^rd_i\dim\rho_i=\sum_{i=1}^rd_i^2

Burnside定理:设不可约表示的个数为 rr ,记 di=dimρid_i=\dim \rho_i ,则 did_i 整除 G|G|

G=d12++dr2|G|=d_1^2+\cdots+d_r^2

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 D3D_3 群的不可约表示构成的正交基底

B=[1110011112323212111232321211100111123232121112323212]B=\begin{bmatrix}\begin{array}{c:c:c:c:c:c} 1&1&1&0&0&1\\ 1&1&-\frac{1}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}&\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2} \\ 1&1&-\frac{1}{2}&\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2} \\ 1&-1&-1&0&0&1 \\ 1&-1&\frac{1}{2}&\frac{\sqrt3}{2}&\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2} \\ 1&-1&\frac{1}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{\sqrt3}{2}&-\frac{1}{2} \end{array}\end{bmatrix}

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\chi_i(e)=\dim\rho_i

示例1:循环群 C3=aC_3=\langle a\rangle 的特征标表

eaa2χ1111χ21ζζ2χ31ζ2ζ\begin{array}{c|ccc} &e&a&a^2 \\ \hline \chi_1&1&1&1 \\ \hdashline \chi_2&1&\zeta&\zeta^2 \\ \hdashline \chi_3&1&\zeta^2&\zeta \end{array}

示例2:Klein四元群 V4={e,h,v,r}V_4=\{e,h,v,r\} 的特征标表

ehvrχ11111χ21111χ31111χ41111\begin{array}{c|cccc} &e&h&v&r \\ \hline \chi_1&1&1&1&1 \\ \hdashline \chi_2&1&-1&-1&1 \\ \hdashline \chi_3&1&1&-1&-1 \\ \hdashline \chi_4&1&-1&1&-1 \end{array}

示例3:二面体群 D4=r,fD_4=\langle r,f\rangle 的特征标表

er2{r,r3}{f,fr2}{fr,fr3}χ111111χ211111χ311111χ411111χ522000\begin{array}{c|ccccc} &e&r^2&\{r,r^3\}&\{f,fr^2\}&\{fr,fr^3\} \\ \hline \chi_1&1&1&1&1&1 \\ \hdashline \chi_2&1&1&1&-1&-1 \\ \hdashline \chi_3&1&1&-1&1&-1 \\ \hdashline \chi_4&1&1&-1&-1&1 \\ \hdashline \chi_5&2&-2&0&0&0 \end{array}

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,fD_3=\langle r,f\rangle 有3个共轭类,因而有3个不可约表示。方程 6=d12+d22+d326=d_1^2+d_2^2+d_3^2 仅有的解是 6=12+12+226=1^2+1^2+2^2 ,因而 D3D_3 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\rho_1 ;另一个一维表示则是同构于 S3S_3 的符号表示,记为 ρ2\rho_2 ; 二维表示的特征标可通过方程组求得。

e{r,r2}{f,fr,fr2}χ1111χ2111χ3210\begin{array}{c|ccc} &e&\{r,r^2\}&\{f,fr,fr^2\} \\ \hline \chi_1&1&1&1 \\ \hdashline \chi_2&1&1&-1 \\ \hdashline \chi_3&2&-1&0 \end{array}

对偶空间与张量积

对偶表示

一般地,对于向量空间 VV 的一组基 {ei}\{\boldsymbol e_i\} ,取对偶空间 VV^* 对应的基

ϵi(ej)=δji\boldsymbol\epsilon^i(\boldsymbol e_j)=\delta^i_j

那么,对于任意 αV\boldsymbol\alpha\in V^* 就有

α=αiϵi\boldsymbol\alpha=\alpha_i\boldsymbol\epsilon^i

其中 αi=α(ei)\alpha_i=\boldsymbol\alpha(\boldsymbol e_i)

(ρ,V)(\rho,V) 是群 GG 的一个表示,定义对偶表示 (ρ,V)(\rho^*,V^*)

ρ(g):ααρ(g1)\rho^*(g):\boldsymbol\alpha\mapsto \boldsymbol\alpha\circ \rho(g^{-1})

ρ(g)\rho(g) 的矩阵为 RR,则 ρ(g)\rho^*(g) 在对偶基下的矩阵为 RR^{-\top}(逆转置)。

例如,设二面体群 D3=r,fD_3=\lang r,f\rang 的二维不可约表示 ρ\rho。在合适的基下

ρ(r)=[ζ00ζ1],ρ(f)=[0110]\rho(r)=\begin{bmatrix}\zeta & 0\\ 0 & \zeta^{-1}\end{bmatrix},\quad \rho(f)=\begin{bmatrix}0 & 1\\ 1 & 0\end{bmatrix}

其对偶表示在对偶基下的矩阵为

ρ(r)=[ζ100ζ],ρ(f)=[0110]\rho^{*}(r)=\begin{bmatrix}\zeta^{-1} & 0\\ 0 & \zeta\end{bmatrix},\quad \rho^{*}(f)=\begin{bmatrix}0 & 1\\ 1 & 0\end{bmatrix}

定理:表示 ρV\rho_V 不可约当且仅当对偶表示 ρV\rho_V^* 不可约。

张量积表示

V,WV,W 是向量空间,取一组基 {ai}, {bj}\{\boldsymbol a_i\},\ \{\boldsymbol b_j\} ,定义以 {aibj}\{\boldsymbol a_i\otimes \boldsymbol b_j\} 为基的张量积空间

VW={i,jαiβj(aibj)αiβjC}V\otimes W=\left\{\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j\, (\boldsymbol a_i\otimes \boldsymbol b_j)\mid\alpha_i\beta_j\in\Complex\right\}

ρV,ρW\rho_V,\rho_W 分别是 GGV,WV,W 上的表示,定义张量积表示

ρVW(g)(aibj)=ρV(g)(ai)ρW(g)(bj)\rho_{V\otimes W}(g)(\boldsymbol a_i\otimes \boldsymbol b_j) = \rho_V(g)(\boldsymbol a_i) \otimes \rho_W(g)(\boldsymbol b_j)

ρV(g)=M, ρW(g)=N\rho_V(g)=M,\ \rho_W(g)=N,则张量积对应的矩阵为克罗内克积 MNM\otimes N

例如,取 D3=r,fD_3=\lang r,f\rang 的二维不可约表示

ρV(r)=[ζ00ζ1],ρV(f)=[0110]\rho_V(r)=\begin{bmatrix}\zeta & 0\\ 0 & \zeta^{-1}\end{bmatrix},\quad \rho_V(f)=\begin{bmatrix}0 & 1\\ 1 & 0\end{bmatrix}

一维符号表示

ρV(r)=1,ρV(f)=1\rho_{V}(r)=1,\quad \rho_{V}(f)=-1

则张量积表示

ρVW(r)=[ζ00ζ1],ρVW(f)=[0110]\rho_{V\otimes W}(r)=\begin{bmatrix}\zeta & 0\\ 0 & \zeta^{-1}\end{bmatrix},\quad \rho_{V\otimes W}(f)=\begin{bmatrix}0 & -1\\ -1 & 0\end{bmatrix}

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