1. 前置
2. 基本定义
以下默认 G 是群,F 是域,V 是 F 上的向量空间。记 GL(V) 为 V 上全体可逆线性变换构成的一般线性群。若 dimV=n<∞,选定基后有 GL(V)≅GL(n,F)。
2.1. 表示
G 在 V 上的表示有下面两个常用定义,二者等价。V 称为表示空间,表示常记成 (ρ,V) 或简记为 V。
定义 A(同态)
群同态
ρ:G→GL(V).
即每个 g∈G 对应一个可逆线性映射 ρ(g):V→V,并且
ρ(g1g2)=ρ(g1)∘ρ(g2).
由此自动有 ρ(e)=idV
证明:ρ(e)=ρ(ee)=ρ(e)∘ρ(e),在 GL(V) 中左乘 ρ(e)−1 得 idV=ρ(e)。
定义 B(线性作用)
G 在集合 V 上的群作用 ϕ:G×V→V,记 g⋅v:=ϕ(g,v),并且每个 g 的作用对 V 的线性结构是线性的:
g⋅(αv+βw)=α(g⋅v)+β(g⋅w).
2.2. 定义的等价性
二者的对应是
g⋅v=ρ(g)(v).
证明(A ⇔ B)
先由 A 推 B。给定 ρ:G→GL(V),定义 ϕ(g,v):=ρ(g)(v)。则
e⋅v=ρ(e)(v)=idV(v)=v,
(g1g2)⋅v=ρ(g1g2)(v)=(ρ(g1)∘ρ(g2))(v)=ρ(g1)(ρ(g2)(v))=g1⋅(g2⋅v).
故 ϕ 是群作用。
又 ρ(g)∈GL(V)。按 GL(V) 的定义,其中每个元素都是 V 上的可逆线性映射,故 ρ(g) 线性:
ρ(g)(αv+βw)=αρ(g)(v)+βρ(g)(w).
于是
g⋅(αv+βw)=ρ(g)(αv+βw)=αρ(g)(v)+βρ(g)(w)=α(g⋅v)+β(g⋅w).
这是线性作用。
再由 B 推 A。给定线性作用 ϕ,对每个 g∈G 定义 ρ(g):V→V 为
ρ(g)(v):=g⋅v.
要说明 ρ(g)∈GL(V),需要两件事:线性,以及可逆。二者来源不同。
线性来自定义 B 的线性公理。对任意 α,β∈F 和 v,w∈V,
ρ(g)(αv+βw)=g⋅(αv+βw)=α(g⋅v)+β(g⋅w)=αρ(g)(v)+βρ(g)(w).
这正是线性映射的定义,所以 ρ(g) 线性。这里还没有用到 g 可逆。
可逆来自群作用公理,与线性无关。任意群作用都使 v↦g⋅v 成为集合 V 上的双射,逆映射是 v↦g−1⋅v:
ρ(g)(ρ(g−1)(v))=g⋅(g−1⋅v)=(gg−1)⋅v=e⋅v=v,
ρ(g−1)(ρ(g)(v))=g−1⋅(g⋅v)=(g−1g)⋅v=e⋅v=v.
因此 ρ(g)−1=ρ(g−1),ρ(g) 是双射。线性映射若可逆,就属于 GL(V),故 ρ(g)∈GL(V)。
再由作用的结合性,
ρ(g1g2)(v)=(g1g2)⋅v=g1⋅(g2⋅v)=ρ(g1)(ρ(g2)(v)),
即 ρ(g1g2)=ρ(g1)∘ρ(g2)。故 ρ:G→GL(V) 是群同态。
平凡表示:ρ(g)=idV 对一切 g 成立。一维平凡表示常记为 1。
2.3. 矩阵表示、维数与忠实性
若 dimV=n<∞,选定基后,ρ(g) 成为可逆矩阵。此时称 ρ 为 n 维矩阵表示,n=dimV 称为表示的维数或次数。
同态核 kerρ={g∈G:ρ(g)=idV} 是 G 的正规子群。若 kerρ={e},即 ρ 单射,则称表示忠实。
2.4. 不变子空间、子表示与商表示
设 (ρ,V) 是表示。子空间 W⊆V 称为 G-不变子空间(或不变子空间),如果
∀g∈G,ρ(g)W⊆W.
这其实等价于更强的等式 ρ(g)W=W。
证明
已有 ρ(g)W⊆W。把同一个条件用在 g−1 上,得 ρ(g−1)W⊆W。两边用 ρ(g) 作用(任意映射都保持包含关系):
ρ(g)(ρ(g−1)W)⊆ρ(g)W.
左边是 (ρ(g)∘ρ(g−1))W=idV(W)=W,故 W⊆ρ(g)W。两头一夹,
ρ(g)W=W.
因此 G 把 W 映进自己,实际上是把 W 双射到自己:ρ(g)∣W∈GL(W)。这也是子表示良定义的原因。
不变的是子空间作为集合,不是其中每个向量都不动。即
v∈W⟹ρ(g)v∈W,
而一般 ρ(g)v=v。
{0} 与 V 永远是不变子空间,称为平凡不变子空间。
2.5. 不可约、可约与完全可约
设 V={0}。称 (ρ,V) 不可约,如果 V 中不存在非平凡的 G-不变子空间:
(ρ,V) 不可约⟺∄W⊆V,{0}⊊W⊊V,∀g∈G, ρ(g)W⊆W.
此时也称 V 为不可约表示(irrep)。
若存在非平凡不变子空间,则称表示可约。
称表示完全可约(或半单),如果它同构于不可约表示的直和:
V≅V1⊕V2⊕⋯⊕Vk,
每个 Vi 不可约。