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特徵標:透過跡看群

追蹤整個矩陣很沉重;它們的跡卻很輕且毫無損失。表示的特徵標是群上的一個函數,它在同構意義下決定該表示——而且它在共軛類上為常數,這正是特徵標表得以成立的原因。

定義與最初的性質

表示 ρ 的特徵標是函數 χ: G → C,定義為 χ(g) = tr ρ(g),即矩陣的跡。跡與基無關,故 χ 不依賴於所選的基,且同構的表示有相等的特徵標。立刻得到兩個事實:χ(e) = tr(id) = dim V 即次數;又因 tr(ABA⁻¹) = tr(B),得 χ(hgh⁻¹) = χ(g)。因此特徵標是一個類函數——在每個共軛類上為常數。

更多性質,皆由線性代數證得。對有限群,ρ(g) 有有限階,故可對角化且對角線上是單位根;因此 χ(g⁻¹) 是 χ(g) 的共軛,且 |χ(g)| ≤ dim V。直和的特徵標是特徵標之和,而張量積的特徵標是乘積:χ_{V⊗W}(g) = χ_V(g)·χ_W(g)。特徵標把表示的代數變成函數的普通算術。

實例:S_3 的特徵標表

S_3 有三個共軛類:單位元 {e}、三個對換、兩個 3-循環。恰有三個不可約表示(第 4 篇會看到為何不可約表示的個數等於類的個數)。平凡特徵標恆為 1;符號特徵標把偶置換送到 1、奇置換送到 −1;還有一個 2 維標準表示。

Conjugacy classes of S_3 and their sizes:
  class:      e       (12)      (123)
  size:       1        3          2

Character table (rows = irreducibles, columns = classes):

              e     (12)    (123)
  trivial     1      1        1
  sign        1     -1        1
  standard    2      0       -1

Getting the standard row: S_3 permutes coordinates of C^3; the
permutation character is (3, 1, 0)  [fixed points of each class].
Subtract the trivial (1,1,1):  (3,1,0) - (1,1,1) = (2, 0, -1).
That 2-dim complement is the standard irreducible — its row, read off.

Degree check (sum of squares = |G|):  1^2 + 1^2 + 2^2 = 6 = |S_3|.  OK
三個類、三個不可約表示、一張 3×3 的表——次數的平方和等於群的階。

注意不動點列技巧:G 在有限集上的任何作用都給出一個置換表示,其在 g 處的特徵標就是 g 固定的點數。減去平凡部分,標準表示便浮現。這是實踐中計算特徵標的日常做法。

為何特徵標決定表示