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誘導、代數,與李群一瞥

子群的表示如何搭建整個群的表示?誘導給出答案,而 Frobenius 互反律使之可計算。隨後我們退一步,把特徵標看作群代數半單結構的影子,最後讓 G 變為無限——緊李群——此時取平均變成積分。

誘導:從子群升到群

設 H ≤ G,W 是 H 的表示。誘導表示 Ind_H^G W 透過大致地在 H 的每個陪集上放一份 W,並讓 G 置換陪集、同時在每份內由 H 作用,從而構造大群的表示。其維數為 [G:H]·dim W。具體地 Ind_H^G W = C[G] ⊗_{C[H]} W,是沿包含 C[H] ↪ C[G] 的純量擴張——一旦有了模的張量積,這便是最乾淨的定義。

讓誘導可用的工具是 Frobenius 互反律:⟨Ind_H^G W, V⟩_G = ⟨W, Res_H^G V⟩_H,其中 Res 是限制回 H。換言之,G 的不可約 V 在誘導表示中的重數,等於 W 在 V 限制到 H 後的重數。它把困難的樓上計算變成容易的樓下計算——而它正是兩個函子之間的伴隨,誘導是限制的左伴隨。

Inducing from H = A_3 = {e,(123),(132)} (index 2) up to G = S_3.

A_3 = Z/3Z is abelian, three 1-dim characters psi_0, psi_1, psi_2
with psi_j((123)) = omega^j,  omega = e^{2 pi i /3}.

Induce the trivial psi_0 of A_3:   dim = [S_3:A_3]*1 = 2.
Its character on classes (e,(12),(123)) is
  Ind psi_0 (e)     = 2
  Ind psi_0 ((12))  = 0      (transpositions have no A_3-conjugate fixed)
  Ind psi_0 ((123)) = psi_0((123)) + psi_0((132)) = 1 + 1 = 2
=> character (2, 0, 2) = trivial (+) sign of S_3.  (reducible)

Induce psi_1 instead:  character (2, 0, omega + omega^2) = (2, 0, -1)
=> exactly the STANDARD irreducible of S_3.
Check by Frobenius reciprocity: <Ind psi_1, standard>_{S_3}
   = <psi_1, Res standard>_{A_3} = 1.  OK
誘導 A_3 的一個特徵標即重建出 S_3 的 2 維標準不可約表示。

特徵標作為代數的影子

退回到群代數。因為 C[G] 是半單環Artin–Wedderburn 定理說它分裂為矩陣代數之積:C[G] ≅ ∏ᵢ Mat_{dᵢ}(C),每個不可約表示對應一個因子,大小是其次數 dᵢ。兩邊比較維數立刻重得 Σ dᵢ² = |G|。關於特徵標的一切——正交關係、不可約個數、正則表示——都是這個矩陣環之積的結構,透過跡來看。

讓群變為無限

當 G 是連續群(如圓周 U(1) 或旋轉群 SO(3))時,什麼得以保留?關鍵一招是取平均 (1/|G|) Σ_g。對群存在唯一的不變機率測度——Haar 測度——故取平均變為積分 ∫_G ⋯ dg。僅憑這一替換,Maschke、Schur 與正交關係都原樣通過:每個有限維表示都完全可約,特徵標仍是正交歸一的類函數。

有限群中「C[G] 分解為含每個不可約表示的矩陣塊」的陳述,變成 Peter–Weyl 定理:不可約表示的矩陣係數構成 L²(G) 的正交歸一基。對 U(1) 這正是經典的Fourier 級數——它的不可約表示是特徵標 z ↦ zⁿ,而 Peter–Weyl 就是 {eⁱⁿᵗ} 的完備性。於是表示論把調和分析作為交換情形包含其中。