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特征标:透过迹看群

追踪整个矩阵很沉重;它们的迹却很轻且毫无损失。表示的特征标是群上的一个函数,它在同构意义下决定该表示——而且它在共轭类上为常数,这正是特征标表得以成立的原因。

定义与最初的性质

表示 ρ 的特征标是函数 χ: G → C,定义为 χ(g) = tr ρ(g),即矩阵的迹。迹与基无关,故 χ 不依赖于所选的基,且同构的表示有相等的特征标。立刻得到两个事实:χ(e) = tr(id) = dim V 即次数;又因 tr(ABA⁻¹) = tr(B),得 χ(hgh⁻¹) = χ(g)。因此特征标是一个类函数——在每个共轭类上为常数。

更多性质,皆由线性代数证得。对有限群,ρ(g) 有有限阶,故可对角化且对角线上是单位根;因此 χ(g⁻¹) 是 χ(g) 的共轭,且 |χ(g)| ≤ dim V。直和的特征标是特征标之和,而张量积的特征标是乘积:χ_{V⊗W}(g) = χ_V(g)·χ_W(g)。特征标把表示的代数变成函数的普通算术。

实例:S_3 的特征标表

S_3 有三个共轭类:单位元 {e}、三个对换、两个 3-循环。恰有三个不可约表示(第 4 篇会看到为何不可约表示的个数等于类的个数)。平凡特征标恒为 1;符号特征标把偶置换送到 1、奇置换送到 −1;还有一个 2 维标准表示。

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
三个类、三个不可约表示、一张 3×3 的表——次数的平方和等于群的阶。

注意不动点列技巧:G 在有限集上的任何作用都给出一个置换表示,其在 g 处的特征标就是 g 固定的点数。减去平凡部分,标准表示便浮现。这是实践中计算特征标的日常做法。

为何特征标决定表示