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诱导、代数,与李群一瞥

子群的表示如何搭建整个群的表示?诱导给出答案,而 Frobenius 互反律使之可计算。随后我们退一步,把特征标看作群代数半单结构的影子,最后让 G 变为无限——紧李群——此时取平均变成积分。

诱导:从子群升到群

设 H ≤ G,W 是 H 的表示。诱导表示 Ind_H^G W 通过大致地在 H 的每个陪集上放一份 W,并让 G 置换陪集、同时在每份内由 H 作用,从而构造大群的表示。其维数为 [G:H]·dim W。具体地 Ind_H^G W = C[G] ⊗_{C[H]} W,是沿包含 C[H] ↪ C[G] 的标量扩张——一旦有了模的张量积,这便是最干净的定义。

让诱导可用的工具是 Frobenius 互反律:⟨Ind_H^G W, V⟩_G = ⟨W, Res_H^G V⟩_H,其中 Res 是限制回 H。换言之,G 的不可约 V 在诱导表示中的重数,等于 W 在 V 限制到 H 后的重数。它把困难的楼上计算变成容易的楼下计算——而它正是两个函子之间的伴随,诱导是限制的左伴随。

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
诱导 A_3 的一个特征标即重建出 S_3 的 2 维标准不可约表示。

特征标作为代数的影子

退回到群代数。因为 C[G] 是半单环Artin–Wedderburn 定理说它分裂为矩阵代数之积:C[G] ≅ ∏ᵢ Mat_{dᵢ}(C),每个不可约表示对应一个因子,大小是其次数 dᵢ。两边比较维数立刻重得 Σ dᵢ² = |G|。关于特征标的一切——正交关系、不可约个数、正则表示——都是这个矩阵环之积的结构,透过迹来看。

让群变为无限

当 G 是连续群(如圆周 U(1) 或旋转群 SO(3))时,什么得以保留?关键一招是取平均 (1/|G|) Σ_g。对群存在唯一的不变概率测度——Haar 测度——故取平均变为积分 ∫_G ⋯ dg。仅凭这一替换,Maschke、Schur 与正交关系都原样通过:每个有限维表示都完全可约,特征标仍是正交归一的类函数。

有限群中“C[G] 分解为含每个不可约表示的矩阵块”的陈述,变成 Peter–Weyl 定理:不可约表示的矩阵系数构成 L²(G) 的正交归一基。对 U(1) 这正是经典的Fourier 级数——它的不可约表示是特征标 z ↦ zⁿ,而 Peter–Weyl 就是 {eⁱⁿᵗ} 的完备性。于是表示论把调和分析作为交换情形包含其中。