Теория представлений полупростых алгебр Ли - Representation theory of semisimple Lie algebras

В математике теория представлений полупростых алгебр Ли одно из главных достижений теория групп Ли и алгебр Ли. Теория была разработана в основном Э. Картан и Х. Вейль и из-за этого теория также известна как Теория Картана – Вейля.[1] Теория дает структурное описание и классификацию конечномерного представление из полупростая алгебра Ли (над ); в частности, он дает возможность параметризовать (или классифицировать) неприводимые конечномерные представления полупростой алгебры Ли, результат, известный как теорема наивысшего веса.

Между конечномерными представлениями односвязной компактной группы Ли существует естественное взаимно однозначное соответствие K и конечномерные представления комплексной полупростой алгебры Ли то есть комплексификация алгебры Ли K (этот факт по сути является частным случаем Соответствие группы Ли и алгебры Ли ). Кроме того, конечномерные представления связной компактной группы Ли могут быть изучены через конечномерные представления универсального покрытия такой группы. Таким образом, теория представлений полупростых алгебр Ли является отправной точкой для общей теории алгебр Ли. представления связных компактных групп Ли.

Теория легла в основу более поздних работ Хариш-Чандра которые касаются (бесконечномерной) теории представлений вещественных редуктивных групп.

Классификация конечномерных представлений полупростых алгебр Ли

Существует красивая теория, классифицирующая конечномерные представления полупростой алгебры Ли над . Конечномерный несводимый представления описываются теорема наивысшего веса. Теория описана в различных учебниках, в том числе Фултон и Харрис (1991), Холл (2015), и Хамфрис (1972).

После обзора теория описывается во все большей степени, начиная с двух простых случаев, которые можно выполнить «вручную», а затем переходя к общему результату. Акцент здесь делается на теории представлений; для геометрических структур, включающих корневые системы, необходимых для определения термина «доминирующий интегральный элемент», перейдите по указанной выше ссылке о весах в теории представлений.

Обзор

Классификация конечномерных неприводимых представлений полупростой алгебры Ли над или же обычно состоит из двух шагов. Первый шаг сводится к анализу гипотетических представлений, что приводит к предварительной классификации. Второй шаг - это фактическая реализация этих представлений.

Реальная алгебра Ли обычно усложняется, что позволяет проводить анализ в алгебраически замкнутое поле. Кроме того, работа с комплексными числами позволяет получить более удобные основания. Применяется следующая теорема: вещественно-линейные конечномерные представления вещественной алгебры Ли расширяются до комплексно-линейных представлений ее комплексификации. Вещественно-линейное представление неприводимо тогда и только тогда, когда соответствующее комплексно-линейное представление неприводимо.[2] Более того, комплексная полупростая алгебра Ли имеет свойство полной сводимости. Это означает, что любое конечномерное представление распадается как прямая сумма неприводимые представления.

Вывод: Классификация сводится к изучению неприводимых комплексных линейных представлений (комплексифицированной) алгебры Ли.

Классификация: Шаг первый

Первый шаг - это выдвигать гипотезу существование неприводимых представлений. Другими словами, предполагается, что у него есть неприводимое представление комплексной полупростой алгебры Ли не беспокоясь о том, как построено представление. Исследуются свойства этих гипотетических представлений.[3] и условия необходимо для существования неприводимого представления затем устанавливаются.

Свойства включают веса представительства. Вот самое простое описание.[4] Позволять подалгебра Картана в , то есть максимальная коммутативная подалгебра со свойством диагонализируется для каждого ,[5] и разреши быть основой для . А масса для представления из представляет собой набор одновременных собственные значения

для коммутирующих операторов . В базисно-независимом языке является линейным функционалом на .

А частичный заказ на множестве весов, и понятие самый высокий вес в терминах этого частичного упорядочивания устанавливается для любого набора весов. Используя структуру алгебры Ли, понятия доминирующий элемент и составной элемент определены. Каждое конечномерное представление должно иметь максимальный вес , т. е. тот, для которого не существует строго большего веса. Если неприводимо и весовой вектор с весом , то все пространство должен быть произведен действием на . Таким образом, представляет собой "циклическое представление старшего веса". Затем показывают, что вес на самом деле наибольший веса (не только максимального) и что каждое циклическое представление старшего веса неприводимо. Затем показано, что два неприводимых представления с одинаковым старшим весом изоморфны. Наконец, один показывает, что наибольший вес должно быть доминирующим и целостным.

Вывод: Неприводимые представления классифицируются по их старшим весам, и самый высокий вес всегда является доминирующим интегральным элементом.

У первого шага есть побочное преимущество, заключающееся в лучшем понимании структуры неприводимых представлений. Представления разлагаются как прямые суммы весовые пространства, причем весовое пространство соответствует одномерному старшему весу. Повторное применение представителей некоторых элементов алгебры Ли, называемых опускающие операторы дает набор генераторов для представления в виде векторного пространства. Применение одного такого оператора к вектору с определенным весом приводит либо к нулю, либо к вектору с строго ниже масса. Повышающие операторы работают аналогично, но в результате получается вектор с строго выше вес или ноль. Представители подалгебры Картана действуют по диагонали в базисе весовых векторов.

Классификация: Шаг второй

Шаг второй связан с построением представлений, которые допускает Шаг первый. То есть теперь мы фиксируем доминирующий интегральный элемент и попытаться строить неприводимое представление со старшим весом .

Есть несколько стандартных способов построения неприводимых представлений:

  • Строительство с использованием Модули Verma. Этот подход чисто алгебраический. (Обычно применимо к комплексным полупростым алгебрам Ли.)[6][7]
  • В компактный групповой подход с использованием Теорема Питера – Вейля. Если, например, , можно было бы работать с односвязной компактной группой . (Обычно применимо к комплексным полупростым алгебрам Ли.)[8][9]
  • Строительство с использованием Теорема Бореля – Вейля., в котором голоморфные представления группы грамм соответствующий построены. (Обычно применимо к комплексным полупростым алгебрам Ли.)[9]
  • Выполнение стандартных операций на известен представительства, в частности применяющие Разложение Клебша – Гордана к тензорные произведения представлений. (Обычно не применимо.)[nb 1] В случае , эта конструкция описана ниже.
  • В самых простых случаях строительство с нуля.[10]
Вывод: Каждый доминирующий интегральный элемент комплексной полупростой алгебры Ли порождает неприводимое конечномерное представление. Это единственные неприводимые представления.

Случай sl (2, C)

Алгебра Ли sl (2,C) из специальная линейная группа SL (2,C) - пространство 2x2 матриц с нулевым следом и комплексными элементами. Основу составляют следующие элементы:

Они удовлетворяют коммутационным соотношениям

.

Всякое конечномерное представление sl (2,C) распадается как прямая сумма неприводимых представлений. Это утверждение следует из общего результата о полной приводимости полупростых алгебр Ли[11] или из того, что sl (2,C) является комплексификацией алгебры Ли односвязной компактной группы SU (2).[12] Неприводимые представления , в свою очередь, можно классифицировать[13] по наибольшему собственному значению , которое должно быть неотрицательным целым числом м. Другими словами, в этом случае «доминирующий интегральный элемент» - это просто неотрицательное целое число. Неприводимое представление с наибольшим собственным значением м имеет размер и натянута на собственные векторы для с собственными значениями . Операторы и перемещаться вверх и вниз по цепочке собственных векторов соответственно. Этот анализ подробно описан в теория представлений SU (2) (с точки зрения комплексифицированной алгебры Ли).

Можно дать конкретную реализацию представлений (шаг второй в обзоре выше) любым из двух способов. Во-первых, в этом простом примере нетрудно написать явную основу для представления и явную формулу того, как генераторы алгебры Ли действуют на этой основе.[14] В качестве альтернативы можно реализовать представление[15] с наибольшим весом позволяя обозначим пространство однородных многочленов степени в двух комплексных переменных, а затем определяя действие , , и к

Отметим, что формулы действия , , и не зависеть от ; нижний индекс в формулах лишь указывает на то, что мы ограничиваем действие указанных операторов пространством однородных многочленов степени в и .

Случай sl (3, C)

Пример весов представления алгебры Ли sl (3, C) со старшим весом в кружке
Восьмимерное присоединенное представление sl (3, C), называемое "восьмикратный путь "в физике элементарных частиц

Есть похожий теория[16] классифицируя неприводимые представления sl (3,C), которая является комплексифицированной алгеброй Ли группы SU (3). Алгебра Ли sl (3,C) является восьмимерным. Мы можем работать с базой, состоящей из следующих двух диагональных элементов

,

вместе с шестью другими матрицами и каждая из которых как 1 в недиагональной записи и нули в других местах. (The над диагональю стоит 1, а под диагональю стоит 1.)

Тогда стратегия заключается в одновременной диагонализации и в каждом неприводимом представлении . Напомним, что в сл (2,C) случае действие и повышать и понижать собственные значения . Аналогично в sl (3,C) случае действие и «поднять» и «опустить» собственные значения и . Затем неприводимые представления классифицируются[17] по наибольшим собственным значениям и из и соответственно, где и неотрицательные целые числа. Другими словами, в этом контексте «доминирующий интегральный элемент» - это в точности пара неотрицательных целых чисел.

В отличие от представлений sl (2,C) представление sl (3,C) не могут быть описаны явно. Таким образом, требуется аргумент, чтобы показать, что каждый пара на самом деле возникает наивысший вес некоторого неприводимого представления (шаг второй в обзоре выше). Это можно сделать следующим образом. Сначала мы строим «фундаментальные представления» со старшими весами (1,0) и (0,1). Это трехмерное стандартное представление (в котором ) и двойственное к стандартному представлению. Затем берется тензорное произведение копии стандартного представления и копии двойственного стандартного представления и извлекает неприводимое инвариантное подпространство.[18]

Хотя представления не могут быть описаны явно, есть много полезной информации, описывающей их структуру. Например, размерность неприводимого представления со старшим весом дан кем-то[19]

Существует также простой образец кратностей различных весовых пространств. Наконец, неприводимые представления со старшим весом могут быть реализованы конкретно на пространстве однородных многочленов степени в трех комплексных переменных.[20]

Случай общей полупростой алгебры Ли

Позволять быть полупростая алгебра Ли и разреши быть Подалгебра Картана из , т. е. максимальная коммутативная подалгебра со свойством adЧАС диагонализируется для всех ЧАС в . В качестве примера можно рассмотреть случай, когда это sl (п,C), алгебра п к п бесследные матрицы и - подалгебра бесследовых диагональных матриц.[21] Затем мы позволяем р обозначим связанный корневая система. Затем мы выбираем базу (или систему положительные простые корни ) за р.

Теперь мы кратко резюмируем структуры, необходимые для определения теорема наивысшего веса; подробнее читайте в статье о веса в теории представлений.Мы выбираем внутренний продукт на инвариантный относительно действия Группа Вейля из р, который мы используем для идентификации с двойным пространством. Если представляет собой представление , определим масса из V быть элементом в со свойством, что для некоторого ненулевого v в V, у нас есть для всех ЧАС в . Затем мы определяем один вес быть выше чем другой вес если выражается как линейная комбинация элементов с неотрицательными действительными коэффициентами. Вес называется самый высокий вес если выше, чем любой другой вес . Наконец, если это вес, мы говорим, что является доминирующий если он имеет неотрицательный внутренний продукт с каждым элементом и мы говорим, что является интеграл если целое число для каждого в р.

Конечномерные представления полупростой алгебры Ли полностью сводимый, поэтому достаточно классифицировать неприводимые (простые) представления. Неприводимые представления, в свою очередь, могут быть классифицированы по «теореме старшего веса» следующим образом:[22]

  • Каждое неприводимое конечномерное представление имеет самый высокий вес, и этот самый высокий вес является доминирующим и интегральным.
  • Два неприводимых конечномерных представления с одинаковым старшим весом изоморфны.
  • Каждый доминирующий интегральный элемент возникает как старший вес некоторого неприводимого конечномерного представления .

Последний пункт теоремы (шаг второй в обзоре выше) самый сложный. В случае алгебры Ли sl (3;C), конструкция может быть произведена элементарно, как описано выше. В общем, построение представлений может быть дано с использованием Модули Verma.[23]

Строительство с использованием модулей Verma

Если является любой веса, не обязательно доминирующего или целого, можно построить бесконечномерное представление из с наибольшим весом известный как Модуль Верма. Тогда модуль Верма имеет максимальное собственное инвариантное подпространство , таким образом частное представление неприводимо - и все еще имеет наибольший вес . В случае, если является доминирующим и интегральным, мы хотим показать, что конечномерно.[24]

Стратегия доказательства конечномерности показать, что набор весов инвариантен относительно действия Группа Вейля из относительно данной подалгебры Картана .[25] (Обратите внимание, что веса модуля Верма сами по себе определенно не инвариантны относительно .) Как только этот результат инвариантности установлен, следует, что имеет только конечное число весов. Ведь если это вес , тогда должен быть целостным - действительно, должен отличаться от по целочисленной комбинации корней - и по результату инвариантности должно быть ниже чем для каждого в . Но целых элементов конечное число с этим свойством. Таким образом, имеет только конечное число весов, каждый из которых имеет конечную кратность (даже в модуле Верма, поэтому, конечно, и в ). Отсюда следует, что должен быть конечномерным.

Дополнительные свойства представлений

Многое известно о представлениях комплексной полупростой алгебры Ли. , помимо классификации по наивысшему весу. Мы кратко упомянем некоторые из них. Мы уже упоминали Теорема Вейля, который утверждает, что любое конечномерное представление распадается как прямая сумма неприводимых представлений. Также есть Формула характера Вейля, что приводит к Формула размерности Вейля (формула для измерения размера представления через его наибольший вес), Формула кратности Костанта (формула для кратностей различных весов, встречающихся в представлении). Наконец, есть также формула для собственного значения Элемент Казимира, который действует как скаляр в каждом неприводимом представлении.

Представления групп Ли и унитарный прием Вейля

Хотя можно разработать самодостаточную теорию представлений комплексных полупростых алгебр Ли, введение перспективы с использованием Ли группы. Этот подход особенно полезен для понимания Теорема Вейля о полной сводимости. Известно, что всякая комплексная полупростая алгебра Ли имеет компактная реальная форма .[26] Это означает, во-первых, что усложнение :

во-вторых, существует односвязная компактная группа чья алгебра Ли . В качестве примера можно рассмотреть , в таком случае в качестве специальной унитарной группы SU (n).

Для конечномерного представления из , мы можем ограничить его . Тогда, поскольку односвязно, мы можем интегрировать представление в группу .[27] Метод усреднения по группе показывает, что на инвариантный под действием ; то есть действие на является унитарный. На этом этапе мы можем использовать унитарность, чтобы увидеть, что распадается как прямая сумма неприводимых представлений.[28] Это рассуждение называется унитарный трюк и был первоначальным аргументом Вейля в пользу того, что сейчас называется теоремой Вейля. Также есть чисто алгебраический аргумент о полной приводимости представлений полупростых алгебр Ли.

Если является комплексной полупростой алгеброй Ли, существует единственная комплексная полупростая группа Ли с алгеброй Ли , помимо односвязной компактной группы . (Если тогда .) Тогда мы имеем следующий результат о конечномерных представлениях.[29]

Заявление: Объекты в следующем списке находятся во взаимно однозначном соответствии:

  • Гладкие представления K
  • Голоморфные представления грамм
  • Реальные линейные представления
  • Комплексные линейные представления
Вывод: Теория представлений компактных групп Ли может пролить свет на теорию представлений комплексных полупростых алгебр Ли.

Замечания

  1. ^ Этот подход широко используется для классические алгебры Ли в Фултон и Харрис (1991).

Примечания

  1. ^ Кнапп, А. В. (2003). "Рецензируемая работа: Матричные группы: Введение в теорию групп Ли, Эндрю Бейкер; Группы Ли: Введение через линейные группы, Вульф Россманн". Американский математический ежемесячник. 110 (5): 446–455. Дои:10.2307/3647845. JSTOR  3647845.
  2. ^ Зал 2015, Предложение 4.6.
  3. ^ См. Раздел 6.4 Зал 2015 в случае sl (3, C)
  4. ^ Зал 2015, Раздел 6.2. (Там специализировались на )
  5. ^ Зал 2015, Раздел 7.2.
  6. ^ Бойерле, де Керф и тен Кроуд 1997, Глава 20.
  7. ^ Зал 2015, Разделы 9.5–9.7
  8. ^ Зал 2015, Глава 12.
  9. ^ а б Россманн 2002, Глава 6.
  10. ^ Такой подход для можно найти в Примере 4.10. из Холл, 2015 и Раздел 4.2.
  11. ^ Зал 2015 Раздел 10.3
  12. ^ Зал 2015 Теоремы 4.28 и 5.6.
  13. ^ Зал 2015 Раздел 4.6
  14. ^ Зал 2015 Уравнение 4.16
  15. ^ Зал 2015 Пример 4.10
  16. ^ Зал 2015 Глава 6
  17. ^ Зал 2015 Теорема 6.7.
  18. ^ Зал 2015 Предложение 6.17.
  19. ^ Зал 2015 Теорема 6.27.
  20. ^ Зал 2015 Упражнение 6.8.
  21. ^ Зал 2015 Раздел 7.7.1
  22. ^ Зал 2015 Теоремы 9.4 и 9.5.
  23. ^ Зал 2015 Разделы 9.5-9.7
  24. ^ Зал 2015 Раздел 9.7
  25. ^ Зал 2015 Предложение 9.22.
  26. ^ Кнапп 2002 Раздел VI.1
  27. ^ Зал 2015 Теорема 5.6.
  28. ^ Зал 2015 Раздел 4.4
  29. ^ Кнапп 2001, Раздел 2.3.

Рекомендации