舒爾正交關係

舒爾正交關係(Schur orthogonality relations)描述了有限群表示中的核心事實。它可以推廣到一般的緊群,特別是緊李群,比如旋轉群 SO(3)。此關係可藉由舒爾引理證明。

基本介紹

  • 中文名:舒爾正交關係
  • 外文名:Schur orthogonality relations
  • 分類:群表示論
  • 領域:數理科學
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有限群

是一個 |G| 階(即 G 有 |G| 個元素)有限群
,的一個不可約矩陣表示
的矩陣元素。因為可以證明任何有限群的不可約矩陣表示等價於一個酉表示,我們假設
的:
這裡
是表示
的(有限)維數。正交關係,只對不可約表示的矩陣元素成立,是
這裡
的復共軛,求和遍及 G 的所有元素。如果兩個矩陣是在同一個不可約表示
,則克羅內克函式
是單位,如果
不等價則
為零。其他兩個克羅內克函式則要求行與列的指標必須相等(
)才能得到一個非零的結果。這個定義也叫做廣義正交定理
每個群有一個單位表示(所有群元素映為實數 1),這顯然是一個不可約表示。舒爾正交關係馬上給出
,此式對任何不等於單位表示的不可約表示
成立。

例子

三個對象的 3! 個置換組成一個 6 階群,通常記作
(對稱群)。這個群同構於點群
,由三重旋轉軸以及三個鉛直鏡面平面組成。這個群有一個二維不可約表示(l = 2)。在
情形,通常將這個不可約表示利用楊氏表(楊氏矩陣)記作
而在
情形通常寫成
。在兩種情形不可約表示都由如下六個實矩陣組成,每個代表一個群元素
元素 (1,1) 的正規化為:
同樣可以證明其它矩陣元素 (2,2)、(1,2) 與 (2,1) 的正規化。元素 (1,1) 與 (2,2) 的正交性
類似的關係對元素 (1,1) 與 (1,2) 的正交性成立,如是等等。容易驗證此例中所有對應矩陣元素之和為零,因為給定表示與恆等表示的正交性。

直接推論

矩陣的是對角矩陣元素之和,
所有跡的集合
是一個表示的特徵標。通常將一個不可約表示中矩陣的跡寫成
利用這種記號我們可寫出多個特徵標公式:
這可以用來檢驗一個表示是否是可約的(這些公式說明在任意特徵標表中一行是正交向量)。以及
這幫助我們確認不可約表示
在具有特徵標
的可約表示
中包含的次數。
例如,如果
,這個群的階是
,則
在給定“可約”表示
中包含的次數是

緊群

有限群的正交關係推廣為緊群(包含緊李群,比如 SO(3))本質上是簡單的:只要將在群上的求和換成在群上的積分。每個緊群G 有惟一一個雙不變哈爾測度,使得群的體積是 1。將這個測度記成
。設
是G的不可約表示的一個完備集合,設
是表示
的矩陣係數。正交關係可以敘述為兩部分 1) 如果
,則:
2)如果
是表示空間
的一個正交規範基,則:
這裡
的維數。這些正交關係以及所有表示的維數有限是彼得-外爾定理的推論。

例子

一個三參數群的例子是矩陣群 SO(3),有所有 3×3 正交矩陣組成。這個群的一個可能的參數化是利用歐拉角
。界限是
以及
體積元素
的計算不僅取決於參數的選取,也取決於最終結果,即加權函式(測度)
的解析形式。
例如,SO(3) 的歐拉角參數化給出權重
而 n, ψ 參數化給出權重t
,其中
可以證明一個緊李群的不可約表示是有限維的並可選成的:
簡記成:
正交關係具有形式:
群的體積是:
我們注意到 SO(3) 的不可約表示是維格納D-矩陣(Wigner D-matrix)
,它們的維數是
,故:
他們滿足:

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