Thực đơn
Lý_thuyết_biểu_diễn
Lý thuyết biểu diễn nổi bật vì số lượng nhánh nghiên cứu mà nó có, và sự đa dạng các hướng tiếp cận để nghiên cứu biểu diễn của nhóm và đại số. Mặc dù điểm chung của tất cả các lý thuyết là các khái khái niệm cơ bản đã được thảo luận, nhưng chúng cũng có sự khác biệt đáng kể về mặt chi tiết. Ít nhất 3 điểm khác nhau như sau có thể được liệt kê:
Biểu diễn nhóm là công cụ quan trọng trong nghiên cứu nhón hữu hạn.[22][6][3] Nó cũng xuất hiện trong quá trình ứng dụng lý thuyết nhóm hữu hạn vào hình học và nhóm tinh thể.[23] Biểu diễn nhóm hữu hạn thể hiện nhiều đặc trưng của 1 lý thuyết tổng quát và dẫn đến nhiều nhánh và chủ đề khác nhau trong lý thuyết biểu diễn.
Trên 1 trường có định trị không, biểu diễn của 1 nhóm hữu hạn H có 1 số tính chất tiện lợi. Thứ nhất, biểu diễn của G là nửa đơn giản (khả quy đầy đủ). Đây là hệ quả của định lý Maschke, phát biểu rằng biểu diễn con bất kỳ V của của 1 biểu diễn W trên G có 1 phần bù bất biến trên G. Một cách chứng minh là chọn 1 phép chiếu bất kỳ π {\displaystyle \pi } từ W đến V và thay thế nó bằng lượng trung bình π G {\displaystyle \pi _{G}} của nó được cho bởi:
π G ( x ) = 1 | G | ∑ g ∈ G g ⋅ π ( g − 1 ⋅ x ) {\displaystyle \pi _{G}(x)={1 \over |G|}\sum _{g\in {G}}g\cdot \pi (g^{-1}\cdot {x})}
π G {\displaystyle \pi _{G}} khi đó đẳng biến, và hạch của nó là phần bù yêu cầu.Biểu diễn hữu hạn chiều của G có thể được hiểu dựa vào lý thuyết định trị (character theory): định trị của 1 biểu diễn Φ : G ↦ G L ( V ) ) {\displaystyle \Phi :G\mapsto GL(V))} là hàm lớp χ φ : G ↦ F {\displaystyle \chi _{\varphi }:G\mapsto {F}} định nghĩa bởi:
χ φ ( g ) = T r ( φ ( g ) ) {\displaystyle \chi _{\varphi }(g)=\mathrm {Tr} (\varphi (g))}
trong đó Tr là vết. Một biểu diễn tối giản của G được xác đinh đầy đủ bởi định trị của nó.
Định lý Maschke đúng với các trường có định trị dương p tổng quát hơn, như các trường hữu hạn, miễn là số nguyên số p là số đồng nguyên tố đối với cấp của G. Khi p và |G| có ước số chung lớn nhất, tồn tại biểu diễn của G là phi nửa đơn giản, đây là 1 nhánh nghiên cứu con gọi là lý thuyết biểu diễn mô-đun.
Kỹ thuật lượng trung bình cũng cho thấy nếu trường F là số thực hoặc số phức, thì biểu diễn bất kỳ của G bảo toàn 1 tích trong ⟨ ⋅ , ⋅ ⟩ {\displaystyle \langle \cdot ,\cdot \rangle } trên V theo cách:
⟨ g ⋅ v , g ⋅ w ⟩ = ⟨ v , w ⟩ {\displaystyle \langle {g\cdot {v},g\cdot {w}}\rangle =\langle {v,w}\rangle }
với mọi g trong G và v, w trong W. Nên biểu diễn bất kỳ trên G là đơn nguyên.
Các biểu diễn đơn nguyên tự động sẽ là nửa đơn giản, vì kết quả của Maschke có thể được chứng minh bằng cách lấy phần bù trực giao của 1 biểu diễn con. Khi nghiên cứu biểu diễn của các nhóm không hữu hạn, biểu diễn đơn nguyên cung cấp 1 sự tổng quát hoá tương đối tốt cho các biểu diễn thực và phức cho 1 nhóm hữu hạn.
Kết quả từ định lý Maschke và tính chất đơn nguyên dựa trên lượng trung bình có thể được tổng quát hoá thành các nhóm tổng quát hơn bằng cách thay thế lượng trung bình bằng tích phân, miễn là khái niệm phù hợp cho tích phân có thể được định nghĩa. Điều này có thể được thực hiện cho nhóm tôpô compact (bao gồm nhóm Lie compact), bằng cách sử dụng độ đo Haar, và kết quả là 1 lý thuyết với tên gọi giải tích điều hoà trừu tượng.
Trên các trường bất kỳ, tồn tại một lớp các nhóm hữu hạn khác có lý thuyết biểu diễn tương đối hoàn thiện là nhóm hữu hạn kiểu Lie. Minh hoạ tiêu biểu là nhóm đại số tuyến tính trên trường hữu hạn. Lý thuyết biểu diễn của nhóm đại số tuyến tính và nhóm Lie mở rộng các ví dụ này cho các nhóm vô hạn chiều, trong đó nhóm Lie có quan hệ mật thiết với biểu diễn đại số Lie. Tầm quan trọng của lý thuyết định trị cho nhóm hữu hạn có một sự tương tự như trong lý thuyết cân cho biểu diễn của nhóm Lie và đại số Lie.
Biểu diễn của nhóm hữu hạn G cũng liên quan trực tiếp đến biểu diễn đại số thông qua đại số nhóm F[G], là 1 không gian vector trên F với các phần tử của G là bộ cơ sở, cùng với một toán tử nhân đinh nghĩa bởi toán tử nhóm, độ tuyến tính, và điều kiện cần là ttoasn tử nhóm và phép nhân vô hướng phải giao hoán.
Biểu diễn mô-đun của 1 nhóm hữu hạn G là biểu diễn trên 1 trường mà định trị của nó không đồng nguyên tố với | G | {\displaystyle \left\vert G\right\vert } , dẫn đến định lý Maschke không còn hữu hiệu (vì | G | {\displaystyle \left\vert G\right\vert } không khả nghịch trong F nên nó không chia được).[3] Dù vậy, Richard Brauer đã mở rộng được phần lớn lý thuyết định trị thành biểu diễn mô-đun, và lý thuyết này đóng vai trò quan tọng trong sự phát triển của lớp các nhóm đơn giản hữu hạn, đặc biệt là đối với các nhóm đơn giản có định trị không tuân theo các phương pháp thuần tuý lý thuyết nhóm bởi vì 2-nhóm con Sylow của nó "quá nhỏ".[22]
Cũng tương tự như ứng dụng trong lý thuyết nhóm, biểu diễn mô-đun xuất hiện 1 cách tự nhiên trong các nhánh nghiên cứu khác của toán học, ví dụ như hình học đại số, lý thuyết mã hoá, toán học tổ hợp, và lý thuyết số.
Một biểu diễn đơn nguyên của 1 nhóm G là 1 biểu diễn tuyến tính Φ {\displaystyle \Phi } của G trên 1 không gian Hilbert thực hoặc (thường là) phức, sao cho Φ ( g ) {\displaystyle \Phi (g)} là 1 toán tử đơn nguyên với mọi g ∈ G {\displaystyle g\in G} . Các biểu diễn như vậy đã được sử dụng rộng rãi trong cơ học lượng tử từ những thập niên 1920, nhờ vào công trình đặc biệt của Hermann Weyl,[24] và điều này đã tạo cảm hứng để phát triển lý thuyết này, nổi bật nhất là qua công trình khảo sát biểu diễn nhóm Poincaré của Eugene Wigner.[25] Một trong những nhà tiên phong trong việc xậy dựng 1 lý thuyết tổng quát cho biểu diễn đơn nguyên (cho mọi nhóm G thay vì những nhóm cụ thể có ứng dụng hữu ích trong cơ học lượng tử) là George Mackey, và 1 lý thuyết mở rộng đã được phát triển bởi Harish-Chandra và những nhà nghiên cứu độc lập khác vào những thập niên 1950 và 1950.[7]
Mục đích chính là để mô tả "đối ngẫu đơn nguyên", là không gian các biểu diễn đơn nguyên tối giản của G.[26] Lý thuyết này được phát triển hoàn thiện nhất cho trường hợp G là nhóm tôpô compact địa phương (Hausdorff) và biểu diễn là tôpô mạnh. Đối với nhóm G abel, đối ngẫu đơn nguyên là không gian các định trị; đối với nhóm G compact, định lý Peter-Weyl chứng minh biểu diễn đơn nguyên tối giản có hữu hạn chiều và đối ngẫu đơn nguyên là rời rạc.[27] Ví dụ, nếu G là nhóm tròn S1, thì định trị là số nguyên, và đối ngẫu là được cho bởi vành số nguyên Z {\displaystyle \mathbb {Z} } .
Đối với nhóm G không compact, việc xác định biểu diễn nào đơn nguyên là mơ hồ. Mặc dù biểu diễn đơn nguyên tối giản phải được "thừa nhận" (là mô-đun Harish-Chandra) và việc xác định biểu diễn được thừa nhận nào có dạng hàm bán song tuyến tính bất biến không suy biến (nondegenerate invariant sesquilinear form), việc phát hiện khi nào hàm này xác định dương (positive definite) vẫn là rất khó. Dù là cho các nhóm tương đối khoẻ mạnh (well-behaved) như nhóm Lie nửa đơn giản thực (đề cập bên dưới), một phương pháp hiệu quả để mô tả đối ngẫu đơn nguyên vẫn còn là 1 vấn đề mở quan trọng trong lý thuyết biểu diễn. Nó đã được giải cho nhiều nhóm cụ thể, chẳng hạn như SL(2,R) và nhóm Lorentz.[28]
Đối ngẫu giữa nhóm tròn S1 và vành số nguyên Z {\displaystyle \mathbb {Z} } , hay tổng quát hơn, giữa hình xuyến Tn và Z n {\displaystyle \mathbb {Z} ^{n}} được biết đến 1 cách sâu sắc trong giải tích dưới danh nghĩa là lý thuyết chuỗi Fourier, và tương tự, biến đổi Fourier đã chỉ ra không gian định trị trên trường vectơ thực là không gian vectơ đối ngẫu. Do đó lý thuyết biểu diễn đơn nguyên và giải tích điều hoà có mối liên hệ mật thiết, và giải tích điều hoà trừu tượng là sự khai thác mối liên hệ này bằng cách phát triển giải tích hàm trên các nhóm tôpô compact địa phương cùng các không gian có liên quan.[13]
Mục đích chính là để cung cấp 1 dạng tổng quát của biến đổi Fourier và định lý Plancherel. Điều này được thực hiện bằng cách xây dựng 1 độ đo trên đối ngẫu đơn nguyên và 1 phép đẳng cấu giữa biễu diễn thông thường của G trong không gian Lebesgue L2(G) của các hàm bình phương khả tích (square integrable) trên G và biểu diễn của nó trên không gian hàm L2 trên đối ngẫu đơn nguyên. Điều này được thiết lập cho nhóm G abel và nhóm G compact lần lượt bởi đối ngẫu Pontryagin[29] và định lý Peter-Weyl.[27]
Một hướng tiếp cận khác dành cho mọi biểu diễn đơn nguyên, không chỉ những biểu diễn tối giản. Cách tiếp cận này viện đến lý thuyết phạm trù, khi đó đối ngẫu Tannaka-Krein cung cấp 1 cách để thu được 1 nhóm compact từ phạm trù các biểu diễn đơn nguyên của nó.
Nếu nhóm không abel hay compact, thì chưa có 1 lý thuyết tổng quát nào tương tự như định lý Plancherel hay định lý đảo Fourier được biết, mặc dù Alexander Grothendieck đã mở rộng đối ngẫu Tannaka-Krein thành 1 mối liên hệ giữa nhóm đại số tuyến tính và phạm trù Tannaka.
Giải tích điều hoà đã được mở rộng từ giải tích các hàm trên nhóm G cho các hàm trên các không gian đồng nhất cho G. Lý thuyết này phát triển đặc biệt hoàn thiện cho các không gian đối xứng và cung cấp 1 lý thuyết của các hàm tự đẳng cấu (đề cập bên dưới).
| Lý thuyết nhóm → Lie groups Nhóm Lies |
|---|
|
Một nhóm Lie là 1 đa tạp khả vi. Nhiều loại ma trận cổ điển trên trường số thực hoặc phức là nhóm Lie.[30] Nhiều nhóm quan trọng trong vật lý và hoá học là nhóm Lie, và lý thuyết biểu diễn của nó đóng vai trò quyết định trong việc ứng dụng lý thuyết nhóm vào các lĩnh vực đó.[31]
Lý thuyết biểu diễn của nhóm Lie có thể được phát triển trước tiên là phải xét đến nhóm compact, là nơi mà lý thuyết biểu diễn compact được áp dụng. Lý thuyết này có thể được mở rông thành biểu diễn vô hạn chiều của nhóm Lie nửa đơn giản dựa vào mẹo đơn nguyên của Weyl: mỗi nhóm Lie nửa đơn giản thực G đều có 1 dạng phức hoá, là 1 nhóm Lie phức GC, và nhóm Lie phức này hó 1 nhóm con compact cực đại K. Biểu diễn hữu hạn chiều của G gần như tương ứng với biễu diễn của K.
Một cách tổng quát, 1 nhóm Lie là 1 tích nửa trực tiếp của 1 nhóm Lie giải được và 1 nhóm Lie nửa đơn giản (khai triển Levi).[4] Phân loại biểu diễn của các nhóm Lie giải được một cách tổng quát là khó khăn, nhưng thường trở nên dễ dàng trong các trường hợp thực tế. Biểu diễn của tích nửa trực tiếp có thể được khảo sát bằng những kết quả kế thừa từ lý thuyết Mackey, vốn là sự tổng quát hoá của các phương pháp dùng trong phân loại Wigner của các biểu diễn của nhóm Poincaré.
Một đại số Lie trên trường F là 1 không gian vectơ trên F và có 1 toán tử song tuyến tính đối xứng lệch gọi là hoán tử Lie, thoả mãn hằng đẳng thức Jacobi. Cụ thể, đại số Lie phát sinh thành không gian tiếp tuyến của nhóm Lie tại phần tử đơn vị, dẫn đến việc nó có thể được hiểu là các "đối xứng vi phân".[4] Một hướng tiếp cận quan trọng đến lý thuyết biểu diễn của nhóm Lie là nghiên cứu về lý thuyết biểu diễn của đại số Lie tương ứng, mặc dù biểu diễn đại số Lie cũng có tầm quan trọng riêng của nó.[32]
Cũng như nhóm Lie, đại số Lie có 1 khai triển Levi thành các thành phần nửa đơn giản và thành phần giải được, với lý thuyết biểu diễn của đại số Lie giải được về mặt tổng quát là khó khăn. Ngược lại, biểu diễn hữu hạn chiều của đại số Lie nửa đơn giản hoàn toàn dễ hiểu sau công trình của Élie Cartan. Một biểu diễn của 1 đại số Lie nửa đơn giản g {\displaystyle {\mathfrak {g}}} được khảo sát bằng cách chọn một đại số con Cartan, cơ bản là 1 đại số con cực đại h {\displaystyle {\mathfrak {h}}} của g {\displaystyle {\mathfrak {g}}} mà hoán tử Lie bằng 0 ("abel" - "giao hoán") trên đó. Biểu diễn của g {\displaystyle {\mathfrak {g}}} của thể được khai triển thành không gian cân, là không gian riêng cho tác dụng của h {\displaystyle {\mathfrak {h}}} và tương tự vi phân của định trị. Cấu trúc của đại số Lie nửa đơn giản giúp đơn giản hoá việc phân tích các biểu diễn để dễ dàng biết được tổ hợp của các cân khả dĩ có thể xuất hiện.
Có nhiều lớp đại số Lie vô hạn chiều mà biểu diễn của nó đã đuọc nghiên cứu. Trong số đó, 1 lớp quan trọng là đại số Kac-Moody.[33] Chúng được đặt tên theo Victor Kac và Robert Moody, 2 nhà toán học cùng khám phá nó ra 1 cách độc lập. Những đại số này tổng quát hoá đại số Lie nửa đơn giản hữu hạn chiều và mang nhiều tính chất tổ hợp chung. Điều này có nghĩa là chúng có 1 lớp các biểu diễn có cùng 1 cách hiểu với đại số Lie nửa đơn giản.
Đại số Lie afin là 1 trường hợp đặc biệt của đại số Kac-Moody, có tầm quan trọng nhất định trong toán học và vật lý lý thuyết, đặc biệt là lý thuyết trường bảo giác (CFT) và lý thuyết các mô hình giải được chính xác (mô hình khả tích đầy đủ). Kac đã khám phá ra 1 chứng minh tuyệt vời cho một số hằng đẳng thức tổ hợp nhất định, các hằng đẳng thức Macdonald, dựa trên lý thuyết biểu diễn của đại số afin Kac-Moody.
Siêu đại số Lie là những sự tổng quát hoá đại số Lie sao cho không gian vectơ có Z 2 {\displaystyle \mathbb {Z} _{2}} -grading, đối xứng lệch và hằng đẳng thức Jacobi của hoán tử Lie bị thay đổi dấu. Lý thuyết biểu diễn của chúng giống với lý thuyết biểu diễn của đại số Lie.[34]
Nhóm đại số tuyến tính (hay tổng quát hơn, scheme nhóm afin) là tương tự của nhóm Lie trong hình học đại số, nhưng trên các trường tổng quát hơn như R {\displaystyle \mathbb {R} } hoặc C {\displaystyle \mathbb {C} } . Cụ thể, trên các trường hữu hạn, nó phát sinh các "nhóm hữu hạn kiểu Lie" Mặc dù các nhóm đại số tuyến tính có lớp rất gần với nhóm Lie, lý thuyết biểu diễn của nó là khác (và được biết đến rất ít) và yêu cầu những kỹ thuật khác, do tôpô Zarisky tương rối yếu, và các kỹ thuật giải thích không còn khả năng sử dụng.[35][36]
Lý thuyết bất biến nghiên cứu tác dụng lên cá đa tạp đại số từ quan điểm ảnh hưởng của chúng lên hàm số, vốn là biểu diễn của nhóm. Theo cách cổ điển, lý thuyết này trả lời cho câu hỏi làm sao để mô tả rõ ràng các hàm đa thức không đổi, hay bất biến, dưới biến đổi từ 1 nhóm tuyến tính. Hướng tiếp cận hiện đại khảo sát phép khai triển những biểu diễn này thành tối giản.[37]
Lý thuyết bất biến của các nhóm vô hạn gắn liền với sự phát triển của đại số tuyến tính, đặc biệt là các lý thuyết về hàm bậc hai và định thức. Một vấn đề nữa có ảnh hưởng chung mạnh mẽ là hình học xạ ảnh, nơi mà lý thuyết bất biến có thể được dùng để hình thành lĩnh vực này. Trong những năm 1960, David Mumford đã mang đến lĩnh vực này sức sống mới nhờ vào lý thuyết bất biến hình học của ông ấy.[38]
Lý thuyết biểu diễn của các nhóm Lie nửa đơn giản bắt nguồn từ lý thuyết bất biến[39] và mối quan hệ chặt chẽ giữa lý thuyết biểu diễn và hình học đại số có nhiều nét tương đồng trong hình học vi phân, bắt nguồn từ chương trình Erlangen của Felix Klein và liên lạc Cartan của Élie Cartan, đã đặt nhóm và đối xứng và vị trí trung tâm của hình học.[40] Những phát triển hiện đại đã kết nối lý thuyết biểu diễn và lý thuyết bất biến đến nhiều lĩnh vực đa dạng như nhóm hoàn chỉnh (holonomy), toán tử vi phân, và lý thuyết hàm đa phức biến.
Hàm tự đẳng cấu là sự tổng quát hoá của hàm mô-đun thành hàm giải tích tổng quát hơn, có thể là hàm đa phức biến, với những tính chất biến đổi tương tự.[41] Sự tổng quát hoá này thay thế nhóm mô-đun PSL2(R) và 1 nhóm đồng dư con được chọn bằng 1 nhóm Lie nửa đơn giản G và 1 nhóm rời rạc con Γ {\displaystyle \Gamma } . Cũng như hàm mô-đun có thể được coi là hàm vi phân của 1 không gian thương của không gian nửa trên H = P S L 2 ( R ) / S O ( 2 ) {\displaystyle H=PSL_{2}(\mathbb {R} )/SO(2)} , hàm tự đẳng cấu có thể được coi là hàm vi phân (hoặc cấu trúc tương tự) trên Γ ∖ G / K {\displaystyle \Gamma \backslash G/K} , trong đó K (thường) là 1 nhóm compact con cực đại của G. Tuy nhiên cần phải lưu ý vì không gian thương thường có các điểm kỳ dị. Không gian thương của 1 nhóm Lie nửa đơn giản cho bởi 1 nhóm compact con là 1 không gian đối xứng, do đó lý thuyết hàm tự đồng cấu liên hệ mật hiết với giải tích điều hoà trong không gian đối xứng.
Trước khi có sự phát triển của lý thuyết tổng quát, nhiều trường hợp đặc biệt đã được nghiên cứu chi tiết, bao gồm hàm mô-đun Hilbert và hàm mô-đun Siegel. Những kết quả quan trọng trong lý thuyết này bao gồm công thức vết Selberg và sự cụ thể hoá định lý Riemann-Roch của Robert Langlands có thể được áp dụng để tính số chiều của không gian các hàm tự đồng cấu. Khái niệm "biểu diễn tự đồng cấu" được đưa ra sau đó đã được chứng minh có giá trị to lớn trong việc giải quyết các bài toán mà G là 1 nhóm đại số, và được xử lý như là nhóm đại số adele. Kết quả của nó là sự phát triển của cả một triết lý mới gọi là chương trình Langlands xung quanh những mối quan hệ giữa biểu diễn và các tính chất lý thuyết số của hàm tự đẳng cấu.[42]
Theo 1 cách nào đó, biểu diễn đại số kết hợp tổng quát hoá cả biểu diễn nhóm lẫn biểu diễn đại số Lie. Một biểu diễn của 1 nhóm tạo ra 1 biểu diễn của 1 vành nhóm hoặc đại số nhóm tương ứng, trong khi biểu diễn của 1 đại số Lie là tương ứng qua lại với biểu diễn của đại số bao phổ quát (universal enveloping algebra). Tuy nhiên, lý thuyết biểu diễn của đại số kết hợp tổng quát không có tất cả tính chất đẹp như lý thuyết biểu diễn của nhóm và đại số Lie.
Khi xét biểu diễn của đại số kết hợp, trường cơ sở có thể không xét đến, và đơn giản là xem đại số kết hợp như 1 vành, và biểu diễn của nó là module. Cách tiếp cận này đã gặt hái được nhiều thành quả kinh ngạc: rất nhiều kết quả trong lý thuyết biểu diễn có thể được diễn giải thành các trường hợp đặc biệt của mô-đun trên vành.
Đại số Hopf cung cấp 1 phương thức cải tiến lý thuyết biểu diễn của đại số kết hợp, trong khi vẫn duy trì lý thuyết biểu diễn của nhóm và đại số Lie như là các trường hợp đặc biệt. Cụ thể, tích tenxơ của 2 biểu diễn được xem là là 1 biểu diễn, không gian vectơ đối ngẫu cũng vậy.
Đại số Hopf gắn ghép với các nhóm có cấu trúc đại số giao hoán, và do đó đại số Hopf còn được gọi là nhóm lượng tử, mặc dù thuật ngữ này thường bị hạn chế cho một vài đại số Hopf nhất định xuất hiện từ sự biến dạng của các nhóm hoặc đại số bao phổ quát của chúng. Lý thuyết biểu diễn của nhóm lượng tử đã được nhiều hiểu biết đáng kinh ngạc cho lý thuyết biẻu diễn của nhsom Lie và đại số Lie, chẳng hạn như bộ cơ sở kết tinh của Kashiwara.
Thực đơn
Lý_thuyết_biểu_diễnLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Lý_thuyết_biểu_diễn