Теорема Питера – Вейля - Peter–Weyl theorem

В математика, то Теорема Питера – Вейля является основным результатом теории гармонический анализ, обращаясь к топологические группы которые компактный, но не обязательно абелевский. Первоначально это было доказано Герман Вейль со своим учеником Фриц Питер, в условиях компактного топологическая группа грамм (Питер и Вейл 1927 ). Теорема представляет собой набор результатов, обобщающих важные факты о разложении регулярное представительство любой конечная группа, как обнаружено Фердинанд Георг Фробениус и Иссай Шур.

Позволять грамм - компактная группа. Теорема состоит из трех частей. Первая часть утверждает, что матричные коэффициенты неприводимые представления из грамм плотны в пространстве C(грамм) непрерывного комплексные функции на грамм, а значит, и в пространстве L²(грамм) из квадратично интегрируемые функции. Вторая часть утверждает полную сводимость унитарные представления из грамм. Третья часть утверждает, что регулярное представление грамм на L²(грамм) распадается как прямая сумма всех неприводимых унитарных представлений. Более того, матричные коэффициенты неприводимых унитарных представлений образуют ортонормированный базис из L²(грамм). В случае, если грамм представляет собой группу единичных комплексных чисел, этот последний результат является просто стандартным результатом ряда Фурье.

Коэффициенты матрицы

А матричный коэффициент группы грамм является комплексной функцией ${\displaystyle \varphi }$ на грамм дано как композиция

${\displaystyle \varphi =L\circ \pi }$

где π:грамм → GL (V) является конечномерным (непрерывный ) групповое представительство из грамм, и L это линейный функционал на векторном пространстве эндоморфизмы из V (например, след), который содержит GL (V) как открытое подмножество. Матричные коэффициенты непрерывны, поскольку представления непрерывны по определению, и линейные функционалы на конечномерных пространствах также непрерывны.

Первая часть теоремы Питера – Вейля утверждает (Удар 2004, §4.1; Кнапп 1986, Теорема 1.12):

Теорема Питера – Вейля (часть I). Набор матричных коэффициентов грамм является плотный в пространстве непрерывные сложные функции C (грамм) на грамм, оснащенный единая норма.

Этот первый результат напоминает Теорема Стоуна – Вейерштрасса в том, что он указывает плотность набора функций в пространстве всех непрерывных функций, при условии только алгебраический характеристика. Фактически, матричные коэффициенты образуют единичную алгебру, инвариантную относительно комплексного сопряжения, потому что произведение двух матричных коэффициентов является матричным коэффициентом представления тензорного произведения, а комплексное сопряжение является матричным коэффициентом двойственного представления. Следовательно, теорема следует непосредственно из теоремы Стоуна – Вейерштрасса, если матричные коэффициенты разделяют точки, что очевидно, если грамм это матричная группа (Кнапп 1986, п. 17). Наоборот, из теоремы следует, что любой компакт Группа Ли изоморфна группе матриц (Кнапп 1986, Теорема 1.15).

Следствием этого результата является то, что матричные коэффициенты грамм плотно в L²(грамм).

Разложение унитарного представления

Вторая часть теоремы указывает на существование разложения унитарное представительство из грамм в конечномерные представления. Интуитивно группы задумывались как вращения геометрических объектов, поэтому вполне естественно изучать представления, которые по существу возникают из непрерывных действия на гильбертовых пространствах. (Для тех, кто впервые познакомился с дуальными группами, состоящими из характеров, которые являются непрерывными гомоморфизмами в круговая группа, этот подход аналогичен, за исключением того, что круговая группа (в конечном итоге) обобщается на группу унитарных операторов в данном гильбертовом пространстве.)

Позволять грамм быть топологической группой и ЧАС комплексное гильбертово пространство.

Непрерывное действие ∗: грамм × ЧАС → ЧАС, порождает непрерывное отображение ρ_∗ : грамм → ЧАС^ЧАС (функции из ЧАС к ЧАС с сильная топология ) определяется как: ρ_∗(грамм)(v) = ∗ (g, v). Это отображение, очевидно, является гомоморфизмом из грамм в GL (ЧАС) гомеоморфный^{[требуется разъяснение ]} автоморфизмы ЧАС. И наоборот, имея такую ​​карту, мы можем однозначно восстановить действие очевидным способом.

Таким образом, мы определяем представления грамм в гильбертовом пространстве ЧАС быть тем гомоморфизмы групп, ρ, которые возникают в результате непрерывного действия грамм на ЧАС. Мы говорим, что представление ρ есть унитарный если ρ (грамм) это унитарный оператор для всех грамм ∈ грамм; т.е. ${\displaystyle \langle \rho (g)v,\rho (g)w\rangle =\langle v,w\rangle }$ для всех v, ш ∈ ЧАС. (Т.е. он унитарен, если ρ: грамм → U (ЧАС). Обратите внимание, как это обобщает частный случай одномерного гильбертова пространства, где U (C) - это просто круговая группа.)

Учитывая эти определения, мы можем сформулировать вторую часть теоремы Питера – Вейля (Кнапп 1986, Теорема 1.12):

Теорема Питера – Вейля (часть II). Пусть ρ - унитарное представление компактной группы грамм на комплексном гильбертовом пространстве ЧАС. потом ЧАС разбивается на ортогональный прямая сумма неприводимых конечномерных унитарных представлений грамм.

Разложение интегрируемых с квадратом функций

Чтобы сформулировать третью и последнюю часть теоремы, существует естественное гильбертово пространство над грамм состоящий из квадратично интегрируемые функции, ${\displaystyle L^{2}(G)}$; это имеет смысл, потому что Мера Хаара существует на грамм. Группа грамм имеет унитарное представительство ρ на ${\displaystyle L^{2}(G)}$ данный игра актеров слева, через

${\displaystyle \rho (h)f(g)=f(h^{-1}g).}$

Окончательное утверждение теоремы Питера – Вейля (Кнапп 1986, Теорема 1.12) дает явный ортонормированный базис из ${\displaystyle L^{2}(G)}$. Примерно он утверждает, что матричные коэффициенты для грамм, соответствующим образом перенормированные, являются ортонормированный базис из L²(грамм). Особенно, ${\displaystyle L^{2}(G)}$ разлагается в ортогональную прямую сумму всех неприводимых унитарных представлений, в которой кратность каждого неприводимого представления равна его степени (то есть размерности основного пространства представления). Таким образом,

${\displaystyle L^{2}(G)={\underset {\pi \in \Sigma }{\widehat {\bigoplus }}}E_{\pi }^{\oplus \dim E_{\pi }}}$

где Σ обозначает множество (классов изоморфизма) неприводимых унитарных представлений грамм, а суммирование обозначает закрытие прямой суммы полных пространств E_π представлений π.

Мы также можем рассматривать ${\displaystyle L^{2}(G)}$ как представление прямой группы продуктов ${\displaystyle G\times G}$, с двумя факторами, действующими путем перевода слева и справа соответственно. Зафиксируйте представление ${\displaystyle (\pi ,E_{\pi })}$ из ${\displaystyle G}$. Пространство матричных коэффициентов для представления можно отождествить с ${\displaystyle \operatorname {End} (E_{\pi })}$, пространство линейных отображений ${\displaystyle E_{\pi }}$ себе. Естественное левое и правое действие ${\displaystyle G\times G}$ на коэффициенты матрицы соответствует действию на ${\displaystyle \operatorname {End} (E_{\pi })}$ данный

${\displaystyle (g,h)\cdot A=\pi (g)A\pi (h)^{-1}.}$

Тогда мы можем разложить ${\displaystyle L^{2}(G)}$ как унитарное представление ${\displaystyle G\times G}$ в виде

${\displaystyle L^{2}(G)={\underset {\pi \in \Sigma }{\widehat {\bigoplus }}}E_{\pi }\otimes E_{\pi }^{*}.}$

Наконец, мы можем сформировать ортонормированный базис для ${\displaystyle L^{2}(G)}$ следующее. Предположим, что для каждого класса изоморфизма неприводимого унитарного представления выбран представитель π, и обозначим совокупность всех таких π через Σ. Позволять ${\displaystyle \scriptstyle {u_{ij}^{(\pi )}}}$ - матричные коэффициенты матрицы π в ортонормированном базисе, другими словами

${\displaystyle u_{ij}^{(\pi )}(g)=\langle \pi (g)e_{j},e_{i}\rangle .}$

для каждого грамм ∈ грамм. Наконец, пусть d^(π) - степень представления π. Теперь теорема утверждает, что набор функций

${\displaystyle \left\{{\sqrt {d^{(\pi )}}}u_{ij}^{(\pi )}\mid \,\pi \in \Sigma ,\,\,1\leq i,j\leq d^{(\pi )}\right\}}$

является ортонормированным базисом ${\displaystyle L^{2}(G).}$

Ограничение на функции класса

Функция ${\displaystyle f}$ на грамм называется функция класса если ${\displaystyle f(hgh^{-1})=f(g)}$ для всех ${\displaystyle g}$ и ${\displaystyle h}$ в грамм. Пространство интегрируемых с квадратом функций классов образует замкнутое подпространство ${\displaystyle L^{2}(G)}$, и, следовательно, гильбертово пространство само по себе. В пространстве матричных коэффициентов для фиксированного представления ${\displaystyle \pi }$ это персонаж ${\displaystyle \chi _{\pi }}$ из ${\displaystyle \pi }$, определяется

${\displaystyle \chi _{\pi }(g)=\operatorname {trace} (\pi (g)).}$

В приведенных выше обозначениях символ представляет собой сумму коэффициентов диагональной матрицы:

${\displaystyle \chi _{\pi }=\sum _{i=1}^{d^{(\pi )}}u_{ii}^{(\pi )}.}$

Важным следствием предыдущего результата является следующее:

Теорема: Персонажи неприводимых представлений грамм образуют ортонормированный базис пространства интегрируемых с квадратом функций классов на грамм.

Этот результат играет важную роль в классификации Вейля представления связной компактной группы Ли.^[1]

Пример: ${\displaystyle S^{1}}$

Простой, но полезный пример - это случай группы комплексных чисел величины 1, ${\displaystyle G=S^{1}}$. В этом случае неприводимые представления одномерны и имеют вид

${\displaystyle \pi _{n}(e^{i\theta })=e^{in\theta }.}$

Тогда для каждого представления существует единственный матричный коэффициент, функция

${\displaystyle u_{n}(e^{i\theta })=e^{in\theta }.}$

Последняя часть теоремы Питера – Вейля утверждает в этом случае, что эти функции образуют ортонормированный базис для ${\displaystyle L^{2}(S^{1})}$. В этом случае теорема представляет собой просто стандартный результат теории рядов Фурье.

Для любой компактной группы грамм, можно рассматривать разложение ${\displaystyle L^{2}(G)}$ в терминах матричных коэффициентов как обобщение теории рядов Фурье. Действительно, это разложение часто называют рядом Фурье.

Пример: SU (2)

Мы используем стандартное представление группы SU (2) в качестве

${\displaystyle \operatorname {SU} (2)=\left\{{\begin{pmatrix}\alpha &-{\overline {\beta }}\\\beta &{\overline {\alpha }}\end{pmatrix}}:\ \ \alpha ,\beta \in \mathbb {C} ,\,|\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1\right\}~,}$

Таким образом, SU (2) представляется в виде 3-сферы ${\displaystyle S^{3}}$ сидя внутри ${\displaystyle \mathbb {C} ^{2}=\mathbb {R} ^{4}}$Неприводимые представления SU (2), тем временем, помечаются неотрицательным целым числом ${\displaystyle m}$ и может быть реализовано как естественное действие SU (2) на пространстве однородных многочленов степени ${\displaystyle m}$ в двух комплексных переменных.^[2] Матричные коэффициенты ${\displaystyle m}$-ое представление гиперсферические гармоники степени ${\displaystyle m}$, то есть ограничения на ${\displaystyle S^{3}}$ однородных гармонических многочленов степени ${\displaystyle m}$ в ${\displaystyle \alpha }$ и ${\displaystyle \beta }$. Ключом к проверке этого утверждения является вычисление того, что для любых двух комплексных чисел ${\displaystyle z_{1}}$ и ${\displaystyle z_{2}}$, функция

${\displaystyle (\alpha ,\beta )\mapsto (z_{1}\alpha +z_{2}\beta )^{m}}$

гармоничен как функция ${\displaystyle (\alpha ,\beta )\in \mathbb {C} ^{2}=\mathbb {R} ^{4}}$.

В этом случае нахождение ортонормированного базиса для ${\displaystyle L^{2}(\operatorname {SU} (2))=L^{2}(S^{3})}$ состоящий из матричных коэффициентов, сводится к нахождению ортонормированного базиса, состоящего из гиперсферических гармоник, что является стандартной конструкцией в анализе сфер.

Последствия

Теория представлений связных компактных групп Ли

Теорема Питера – Вейля - в частности, утверждение, что характеры образуют ортонормированный основа для пространства интегрируемых с квадратом функций классов - играет ключевую роль в классификация неприводимых представлений связной компактной группы Ли.^[3] Аргумент также зависит от Интегральная формула Вейля (для функций класса) и Формула характера Вейля.

Краткое изложение аргументации можно найти Вот.

Линейность компактных групп Ли

Одним из важных следствий теоремы Питера – Вейля является следующее:^[4]

Теорема: Каждая компактная группа Ли имеет точное конечномерное представление и, следовательно, изоморфна замкнутой подгруппе группы Ли. ${\displaystyle \operatorname {GL} (n;\mathbb {C} )}$ для некоторых ${\displaystyle n}$.

Структура компактных топологических групп

Из теоремы Питера – Вейля можно вывести важную общую структурную теорему. Позволять грамм - компактная топологическая группа, которую мы предполагаем Хаусдорф. Для любых конечномерных грамм-инвариантное подпространство V в L²(грамм), куда грамм действует слева мы рассматриваем изображение грамм в GL (V). Он закрыт, так как грамм компактна, а подгруппа группы Группа Ли GL (V). Отсюда следует теорема из Эли Картан что изображение грамм также является группой Ли.

Если мы сейчас возьмем предел (в смысле теория категорий ) по всем таким пространствам V, получаем результат примерно грамм: Потому что грамм действует добросовестно L²(грамм), грамм является обратный предел групп Ли. Конечно, она сама может не быть группой Ли: например, она может быть проконечная группа.

Смотрите также

• Понтрягинская двойственность

Рекомендации

• Питер, Ф .; Вейл, Х. (1927), "Die Vollständigkeit der primitiven Darstellungen einer geschlossenen kontinuierlichen Gruppe", Математика. Анна., 97: 737–755, Дои:10.1007 / BF01447892.

• Удар, Дэниел (2004), Группы Ли, Спрингер, ISBN  0-387-21154-3.
• Холл, Брайан К. (2015), Группы Ли, алгебры Ли и представления: элементарное введение, Тексты для выпускников по математике, 222 (2-е изд.), Springer, ISBN  978-3319134666.
• "Теорема Питера-Вейля", Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
• Кнапп, Энтони (1986), Теория представлений полупростых групп, Издательство Принстонского университета, ISBN  0-691-09089-0.
• Кнапп, Энтони В. (2002), Группы Ли после введения, Успехи в математике, 140 (2-е изд.), Бостон: Birkhäuser, ISBN  0-8176-4259-5.
• Мостоу, Джордж Д. (1961), «Когомологии топологических групп и солвмногообразий», Анналы математики, Издательство Принстонского университета, 73 (1): 20–48, Дои:10.2307/1970281, JSTOR  1970281
• Palais, Ричард С.; Стюарт, Т. Е. (1961), "Когомологии дифференцируемых групп преобразований", Американский журнал математики, Издательство Университета Джона Хопкинса, 83 (4): 623–644, Дои:10.2307/2372901, JSTOR  2372901.

Специфический

1. Зал 2015 Глава 12
2. Зал 2015 Пример 4.10
3. Зал 2015 Раздел 12.5
4. Кнапп 2002, Следствие IV.4.22