Проективное представление - Projective representation
В области теория представлений в математика, а проективное представление из группа грамм на векторное пространство V через поле F это групповой гомоморфизм из грамм к проективная линейная группа
- PGL (V ) = GL (V ) / F ∗,
где GL (V ) это общая линейная группа обратимых линейных преобразований V над F, и F∗ это нормальная подгруппа состоящий из ненулевых скалярных кратных единицы; скалярные преобразования ).[1]
Говоря более конкретно, проективное представление - это набор операторов , где подразумевается, что каждый определяется только с точностью до умножения на константу. Они должны удовлетворять свойству гомоморфизма с точностью до константы:
для некоторых констант .
Поскольку каждый в любом случае определяется только с точностью до константы, строго говоря, не имеет смысла спрашивать, являются ли константы равны 1. Тем не менее, возникает вопрос: можно выбрать конкретный представитель каждой семьи операторов таким образом, чтобы удовлетворяют свойству гомоморфизма на носу, а не только с точностью до константы. Если такой выбор возможен, мы говорим, что может быть "лишен проекции" или что может быть «возведен к обычному представлению». Эта возможность обсуждается ниже.
Линейные представления и проективные представления
Одним из способов возникновения проективного представления является использование линейного групповое представительство из грамм на V и применяя карту частных
что является фактором по подгруппе F∗ из скалярные преобразования (диагональные матрицы с одинаковыми диагональными элементами). Интерес к алгебре находится в другом направлении: при наличии проективное представление, попробуйте "поднять" его до обычного линейное представление. Общее проективное представление ρ: грамм → PGL (V) нельзя поднять до линейного представления грамм → GL (V), а препятствие к этому поднятию можно понять через гомологию групп, как описано ниже.
Однако один может поднять проективное представление из грамм к линейному представлению другой группы ЧАС, который будет центральное расширение из грамм. Группа является подгруппой определяется следующим образом:
- ,
куда это фактор-карта на . С является гомоморфизмом, легко проверить, что действительно является подгруппой . Если исходное проективное представление верен, тогда изоморфен прообразу в из .
Мы можем определить гомоморфизм установив . Ядро является:
- ,
который содержится в центре . Ясно также, что сюръективно, так что является центральным продолжением . Мы также можем определить обычное представление из установив . В обычный представление из это лифт проективный представление из в том смысле, что:
- .
Если грамм это идеальная группа есть сингл универсальное идеальное центральное расширение из грамм что можно использовать.
Групповые когомологии
Анализ подъемного вопроса предполагает: групповые когомологии. Действительно, если исправить для каждого грамм в грамм поднятый элемент L(грамм) в подъеме с PGL (V) вернуться к GL (V), тогда лифты удовлетворяют
для некоторого скаляра c(грамм,час) в F∗. Отсюда следует, что 2-коцикл или Множитель Шура c удовлетворяет уравнению коцикла
для всех грамм, час, k в грамм. Этот c зависит от выбора подъемника L; другой выбор лифта L ′(грамм) = ж(грамм) L(грамм) приведет к другому коциклу
когомологичен c. Таким образом L определяет уникальный класс в ЧАС2(грамм, F∗). Этот класс может быть нетривиальным. Например, в случае симметричная группа и переменная группа, Шур установил, что существует ровно один нетривиальный класс множителей Шура, и полностью определил все соответствующие неприводимые представления.[2]
В общем случае нетривиальный класс приводит к проблема с расширением за грамм. Если грамм правильно расширен, мы получаем линейное представление расширенной группы, которое индуцирует исходное проективное представление, когда оно возвращается к грамм. Решение всегда центральное расширение. Из Лемма Шура, следует, что неприводимые представления центральных расширений грамм, и неприводимые проективные представления грамм, по сути, являются одними и теми же объектами.
Первый пример: дискретное преобразование Фурье
Рассмотрим поле целых чисел , куда простое, и пусть быть -мерное пространство функций на со значениями в . Для каждого в , определим два оператора, и на следующее:
Запишем формулу для будто и были целыми числами, но легко видеть, что результат зависит только от значения и мод . Оператор это перевод, а представляет собой сдвиг в частотном пространстве (то есть имеет эффект перевода дискретное преобразование Фурье из ).
Легко проверить, что для любого и в , операторы и коммутируют с точностью до умножения на константу:
- .
Поэтому мы можем определить проективное представление из следующее:
- ,
куда обозначает образ оператора в фактор-группе . С и ездить до постоянной, легко видеть, что это проективное представление. С другой стороны, поскольку и фактически не ездят - и никакие ненулевые кратные им не будут ездить - нельзя поднять до обычного (линейного) представления .
Поскольку проективное представление верен, центральное расширение из полученный конструкцией в предыдущем разделе, является лишь прообразом в изображения . В явном виде это означает, что группа всех операторов вида
за . Эта группа представляет собой дискретную версию Группа Гейзенберга и изоморфна группе матриц вида
с .
Проективные представления групп Ли
Изучение проективных представлений Группы Ли приводит к рассмотрению истинных представлений их центральных расширений (см. Расширение группы § Группы Ли ). Во многих интересных случаях достаточно рассмотреть представления группы покрытия. В частности, предположим является связным покрытием связной группы Ли , так что для дискретной центральной подгруппы из . (Обратите внимание, что является особым видом центрального расширения .) Предположим также, что является неприводимым унитарным представлением (возможно бесконечное измерение). Затем по Лемма Шура, центральная подгруппа будет действовать скалярными кратными идентичности. Таким образом, на проективном уровне спустится к . То есть для каждого , мы можем выбрать прообраз из в , и определим проективное представление из установив
- ,
куда обозначает изображение в оператора . С содержится в центре и центр действует как скаляры, значение не зависит от выбора .
Предыдущая конструкция - важный источник примеров проективных представлений. Теорема Баргмана (обсуждается ниже) дает критерий, при котором каждый неприводимое проективное унитарное представление возникает таким образом.
Проективные представления SO (3)
Физически важный пример вышеупомянутой конструкции взят из случая группа вращения SO (3), чей универсальный чехол СУ (2). Согласно теория представлений SU (2), существует ровно одно неприводимое представление SU (2) в каждой размерности. Когда размерность нечетная (случай «целочисленного вращения»), представление опускается до обычного представления SO (3).[3] Когда размерность четная (случай «дробного спина»), представление не опускается до обычного представления SO (3), но (согласно результату, обсужденному выше) спускается к проективному представлению SO (3). Такие проективные представления SO (3) (те, которые не происходят из обычных представлений) называются «спинорными представлениями».
Согласно рассуждению, обсуждаемому ниже, всякая конечномерная неприводимая проективный представление SO (3) происходит из конечномерного неприводимого обычный представление SU (2).
Примеры покрытий, приводящих к проективным представлениям
Известные случаи покрывающих групп, дающих интересные проективные представления:
- В специальная ортогональная группа ТАК(п, F) дважды покрывается Спиновая группа Вращение(п, F).
- В частности, группа SO (3) (группа вращения в 3-х измерениях) дважды покрывается SU (2). Это имеет важные приложения в квантовой механике, поскольку изучение представлений SU (2) приводит к нерелятивистской (низкоскоростной) теории вращение.
- Группа ТАК+(3;1), изоморфный Группа Мебиуса, также дважды покрывается SL2 (C). Обе являются супергруппами вышеупомянутых SO (3) и SU (2) соответственно и образуют релятивистский теория спина.
- Универсальный чехол Группа Пуанкаре - двойное покрытие (полупрямое произведение SL2(C) с р4). Неприводимые унитарные представления этого покрытия порождают проективные представления группы Пуанкаре, как в Классификация Вигнера. Переход к обложке необходим, чтобы включить случай дробного вращения.
- В ортогональная группа O (п) дважды покрывается Группа контактов Штырь±(п).
- В симплектическая группа Sp (2п) = Sp (2п, р) (не путать с компактной вещественной формой симплектической группы, иногда также обозначаемой Sp (м)) дважды покрывается метаплектическая группа Мп (2п). Важное проективное представление Sp (2п) происходит из метаплектическое представление Мп (2п).
Конечномерные проективные унитарные представления
В квантовой физике симметрия физической системы обычно реализуется посредством проективного унитарного представления группы Ли на квантовом гильбертовом пространстве, т. е. непрерывный гомоморфизм
- ,
куда является фактором унитарной группы операторами вида . Причина использования частного заключается в том, что физически два вектора в гильбертовом пространстве, которые пропорциональны, представляют одно и то же физическое состояние. [То есть пространство (чистых) состояний - это набор классов эквивалентности единичных векторов, где два единичных вектора считаются эквивалентными, если они пропорциональны.] Таким образом, унитарный оператор, кратный тождеству, фактически действует как тождество на уровне физических состояний.
Конечномерное проективное представление тогда порождает проективное унитарное представление алгебры Ли из . В конечномерном случае всегда можно "депроективизировать" представление алгебры Ли просто выбрав представителя для каждого с нулевым следом.[4] В свете теорема о гомоморфизмах, тогда можно де-проективизировать сам, но за счет перехода на универсальный чехол из .[5] Иными словами, любое конечномерное проективное унитарное представление возникает из обычного унитарного представления в соответствии с процедурой, указанной в начале этого раздела.
В частности, поскольку представление алгебры Ли было депроективизировано путем выбора представителя с нулевым следом, каждое конечномерное проективное унитарное представление возникает из детерминант-один обычное унитарное представление (т.е. такой, в котором каждый элемент действует как оператор с определителем). Если полупрост, то каждый элемент является линейной комбинацией коммутаторов, и в этом случае каждый представление операторами с нулевым следом. Тогда в полупростом случае соответствующее линейное представление уникален.
Наоборот, если является несводимый унитарное представление универсального покрытия из , затем по Лемма Шура, центр действует как скалярное кратное идентичности. Таким образом, на проективном уровне спускается к проективному представлению исходной группы . Таким образом, существует естественное взаимно однозначное соответствие между неприводимыми проективными представлениями и неприводимые, детерминантные обычные представления . (В полупростом случае квалификатор "определитель-один" может быть опущен, потому что в этом случае каждое представление автоматически является определяющим.)
Важный пример - случай ТАК (3), универсальное покрытие которого SU (2). Теперь алгебра Ли полупростой. Кроме того, поскольку SU (2) является компактная группа, каждое его конечномерное представление допускает скалярный продукт, относительно которого представление унитарно.[6] Таким образом, неприводимая проективный представления SO (3) находятся во взаимно однозначном соответствии с неприводимым обычный представления SU (2).
Бесконечномерные проективные унитарные представления: случай Гейзенберга
Результаты предыдущего пункта не верны в бесконечномерном случае просто потому, что след обычно не очень хорошо определяется. В самом деле, результат неверен: рассмотрим, например, трансляции в позиционном пространстве и в импульсном пространстве для квантовой частицы, движущейся в , действующий в гильбертовом пространстве .[7] Эти операторы определены следующим образом:
для всех . Эти операторы представляют собой просто непрерывные версии операторов и описано в разделе «Первый пример» выше. Как и в этом разделе, мы можем затем определить проективный унитарное представительство из :
- ,
потому что операторы коммутируют до фазового фактора. Но никакой выбор фазовых множителей не приведет к обычному унитарному представлению, поскольку сдвиги по положению не коммутируют со сдвигами по импульсу (и умножение на ненулевую константу этого не изменит). Однако эти операторы происходят из обычного унитарного представления Группа Гейзенберга, которое является одномерным центральным расширением .[8] (См. Также Теорема Стоуна – фон Неймана.)
Бесконечномерные проективные унитарные представления: теорема Баргмана
С другой стороны, Баргманна Теорема утверждает, что если двумерный Когомологии алгебры Ли из тривиально, то всякое проективное унитарное представление можно де-проективизировать после перехода на универсальную обложку.[9][10] Точнее, предположим, что мы начинаем с проективного унитарного представления группы Ли . Тогда теорема утверждает, что можно поднять до обычного унитарного представления универсального покрытия из . Это означает, что отображает каждый элемент ядра карты покрытия в скалярное кратное тождества, так что на проективном уровне спускается к - и что ассоциированное проективное представление равно .
Теорема не распространяется на группу - как показывает предыдущий пример - потому что двумерные когомологии ассоциированной коммутативной алгебры Ли нетривиальны. Примеры, в которых результат действительно применим, включают полупростые группы (например, SL (2, R) ) и Группа Пуанкаре. Последний результат важен для Классификация Вигнера проективных унитарных представлений группы Пуанкаре.
Доказательство теоремы Баргмана проводится путем рассмотрения центральное расширение из , построенный аналогично предыдущему разделу о линейных представлениях и проективных представлениях, как подгруппа группы прямых произведений , куда гильбертово пространство, на котором действует и группа унитарных операторов на . Группа определяется как
- .
Как и в предыдущем разделе, карта данный сюръективный гомоморфизм, ядро которого так что является центральным продолжением . Снова, как и в предыдущем разделе, мы можем затем определить линейное представление из установив . потом это лифт в том смысле, что , куда это фактор-карта из к .
Ключевой технический момент - показать, что это Ложь группа. (Это утверждение не так очевидно, потому что если бесконечномерна, группа является бесконечномерной топологической группой.) Как только этот результат установлен, мы видим, что является одномерным центральным расширением группы Ли , так что алгебра Ли из также является одномерным центральным расширением (обратите внимание, что прилагательное «одномерный» не относится к и , а скорее к ядру карты проекции от этих объектов на и соответственно). Но группа когомологий может быть идентифицирован с пространством одномерных (опять же в указанном выше смысле) центральных расширений ; если тривиально, то всякое одномерное центральное расширение тривиально. В таком случае, это просто прямая сумма с копией реальной линии. Отсюда следует, что универсальная крышка из должен быть прямым продуктом универсального покрытия с копией реальной линии. Затем мы можем поднять из к (составив карту покрытия) и, наконец, ограничим этот подъем универсальным покрытием из .
Примечания
Рекомендации
- Баргманн, Валентин (1954), "Об унитарных лучевых представлениях непрерывных групп", Анналы математики, 59: 1–46, Дои:10.2307/1969831
- Гэннон, Терри (2006), Moonshine Beyond the Monster: мост, соединяющий алгебру, модульные формы и физику, Издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-83531-2
- Холл, Брайан К. (2013), Квантовая теория для математиков, Тексты для выпускников по математике, 267, Спрингер, ISBN 978-1461471158
- 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
- Шур, И. (1911), "Über die Darstellung der simrischen und der alternierenden Gruppe durch gebrochene lineare Substitutionen", Журнал Крелля, 139: 155–250
- Симмс, Д. Дж. (1971), "Краткое доказательство критерия Баргмана подъема проективных представлений групп Ли", Доклады по математической физике, 2: 283–287, Дои:10.1016/0034-4877(71)90011-5