舒尔引理(Schur's lemma)

                     

贡献者: certain_pineapple; addis

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   本章节分为两个部分,前半部分从线性空间的角度进行严格定义并进行证明,后半部分通过矩阵的语言表述并进行证明。供读者自行选择阅读。

1. 线性空间角度定义

引理 1 舒尔引理

   设 (ϕ,V)(ψ,W) 是群 G 的两个不可约 K 表示,其中 K 是代数闭域。设 σ 是域 K 上有限维线性空间 VW 的一个线性变换使得

(1)ψ(g)σ=σϕ(g)(gG) .
(i) 如果 ϕψ 不等价,则 σ=0
(ii) 如果 V=W 并且有 ϕ=ψ,则 σ=λ1V,其中 λK 中某个元素。

2. 矩阵语言

   我们可以将前文定义的舒尔引理拆成两部分并逐一证明。

引理 2 舒尔引理 I

   设矩阵群 D(G) 是群 G 在复空间的一个不可约表示,若矩阵 M 与全部群元的表示矩阵都对易,则 M 必是常数矩阵。

   证明:在表示空间中选取一组基后,考虑矩阵 M 的本征值问题:My=λy

   矩阵 M 在复数域中至少有一个本征值 λ,对应与本征值 λ 至少有一个本征矢量,考虑对应于本征值 λ 的本征子空间 Vλ

   考虑 M 与所有表示矩阵对易,gG,yVλ,

(2)MD(g)y=D(g)My=D(g)λy=λD(g)y .

   则 M 的本征子空间 VλVG 不变子空间。由于表示 D(g)是不可约表示,即没有非平庸的不可约表示。则 Vλ={0}V。则有 M=λI

引理 3 舒尔引理 II

   设维数分别为 n1n2 维的对于任意群元 g 的两个不可约表示 D(1)(g)D(2)(g) 之间存在矩阵 M 使得:

(3)gG,D(1)(g)M=MD(2)(g) .
则当 M0 时,有 M 可逆,D(1)(g)D(2)(g) 等价。


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