Articulo de referencia

Peso (teoría de la representación)

En el campo matemático de la teoría de representaciones , el concepto de pesos de un álgebra A sobre un cuerpo F es una generalización del de autovalores . Son homomorfismos de ...

En el campo matemático de la teoría de representaciones , el concepto de pesos de un álgebra A sobre un cuerpo F es una generalización del de autovalores . Son homomorfismos de álgebras de A a F , o equivalentemente, representaciones unidimensionales de A sobre F. Es el análogo algebraico del carácter multiplicativo de un grupo . Sin embargo, la importancia del concepto radica en su aplicación a representaciones de álgebras de Lie y, por lo tanto, también a representaciones de grupos algebraicos y de Lie . En este contexto, un peso de una representación es una generalización de la noción de autovalor , y el autoespacio correspondiente se denomina espacio de pesos .

Motivación y concepto general

Dado un conjunto S denorte×norte{\displaystyle n\times n}matrices sobre el mismo cuerpo, cada una de las cuales es diagonalizable , y cualesquiera dos de las cuales conmutan , siempre es posible diagonalizar simultáneamente todos los elementos de S. [ nota 1 ] De manera equivalente, para cualquier conjunto S de transformaciones lineales semisimples que conmutan entre sí de un espacio vectorial V de dimensión finita , existe una base de V que consta deAutovectores simultáneos de todos los elementos de S. Cada uno de estos autovectores comunes vV define un funcional lineal en la subálgebra U de End( V ) generada por el conjunto de endomorfismos S ; este funcional se define como la aplicación que asocia a cada elemento de U su autovalor en el autovector v . Esta aplicación también es multiplicativa y asigna el valor 1 a la identidad; por lo tanto, es un homomorfismo de álgebras de U al cuerpo base. Este "autovalor generalizado" es un prototipo de la noción de peso.

The notion is closely related to the idea of a multiplicative character in group theory, which is a homomorphismχ from a group G to the multiplicative group of a field F. Thus χ: GF× satisfies χ(e) = 1 (where e is the identity element of G) and

χ(gh)=χ(g)χ(h){\displaystyle \chi (gh)=\chi (g)\chi (h)} for all g, h in G.

Indeed, if Gacts on a vector space V over F, each simultaneous eigenspace for every element of G, if such exists, determines a multiplicative character on G: the eigenvalue on this common eigenspace of each element of the group.

The notion of multiplicative character can be extended to any algebra A over F, by replacing χ: GF× by a linear mapχ: AF with:

χ(ab)=χ(a)χ(b){\displaystyle \chi (ab)=\chi (a)\chi (b)}

for all a, b in A. If an algebra Aacts on a vector space V over F to any simultaneous eigenspace, this corresponds an algebra homomorphism from A to F assigning to each element of A its eigenvalue.

Si A es un álgebra de Lie (un álgebra no asociativa con un corchete bilineal y antisimétrico que satisface la identidad de Jacobi ), entonces en lugar de requerir la multiplicatividad de un carácter, se requiere que mapee cualquier corchete de Lie al conmutador correspondiente ; pero como F es conmutativo, esto simplemente significa que este mapeo debe anularse en los corchetes de Lie: χ ([ a , b ]) = 0. Un peso en un álgebra de Lie g sobre un cuerpo F es un mapeo lineal λ: gF con λ([ x , y ]) = 0 para todo x , y en g . Cualquier peso en un álgebra de Lie g se anula en el álgebra derivada [ g , g ] y por lo tanto desciende a un peso en el álgebra de Lie abeliana g /[ g , g ]. Por lo tanto, los pesos son de interés principalmente para las álgebras de Lie abelianas, donde se reducen a la noción simple de un valor propio generalizado para el espacio de transformaciones lineales conmutativas.

Si G es un grupo de Lie o un grupo algebraico , entonces un carácter multiplicativo θ: GF × induce un peso χ = dθ: gF en su álgebra de Lie mediante diferenciación. (Para los grupos de Lie, esta diferenciación se realiza en el elemento identidad de G , y en el caso de los grupos algebraicos se utiliza una abstracción mediante la noción de derivación).

Pesos en la teoría de representación de álgebras de Lie semisimples

Dejargramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}ser un álgebra de Lie semisimple compleja yh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}una subálgebra de Cartan degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}En esta sección, describimos los conceptos necesarios para formular el "teorema del peso más alto" que clasifica las representaciones de dimensión finita degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}Cabe destacar que explicaremos la noción de "elemento integral dominante". Las representaciones en sí se describen en el artículo enlazado anteriormente.

Peso de una representación

Ejemplo de los pesos de una representación del álgebra de Lie sl(3,C)

Dejarσ:gramoFin(V){\displaystyle \sigma :{\mathfrak {g}}\to \operatorname {End} (V)} sea una representación de un álgebra de Liegramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}en un espacio vectorial V sobre un cuerpo de característica 0, por ejemplodo{\displaystyle \mathbb {C} }y dejarλ:hdo{\displaystyle \lambda :{\mathfrak {h}}\to \mathbb {C} } sea un funcional lineal enh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}, dóndeh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}es una subálgebra de Cartan degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}. Entonces elespacio de peso deVcon pesoλes el subespacioVλ{\displaystyle V_{\lambda }}dado por

Vλ:={vV:Hh,(σ(H))(v)=λ(H)v}{\displaystyle V_{\lambda }:=\{v\in V:\forall H\in {\mathfrak {h}},\,(\sigma (H))(v)=\lambda (H)v\}}.

Un peso de la representación V (la representación a menudo se denomina brevemente espacio vectorial V sobre el cual actúan los elementos del álgebra de Lie en lugar del mapaσ{\displaystyle \sigma }) es un funcional lineal λ tal que el espacio de pesos correspondiente es distinto de cero. Los elementos distintos de cero del espacio de pesos se denominan vectores de peso . Es decir, un vector de peso es un vector propio simultáneo para la acción de los elementos deh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}, con los autovalores correspondientes dados por λ.

Si V es la suma directa de sus espacios de peso

V=λhVλ{\displaystyle V=\bigoplus _{\lambda \in {\mathfrak {h}}^{*}}V_{\lambda }}

entonces V se llama unmódulo de peso ;esto corresponde a que exista unabase de autovectores(una base de autovectores simultáneos) para todos los elementos representados del álgebra, es decir, a que existan matrices diagonalizables simultáneamente (véasematriz diagonalizable).

Si G es un grupo de Lie con álgebra de Liegramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}, toda representación de dimensión finita de G induce una representación degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}. Un peso de la representación de G es entonces simplemente un peso de la representación asociada degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}Existe una sutil distinción entre los pesos de las representaciones de grupos y las representaciones de álgebras de Lie, que radica en la diferente noción de condición de integralidad en ambos casos; véase más adelante. (La condición de integralidad es más restrictiva en el caso de los grupos, lo que refleja que no toda representación del álgebra de Lie proviene de una representación del grupo).

Acción de los vectores raíz

Para la representación adjuntaad:gramoFin(gramo){\displaystyle \mathrm {ad} :{\mathfrak {g}}\to \operatorname {End} ({\mathfrak {g}})} de gramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}, el espacio sobre el que actúa la representación es el álgebra de Lie misma. Entonces los pesos no nulos se llaman raíces , los espacios de pesos se llaman espacios de raíces y los vectores de pesos, que son por lo tanto elementos degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}, se denominan vectores raíz . Explícitamente, una función linealα{\displaystyle \alpha }sobre la subálgebra de Cartanh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}se llama raíz siα0{\displaystyle \alpha \neq 0}y existe un valor distinto de ceroincógnita{\displaystyle X}engramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}de tal manera que

[H,incógnita]=α(H)incógnita{\displaystyle [H,X]=\alpha (H)X}

a pesar deH{\displaystyle H}enh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}El conjunto de raíces forma un sistema radicular .

Desde la perspectiva de la teoría de la representación, la importancia de las raíces y los vectores raíz radica en el siguiente resultado elemental pero importante: Siσ:gramoFin(V){\displaystyle \sigma :{\mathfrak {g}}\to \operatorname {End} (V)} es una representación degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}, v es un vector de pesos con pesoλ{\displaystyle \lambda }y X es un vector raíz con raízα{\displaystyle \alpha }, entonces

σ(H)(σ(incógnita)(v))=[(λ+α)(H)](σ(incógnita)(v)){\displaystyle \sigma (H)(\sigma (X)(v))=[(\lambda +\alpha )(H)](\sigma (X)(v))}

para todo H enh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}. Eso es,σ(incógnita)(v){\displaystyle \sigma (X)(v)} is either the zero vector or a weight vector with weight λ+α{\displaystyle \lambda +\alpha }. Thus, the action of X{\displaystyle X} maps the weight space with weight λ{\displaystyle \lambda } into the weight space with weight λ+α{\displaystyle \lambda +\alpha }.

For example, if g=suC(2){\displaystyle {\mathfrak {g}}={\mathfrak {su}}_{\mathbb {C} }(2)}, or su(2){\displaystyle {\mathfrak {su}}(2)} complexified, the root vectors H,X,Y{\displaystyle {H,X,Y}} span the algebra and have weights 0{\displaystyle 0}, 1{\displaystyle 1}, and 1{\displaystyle -1} respectively. The Cartan subalgebra is spanned by H{\displaystyle H}, and the action of H{\displaystyle H} classifies the weight spaces. The action of X{\displaystyle X} maps a weight space of weight λ{\displaystyle \lambda } to the weight space of weight λ+1{\displaystyle \lambda +1} and the action of Y{\displaystyle Y} maps a weight space of weight λ{\displaystyle \lambda } to the weight space of weight λ1{\displaystyle \lambda -1}, and the action of H{\displaystyle H} maps the weight spaces to themselves. In the fundamental representation, with weights ±12{\displaystyle \pm {\frac {1}{2}}} and weight spaces V±12{\displaystyle V_{\pm {\frac {1}{2}}}}, X{\displaystyle X} maps V+12{\displaystyle V_{+{\frac {1}{2}}}} to zero and V12{\displaystyle V_{-{\frac {1}{2}}}} to V+12{\displaystyle V_{+{\frac {1}{2}}}}, while Y{\displaystyle Y} maps V12{\displaystyle V_{-{\frac {1}{2}}}} to zero and V+12{\displaystyle V_{+{\frac {1}{2}}}} to V12{\displaystyle V_{-{\frac {1}{2}}}}, and H{\displaystyle H} maps each weight space to itself.

Integral element

Algebraically integral elements (triangular lattice), dominant integral elements (black dots), and fundamental weights for sl(3,C)

Let h0{\displaystyle {\mathfrak {h}}_{0}^{*}} be the real subspace of h{\displaystyle {\mathfrak {h}}^{*}} generated by the roots of g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}, where h{\displaystyle {\mathfrak {h}}^{*}} is the space of linear functionals λ:hC{\displaystyle \lambda :{\mathfrak {h}}\to \mathbb {C} } , the dual space to h{\displaystyle {\mathfrak {h}}}. For computations, it is convenient to choose an inner product that is invariant under the Weyl group, that is, under reflections about the hyperplanes orthogonal to the roots. We may then use this inner product to identify h0{\displaystyle {\mathfrak {h}}_{0}^{*}} with a subspace h0{\displaystyle {\mathfrak {h}}_{0}} of h{\displaystyle {\mathfrak {h}}}. With this identification, the coroot associated to a root α{\displaystyle \alpha } is given as

Hα=2α(α,α){\displaystyle H_{\alpha }=2{\frac {\alpha }{(\alpha ,\alpha )}}}

where (α,β){\displaystyle (\alpha ,\beta )} denotes the inner product of vectors α,β.{\displaystyle \alpha ,\beta .} In addition to this inner product, it is common for an angle bracket notation ,{\displaystyle \langle \cdot ,\cdot \rangle } to be used in discussions of root systems, with the angle bracket defined as λ,α(λ,Hα).{\displaystyle \langle \lambda ,\alpha \rangle \equiv (\lambda ,H_{\alpha }).} The angle bracket here is not an inner product, as it is not symmetric, and is linear only in the first argument. The angle bracket notation should not be confused with the inner product (,).{\displaystyle (\cdot ,\cdot ).}

We now define two different notions of integrality for elements of h0{\displaystyle {\mathfrak {h}}_{0}}. The motivation for these definitions is simple: The weights of finite-dimensional representations of g{\displaystyle {\mathfrak {g}}} satisfy the first integrality condition, while if G is a group with Lie algebra g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}, the weights of finite-dimensional representations of G satisfy the second integrality condition.

An element λh0{\displaystyle \lambda \in {\mathfrak {h}}_{0}} is algebraically integral if

(λ,Hα)=2(λ,α)(α,α)Z{\displaystyle (\lambda ,H_{\alpha })=2{\frac {(\lambda ,\alpha )}{(\alpha ,\alpha )}}\in \mathbb {Z} }

for all roots α{\displaystyle \alpha }. The motivation for this condition is that the coroot Hα{\displaystyle H_{\alpha }} can be identified with the H element in a standard X,Y,H{\displaystyle {X,Y,H}} basis for an sl(2,C){\displaystyle sl(2,\mathbb {C} )}-subalgebra of g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}.[1] By elementary results for sl(2,C){\displaystyle sl(2,\mathbb {C} )}, the eigenvalues of Hα{\displaystyle H_{\alpha }} in any finite-dimensional representation must be an integer. We conclude that, as stated above, the weight of any finite-dimensional representation of g{\displaystyle {\mathfrak {g}}} is algebraically integral.[2]

The fundamental weightsω1,,ωn{\displaystyle \omega _{1},\ldots ,\omega _{n}} are defined by the property that they form a basis of h0{\displaystyle {\mathfrak {h}}_{0}}dual al conjunto de corraíces asociadas a las raíces simples . Es decir, los pesos fundamentales se definen por la condición

2(ωi,αj)(αj,αj)=δi,j{\displaystyle 2{\frac {(\omega _{i},\alpha _{j})}{(\alpha _{j},\alpha _{j})}}=\delta _{i,j}}

dónde α1,αnorte{\displaystyle \alpha _{1},\ldots \alpha _{n}}son las raíces simples. Un elementoλ{\displaystyle \lambda }es entonces algebraicamente integral si y solo si es una combinación integral de los pesos fundamentales. [ 3 ] El conjunto de todosgramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}-pesos integrales es una red enh0{\displaystyle {\mathfrak {h}}_{0}}llamada la red de peso paragramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}, denotado porPAG(gramo){\displaystyle P({\mathfrak {g}})}.

La figura muestra un ejemplo del álgebra de Lie.sl(3,do){\displaystyle sl(3,\mathbb {C} )}, cuyo sistema radicular es elA2{\displaystyle A_{2}}sistema radicular. Hay dos raíces simples,γ1{\displaystyle \gamma _{1}}yγ2{\displaystyle \gamma _{2}}. El primer peso fundamental,ω1{\displaystyle \omega _{1}}, debería ser ortogonal aγ2{\displaystyle \gamma _{2}}y debería proyectarse ortogonalmente a la mitad deγ1{\displaystyle \gamma _{1}}y de manera similar paraω2{\displaystyle \omega _{2}}. La red de pesos es entonces la red triangular.

Supongamos ahora que el álgebra de Liegramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}es el álgebra de Lie de un grupo de Lie G. Entonces decimos queλh0{\displaystyle \lambda \in {\mathfrak {h}}_{0}}es analíticamente integral ( integral G ) si para cada t enh{\displaystyle {\mathfrak {h}}}de tal manera queexp(t)=1GRAMO{\displaystyle \exp(t)=1\in G}tenemos(λ,t)2πiZ{\displaystyle (\lambda ,t)\in 2\pi i\mathbb {Z} }. La razón para hacer esta definición es que si una representación degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}surge de una representación de G , entonces los pesos de la representación serán G -integrales. [ 4 ] Para G semisimple, el conjunto de todos los pesos G -integrales es una subred P ( G ) ⊂ P (gramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}). Si G es simplemente conexo , entonces P ( G ) = P (gramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}). Si G no es simplemente conexo, entonces la red P ( G ) es más pequeña que P (gramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}) y su cociente es isomorfo al grupo fundamental de G . [ 5 ]

Ordenación parcial en el espacio de pesos

Si las raíces positivas sonα1{\displaystyle \alpha _{1}},α2{\displaystyle \alpha _{2}}, yα3{\displaystyle \alpha _{3}}, la región sombreada es el conjunto de puntos más altos queλ{\displaystyle \lambda }

Ahora introducimos un orden parcial en el conjunto de pesos, que se utilizará para formular el teorema del peso más alto que describe las representaciones degramo{\displaystyle {\mathfrak {g}}}Recordemos que R es el conjunto de raíces; ahora fijamos un conjuntoR+{\displaystyle R^{+}}de raíces positivas .

Consideremos dos elementosμ{\displaystyle \mu }yλ{\displaystyle \lambda }de h0{\displaystyle {\mathfrak {h}}_{0}}. Nos interesa principalmente el caso en el queμ{\displaystyle \mu }yλ{\displaystyle \lambda }son integrales, pero esta suposición no es necesaria para la definición que estamos a punto de introducir. Entonces decimos queμ{\displaystyle \mu }es más alto queλ{\displaystyle \lambda }, que escribimos comoμλ{\displaystyle \mu \succeq \lambda }, siμλ{\displaystyle \mu -\lambda } is expressible as a linear combination of positive roots with non-negative real coefficients.[6] This means, roughly, that "higher" means in the directions of the positive roots. We equivalently say that λ{\displaystyle \lambda } is "lower" than μ{\displaystyle \mu }, which we write as λμ{\displaystyle \lambda \preceq \mu }.

This is only a partial ordering; it can easily happen that μ{\displaystyle \mu } is neither higher nor lower than λ{\displaystyle \lambda }.

Dominant weight

An integral element λ{\displaystyle \lambda } is dominant if (λ,γ)0{\displaystyle (\lambda ,\gamma )\geq 0} for each positive root γ{\displaystyle \gamma }. Equivalently, λ{\displaystyle \lambda } is dominant if it is a non-negative integer combination of the fundamental weights. In the A2{\displaystyle A_{2}} case, the dominant integral elements live in a 60-degree sector. The notion of being dominant is not the same as being higher than zero. Note the grey area in the picture on the right is a 120-degree sector, strictly containing the 60-degree sector corresponding to the dominant integral elements.

The set of all λ (not necessarily integral) such that (λ,γ)0{\displaystyle (\lambda ,\gamma )\geq 0} for all positive roots γ{\displaystyle \gamma } is known as the fundamental Weyl chamber associated to the given set of positive roots.

Theorem of the highest weight

A weight λ{\displaystyle \lambda } of a representation V{\displaystyle V} of g{\displaystyle {\mathfrak {g}}} is called a highest weight if every other weight of V{\displaystyle V} is lower than λ{\displaystyle \lambda }.

The theory classifying the finite-dimensional irreducible representations of g{\displaystyle {\mathfrak {g}}} is by means of a "theorem of the highest weight." The theorem says that[7]

(1) every irreducible (finite-dimensional) representation has a highest weight,
(2) the highest weight is always a dominant, algebraically integral element,
(3) two irreducible representations with the same highest weight are isomorphic, and
(4) every dominant, algebraically integral element is the highest weight of an irreducible representation.

The last point is the most difficult one; the representations may be constructed using Verma modules.

Highest-weight module

A representation (not necessarily finite dimensional) V of g{\displaystyle {\mathfrak {g}}} is called highest-weight module if it is generated by a weight vector vV that is annihilated by the action of all positive root spaces in g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}. Every irreducible g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}-module with a highest weight is necessarily a highest-weight module, but in the infinite-dimensional case, a highest weight module need not be irreducible. For each λh{\displaystyle \lambda \in {\mathfrak {h}}^{*}}—not necessarily dominant or integral—there exists a unique (up to isomorphism) simple highest-weight g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}-módulo con peso máximo λ, que se denota L (λ), pero este módulo es de dimensión infinita a menos que λ sea una integral dominante. Se puede demostrar que cada módulo de peso máximo con peso máximo λ es un cociente del módulo de Verma M (λ). Esto es simplemente una reformulación de la propiedad de universalidad en la definición de un módulo de Verma.

Todo módulo de peso máximo de dimensión finita es irreducible. [ 8 ]

Véase también

Notas

  1. De hecho, dado un conjunto de matrices conmutativas sobre un cuerpo algebraicamente cerrado , son simultáneamente triangularizables , sin necesidad de suponer que son diagonalizables.

Referencias

  1. Hall 2015 Teorema 7.19 y ecuación (7.9)
  2. Hall 2015 Proposición 9.2
  3. Hall 2015 Proposición 8.36
  4. Hall 2015 Proposición 12.5
  5. Hall 2015 Corolario 13.8 y Corolario 13.20
  6. Hall 2015 Definición 8.39
  7. Hall 2015 Teoremas 9.4 y 9.5
  8. Esto se deduce de (la demostración de) la Proposición 6.13 en Hall 2015 junto con el resultado general sobre la reducibilidad completa de representaciones de dimensión finita de álgebras de Lie semisimples.
  • Fulton, William ; Harris, Joe (1991). Teoría de la representación. Un primer curso . Textos de posgrado en matemáticas , Lecturas en matemáticas. Vol.  129. Nueva York: Springer-Verlag. doi : 10.1007/978-1-4612-0979-9 . ISBN 978-0-387-97495-8. MR 1153249 . OCLC 246650103 .  .
  • Goodman, Roe; Wallach, Nolan R. (1998), Representaciones e invariantes de los grupos clásicos , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-66348-9.
  • Hall, Brian C. (2015), Grupos de Lie, álgebras de Lie y representaciones: una introducción elemental , Textos de posgrado en matemáticas, vol.  222 (2.ª  ed.), Springer, ISBN 978-3319134666
  • Humphreys, James E. (1972a), Introducción a las álgebras de Lie y la teoría de la representación , Birkhäuser, ISBN 978-0-387-90053-7.
  • Humphreys, James E. (1972b), Grupos algebraicos lineales , Textos de posgrado en matemáticas, vol.  21, Berlín, Nueva York: Springer-Verlag , ISBN 978-0-387-90108-4, MR 0396773 
  • Knapp, Anthony W. (2002), Lie Groups Beyond an Introduction (2.ª  ed.), Birkhäuser, ISBN 978-0-8176-4259-4.