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 dematrices 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 v ∈ V 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: G → F× satisfies χ(e) = 1 (where e is the identity element of G) and
- 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: G → F× by a linear mapχ: A → F with:
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: g → F 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: G → F × induce un peso χ = dθ: g → F 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
Dejarser un álgebra de Lie semisimple compleja yuna subálgebra de Cartan deEn esta sección, describimos los conceptos necesarios para formular el "teorema del peso más alto" que clasifica las representaciones de dimensión finita deCabe destacar que explicaremos la noción de "elemento integral dominante". Las representaciones en sí se describen en el artículo enlazado anteriormente.
Peso de una representación

Dejar :{\mathfrak {g}}\to \operatorname {End} (V)} sea una representación de un álgebra de Lieen un espacio vectorial V sobre un cuerpo de característica 0, por ejemploy dejar :{\mathfrak {h}}\to \mathbb {C} } sea un funcional lineal en, dóndees una subálgebra de Cartan de. Entonces elespacio de peso deVcon pesoλes el subespaciodado por
- .
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 mapa) 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 de, con los autovalores correspondientes dados por λ.
Si V es la suma directa de sus espacios de peso
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 Lie, toda representación de dimensión finita de G induce una representación de. Un peso de la representación de G es entonces simplemente un peso de la representación asociada deExiste 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 adjunta :{\mathfrak {g}}\to \operatorname {End} ({\mathfrak {g}})} de , 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 de, se denominan vectores raíz . Explícitamente, una función linealsobre la subálgebra de Cartanse llama raíz siy existe un valor distinto de ceroende tal manera que
a pesar deenEl 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: Si :{\mathfrak {g}}\to \operatorname {End} (V)} es una representación de, v es un vector de pesos con pesoy X es un vector raíz con raíz, entonces
para todo H en. Eso es, is either the zero vector or a weight vector with weight . Thus, the action of maps the weight space with weight into the weight space with weight .
For example, if , or complexified, the root vectors span the algebra and have weights , , and respectively. The Cartan subalgebra is spanned by , and the action of classifies the weight spaces. The action of maps a weight space of weight to the weight space of weight and the action of maps a weight space of weight to the weight space of weight , and the action of maps the weight spaces to themselves. In the fundamental representation, with weights and weight spaces , maps to zero and to , while maps to zero and to , and maps each weight space to itself.
Integral element

Let be the real subspace of generated by the roots of , where is the space of linear functionals :{\mathfrak {h}}\to \mathbb {C} } , the dual space to . 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 with a subspace of . With this identification, the coroot associated to a root is given as
where denotes the inner product of vectors In addition to this inner product, it is common for an angle bracket notation to be used in discussions of root systems, with the angle bracket defined as 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
We now define two different notions of integrality for elements of . The motivation for these definitions is simple: The weights of finite-dimensional representations of satisfy the first integrality condition, while if G is a group with Lie algebra , the weights of finite-dimensional representations of G satisfy the second integrality condition.
An element is algebraically integral if
for all roots . The motivation for this condition is that the coroot can be identified with the H element in a standard basis for an -subalgebra of .[1] By elementary results for , the eigenvalues of in any finite-dimensional representation must be an integer. We conclude that, as stated above, the weight of any finite-dimensional representation of is algebraically integral.[2]
The fundamental weights are defined by the property that they form a basis of dual al conjunto de corraíces asociadas a las raíces simples . Es decir, los pesos fundamentales se definen por la condición
dónde son las raíces simples. Un elementoes entonces algebraicamente integral si y solo si es una combinación integral de los pesos fundamentales. [ 3 ] El conjunto de todos-pesos integrales es una red enllamada la red de peso para, denotado por.
La figura muestra un ejemplo del álgebra de Lie., cuyo sistema radicular es elsistema radicular. Hay dos raíces simples,y. El primer peso fundamental,, debería ser ortogonal ay debería proyectarse ortogonalmente a la mitad dey de manera similar para. La red de pesos es entonces la red triangular.
Supongamos ahora que el álgebra de Liees el álgebra de Lie de un grupo de Lie G. Entonces decimos quees analíticamente integral ( integral G ) si para cada t ende tal manera quetenemos. La razón para hacer esta definición es que si una representación desurge 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 (). Si G es simplemente conexo , entonces P ( G ) = P (). Si G no es simplemente conexo, entonces la red P ( G ) es más pequeña que P () y su cociente es isomorfo al grupo fundamental de G . [ 5 ]
Ordenación parcial en el espacio de pesos

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 deRecordemos que R es el conjunto de raíces; ahora fijamos un conjuntode raíces positivas .
Consideremos dos elementosyde . Nos interesa principalmente el caso en el queyson integrales, pero esta suposición no es necesaria para la definición que estamos a punto de introducir. Entonces decimos quees más alto que, que escribimos como, si 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 is "lower" than , which we write as .
This is only a partial ordering; it can easily happen that is neither higher nor lower than .
Dominant weight
An integral element is dominant if for each positive root . Equivalently, is dominant if it is a non-negative integer combination of the fundamental weights. In the 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 for all positive roots is known as the fundamental Weyl chamber associated to the given set of positive roots.
Theorem of the highest weight
A weight of a representation of is called a highest weight if every other weight of is lower than .
The theory classifying the finite-dimensional irreducible representations of 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 is called highest-weight module if it is generated by a weight vector v ∈ V that is annihilated by the action of all positive root spaces in . Every irreducible -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 —not necessarily dominant or integral—there exists a unique (up to isomorphism) simple highest-weight -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
- ↑ De hecho, dado un conjunto de matrices conmutativas sobre un cuerpo algebraicamente cerrado , son simultáneamente triangularizables , sin necesidad de suponer que son diagonalizables.
Referencias
- ↑ Hall 2015 Teorema 7.19 y ecuación (7.9)
- ↑ Hall 2015 Proposición 9.2
- ↑ Hall 2015 Proposición 8.36
- ↑ Hall 2015 Proposición 12.5
- ↑ Hall 2015 Corolario 13.8 y Corolario 13.20
- ↑ Hall 2015 Definición 8.39
- ↑ Hall 2015 Teoremas 9.4 y 9.5
- ↑ 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.
- álgebras de Lie
- Teoría de la representación de las álgebras de Lie
- Teoría de la representación de los grupos de Lie