马施克定理

✍ dations ◷ 2025-07-12 18:13:32 #群表示论

在代数中,马施克定理是有限群表示论中基本的定理之一。

V {\displaystyle V} 是域 K {\displaystyle K} 上的有限维线性空间, ( V , ρ ) {\displaystyle (V,\rho )} 是有限群 G {\displaystyle G} 的表示, U 0 {\displaystyle U_{0}} V {\displaystyle V} G {\displaystyle G} 不变子空间, K {\displaystyle K} 的特征不能整除 G {\displaystyle G} 的阶,

则存在 V {\displaystyle V} 中的 G {\displaystyle G} 不变子空间 W {\displaystyle W} ,使得 V = W U {\displaystyle V=W\oplus U} ,从而 ( V , ρ ) {\displaystyle (V,\rho )} 是完全可约的。

U 0 {\displaystyle U_{0}} V {\displaystyle V} 的子空间,所以存在 U 0 {\displaystyle U_{0}} V {\displaystyle V} 中的补空间 W 0 {\displaystyle W_{0}} ,及投影 P 0 {\displaystyle P_{0}} , Q 0 {\displaystyle Q_{0}} ,使得

U 0 = P 0 V {\displaystyle U_{0}=P_{0}V}

W 0 = Q 0 V {\displaystyle W_{0}=Q_{0}V}

P 0 2 P 0 = Q 0 2 Q 0 = P 0 Q 0 = Q 0 P 0 = 0 {\displaystyle P_{0}^{2}-P_{0}=Q_{0}^{2}-Q_{0}=P_{0}Q_{0}=Q_{0}P_{0}=0}

P 0 + Q 0 = 1 {\displaystyle P_{0}+Q_{0}=1}

由条件“ K {\displaystyle K} 的特征不能整除 G {\displaystyle G} 的阶”,令 N = | G | {\displaystyle N=|G|} ,则 N {\displaystyle N} 是域K中的可逆元。

定义新的投影算子

P = N 1 g G g P 0 g 1 {\displaystyle P=N^{-1}\sum _{g\in G}gP_{0}g^{-1}}

Q = N 1 g G g Q 0 g 1 {\displaystyle Q=N^{-1}\sum _{g\in G}gQ_{0}g^{-1}}

P + Q = 1 {\displaystyle P+Q=1}

P 2 = P {\displaystyle P^{2}=P}

Q 2 = Q {\displaystyle Q^{2}=Q}

P Q = Q P = 0 {\displaystyle PQ=QP=0}

于是

V = U W {\displaystyle V=U\oplus W}

其中 U = Im P {\displaystyle U={\textrm {Im}}{P}} W = Im Q {\displaystyle W={\textrm {Im}}{Q}}

P {\displaystyle P} 的定义 U = Im P U 0 {\displaystyle U={\textrm {Im}}P\subseteq U_{0}}

另一方面可以直接验证 u = P 0 v U 0 , Q u = Q P 0 v = 0 {\displaystyle \forall u=P_{0}v\in U_{0},Qu=QP_{0}v=0} 从而 U 0 Ker Q = Im P = U {\displaystyle U_{0}\subseteq {\textrm {Ker}}Q={\textrm {Im}}P=U}

U = U 0 {\displaystyle U=U_{0}}

V = U 0 W {\displaystyle V=U_{0}\oplus W}

注意到 g G , g Q = Q g {\displaystyle \forall g\in G,gQ=Qg}

W {\displaystyle W} G {\displaystyle G} 不变子空间。

证毕。

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