Pierścień grupowy - Group ring

W Algebra , A pierścień grupa jest wolna moduł i w tym samym czasie koło , skonstruowane w sposób naturalny z dowolnego pierścienia i każdej grupie . Jako moduł swobodny, jego pierścień skalarów jest danym pierścieniem, a jego podstawą jest zbiór elementów danej grupy. Jako pierścień, jego prawo dodawania jest prawem modułu swobodnego, a jego mnożenie rozszerza „liniowo” dane prawo grupowe na podstawie. Mniej formalnie pierścień grupowy jest uogólnieniem danej grupy, poprzez przypisanie do każdego elementu grupy „współczynnika ważenia” z danego pierścienia.

Jeśli pierścień jest przemienny, to pierścień grupy jest również określany jako algebra grupy , ponieważ jest to rzeczywiście algebra nad danym pierścieniem. Algebra grup nad ciałem ma dalszą strukturę algebry Hopfa ; w tym przypadku nazywa się to algebrą grupową Hopfa .

Aparat pierścieni grupowych jest szczególnie przydatny w teorii reprezentacji grup .

Definicja

Niech G będzie grupą zapisaną multiplikatywnie, a R niech będzie pierścieniem. Pierścień grupy G przez R , co oznaczamy R [ G ] (lub po prostu RG ) jest zbiorem odwzorowań f  : GR o skończonej wsparcia (f (g) jest różna od zera tylko skończoną wielu elementów g) , gdzie iloczyn skalarny modułu αf skalara α w R i odwzorowania f jest zdefiniowany jako odwzorowanie , a suma dwóch odwzorowań f i g w grupie modułów jest zdefiniowana jako odwzorowanie . Aby przekształcić grupę dodatków R [ G ] w pierścień, definiujemy iloczyn f i g jako odwzorowanie

Podsumowanie jest uzasadnione, ponieważ f i g mają skończone wsparcie, a aksjomaty pierścienia można łatwo zweryfikować.

W użyciu są pewne odmiany notacji i terminologii. W szczególności odwzorowania takie jak f  : GR są czasami zapisywane jako tak zwane „formalne liniowe kombinacje elementów G , ze współczynnikami w R ”:

lub po prostu

gdzie to nie powoduje zamieszania.

Należy zauważyć, że jeśli pierścień R jest w rzeczywistości polem K , to struktura modułowa pierścienia grupowego RG jest w rzeczywistości przestrzenią wektorową nad K .

Przykłady

1. Niech G = C 3 , cykliczna grupa rzędu 3, z generatorem i elementem tożsamościowym 1 G . Element r z C [ G ] można zapisać jako

gdzie z 0 , z 1 i z 2 są w C , liczbami zespolonymi . Jest to to samo co pierścień wielomianowy w zmiennej takiej, że np. C [ G ] jest izomorficzny z pierścieniem C [ ]/ .

Pisząc inny element s jako , ich suma to

a ich produkt to

Zauważ, że element tożsamości 1 G z G indukuje kanoniczne osadzenie pierścienia współczynnika (w tym przypadku C ) w C [ G ]; jednak ściśle mówiąc element tożsamości multiplikatywnej C [ G ] to 1⋅1 G , gdzie pierwsza 1 pochodzi z C , a druga z G . Element tożsamości dodatku wynosi zero.

Gdy G jest grupą nieprzemienną, należy uważać, aby zachować kolejność elementów grupy (i nie zamieniać ich przypadkowo) podczas mnożenia terminów.

2. Innym przykładem są wielomiany Laurenta nad pierścieniem R : nie są one niczym więcej lub mniej niż pierścieniem grupowym nieskończonej grupy cyklicznej Z nad R .

3. Niech Q będzie grupą kwaternionów z elementami . Rozważmy pierścień grupowy R Q , gdzie R jest zbiorem liczb rzeczywistych. Dowolny element tego pierścienia grupowego ma postać

gdzie jest liczba rzeczywista.

Mnożenie, jak w każdym innym pierścieniu grupowym, jest definiowane na podstawie operacji grupowej. Na przykład,

Zauważ, że R Q to nie to samo, co pole skośne kwaternionów nad R . To dlatego, że pole ukosu Quaternions spełnia inne stosunki w pierścieniu, na przykład , podczas gdy w pierścieniu grupy R Q , nie jest równa . Mówiąc dokładniej, pierścień grupowy R Q ma wymiar 8 jako rzeczywista przestrzeń wektorowa , podczas gdy skośne pole kwaternionów ma wymiar 4 jako rzeczywista przestrzeń wektorowa .

4. Innym przykładem nie Abelowych pierścienia grupowego jest , gdy jest grupa symetryczny 3 liter. Nie jest to domena integralna, ponieważ element jest transpozycją - permutacją, która zamienia tylko 1 i 2. Dlatego pierścień grupowy nie musi być domeną integralną, nawet jeśli podstawowy pierścień jest domeną integralną.

Niektóre podstawowe właściwości

Stosując 1 do oznaczenia multiplikatywnej identyczności pierścienia R i oznaczając jednostkę grupy przez 1 G , pierścień R [ G ] zawiera podpierścień izomorficzny z R , a jego grupa elementów odwracalnych zawiera podgrupę izomorficzną z G . Do rozważenia funkcji wskaźnika {1 G }, która jest wektorem f zdefiniowanym przez

zbiór wszystkich skalarnych wielokrotności f jest podpierścieniem R [ G ] izomorficznym z R . A jeśli zmapujemy każdy element s z G na funkcję wskaźnika { s }, która jest wektorem f zdefiniowanym przez

wynikowe odwzorowanie jest homomorfizmem grupy iniektywnej (w odniesieniu do mnożenia, a nie dodawania, w R [ G ]).

Jeśli R i G są przemienne (tj. R jest przemienne, a G jest grupą abelową ), R [ G ] jest przemienne.

Jeśli H jest podgrupa o G , a R [ H ] jest podpierścień z R [ G ]. Podobnie, jeśli S jest podpierścieniem R , S [ G ] jest podpierścieniem R [ G ].

Jeśli G jest skończoną grupą rzędu większego niż 1, to R [ G ] zawsze ma dzielniki zerowe . Rozważmy na przykład element g rzędu G | g | = m > 1. Wtedy 1 - g jest dzielnikiem zera:

Rozważmy na przykład pierścień grupowy Z [ S 3 ] i element rzędu 3 g =(123). W tym przypadku,

Powiązany wynik: Jeśli pierścień grupy jest liczbą pierwszą , wtedy G nie ma skończonej podgrupy normalnej o braku tożsamości (w szczególności G musi być nieskończona).

Dowód: Biorąc pod uwagę przeciwieństwo , załóżmy, że jest to podgrupa skończona normalna bez tożsamości . Weź . Ponieważ dla każdego , wiemy , zatem . Biorąc , mamy . Przez normalność , dojeżdża z podstawą , a zatem

.

I widzimy, że nie są zerami, co pokazuje, że nie jest liczbą pierwszą. To pokazuje oryginalne oświadczenie.

Algebra grup nad grupą skończoną

Algebrami grupy występują naturalnie w teorii reprezentacji grupy z grup skończonych . Algebra grupowa K [ G ] nad ciałem K jest zasadniczo pierścieniem grupowym, przy czym ciało K zajmuje miejsce pierścienia. Jako przestrzeń zbiorów i wektorów jest to wolna przestrzeń wektorowa na G nad ciałem K . Oznacza to, że dla x w K [ G ],

Strukturę algebry na przestrzeni wektorowej definiuje się za pomocą mnożenia w grupie:

w której po lewej stronie, g i h wskazują elementy Algebra grupowej podczas mnożenia na prawo jest operacja grupę (oznaczonej przez zestawienie).

Ponieważ powyższe mnożenia może być mylące, można również zapisać wektorów bazowych o K [ G ] w e g (zamiast g ), w którym to przypadku mnożenie jest zapisana jako:

Interpretacja jako funkcje

Myśląc o wolnej przestrzeni wektorowej jako o funkcjach o wartościach K na G , mnożenie algebry jest splotem funkcji.

O ile algebra grupowa grupy skończonej może być utożsamiana z przestrzenią funkcji na grupie, o tyle dla grupy nieskończonej są one różne. Algebra grupowa, składająca się z sum skończonych , odpowiada funkcjom na grupie, które znikają o nieskończenie wiele punktów; topologicznie (przy użyciu topologii dyskretnej ) odpowiadają one funkcjom z obsługą zwartą .

Natomiast algebra grup K [ G ] i przestrzeń funkcji K G  := Hom( G , K ) są podwójne: dany element algebry grup

oraz funkcję na grupie f  : GK te pary dają element K via

co jest dobrze określoną sumą, ponieważ jest skończona.

Reprezentacje algebry grupowej

Biorąc K [ G ] za algebrę abstrakcyjną, można zapytać o reprezentacje algebry działającej na przestrzeni K- wektorowej V wymiaru d . Taka reprezentacja

jest homomorfizmem Algebra Algebra z grupy do algebry endomorfizm z V , który jest izomorficzny z pierścieniem d x d matryce: . Równoważnie jest to lewy moduł K [ G ] nad grupą abelową V .

Odpowiednio, reprezentacja grupy

jest homomorfizmem grupowym od G do grupy automorfizmów liniowych V , który jest izomorficzny z ogólną grupą liniową macierzy odwracalnych: . Każda taka reprezentacja indukuje reprezentację algebry

po prostu pozwalając i rozszerzając się liniowo. Tak więc reprezentacje grupy odpowiadają dokładnie reprezentacjom algebry, a obie teorie są zasadniczo równoważne.

Regularna reprezentacja

Algebra grupowa jest algebrą samą w sobie; pod korespondencją reprezentacji nad modułami R i R [ G ] jest to regularna reprezentacja grupy.

Zapisana jako reprezentacja, jest to reprezentacja gρ g z działaniem podanym przez , lub

Półprosty rozkład

Wymiar przestrzeni wektorowej K [ G ] jest po prostu równy liczbie elementów w grupie. Za ciało K powszechnie uważa się liczby zespolone C lub liczby rzeczywiste R , tak że omawiamy algebry grupowe C [ G ] lub R [ G ].

Algebra grupowa C [ G ] skończonej grupy nad liczbami zespolonymi jest pierścieniem półprostym . Wynik tego twierdzenia MASCHKE jest , pozwala zrozumieć C [ G ] w postaci skończonego produktu z pierścieni matrycy z wpisami C . W istocie, jeśli wymienione złożonych nieredukowalnych reprezentacji z G jako V k o k = 1,. . . , m , odpowiadają one homomorfizmom grup , a więc homomorfizmom algebr . Złożenie tych odwzorowań daje izomorfizm algebry

gdzie d k jest wymiarem V k . Podalgebra C [ G ] odpowiadająca End( V k ) jest dwustronnym ideałem generowanym przez idempotentnego

gdzie jest znak od V k . Tworzą one kompletny system ortogonalnych idempotentów, tak że , dla j ≠ k , oraz . Izomorfizm jest ściśle związany z transformacją Fouriera na grupach skończonych .

W przypadku bardziej ogólnym polu K, gdy charakterystyka z K nie dzieli uporządkowanie grupy G , a K [ G ] oznacza półprosty. Gdy G jest skończoną grupą abelową , pierścień grupy K [G] jest przemienny, a jego strukturę można łatwo wyrazić w kategoriach pierwiastków jedności .

Gdy K jest polem charakterystyki p , które dzieli rząd G , pierścień grupowy nie jest półprosty: ma niezerowy rodnik Jacobsona , co nadaje odpowiedniemu podmiotowi modularnej teorii reprezentacji jego własny, głębszy charakter.

Środek algebry grupowej

Centrum algebry grupowej to zbiór elementów, które dojeżdżają z wszystkich elementów algebry grupowej:

Centrum jest równe zbiorowi funkcji klasy , czyli zbiorowi elementów, które są stałe na każdej klasie sprzężeń

Jeżeli K = C , zestaw nieredukowalnych znaków o G tworzy podstawę ortonormalną z Z ( K [ G ]), w odniesieniu do produktu wewnętrzną

Grupa dzwoni do nieskończonej grupy

Znacznie mniej wiadomo w przypadku, gdy G jest przeliczalnie nieskończone lub niepoliczalne i jest to obszar aktywnych badań. Przypadek, w którym R jest ciałem liczb zespolonych, jest prawdopodobnie najlepiej zbadany. W tym przypadku, Irving Kaplansky okazało się, że jeśli i b są elementami C, [ G ] W AB = 1 , a ba = 1 . Nie wiadomo, czy tak jest, jeśli R jest polem o dodatniej charakterystyce.

Długoletnia hipoteza Kaplansky'ego (~1940) mówi, że jeśli G jest grupą wolną od skręcania , a K jest polem, to pierścień grupy K [ G ] nie ma nietrywialnych dzielników zera . Ta hipoteza jest równoważna K [ G ] nie mającej nietrywialnych nilpotentów w ramach tych samych hipotez dla K i G .

W rzeczywistości warunek, że K jest polem, można rozluźnić do dowolnego pierścienia, który może być osadzony w domenie integralnej .

Przypuszczenie pozostaje otwarte w pełnej ogólności, jednak wykazano, że niektóre szczególne przypadki grup wolnych od skręcania spełniają przypuszczenie zerowego dzielnika. Obejmują one:

Przypadek, w którym G jest grupą topologiczną, został szerzej omówiony w artykule Algebra grup lokalnie zwartej grupy .

Teoria kategorii

Przylegający

Kategorycznie , konstrukcja pierścienia grupowego jest połączona z „ grupą jednostek ”; sprzężoną parą są następujące funktory :

gdzie przenosi grupę do swojej grupy pierścieniem nad R , i przenosi R -algebrę do swojej grupy jednostek.

Gdy R = Z , daje to dodatek między kategorią grup a kategorią pierścieni , a jednostka dodatku przenosi grupę G do grupy zawierającej jednostki trywialne: G × {±1} = {± g }. Na ogół pierścienie grupowe zawierają nietrywialne jednostki. Jeśli G zawiera elementy a i b takie, że i b nie normalizują, to kwadrat

wynosi zero, stąd . Element 1 + x jest jednostką nieskończonego porządku.

Własność uniwersalna

Powyższy dodatek wyraża uniwersalną właściwość pierścieni grupowych. Niech R być przemienne (pierścień), niech G jest grupą, niech S być R -algebra. Dla homomorfizmu każdej grupy istnieje unikalny homomorfizm R- algebry taki, że gdzie i jest inkluzją

Innymi słowy, jest unikalnym homomorfizmem, który powoduje, że następujący diagram komutuje:

Pierścień grupy UMP.svg

Każdy inny pierścień spełniający tę właściwość jest kanonicznie izomorficzny z pierścieniem grupowym.

Algebra Hopfa

Algebra grup K [ G ] ma naturalną strukturę algebry Hopfa . Komultiplikacja jest zdefiniowana przez , rozciągnięta liniowo, a antypoda jest ponownie rozciągnięta liniowo.

Uogólnienia

Algebra grupowa uogólnia się do pierścienia monoidalnego , a stąd do algebry kategorii , której innym przykładem jest algebra incydencji .

Filtrowanie

Jeśli grupa ma funkcję długości — na przykład, jeśli istnieje wybór generatorów i bierze się słowo metric , jak w grupach Coxetera — wówczas pierścień grupy staje się algebrą filtrowaną .

Zobacz też

Teoria reprezentacji

Teoria kategorii

Uwagi

Bibliografia