70

Представления конечных групп

[52/37%]
Показать
LaTeX
Задача 70.1

Пусть A\mathcal{A} и B\mathcal{B} — два перестановочных оператора на конечномерном векторном пространстве VV над C\mathbb {C} и Am=Bn=E\mathcal{A}^{m}=\mathcal{B}^{n}=\mathcal{E} для некоторых натуральных чисел mm и nn. Доказать, что пространство VV распадается в прямую сумму одномерных инвариантных относительно A\mathcal{A} и B\mathcal{B} подпространств.

?
Задача 70.2

Перечислить все неприводимые комплексные представления групп:

?
(а)

⟨a⟩2\langle a\rangle_{2};

(б)

⟨a⟩4\langle a\rangle_{4};

(в)

⟨a⟩2×⟨b⟩2\langle a\rangle_{2} \times \langle b\rangle_{2};

(г)

⟨a⟩6\langle a\rangle_{6};

(д)

⟨a⟩8\langle a\rangle_{8};

(е)

⟨a⟩4×⟨b⟩2\langle a\rangle_{4} \times \langle b\rangle_{2};

(ж)

⟨a⟩2×⟨b⟩2×⟨c⟩2\langle a\rangle_{2} \times \langle b\rangle_{2} \times \langle c\rangle_{2};

(з)

⟨a⟩6×⟨b⟩3\langle a\rangle_{6} \times \langle b\rangle_{3};

(и)

⟨a⟩9×⟨b⟩27\langle a\rangle_{9} \times \langle b\rangle_{27}.

Задача 70.3

Пусть VV — векторное пространство над полем F,A∈GL(V)F, \mathcal{A} \in \mathbf{G L}(V) и An=E\mathcal{A}^{n}=\mathcal{E}.

?
(а)

Доказать, что соответствие ak↦Aka^{k} \mapsto \mathcal{A}^{k} определяет представление циклической группы ⟨a⟩n\langle a\rangle_{n} на пространстве VV.

(б)

Найти все инвариантные подпространства этого представления в случаях:

n=4,A=[01−10];n=6,A=[0−11−1]. n=4, \quad \mathcal{A}=\left[\begin{smallmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{smallmatrix}\right] ; \quad n=6, \quad \mathcal{A}=\left[\begin{smallmatrix} 0 & -1 \\ 1 & -1 \end{smallmatrix}\right].
(в)

Пусть F=CF=\mathbb {C} и в VV имеется такой базис e0,e1,…,en−1e_{0}, e_{1}, \ldots , e_{n-1}, что

A(ei)={ei+1, если i<n−1,e0, если i=n−1. \mathcal{A}\left(e_{i}\right)= \begin{cases} e_{i+1}, \quad \text{ если } \quad i<n-1, \\ e_{0}, \quad \text{ если } \quad i=n-1. \end{cases}

Разложить это представление в прямую сумму неприводимых.

(г)

Доказать, что представление из в) изоморфно регулярному представлению группы ⟨a⟩n\langle a\rangle_{n}.

Задача 70.4

Разложить в прямую сумму одномерных представлений регулярное представление группы:

?
(а)

⟨a⟩2×⟨b⟩2\langle a\rangle_{2} \times \langle b\rangle_{2};

(б)

⟨a⟩2×⟨b⟩3;\langle a\rangle_{2} \times \langle b\rangle_{3} ;

(в)

⟨a⟩2×⟨b⟩4\langle a\rangle_{2} \times \langle b\rangle_{4}.

Задача 70.5

Пусть H=⟨a⟩3H=\langle a\rangle_{3} — циклическая подгруппа группы G,ΦG, \Phi регулярное представление группы GG и Ψ\Psi — его ограничение на HH. Найти кратность каждого неприводимого представления группы HH в разложении представления Ψ\Psi в сумму неприводимых:

?
(а)

G=⟨b⟩6,a=b2;G=\langle b\rangle_{6}, \quad a=b^{2} ;

(б)

G=S3,a=(1,2,3)G=\mathbf{S}_{3}, \quad a=(1,2,3).

Задача 70.6

Найти все неизоморфные одномерные вещественные представления группы ⟨a⟩n\langle a\rangle_{n}.

?
Задача 70.7

Доказать, что неприводимое вещественное представление циклической группы имеет размерность не более двух.

?
Задача 70.8

Пусть ρk:⟨a⟩n→GL2(R)\rho_{k}:\langle a\rangle_{n} \rightarrow \mathbf{G L}_{2}(\mathbb {R}) — представление, для которого

ρk(a)=[cos⁡2πkn−sin⁡2πknsin⁡2πkncos⁡2πkn],0<k<n \rho _{k}(a)=\left[\begin{smallmatrix} \cos \frac{2 \pi k}{n} & -\sin \frac{2 \pi k}{n} \\ \sin \frac{2 \pi k}{n} & \cos \frac{2 \pi k}{n} \end{smallmatrix}\right], \quad 0<k<n

Доказать, что:

?
(а)

представление ρk\rho_{k} неприводимо, если k≠n/2k \neq n / 2;

(б)

представления ρk\rho_{k} и ρk′\rho_{k^{\prime }} эквивалентны тогда и только тогда, когда k=k′k=k^{\prime } или k+k′=nk+k^{\prime }=n;

(в)

любое двумерное вещественное неприводимое представление группы ⟨a⟩n\langle a\rangle_{n} эквивалентно представлению ρk\rho_{k} для некоторого kk.

Задача 70.9

Найти число неэквивалентных неприводимых вещественных представлений:

?
(а)

группы Zn\mathbf{Z}_{n};

(б)

всех абелевых групп порядка 8.

Задача 70.10

Найти число неэквивалентных двумерных комплексных представлений групп:

?
(а)

Z2\mathbf{Z}_{2},

(б)

Z4\mathbf{Z}_{4},

(в)

Z2⊕Z2\mathbf{Z}_{2} \oplus \mathbf{Z}_{2}.

Задача 70.11

Пусть GG — абелева группа порядка nn. Доказать, что число неэквивалентных kk-мерных комплексных представлений группы GG равно коэффициенту при tkt^{k} ряда (1−t)−n(1-t)^{-n}. Найти этот коэффициент.

?
Задача 70.12

Доказать, что ядро одномерного представления группы GG содержит коммутант этой группы.

?
Задача 70.13

Пусть ρ\rho — представление группы GG в пространстве VV и в VV существует базис, в котором все операторы ρ(g)(g∈G)\rho (g)(g \in G) диагональны. Доказать, что Ker⁡ρ⊇G′\operatorname {Ker} \rho \supseteq G^{\prime }.

?
Задача 70.14

Доказать, что все неприводимые комплексные представления конечной группы одномерны тогда и только тогда, когда она коммутативна.

?
Задача 70.15

Найти все неизоморфные одномерные комплексные представления групп S3\mathbf{S}_{3} и A4\mathbf{A}_{4}.

?
Задача 70.16

Найти все одномерные комплексные представления групп Sn\mathbf{S}_{n} и Dn\mathbf{D}_{n}.

?
Задача 70.17

Построить неприводимое двумерное комплексное представление группы S3\mathbf{S}_{3}.

?
Задача 70.18

Используя гомоморфизм группы S4\mathbf{S}_{4} на группу S3\mathbf{S}_{3}, построить неприводимое двумерное комплексное представление группы S4\mathbf{S}_{4}.

?
Задача 70.19

Используя изоморфизм групп перестановок и соответствующих групп движений куба и тетраэдра (см. 57.13), построить:

?
(а)

два неприводимых трехмерных матричных комплексных представления группы S4\mathbf{S}_{4};

(б)

неприводимое трехмерное представление группы A4\mathbf{A}_{4}.

Задача 70.20

Доказать, что если ε\varepsilon — корень степени nn из 1, то отображение

a↦[ε00ε−1],b↦[0110] a \mapsto \left[\begin{smallmatrix} \varepsilon & 0 \\ 0 & \varepsilon ^{-1} \end{smallmatrix}\right], \quad b \mapsto \left[\begin{smallmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{smallmatrix}\right]

продолжается до представления ρε\rho_{\varepsilon } группы Dn\mathbf{D}_{n}. Является ли оно неприводимым при ε≠±1\varepsilon \neq \pm 1?

?
Задача 70.21

Пусть ρε\rho_{\varepsilon } и ρε′\rho_{\varepsilon^{\prime }} — неприводимые двумерные комплексные группы представления Dn\mathbf{D}_{n} из задачи 70.20. Доказать, что ρε\rho_{\varepsilon } и ρε′\rho_{\varepsilon^{\prime }} изоморфны тогда и только тогда, когда ε′=ε±1\varepsilon^{\prime }=\varepsilon^{ \pm 1}.

?
Задача 70.22

Пусть ρ\rho — неприводимое комплексное представление группы Dn\mathbf{D}_{n}. Доказать, что ρ\rho изоморфно ρε\rho_{\varepsilon } для некоторого ε\varepsilon.

?
Задача 70.23

Пусть ρ\rho — естественное двумерное вещественное представление Dn\mathbf{D}_{n} в виде преобразований, составляющих правильный nn-угольник. Найти такое ε\varepsilon, что ρ\rho изоморфно ρε\rho_{\varepsilon }.

?
Задача 70.24

Используя реализацию кватернионов в виде комплексных матриц порядка 2 (см. задачу 58.11, в)), построить двумерное комплексное представление группы Q8\mathbf{Q}_{8}.

?
Задача 70.25

Пусть группа GG имеет точное приводимое двумерное представление.

Доказать, что:

?
(а)

коммутант группы G′G^{\prime } — абелева группа;

(б)

если GG конечна и основное поле имеет характеристику 0, то GG коммутативна.

Задача 70.26

Доказать, что точное двумерное комплексное представление конечной некоммутативной группы неприводимо.

?
Задача 70.27

Пусть GG — конечная группа, ρ\rho — её конечномерное комплексное представление и в некотором базисе матрицы всех операторов ρ(g)(g∈G)\rho (g)(g \in G) верхнетреугольные. Доказать, что Ker⁡(ρ)⊇G′\operatorname {Ker}(\rho ) \supseteq G^{\prime }.

?
Задача 70.28

Доказать, что если в задачах 69.22, 69.23 основное поле является полем комплексных чисел и группа GG конечна, то представление ρ\rho эквивалентно прямой сумме представлений ρ1,…,ρm\rho_{1}, \ldots , \rho_{m}.

?
Задача 70.29

Доказать, что если в задаче 69.22 основное поле является полем комплексных чисел и группа GG конечна, то существует такая невырожденная матрица CC, что для всех g∈Gg \in G

C−1ρ(g)C=[ρ1(g)0⋱0ρm(g)] C^{-1} \rho (g) C=\left[\begin{smallmatrix} \rho _{1}(g) & & 0 \\ & \ddots & \\ 0 & & \rho _{m}(g) \end{smallmatrix}\right]
?
Задача 70.30

Пусть GG — конечная группа порядка n,ρn, \rho — её регулярное представление. Доказать, что

tr⁡ρ(g)={0,g≠1n,g=1 \operatorname {tr} \rho (g)= \begin{cases} 0, & g \neq 1 \\ n, & g=1\end{cases}
?
Задача 70.31

Доказать, что для любого неединичного элемента конечной группы существует неприводимое комплексное представление, переводящее его в неединичный оператор.

?
Задача 70.32

Пусть A,B\mathcal{A}, \mathcal{B} — линейные операторы в конечномерном векторном пространстве VV над полем FF характеристики 0 и A3=B2=E\mathcal{A}^{3}=\mathcal{B}^{2}=\mathcal{E}, AB=BA2\mathcal{A B}=\mathcal{B} \mathcal{A}^{2}.

Доказать, что для всякого подпространства UU, инвариантного относительно A\mathcal{A} и B\mathcal{B}, существует подпространство WW, инвариантное относительно A,B\mathcal{A}, \mathcal{B} и такое, что V=U⊕WV=U \oplus W.

?
Задача 70.33

Найти все неэквивалентные двумерные комплексные представления групп:

?
(а)

A4\mathbf{A}_{4};

(б)

S3S_{3}.

Задача 70.34

Найти число и размерности неприводимых комплексных представлений групп:

?
(а)

S3S_{3};

(б)

A4\mathbf{A}_{4};

(в)

S4\mathrm{S}_{4};

(г)

Q8\mathbf{Q}_{8};

(д)

Dn\mathbf{D}_{n};

(е)

A5\mathbf{A}_{5}.

Задача 70.35

Сколько прямых слагаемых в разложении на неприводимые компоненты регулярного представления следующих групп:

?
(а)

Z3\mathbf{Z}_{3};

(б)

S3S_{3};

(в)

Q8\mathbf{Q}_{8};

(г)

A4\mathbf{A}_{4}?

Задача 70.36

С помощью теории представлений доказать, что группа порядка 24 не может совпадать со своим коммутантом.

?
Задача 70.37

Могут ли неприводимые комплексные представления конечной группы исчерпываться:

?
(а)

тремя одномерными и четырьмя двумерными;

(б)

двумя одномерными и двумя пятимерными;

(в)

пятью одномерными и одним пятимерным?

Задача 70.38

Доказать, что в группе GL2(C)\mathbf{G L}_{2}(\mathbb {C}) нет подгруппы, изоморфной S4\mathbf{S}_{4}.

?
Задача 70.39

Доказать существование двумерного инвариантного подпространства в любом восьмимерном комплексном представлении группы S4\mathbf{S}_{4}.

?
Задача 70.40

Доказать существование одномерного инвариантного подпространства в любом пятимерном представлении группы A4\mathbf{A}_{4}.

?
Задача 70.41

Доказать, что число неприводимых представлений группы GG строго больше числа неприводимых представлений любой её факторгруппы по нетривиальной нормальной подгруппе.

?
Задача 70.42

Для каких конечных групп регулярное представление над полем C\mathbb {C} содержит лишь конечное число подпредставлений?

?
Задача 70.43

Доказать, что любое неприводимое представление конечной pp-группы над полем характеристики pp единично.

?
Задача 70.44

Пусть GG — конечная pp-группа и ρ\rho — её представление в конечномерном пространстве VV над полем характеристики pp. Доказать, что в VV существует такой базис, что для любого g∈Gg \in G матрица оператора ρ(g)\rho (g) верхняя унитреугольная.

?
Задача 70.45

Пусть HH — нормальная подгруппа в конечной группе GG. Доказать, что размерность любого неприводимого представления группы GG над полем FF не превосходит [G:H]m[G: H] m, где mm — наибольшая размерность неприводимого представления группы HH над полем FF.

?
Задача 70.46

Доказать, что в GLn(C)\mathbf{G} \mathbf{L}_{n}(\mathbb {C}) существует лишь конечное число попарно несопряжённых подгрупп фиксированного конечного порядка.

?
Задача 70.47

Пусть ρ:G→GL3(R)\rho : G \rightarrow \mathbf{G L}_{3}(\mathbb {R}) — неприводимое трехмерное вещественное представление конечной группы GG и представление ρ~:G→GL3(C)\widetilde{\rho }: G \rightarrow \mathbf{G} \mathbf{L}_{3}(\mathbb {C}) получается как композиция отображения ρ\rho со стандартным вложением GL3(R)→GL3(C)\mathbf{G L}_{3}(\mathbb {R}) \rightarrow \mathbf{G L}_{3}(\mathbb {C}). Доказать, что представление ρ~\widetilde{\rho } неприводимо.

?
Задача 70.48

Доказать, что всякое неприводимое неодномерное комплексное представление группы порядка p3p^{3} является точным.

?
Задача 70.49

Найти число неприводимых комплексных представлений некоммутативной группы порядка p3p^{3} и их размерности.

?
Задача 70.50

Вещественное представление Φ\Phi циклической группы ⟨a⟩\langle a\rangle порядка 4, при котором

Φ(a)=[00−1010100] \Phi (a)=\left[\begin{smallmatrix} 0 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \end{smallmatrix}\right]

разложить в прямую сумму неприводимых.

?
Задача 70.51

Рассмотрим вещественное трехмерное представление группы G=⟨a⟩2×⟨b⟩2G=\langle a\rangle_{2} \times \langle b\rangle_{2}, где

Φ(a)=[5−406−50001],Φ(b)=−E. \Phi (a)=\left[\begin{smallmatrix} 5 & -4 & 0 \\ 6 & -5 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{smallmatrix}\right], \quad \Phi (b)=-E.

Разложить Φ\Phi в прямую сумму неприводимых представлений.

?
Задача 70.52

Рассмотрим двумерное комплексное представление Φ\Phi группы G=⟨a⟩2×⟨b⟩2G=\langle a\rangle_{2} \times \langle b\rangle_{2}, где

Φ(a)=[0110],Φ(b)=[0−1−10] \Phi (a)=\left[\begin{smallmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{smallmatrix}\right], \quad \Phi (b)=\left[\begin{smallmatrix} 0 & -1 \\ -1 & 0 \end{smallmatrix}\right]

Разложить Φ\Phi в прямую сумму неприводимых представлений.

?