לדלג לתוכן

משפט בראואר על אינדוקציה של קרקטרים

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית


משפט בראואר על אינדוקציה של קרקטרים
מידע כללי
תחום תורת ההצגות של חבורות סופיות
נקרא על שם ריכרד בראואר
ניסוח כל קרקטר של הצגה של חבורה סופית G הוא צירוף ליניארי עם מקדמים שלמים של אינדוקציות של קרקטרים חד-ממדיים של תתי חבורת של G
נוסחה Char(G)=SpanH<G;χH^indHG(χ)
היסטוריה
שוער על ידי  אמיל ארטין[1]
תאריך השערה  1931[1]
הוכח על ידי ריכרד בראואר
תאריך הוכחה 1947[2]
הקשר
מחזק את משפט ארטין על אינדוקציה של קרקטרים[3]
כלים בהוכחה תורת הקרקטרים, חוג השלמים האלגבריים, חשבון מודולרי, פירוק ז'ורדן חבורות סופיות, חבורות p.
משמש ב המשכה אנליטית של פונקציית L של ארטין

ערך זה דורש ידע מוקדם. אם אתם מתקשים להבין את הערך מומלץ לעיין ב:

משפט בראואר על אינדוקציה של קרקטרים, הוא תוצאה יסודית בתורת ההצגות של חבורות סופיות הנקראת על שמו של ריכרד בראואר.[4]

המשפט אומר שכל קרקטר של הצגה של חבורה סופית G הוא צירוף ליניארי עם מקדמים שלמים של אינדוקציות של קרקטרים חד-ממדיים של תתי חבורת של G

רקע

קודמו של משפט האינדוקציה של בראואר היה משפט האינדוקציה של ארטין, הקובע כי |G| כפול הקרקטר הטריוויאלי של G הוא צירוף ליניארי שלם של קרקטרים, שכל אחד מהם מושרה מקרקטר חד-ממדי של תת-חבורה ציקלית של G. משפט בראואר מסיר את הגורם |G|, אך במחיר הרחבת אוסף תת-החבורות שבהן נעשה שימוש. מספר שנים לאחר פרסום הוכחת משפטו של בראואר, הראה J. A. Green (בשנת 1955) כי לא ניתן להוכיח משפט אינדוקציה כזה (עם צירופים שלמים של קרקטרים מושרים מקרקטרים חד-ממדיים) באמצעות אוסף תת-חבורות קטן מזה בו בראואר השתמש.

המוטיבציה של ארטין לעסוק בשאלה נבעה מניסיון לבנות המשכה מרומורפית לפונקציית L של ארטין לכל המישור. משפט האינדוקציה של ארטין מתקרב למטרה זו, אך אין די בו כדי לבנות את ההמשכה. משפט בראואר מאפשר את השלמת המשימה.

נוסח המשפט

תהא G חבורה סופית, ונסמן ב־Char(G) את תת-החוג של חוג פונקציות המחלקה המרוכבות על G, המורכב מצירופים שלמים של קרקטרים אי־פריקים. Char(G) נקרא חוג הקרקטרים של G, ואיבריו נקראים קרקטרים וירטואליים (או קרקטרים מוכללים). זהו אכן חוג, שכן מכפלה של קרקטרים של G היא שוב קרקטר של G. פעולת הכפל ניתנת על ידי כפל נקודתי של פונקציות מחלקה.[5]

משפט האינדוקציה של בראואר קובע כי חוג הקרקטרים נוצר (כחבורה אבלית) על ידי קרקטרים של הצגות המושרות מהצגות חד-ממדיות של תת-חבורות של G.[4]

יתרה מזו, בראואר הראה שניתן לבחור את תת-החבורות מתוך אוסף מצומצם מאוד, הקרוי כיום תת-חבורות אלמנטריות. על פי ההגדרה, תת-חבורה היא אלמנטרית אם היא מכפלה ישרה של שתי חבורות מסדרים זרים: חבורה ציקלית וחבורת p – חבורה שסדרה היא חזקה של מספר ראשוני p.

המקרה הנילפוטנטי

מרכיב מרכזי בהוכחת משפט בראואר הוא העובדה שכאשר G היא חבורה נילפוטנטית סופית, כל קרקטר אי־פריק של G מושרה מקרקטר חד-ממדי של תת-חבורה של G. מכאן שכל קרקטר של G הוא סכום של קרקטרים המושרים מקרקטרים חד־ממדיים. במילים אחרות, במקרה זה אין צורך במקדמים שלמים שליליים כדי להציג כל קרקטר כצרוף של קרקטרים מושרים.

למעשה, טענות אלו נכונות גם עבור חבורות c-פתירות. חבורה G נקראת c-פתירה אם יש סדרה של תת חבורות נורמליות ב - G: 1=N0<<Nk=G כך שהמנות Ni+1/Ni הן נורמליות.

הצגת קרקטרים כצירוף שלם אי־שלילי של קרקטרים מושרים

משפט בראואר מעלה את השאלה הבאה: אבור אילו חבורות G ניתן להציג כל קרקטר צירוף שלם לא־שלילי של קרקטרים המושרים מקרקטרים חד-ממדיים של תת-חבורות. באופן כללי, הדבר אינו מתקיים. למעשה, לפי משפט של טאקטה, אם כל הקרקטרים של G ניתנים להצגה כזו, אז G חייבת להיות חבורה פתירה. עם זאת, פתירות כשלעצמה אינה מספיקה: לדוגמה, החבורה הפתירה SL(2,3) כוללת קרקטר מרוכב אי־פריק ממעלה 2 שאינו ניתן לביטוי כצירוף שלם לא־שלילי של קרקטרים המושרים מקרקטרים חד-ממדיים של תת-חבורות.

גרסאות של המשפט

בהינתן המקרה הנילפוטנטי, ניתן להסיק את משפט בראואר מהמשפט הבא:

משפט: כל קרקטר של הצגה של חבורה סופית G הוא צירוף ליניארי עם מקדמים שלמים של אינדוקציות של קרקטרים של תתי חבורת נילפוטנטיות (למעשה אלמנטריות) של G.

קל להסיק מנוסחת ההיטל להצגות מושרות שאוסף כל הצירופים הליניאריים עם מקדמים שלמים של אינדוקציות של קרקטרים של תתי חבורת נילפוטנטיות (או בהתאמה אלמנטריות) של G הוא אידיאל ב Char(G).

לכן, הנסוח האחרון נובע מהנסוח הבא:

משפט: הפונקציה הקבועה 1 על חבורה סופית G היא צירוף ליניארי עם מקדמים שלמים של אינדוקציות של קרקטרים של תתי חבורת נילפוטנטיות (למעשה אלמנטריות) של G.

הוכחה

לאורך השנים ניתנו הוכחות רבות למשפט. נציג כאן אחת מהן. ההוכחה שנציג מבוססת על רעיונות דומים להוכחה המקורית של בראואר, אך מעט פשוטה יותר.

רעיון כללי

תחילה בוחרים מספר ראשוני p ומוכיחים את המשפט "מודולו p". זאת אומרת שמציגים את הפונקציה הקבועה 1 על G כצירוף ליניארי עם מקדמים שלמים של אינדוקציות של קרקטרים של תתי חבורות נילפוטנטיות (למעשה אלמנטריות) של G עד כדי טעות שמתחלקת ב-p. טענה זו קלה יותר להוכחה ממשפט בראואר ודומה מעט יותר למשפט ארטין. זאת מכיוון שניתן לחשוב עליה כעל גרסה של משפט ארטין בה השדה מוחלף בשדה 𝔽p בעוד שבמשפט בראואר הוא מוחלף בחוג . בדומה ל-, גם ב- 𝔽p יש את פעולת החילוק, כך שחלק מהוכחה של ארטין עובד במקרה זה. אולם בשונה מ- ב- 𝔽p לא ניתן לחלק ב-p. לכן ההוכחה של ארטין עדיין לא עובדת במלואה. ניתן לחשוב על המעבר ל- 𝔽p כהתמקדות בקושי אחד במשפט בראואר במקום בכל הקשיים ביחד.

אם p אינו מחלק את סדר החבורה G אז ההוכחה של ארטין מספקת גם הוכחה לטענה מעלה (עם התאמות קלות). אולם כאשר p מחלק את |G| הארגומנט של ארטין אינו מספק. יתר על כן, זה המקום בו עולה הצורך להרחיב את מאגר החבורות מחבורות ציקליות לחבורות אלמנטריות. זה החלק הקשה ביותר מבחינה טכנית בהוכחה והוא משתמש בין היתר בפירוק ז'ורדן לחבורות סופיות.

הרעיון של חלק זה של ההוכחה הוא שמשתמשים בפירוק ז'ורדן כדי לפרק את החבורה לאיחוד זר של קבוצות כדלקמן: Gp(y):=xG|gG s.t. xp|G|!=gyg1, ואז מתמודדים עם כל קבוצה כזו בנפרד.

אפשר להשוות בין הוכחת משפט ארטין להוכחת משפט בראואר כך: במשפט ארטין מראים שניתן לקבל את הפונקציה האופיינית של מחלקת צמידות על ידי צירוף ליניארי (עם מקדמים מתאימים) של אינדוקציות מחבורות ציקליות. במשפט בראואר מראים שניתן לקבל (מודולו p) את הפונקציה האופיינית של Gp(y) על ידי צירוף ליניארי (עם מקדמים מתאימים) של אינדוקציות מחבורות אלמנטריות.

לאחר מכן מסיקים גרסה של משפט בראואר "מודולו pk". כאשר k מספר טבעי (חיובי). את זה עושים באמצעות המקרה הפרטי הבא של משפט אוילר:

משפט אוילר: אם a לא מתחלק ב-p אז apk(p1) הוא 1 מודולו pk.

לבסוף מסיקים את המשפט מהלמה הבאה:

למה: בהינתן תת-חבורה Ln ואיבר xn. הדברים הבאים שקולים:

xL

לכל חזקת ראשוני pk מתקיים xL+pkn.

רעיון נוסף שמופיע בהוכחה הוא לעבוד עם מקדמים בחוג 1|G| במקום בחוג . קל לראות שאם מצליחים להציג קרקטר (וירטואלי) כצירוף ליניארי עם מקדמים בחוג זה של קרקטרים מושרים אז גם ניתן להציג אותו כצירוף ליניארי עם מקדמים ב- של קרקטרים מושרים. רעיון זה אינו הכרחי להוכחה, היות שעבודה מדויקת תניב מלכתחילה מקדמים ב- אולם הוא מפשט אותה בהרבה. הרעיון רלוונטי גם להוכחת משפט ארטין (אם כי שם הוא פשוט יותר). הפונקציות האופייניות המתוארות למעלה לא ניתנות להצגה כצירוף ליניארי של קרקטרים מושרים אם לא מאפשרים מקדמים בחוג 1|G|.

אפשר להחליף את החוג 1|G| בחוג שלמים בכל הרחבת שדות גדולה מספיק (למשל בחוג השלמים האלגבריים) והדבר כמעט ולא ישפיע על ההוכחה.

סימונים

  • עבור חוג R וחבורה סופית G נסמן:
    • R[G]G – אוסף פונקציות המחלקה עם ערכים ב-R. זאת אומרת פונקציות על G שקבועות על מחלקות צמידות. אוסף זה הוא R-אלגברה ביחס לכפל (נקודתי).
    • CharR(G) – אוסף הצירופים הליניאריים של קרקטרים של G עם מקדמים ב-R.
    • El(G) – אוסף תת-החבורות האלמנטריות של G.
  • עבור תת-חבורה H<G נסמן גם:
    • ResHG:[G]G[H]H – העתקת הצמצום. נשים לב שהעתקה זו מעבירה את R[G]G ל-R[H]H ואת CharR(G) ל-CharR(H).
    • IndHG:[H]H[G]Gההעתקה הצמודה ל-ResHG. נשים לב שהעתקה זו מעבירה את R[H]H ל-R[G]G ואת CharR(H) ל-CharR(G). באופן מפורש IndHG(f)(x)=1|H|gGf(gxg1)=[g]HGf(gxg1), כאשר הסכום השני הוא על נציגים של קו-סטים.
  • עבור מספר ראשוני p וחבורה G נבחר תת-חבורת p-סילו ב-G ונסמנה ב-Sylp(G).[6]
  • עבור חבורה G ואיבר gG נסמן ב-Gg את המֶרָכֶּז של g ב-G.
  • עבור פונקציה f ותת-קבוצה X של תחום ההגדרה שלה, נשתמש בסימון f(X) כדי לסמן את התמונה של X תחת f.
  • עבור קבוצה X נסמן ב-1X את הפונקציה המציינת של X.

פירוק ז'ורדן לחבורות סופיות

לפי פירוק ז'ורדן לחבורות סופיות כל איבר gG אפשר להציג באופן יחיד כמכפלה של שני איברים מתחלפים:

  • איבר gr מסדר זר ל-p – נקרא החלק ה-p-רגולרי של g
  • איבר gs מסדר שהוא חזקה של p – נקרא החלק ה-p-סינגולרי של g.

באופן מפורש אפשר לחשב את החלק הרגולרי באמצעות הנוסחה הבאה:gr=gp|G|!.

הערות:

  • אפשר להחליף את המספר |G|! בכל מספר אחר שמתחלק בו.
  • למעשה קיים מספר k המחלק את |G|! (בדרך כלל קטן בהרבה מ-|G|!) כך שאפשר להחליף את |G|! בכל מספר שמתחלק ב-k, התיאור המדויק של k מעט מורכב יותר ואינו רלוונטי להוכחה.

אחד הרעיונות המרכזיים בהוכחה הוא לחלק את החבורה G לקבוצות שבהן נמצאים כל האיברים בעלי חלק רגולרי שנמצא במחלקת צמידות קבועה. אלו הן הקבוצות Gp(y) שתוארו למעלה, כאשר y הוא החלק הרגולרי הזה (ובהתאם הסדר שלו זר ל-p). ליבת ההוכחה משתמשת בעובדה שניתן לקבל פונקציות מחלקה רבות על Gp(y) באמצעות אינדוקציות של קרקטרים של החבורה ySylp(Gy). עובדה זאת היא עידון של ההבחנה הבאה: Gp(y)=gGg(ySylp(Gy))g1. התפקיד של Gp(y) בהוכחת משפט בראואר אנלוגי לתפקיד של מחלקות הצמידות בהוכחת משפט ארטין. באופן דומה התפקיד של ySylp(Gy) בהוכחת משפט בראואר אנלוגי לתפקיד של חבורות ציקליות בהוכחת משפט ארטין. העובדה שהסדר של y זר ל-p מאפשרת להימנע מחלוקה ב-p כאשר עובדים עם y. חלוקה במספרים הזרים ל-p “מותרת” מכיוון שעובדים “מודולו p”. ההתמודדות עם Sylp(Gy) נעשית בנפרד במסגרת ההתמודדות עם חבורה נילפוטנטית.

קל לראות שהחבורה ySylp(Gy) היא אלמנטרית.

שלבי ההוכחה

  1. מוכיחים את המשפט למקרה ש-G חבורה נילפוטנטית. במקרה זה כאמור נכונה טענה חזקה יותר: כל הצגה אי פריקה של G מושרה מהצגה חד-ממדית של תת-חבורה של G. מוכיחים זאת באמצעות השלבים הבאים:[7]
    1. מראים כי לכל חבורה נילפוטנטית G לא אבלית קיימת תת-חבורה אבלית A לא מרכזית (זאת אומרת שלא מוכלת במרכז של החבורה).
    2. מראים שבמקרה זה, כל הצגה נאמנה בלתי פריקה של G לא הופכת לאיזוטיפית כשמצמצמים אותה ל-A.
    3. מסיקים מתורת קליפורד שבמקרה זה ההצגה היא אינדוקציה של הצגה של תת-חבורה של G.
    4. מסיקים את הטענה הנדרשת באינדוקציה.
  2. מהמקרה הנילפוטנטי נובע שדי להוכיח את הטענה הבאה: HEl(G)IndHG(Char(H))=Char(G)
  3. מוכיחים כי לכל חוג R האוסף HEl(G)IndHG(CharR(H)) הוא אידיאל ב-CharR(G). זאת באמצעות נוסחת ההטל:χ,τCharR(G) we have χIndHG(τ)=IndHG(ResHG(χ)τ) נוסחה זו מוכחת בקלות יחסית כשמתרגמים אותה לשפה של הצגות (במקום קרקטרים).
  4. כעת ניתן להסיק את המשפט מהטענה הבאה: 1GHEl(G)IndHG(Char(H)) כאשר 1G היא הפונקציה הקבועה 1 על G.
  5. נסמן R:=1|G|. בוחרים הומומורפיזם אדיטיבי θ:R המקיים θ|=Id. הומומורפיזם זה מגדיר הומומורפיזם θG:CharR(G)Char(G). קל לראות שהומומורפיזם זה מתחלף עם אינדוקציה במובן הבא: IndHGθH=θGIndHG. מכאן קל להסיק שדי להוכיח את הטענה הבאה: 1GHEl(G)IndHG(CharR(H))
  6. משתמשים בלמה למעלה כדי להסיק את המשפט מהטענה שלכל חזקת ראשוני pk מתקיים: 1GHEl(G)IndHG(CharR(H))+pk[G]G
  7. משתמשים במשפט אוילר כדי להסיק את המשפט מהטענה שלכל ראשוני p מתקיים: fp,y[G]GHEl(G)IndHG(CharR(H)) s.t. xG we have pf(x) באופן מפורש: אם קיימת fp,y כזאת אז fp,y(p1)pk11Gpk[G]G. מכיוון ש-[G]GHEl(G)IndHG(CharR(H)) הוא חוג, זה מוכיח את המשפט.
  8. משתמשים בפירוק ז'ורדן לחבורות סופיות כדי להסיק שדי להראות שלכל ראשוני p ולכל איבר yG שסדרו זר ל-p מתקיים: f[G]GHEl(G)IndHG(CharR(H)) s.t. xGp(y) we have pf(x) and xGp(y) we have f(x)=0.
  9. נשים לב שעבור p ו-y כאלו מתקיים: |y|1ySyl(Gy)CharR(ySyl(Gy)). לכן די להראות שהפונקציה fp,y:=IndySyl(Gy)G(1ySyl(Gy)) מקיימת את התנאים הנדרשים בסעיף 8.
  10. העובדה ש-fp,y מתאפסת מחוץ ל-Gp(y) נובעת מהשוויון הפשוט: Gp(y)=gGg(ySyl(Gy))g1. נותר להראות ש-fp,y לא מתחלקת ב-p על קבוצה זאת.
  11. את זאת אפשר לעשות באמצעות ניתוח המקרים הבאים:
    1. y=1. במקרה זה, אפשר להשתמש בנוסחה לאינדוקציה של קרקטר טריוויאלי: (IndHG(1H))(x)=|(G/H)x|. מנוסחה זו קל להסיק שאם H היא תת-חבורת p-סילו אז האינדוקציה לא מתחלקת ב-p בנקודות שסדרן הוא חזקה של p.
    2. y מרכזי. נובעת מהמקרה הקודם מכיוון שהזזה (כפלית) באיבר מרכזי מתחלפת עם אינדוקציה.
    3. y כללי. נובעת מהמקרה הקודם באמצעות אינדוקציה בשלבים: IndySylp(Gy)G=IndyGyGIndySylp(Gy)yGy.

יישומים

בתורת ההצגות

באמצעות הדדיות פרובניוס, משפט האינדוקציה של בראואר מוביל בקלות לאפיון היסודי של קרקטרים של בראואר, הקובע שפונקציית מחלקה מרוכבת על G היא קרקטר וירטואלי אם ורק אם הצמצום שלה לכל תת-חבורה אלמנטרית של בראואר הוא קרקטר וירטואלי. תוצאה זו, יחד עם העובדה שקרקטר וירטואלי θ הוא קרקטר אי־פריק אם ורק אם θ(1)>0 ו־θ,θ=1 (כאשר , היא המכפלה הפנימית הרגילה), מספקת דרך לבניית קרקטרים אי־פריקים מבלי לבנות במפורש את ההצגות המתאימות.

בתורת המספרים

המניע הראשוני למשפט האינדוקציה של בראואר היה יישומו לפונקציות L של ארטין. המשפט מראה שניתן להציג כל פונקציית L של ארטין בתור מכפלה של חזקות שלמות של פונקציות L של הקה. פונקציות L של הקה מהוות מקרה פרטי של פונקציות L של ארטין הדומה יותר לפונקציות L של דיריכלה. מהצגה זו ניתן להסיק שלפונקציות L של ארטין יש המשכה מרומורפית לכל המישור.

עבור פונקציות L של ארטין המתאימות לקרקטרים אותם ניתן להציג כצירוף שלם לא־שלילי של קרקטרים המושרים מקרקטרים חד-ממדיים של תת-חבורות, מתקיימת טענה חזקה יותר: ניתן להציג פונקציות אלו בתור מכפלה של פונקציות L של הקה. מהצגה זו ניתן להסיק שלפונקציות אלו יש המשכה מרומורפית לכל המישור עם לא יותר מקוטב אחד. טענה זו לא ידועה עבור פונקציות L של ארטין כלליות ונקראת השערת ארטין.

לקריאה נוספת

  • Isaacs, I.M. (1994) [1976]. Character Theory of Finite Groups. Dover. ISBN 0-486-68014-2. Zbl 0849.20004.
  • Serre, Jean-Pierre (1977). Linear Representations of Finite Groups. New York, NY: Springer New York. ISBN 978-1-4684-9458-7. OCLC 853264255.

הערות שוליים

  1. ^ 1.0 1.1 במאמר של בראואר הוא מציין שארטין שיער גירסה של המשפט הנוגעת לפונקציות L
  2. On Artin's L-Series with General Group Characters
  3. המשפט מחזק רק את הנסוח הכללי של משפט ארטין. נסוחים מדויקים יותר של משפט ארטין לא נובעים בקלות ממשפט בראואר.
  4. ^ 4.0 4.1 Serre, Jean-Pierre (1977). Linear Representations of Finite Groups. New York, NY: Springer New York. ISBN 978-1-4684-9458-7. OCLC 853264255., חלק II, פרק 10
  5. Isaacs, I.M. (1994) [1976]. Character Theory of Finite Groups. Dover. ISBN 0-486-68014-2. Zbl 0849.20004. מהדורה מתוקנת של המקור משנת 1976, שיצא לאור ב־Academic Press. שגיאת תסריט: היחידה "CS1 identifiers" אינה קיימת.
  6. בפועל נשתמש בבחירה זו רק עבור מספר סופי של חבורות (תת-חבורה של החבורה עבורה אנו מוכיחים את המשפט) לכן אין כאן שימוש באקסיאמת הבחירה
  7. למעשה ההוכחה להלן עובדת גם במקרה ש-G היא c-פתירה.

משפט בראואר על אינדוקציה של קרקטרים42588840Q4958218