Exercise 11.2 - možné stupne ired. reprezentácií ak $|G|=12$

Moderator: Martin Sleziak

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Exercise 11.2 - možné stupne ired. reprezentácií ak $|G|=12$

Post by Martin Sleziak »

Exercise 11.2. If $G$ is a group of order 12, what are the possible degrees of all the irreducible representations of $G$?

Find the degrees of the irreducible representations of $D_{12}$.

Z toho, že počet prvkov grupy je súčtom štvorcov dimenzií neizomorfných ireducibilných reprezentácií máme tieto možnosti:
$12=3^2+3\times1^2$
$12=3\times2^2$
$12=2\times 2^2+4\times 1^2$
$12=2^2+8\times1^2$
$12=12\times1^2$

Navyše vieme, že sa medzi ireducibilnými $\mathbb{C}G$-modulmi musí vyskytnúť aspoň jeden jednorozmerný $\mathbb{C}G$-modul (konkrétne triviálny), tak možnosť $12=3\times2^2$ nemôže nastať.

Teda zatiaľ vieme, že možné dimenzie ireducibilných $\mathbb{C}G$-modulov sú 1, 2 a 3. Poďme sa pozrieť na ďalšie cvičenie, kde uvidíme, že dimenzie 1 a 2 sa vyskytujú.

Ireducibilné $\mathbb{C}G$-moduly pre $G=D_{12}$

Keď sa teraz pozrieme na $D_{12}=\langle a,b; a^6=b^2=e, b^{-1}ab=a^{-1}\rangle$, tak vieme vcelku ľahko nájsť ireducibilnú reprezentáciu dimenzie 2:
$A_1=\begin{pmatrix} e^{\pi i/3} & 0 \\ 0 & e^{-\pi i/3} \end{pmatrix}$, $B_1=\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$
Teda pre túto grupu musí nastať možnosť $12=2\times 2^2+4\times 1^2$, t.j. existujú dve neizomorfné ireducibilné reprezentácie dimenzie 2 a štyri neizomorfné ireducibilné reprezentácie dimenzie 1.

Po troche skúšania nájdeme aj tie ostatné reprezentácie. Ďalšou dvojrozmernou je
$A_2=\begin{pmatrix} e^{2\pi i/3} & 0 \\ 0 & e^{-2\pi i/3} \end{pmatrix}$, $B_2=\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$
Pretože $A_1$ a $A_2$ majú rôzne vlastné čísla, tieto dve reprezentácie nie sú izomorfné.

Pre jednorozmerné reprezentácie $\varphi \colon D_{12} \to \mathbb{C}$ sú jediní kandidáti na $\varphi(b)$ čísla $\pm1$, pretože $b^2=e$.
Podmienka $b^{-1}ab=a^{-1}$ nám dá v jednorozmere (kde všetko komutuje) $\varphi(a)=\varphi(a)^{-1}$, teda aj jediné možnosti pre $\varphi(a)$ sú $\pm1$.
Ľahko sa dá skontrolovať, že všetky štyri možnosti $A=(\pm 1)$, $B=(\pm 1)$ sú skutočne reprezentácie.

Podľa toho, čo píšu na tejto linke by to malo podobne fungovať vo všeobecnosti: Pre $D_{2n}$, kde $n$ je párne, dostaneme 4 ireducibilné reprezentácie stupňa 1, a všetky ostatné budú mať stupeň 2 (malo by ich byť $(n-2)/2$). Tento príklad nám vlastne dáva návod, ako by sme ich vedeli zostrojiť a súčasne vidíme, že iné už nie sú, pretože súčet druhých mocnín je počet prvkov grupy.

Trojrozmerný ireducibilný $\mathbb{C}G$-modul pre $G=A_4$

Ešte by sme mali ukázať, že existuje aj trojrozmerný ireducibilný $\mathbb{C}G$-modul pre nejakú 12-prvkovú grupu. Jedna z možností je grupa $G=A_4$ párnych permutácií na 4 prvkoch.

Podobnú vec sme videli v Exercise 4.1; tam sme robili s grupou $S_3$.

Pri báze $u_1=v_1-v_2$, $u_2=v_2-v_3$, $u_3=v_3-v_4$ by dostaneme pre $\alpha=(12)(34)$ priradenie $u_1\mapsto-u_1$, $u_2\mapsto v_1-v_4=u_1+u_2+u_3$ a $u_3\mapsto -u_3$ a maticu
$A=
\begin{pmatrix}
-1 & 0 & 0 \\
1 & 1 & 1 \\
0 & 0 & -1
\end{pmatrix}
$
K vlastnej hodnote $-1$ mám vlastné vektory $(1,0,0)$ a $(0,0,1)$. K vlastnej hodnote $1$ mám vlastný vektor $(0,1,0)$.

EDIT: Jordanov tvar môžeme skontrolovať aj na WolframAlpha. Majú tam iné vlastné vektory; ja som robil riadkové vlastné vektory, tam sú stĺpcové. (V tejto knihe robíme s riadkovými - keďže náš $FG$-modul je definovaný tak, že $vg=vA$, ak $A$ je matica reprezentujúca $g$.)

Skúsme sa teraz pozrieť na permutáciu $\beta=(123)$, ktorá tiež patrí do $A_4$. Máme $u_1\mapsto u_2$, $u_2\mapsto u_3$ a $u_3\mapsto v_1-v_4=u_1+u_2+u_3$, čo nám dá maticu
$B=
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 1 \\
1 & 1 & 1
\end{pmatrix}
$

Ak sa pozrieme na vlastné vektory, ktoré sme dostali pre maticu $A$, tak:
  • $(0,1,0)B=(0,0,1)$, teda tento vektor nie je vlastným vektorom matice $B$
  • $(x,0,y)B=(y,x+y,y)$; ak by to mal byť vlastný vektor, tak musí platiť $x+y=0$, čiže $x=-y$. Máme $(1,0,-1)B=(-1,0,-1)$, teda ani toto nie je vlastný vektor.
EDIT: WolframAlpha našiel takýto Jordanov tvar pre $B$.

Zistili sme, že matice $A$ a $B$ nemajú spoločný vlastný vektor. Teda neexistuje jednorozmerný $\mathbb{C}G$-podmodul; a keďže podmodul s ktorým pracujeme je trojrozmerný, vyplýva už z toho ireducibilita,

Výsledok si môžeme skontrolovať na groupprops Wiki.
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Exercise 11.2

Post by Martin Sleziak »

Martin Sleziak wrote: Teda pre túto grupu musí nastať možnosť $12=2\times 2^2+4\times 1^2$, t.j. existujú dve neizomorfné ireducibilné reprezentácie dimenzie 2 a štyri neizomorfné ireducibilné reprezentácie dimenzie 1.
V skutočnosti na tomto mieste som ešte nevedel vylúčiť, $12=2^2+8\times1^2$; až potom, keď už som našiel dve neizomorfné 2-rozmerné reprezentácie.
Martin Sleziak wrote: Skúsme sa teraz pozrieť na permutáciu $\beta=(123)$, ktorá tiež patrí do $A_4$. Máme $u_1\mapsto u_2$, $u_2\mapsto u_3$ a $u_3\mapsto v_1-v_4=u_1+u_2+u_3$, co nám dá maticu
$B=
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 1 \\
1 & 1 & 1
\end{pmatrix}
$

Ak sa pozrieme na vlastné vektory, ktoré sme dostali pre maticu $A$, tak:
  • $(0,1,0)B=(0,0,1)$, teda tento vektor nie je vlastným vektorom matice $B$
  • $(x,0,y)B=(y,x+y,y)$; ak by to mal byt vlastný vektor, tak musí platiť $x+y=0$, čiže $x=-y$. Máme $(1,0,-1)B=(-1,0,-1)$, teda ani toto nie je vlastný vektor.
Správne som mal mať $u_2\mapsto v_3-v_1=-u_1-u_2$, čo dá maticu:
$B=
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 \\
-1 & -1 & 0 \\
1 & 1 & 1
\end{pmatrix}
$
Našťastie to vyjde tak, že sa skoro nič nezmení na zdôvodnení, ktoré fungovalu pre tú nesprávnu maticu.
  • $(0,1,0)B=(-1,-1,0)$, teda tento vektor nie je vlastným vektorom matice $B$
  • $(x,0,y)B=(y,x+y,y)$; ak by to mal byt vlastný vektor, tak musí platiť $x+y=0$, čiže $x=-y$. Máme $(1,0,-1)B=(-1,0,-1)$, teda ani toto nie je vlastný vektor.
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Exercise 11.2

Post by Martin Sleziak »

Vzadu píšu, že tá jediná zostávajúca možnosť $12=2^2+8\times1^2$ sa nemôže vyskytnúť, a že sa to neskôr v rámci tejto knihy naučíme.
It will be shown later (Exercises 15.4, 17.3) that $1^82$ cannot occur.
Na fóre už máme riešenie Exercise 15.4
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Exercise 11.2

Post by Martin Sleziak »

Keď už tu máme zrátanú nejakú ireducibilnú reprezentáciu pre $A_4$, môžeme zrátať aj príslušný charakter.

Pre maticu $A$ máme $\operatorname{Tr}(A)=-1$.

Pre maticu
$B=
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 \\
-1 & -1 & 0 \\
1 & 1 & 1
\end{pmatrix}
$
dostaneme
$B^2=
\begin{pmatrix}
-1 & -1 & 0 \\
1 & 0 & 0 \\
-1 & 1 & 1
\end{pmatrix}
$
a $\operatorname{Tr}(B)=\operatorname{Tr}(B^2)=0$.

Dostali sme takýto charakter:
$\begin{array}{c|cc}
g & id & (12)(34) & (123) & (132) \\\hline
|C_G(g)|& 12 & 4 & 3 & 3 \\\hline
\chi(g) & 3 & -1 & 0 & 0 \\\hline
\end{array}$
Čo je ten istý, ktorý vyšiel v Example 16.5(2) a je to presne $\chi(g)=|\operatorname{Fix}g|-1$.
Post Reply