§ 9. Công thức của hermann Weyl
Trong tiết này, ta giữ các ký hiệu tổng quát của §6 và §7.
1. Các đặc trưng của các g-môđun hữu hạn chiều
Cho (eλ)λ∈h∗ là cơ sở chính tắc của vành Z[h∗]. Trang bị cho không gian Zh∗ của mọi ánh xạ từ h∗ vào Z tôpô tích của các tôpô rời rạc trên các thừa số. Nếu φ∈Zh∗, họ (φ(ν)eν)ν∈h∗ là khả tổng, và
φ=ν∈h∗∑φ(ν)eν
Gọi Z⟨P⟩ là tập hợp các φ∈Zh∗ mà giá của chúng được chứa trong một hợp hữu hạn các tập hợp có dạng ν−P+, trong đó ν∈h∗. Khi đó Z[P]⊂Z⟨P⟩⊂Zh∗. Định nghĩa trên Z⟨P⟩ một cấu trúc vành mở rộng cấu trúc của Z[P] bằng cách đặt, với φ,ψ∈Z⟨P⟩ và ν∈h∗,
(φψ)(ν)=μ∈h∗∑φ(μ)ψ(ν−μ)
(họ (φ(μ)ψ(ν−μ))μ∈h∗ có giá hữu hạn, xét theo điều kiện được thỏa bởi các giá của φ và ψ). Nếu φ=∑νxνeν và ψ=∑νyνeν, thì φψ=∑ν,μxνyμeν+μ.
Cho ν∈h∗. Một phân hoạch của ν thành các nghiệm dương là một họ (nα)α∈R+, trong đó các nα là các số nguyên ≥0 sao cho ν=∑α∈R+nαα. Ta ký hiệu bởi P(ν) số các phân hoạch của ν thành các nghiệm dương. Ta có
P(ν)>0⇐⇒ν∈Q+
Trong đoạn này, chúng tôi ký hiệu bởi K phần tử sau của Z⟨P⟩:
K=γ∈Q+∑P(γ)e−γ
Bây giờ nhắc lại rằng (Ch. VI, §3, no. 3, Mệnh đề 2)
d=α∈R+∏(eα/2−e−α/2)=w∈W∑ε(w)ewρ
là một phần tử phản bất biến của Z[P].
Trong vành Z⟨P⟩, ta có K.∏α∈R+(1−e−α)=Ke−ρd=1.
Thật vậy,
K=α∈R+∏(e0+e−α+e−2α+⋯)
nên
Ke−ρd=α∈R+∏(1+e−α+e−2α+⋯)α∈R+∏(1−e−α)=1
Cho λ∈h∗. Môđun Z(λ)(§6, no. 3) thừa nhận một đặc trưng là một phần tử của Z⟨P⟩, và ta có d. ch Z(λ)=eλ+ρ.
Cho α1,...,αq là các phần tử phân biệt của R+. Các X−α1n1X−α2n2...X−αqnq⊗1 tạo thành một cơ sở của Z(λ)(§6, Prop. 6 (iii)). Với h∈h, ta có
h.(X−α1n1X−α2n2...X−αqnq⊗1)
=[h,X−α1n1...X−αqnq]⊗1+(X−α1n1...X−αqnq)⊗h.1
=(λ−n1α1−⋯−nqαq)(h)(X−α1n1...X−αqnq⊗1)
Vậy chiều của Z(λ)λ−μ là P(μ). Điều này chứng minh rằng ch Z(λ) được xác định, là một phần tử của Z⟨P⟩, và rằng
ch Z(λ)=∑μP(μ)eλ−μ=Keλ.
Bây giờ chỉ còn cần áp dụng Bổ đề 1.
Cho M là một g-môđun thừa nhận một đặc trưng ch(M) mà giá đỡ của nó được chứa trong một hợp hữu hạn của các tập hợp μ−P+. Gọi U là đại số bao của g, Z là tâm của U,λ0∈h∗, và χλ0 là đồng cấu tương ứng từ Z tới k(§8, Hệ quả 1 của Định lý 2). Giả sử rằng, với mọi z∈Z,zM là phép vị tự với tỉ số χλ0(z). Gọi DM là tập hợp các λ∈W(λ0+ρ)−ρ sao cho λ+Q+ cắt Supp(ch M). Khi đó ch(M) là một tổ hợp tuyến tính trên Z của các ch Z(λ) với λ∈DM.
Nếu Supp(ch M) là rỗng, bổ đề là hiển nhiên. Giả sử rằng Supp(ch M)=∅. Cho λ là một phần tử cực đại của giá này, và đặt dim Mλ=m. Tồn tại một g-đồng cấu φ từ (Z(λ))m đến M ánh xạ (Z(λ)λ)m song ánh lên Mλ(§6, no. 3, Mệnh đề 6 (i)). Do đó, đặc trưng trung tâm của Z(λ) là χλ0, nên λ∈W(λ0+ρ)−ρ(§8, no. 5, Hệ quả 1 của Định lý 2). Điều này chứng minh rằng DM=∅, và cho phép ta lập luận bằng quy nạp theo Card DM. Gọi L và N là hạt nhân và đối hạt nhân của φ. Khi đó ta có một dãy khớp các g-đồng cấu:
0→L→(Z(λ))m→M→N→0
do đó
ch(M) =−ch(L) +m ch Z(λ)+ ch(N)
(§7, no. 7, công thức (6)). Các tập Supp(ch L) và Supp(ch N) được chứa trong một hợp hữu hạn các tập μ−P+. Với z∈Z,zL và zN là các phép vị tự có tỉ số χλ0(z). Rõ ràng, DN⊂DM. Mặt khác, (λ+Q+)∩Supp(ch M) ={λ}, và λ∈/ Supp(ch N), nên λ∈/DN và
Số lượng DN< số lượng DM.
Mặt khác, L là một môđun con của (Z(λ))m; nếu λ′∈DL, thì λ′+Q+ cắt Supp(ch L)⊂ Supp ch Z(λ), nên λ∈λ′+Q+(§6, no. 1, Prop. 1 (ii)); do đó suy ra DL⊂DM. Vì L∩(Z(λ)λ)m=0, ta có λ∈/DL, nên
Số lượng DL< số lượng DM.
Bây giờ chỉ còn đủ để áp dụng giả thiết quy nạp.
Định lý 1 (Công thức đặc trưng của H. Weyl) 015W
Cho M là một g-môđun đơn hữu hạn chiều, và λ là trọng số cao nhất của nó. Khi đó
(∑w∈Wε(w)ewρ).ch M=∑w∈Wε(w)ew(λ+ρ).
Với các ký hiệu của Bổ đề 3, đặc trưng trung tâm của M là χλ(§6, no. 4, Mệnh đề 7). Do đó, theo các Bổ đề 2 và 3,d.ch M là một tổ hợp tuyến tính trên Z của các eμ+ρ sao cho
μ+ρ∈W(λ+ρ)
Mặt khác, theo §7, no. 7, Bổ đề 7,d.ch M là phản bất biến, và số hạng cực đại duy nhất của nó là eλ+ρ, do đó suy ra định lý.
Lấy g=sl(2,k),h=kH. Gọi α là nghiệm của (g,h) sao cho α(H)=2. g-môđun V(m) có trọng số cao nhất (m/2)α. Do đó
ch(V(m)) =(e(m/2)α+21α−e−(m/2)α−21α)/(e21α−e−21α)
=e−(m/2)α.(e(m+1)α−1)/(eα−1)
=e−(m/2)α(emα+e(m−1)α+⋯+1)
=e(m/2)α+e(m−2)α/2+⋯+e−(m/2)α
điều này cũng dễ dàng suy ra từ §1, no. 2, Mệnh đề 2.
2. Số chiều của các g-môđun đơn
Nếu μ∈h∗, đặt J(eμ)=∑w∈Wε(w)ewμ, xem Chương VI, §3, no. 3.
Định lý 2 015Y
Cho E là một g-môđun đơn hữu hạn chiều, λ là trọng số cao nhất của nó và (⋅∣⋅) là một dạng song tuyến tính đối xứng dương, không suy biến, bất biến dưới W trên h∗. Khi đó:
∏⟨λ+ρ,Hα⟩∏((λ∣α))
dim E = = 1 +.
α∈R+⟨ρ,Hα⟩α∈R+(ρ∣α)
Cho T là một ẩn. Với mọi ν∈P, ký hiệu fν là đồng cấu từ Z[P] vào R[[T]] biến eμ thành e(ν∣μ)T với mọi μ∈P. Khi đó dim E là số hạng hằng của chuỗi fν(ch E).
Với mọi μ,ν∈P, ta có
fν(J(eμ))=w∈W∑ε(w)e(ν∣wμ)T
=w∈W∑ε(w)e(w−1ν∣μ)T=fμ(J(eν))
Đặc biệt, theo Chap. VI, §3, no. 3, công thức (3),
fρ(J(eμ))=fμ(J(eρ))=e(μ∣ρ)Tα∈R+∏(1−e−(μ∣α)T)
Do đó, đặt Card(R+) =N,
fρ(J(eμ))≡TN∏α∈R(μ∣α) (mod TN+1R[[T]]).
Vì vậy đẳng thức J(eλ+ρ)= ch(E).J(eρ) (Định lý 1) suy ra rằng
TN∏α∈R+(λ+ρ∣α)≡fρ(ch E).TN∏α∈R+(ρ∣α) (mod TN+1R[[T]])
nên
dim E=((∏α∈R+(λ+ρ∣α))/((∏α∈R+(ρ∣α))=∏α∈R+(1+(ρ∣α)(λ∣α)).
Bây giờ, nếu α∈R+,α được đồng nhất với một phần tử của hR tỉ lệ với Hα, nên
(λ+ρ∣α)/(ρ∣α)=⟨λ+ρ,Hα⟩/⟨ρ,Hα⟩
Trong Ví dụ của no. 1, ta thấy rằng
số chiều V(m)=(2mα+2α)(Hα)/2α(Hα)=m+1,
điều mà ta đã biết ở §1.
Lấy g là đại số Lie đơn phân rã được kiểu G2 và dùng các ký hiệu của Chương VI, Bảng IX. Trang bị cho hR∗ dạng đối xứng dương bất biến dưới W (⋅∣⋅) sao cho (α1∣α1)=1. Khi đó ρ=ϖ1+ϖ2 và
(ϖ1∣α1)=21,(ϖ1∣α2)=0,(ϖ1∣α2+α1)=21
(ϖ1∣α2+2α1)=1,(ϖ1∣α2+3α1)=23,(ϖ1∣2α2+3α1)=23
(ϖ2∣α1)=0,(ϖ2∣α2)=23,(ϖ2∣α2+α1)=23
(ϖ2∣α2+2α1)=23,(ϖ2∣α2+3α1)=23,(ϖ2∣2α2+3α1)=3
Do đó, nếu n1,n2 là các số nguyên ≥0, thì chiều của biểu diễn đơn có trọng số cao nhất n1ϖ1+n2ϖ2 là
(1+12n1/2)((1+323n2/2)((1+12+23n1/2+3n2/2)((1+1+32n1+3n2/2)
×(1+32+233n1/2+3n2/2)((1+3n12/32+3+3n2)
=(1+n1)(1+n2)(1+4n1+3n2)((1+52n1+3n2)((1+2n1+n2)
×(1+3n1+2n2)
(1+n1)(1+n2)(2+n1+n2)(3+n1+2n2)(4+n1+3n2)(5+2n1+3n2)
=.
5!
Đặc biệt, biểu diễn cơ bản có trọng số cao nhất ϖ1 (tương ứng ϖ2) có chiều bằng 7 (tương ứng 14).
3. Bội số của các trọng số của các g-môđun đơn
Mệnh đề 1 0161
Cho ω∈P++. Với mọi λ∈P, bội số của λ trong E(ω) là
mλ=w∈W∑ε(w)P(w(ω+ρ)−(λ+ρ))
Theo Định lý 1 và Bổ đề 1,
ch E(ω)=Ke−ρd ch E(ω)=Ke−ρ∑w∈Wε(w)ew(ω+ρ)
nên
ch E(ω)=∑w∈W,γ∈Q+ε(w)P(γ)e−ρ+w(ω+ρ)−γ
và
mλ=∑ε(w)P(γ)
w∈W,γ∈Q+,γ=−λ−ρ+w(ω+ρ)
Nếu λ là một trọng số của E(ω) phân biệt với ω,
mλ=−w∈W,w=1∑ε(w)mλ+ρ−wρ
Áp dụng Mệnh đề 1 với ω=0. Nếu μ∈P-- {0}, ta thấy rằng
0=w∈W∑ε(w)P(wρ+μ−ρ)
do đó
P(μ)=−w∈W,w=1∑ε(w)P(μ+wρ−ρ)(1)
Mệnh đề 1 cũng cho
mλ=−w∈W∑ε(w)w′∈W,w′=1∑ε(w′)P(w(ω+ρ)−(λ+ρ)+w′ρ−ρ)
vì w(ω+ρ)=λ+ρ với mọi w∈W(§7, Mệnh đề 5 (iii)). Do đó,
mλ=−w′∈W,w′=1∑ε(w′)w∈W∑ε(w)P(w(ω+ρ)−(λ+ρ−w′ρ+ρ))
=−∑w′∈W,w′=1ε(w′)mλ+ρ−w′ρ (Mệnh đề.1).
4. Phân tích của các tích tenxơ của các g-môđun đơn
Mệnh đề 2 0163
Cho λ,μ∈P++. Trong R(g), ta có
[λ].[μ]=ν∈P++∑m(λ,μ,ν)[ν]
với
m(λ,μ,ν)=w,w′∈W∑ε(ww′)P(w(λ+ρ)+w′(μ+ρ)−(ν+2ρ))
Cho E,F là các g-môđun đơn hữu hạn chiều có các trọng số cao nhất λ,μ. Gọi lν là độ dài của thành phần đẳng kiểu của E⊗F có trọng số cao nhất ν. Chỉ cần chứng minh rằng
lν=w,w′∈W∑ε(ww′)P(w(λ+ρ)+w′(μ+ρ)−(ν+2ρ))(2)
Đặt c1= ch(E) =∑σ∈Pmσeσ,c2= ch(F), và d=J(eρ), trong đó J được định nghĩa như ở no. 2. Ta có ∑ξ∈P++lξch[ξ]= ch(E ⊗F) =c1c2
nên, sau khi nhân với d và dùng Định lý 1,
ξ∈P++∑lξJ(eξ+ρ)=c1J(eμ+ρ)=(σ∈P∑mσeσ)((w∈W∑ε(w)ew(μ+ρ))(3)
=τ∈P∑(w∈W∑ε(w)mτ+ρ−w(μ+ρ))eτ+ρ
Bây giờ, nếu ξ∈P++,ξ+ρ thuộc buồng được xác định bởi B (Chương VI, §1, no. 10); do đó, với mọi w∈W phân biệt với 1, ta có w(ξ+ρ)∈/P++. Do đó, hệ số của eν+ρ trong ∑ξ∈P++lξJ(eξ+ρ) bằng lν. Xét (3), ta thu được
lν=w∈W∑ε(w)mν+ρ−w(μ+ρ)
nghĩa là, theo Mệnh đề 1,
lν=w,w′∈W∑ε(w)ε(w′)P(w′(λ+ρ)−(ν+ρ−w(μ+ρ)+ρ))
điều này chứng minh (2).
Ta trở lại Ví dụ ở no. 1. Cho λ=(n/2)α,μ=(p/2)α, ν=(q/2)α với n≥p. Ta có
m(λ,μ,ν)=P(2nα+2α+2pα+2α−2qα−α)
−P(2nα+2α−2pα−2α−2qα−α)
−P(−2nα−2α+2pα+2α−2qα−α)
+P(−2nα−2α−2pα−2α−2qα−α)
=P(2n+p−qα)−P(2n−p−q−2α)
Biểu thức này bằng không nếu n+p+q không chia được cho 2, hoặc nếu q≥n+p. Nếu
q=n+p−2r
với r là một số nguyên ≥0, ta có
m(λ,μ,ν)=P(rα)−P((r−p−1)α)
do đó m(λ,μ,ν)=1 nếu r≤p và m(λ,μ,ν)=0 nếu r>p. Cuối cùng, g-môđun V(n)⊗V(p) đẳng cấu với
V(n+p)⊕V(n+p−2)⊕V(n+p−4)⊕⋯⊕V(n−p)
(công thức Clebsch-Gordan).
Bài tập
Mọi g-môđun được xét đều được giả thiết là hữu hạn chiều.
Xem các bài tập của § 9.