7. Sl2的表示

以下所有模都作为 F 上有限维线性空间,L 表示 sl2(F),其一组标准基为

x=(1),y=(1),h=(1−1).

其上基础的李括号关系为

[h,x]=2x,[h,y]=−2y,[x,y]=h.

权与极大向量

设 V 为任一 L− 模。由于 h 是半单向量(可对角化),Jordan定理的保存性 给出 h 在 V 上的表示是半单的,因此在其上作用也是半单的(虽然这要求 F 代数闭)。这使得 V 可以表示为一系列 h 的特征子空间的直和

V=⨁λVλ,Vλ={v∈V:h⋅v=λv}.

当 λ 不是特征值时,Vλ 也有其意义。

定义:权(weight)、权空间 (weight space)

记 Vλ 为 V 中 h 的表示对应的特征子空间。当 Vλ≠0 时,称 λ 为一个权,Vλ 为一个权空间。

权在 L 的作用下有一个重要的性质:

引理:作用在权空间之间的转换

若 v∈Vλ,则 x⋅v∈Vλ+2,y⋅v∈Vλ−2。

证明:

h⋅(x⋅v)=[h,x]⋅v+x⋅h⋅v=2x⋅v+λx⋅v=(λ+2)x⋅v.

对 y 同理。◻

附注

这一引理诱导 x,y 由 V 的幂零同态表示——虽然用抽象Jordan分解与线性Jordan分解的相容性 更好证明。

由于 V 有限维,直和 V=⨁Vλ 是直和,引理导致因此必存在 Vλ≠0 使 Vλ+2 是 0。对这样的 λ,我们称:

定义:极大向量(maximal vector)

若非零向量 v∈Vλ 被 x 零化,则称 v 是一个权 λ 的极大向量。

不可约模的分类

现设 V 是一个不可约模。任取一个极大向量 v0∈Vλ ,我们记

v−1=0,vi=yi⋅v0i!.

则我们有如下的递推关系:

引理:vi 列的递推关系

  1. h⋅vi=(λ−2i)vi ,
  2. y⋅vi=(i+1)vi+1,
  3. x⋅vi=(λ−i+1)vi−1。

证明: 首先,2 是显然的。

对 1,对 i 归纳。i=−1 是对的,而对更大的 i

h⋅vi=[h,y]yi−1⋅v0i!+yhyi−1⋅v0i!=−2yi⋅v0i!+yi⋅(λ−2(i−1))yi−1⋅v0(i−1)!=(λ−2i)vi.

对 3,同样对 i 归纳。i=0 是对的,而对更大的 i,

ix⋅vi=x⋅y⋅vi−1=[x,y]⋅vi−1+y⋅x⋅vi−1=h⋅vi−1+y⋅x⋅vi−1=(λ−2(i−1))vi−1+(λ−i+2)y⋅vi−2=(λ−2i+2)vi−1+(i−1)(λ−i+2)vi−1=i(λ−i+1)vi−1.

这就证明了这一结论。◻

笔者注

记旗 V~i:=Fv0⊕⋯⊕Fvi,0≤i≤m,则上述结论可定性地写为:

  1. h 稳定这个旗;
  2. x 将 Vi 打到 Vi+1;
  3. y 将 Vi 打到 Vi−1。

上面的引理可以导出不可约模上有关极大向量的重要刻画:

定理:极大向量与 V 的权空间分解的刻画

设 V 是不可约 L− 模。

  1. 关于 h,V 是 Vμ 的直和,这里μ=m,m−2,⋯,−(m−2),−m,且 m+1=dim⁡V , dim⁡Vμ=1。
  2. V 在非零数乘等价意义下有唯一的一个极大向量,其权为 m;称此权为 V 的最高权(highest weight)。
  3. L 对 V 的作用由上述引理 给出,若基的选择由上面的记法给出。特别地,这说明对每个维数 m+1,同构意义下至多存在一个不可约 L− 模。

证明: 公式 1 给出所有的非零 vi 都是线性无关的。

因为 dim⁡V<∞,令 m 是使 vm≠0 的最大正整数,显然 vm+i>0,∀i>0。将这些公式放在一起考虑,这给出 (v0,⋯,vm) 是一个与 0 不同的 L− 模。但 V 是不可约的,因此这个模就是 V 本身,因此 V 的一组基是 v0,⋯,vm。

可作分解:

V=Fv0⊕Fv1⊕⋯⊕Fvm=⨁i=0mVλ−2i.

这里 Vλ−2i 是一个一维子空间。

另一方面,注意到对公式 3 代入 i=m+1,可以得到

0=(λ−m)vm.

但 vm≠0,从而 λ=m ——权被表示空间 V 的维数唯一确定。因此极大向量是唯一确定的。◻

附注

以上说明,权为 dim⁡V−1,这是一个非负整数。
此外,更进一步,对这组基,x,y,h 对应的同态的矩阵可以被写出来:注意上面的公式给出 h 诱导一个对角阵、x 诱导一个严格上三角阵,y 诱导一个严格下三角阵。

定义:最高权(highest weight)、最高权向量(highest weight vector)

称有限维不可约表示的唯一的极大向量的权为最高权、该极大向量为最高权向量。

我们已经清楚如何在低维下构造合适的模:一维时为平凡模,二维时为自然表示,三维时为伴随表示。对任一 m>0,上述的引理给出定义 m+1 维子空间上不可约模的方法——称此为 V(m)。

附注

V(m) 的结构对称性可用自同构 的语言更好地阐述。设 φ:L→gl(V(m)) 是一个不可约表示,其权为 m,则上述公式给出 φ(x) 与 φ(y) 是幂零同态,我们可借此定义一个线性空间 Vm 的自同构:

τ=eφ(x)eφ(−y)eφ(x).

我们设 m>0,则表示是忠实的,因为 L 为单李代数。自同构 一节的讨论给出 φ(h) 被 τ 共轭作用的结果与将 eadφ(x)eadφ(−y)eadφ(x) 应用于 φ(h) 是同样的。
但 φ(L)≅L,因此这一结果可被直接计算,计算的结果是:

τφ(h)τ−1=−φ(h),

由上可知 τ 将权为 m−2i 的基向量 vi 打到权为 −(m−2i) 的基向量 vm−i 的一个倍数。
更一般地,若 V 是任一有限维 L− 模,则 τ 将正、负权空间互换。

推论

设 V 是任一有限维 L− 模,L=sl2(F) .则 h 在 V 上的所有特征值均为整数,且每一特征值出现的次数与其相反数相同.进一步,在 V 的任一不可约直和分解中,被直和的项(summand)数正好是 dim⁡V0+dim⁡V1,这里 V0、V1 分别为权为 0 及权为 1 的权空间.

证明: 若 V=0,已证;否则由 Weyl 定理知可将 V 写为不可约子模的直和.对每一不可约子模应用权空间分解定理,即得到特征值为整数、出现次数与相反数相同的结果.

对第二问,只需注意到对每个不可约 L− 模,若其最大权为奇数,则其存在唯一的权向量位于 V1 中;若为偶数,则其存在唯一的权向量位于 V0 中. ◻

两个习题结论

特定权模的一个具体构造

习题 4:特定权的模的一个具体构造

不可约表示的极大权可被如下“自然地”实现:设 X,Y 是二维线性空间 F2 的一组基,L 在其上自然作用。设 V=F[X,Y] 是二元多项式代数,将 L 在 V 上的作用设为 F2 上作用在 Leibniz 律下的扩展:

z⋅fg=(z⋅f)g+f(z⋅g).
  1. 试证明以上的扩展是良定的,且 V 变为一个 L− 模.
  2. (有限维不可约权 m− 模) m 次同次多项式空间V(m):=spanF{Xm,Xm−1Y,⋯,Ym}在 L 作用下稳定,且其在最高权 m 下不可约。
  3. (一类特殊的无限维权 m− 模)考虑线性空间
W(λ)=⨁i=0∞FXλ−iYi

其上作用定义为上述导出。则 W(λ) 是一个最高权为 λ 的 L− 模。

事实上,我们有如下 Claim:

Claim

  1. (不可约无限维权 m− 模) W(λ) 不可约当且仅当 λ∉Z≥0。
  2. (可约无限维权 m− 模分解为有限维权 m− 模与不可约无限维权 m− 模直和)若 λ∈Z≥0,则 W(λ) 有唯一的非零真子模 W(λ)′,且W(λ)′≅V(λ),W(λ)/W(λ)′≅W(−λ−2).

证明: 我们首先来计算 x,y,h 的表示。注意到在原表示中

x↦(aX+bY↦bX),y↦(aX+bY↦aY),h↦(aX+bY↦aX−bY)

则

x⋅XiYj=jXi+1Yj−1y⋅XiYj=iXi−1Yi+1

再由 Leibniz 律,这说明 x↦X∂Y,y↦Y∂X,从而 h↦[X∂Y,Y∂X]=X∂X−Y∂Y。二线性性是显然的,而李括号与交换子的相容性也是对的(由 Leibniz 律),故这一定义是良定的,V 为 L− 模。

显然在 L 的作用下,同次多项式打到同次多项式,从而该空间是稳定的;另一方面,假设其可约,则其存在一个子模 M,dim⁡M<dim⁡V(m)=m+1。

在这组基下,x,y,h 对应的矩阵分别是

x↦(0102⋱⋱0m0),y↦(0m0⋱⋱2010),h↦diag(m,m−2,m−4,⋯,4−m,2−m,−m).

若 M<V(m),则 M 是 x,h,y 的不变子空间 ;特别地, h 在 M 上的特征向量均为其在 V(m) 上的特征向量。但 h 在这组基下为对角阵,因此特征向量为 Xm,Xm−1Y,⋯,XYm−1,Ym ,M 由这些元素中的部分张成。但 x、y 在这组基上作用相当于左推、右推算子,因此三个元素的共同不变子空间要么为 0,要么为 V(m),这就说明 V(m) 不可约。

附注:对角元互异的对角阵的不变子空间由其部分特征向量张成

设 D 为对角元互异的对角阵,则

φD(λ)=∏i=1n(λ−λi),

由 ∏i=1n(λ−λi)∣dD∣φD,得 φD=dD。
限制在任一不变子空间上时,φD|V 一定有 dim⁡V 个根,且 φD|V∣φD,因此 φD|V 可表示为

φD|V(λ)=∏i=1dim⁡V(λ−λi).

因此 φD|V=dD|V,从而 D 限制在 V 上可对角化,故存在一组特征向量张成 V。设这组特征向量为 α1,⋯,αdim⁡V,对应的特征值为 λ1,⋯,λdim⁡V 扩充为原空间的一组基 {Yn},令 P=(Y1,Y2,⋯,Yn) 有

(ΛΛ′)=P(ΛAB)P−1.

但对 Λ 中的特征值 λ,其在大空间中只有唯一的特征向量,因此 Y1,⋯,Ydim⁡V 即是其在大空间中唯一的特征向量,从而 V 由 D 的部分特征向量张成。

由于 dim⁡V=m+1,因此权为 m。容易注意到最高权向量是 Xm。

我们最后通过 Claim 来验证最后一问。

Claim 的证明: 这里应当注意到对基向量 vij=XiYj,

W(λ) 的基形如 Xλ−iYi, i∈Z≥0,因此:

当 λ∉Z≥0 时 λ−i∉Z≥0。而 y 对 λ−i∉Z≥0 时为“无穷无尽的右推算子”,因此 y 对 Xλ 项的左乘作用遍历所有基,从而 W(λ) 在 L 的表示下的不变子空间必包含 W(λ) 的所有基或为 0,故 W(λ) 不可约。

当 λ∈Z≥0 时,W(λ) 可表示为

W(λ)=(FXλ⊕FXλ−1Y⊕⋯⊕FXYλ−1⊕FYλ)⊕FX−1Yλ+1⊕⋯=V(λ)⊕⨁i=0∞FX−i−1Yλ+i+1.

先前已经证明 V(λ) 是 L− 模,从而其为一个 L− 子模.因此

W(λ)/V(λ)≅⨁i=0∞FX−1−iYλ+i+1.

其中,项 X−i−1Yλ+i+1 的权为 −λ−2i−2:Xλ 是原最高权向量,其权为 λ,且每被 y 作用一次后权下降 2(这是 x与y作用于权空间之后权加减2 的结论).这说明 L− 子模 ⨁i=0∞FX−1−iYλ+i+1 的最高权是 −λ−2 .但(类似上面的方法)可以注意到其与 W(−λ−2) 的最高权相同.其应当是同构的,下面我们来看看如何构造这个同构.

这个同构肯定把基打到权相同的基.注意 X−1−iYλ+i+1 的最高权为 −λ−2−2i,W(−λ−2) 中 X−λ−2−iYi 的权也是 −λ−2−2i,这说明构造出的同构应当将 X−1−iYλ+i+1 打到 X−λ−2−iYi,但或许需要乘上一个常数来调整,使得 φ(m⋅X−1−iYλ+i+1)=m⋅φ(X−1−iYλ+i+1) 成立:

(⋆)X−1−iYλ+i+1↦C(i)⋅X−λ−2−iYi.

两边用 x 作用得:

(λ+i+1)⋅X−iYλ+i↦iC(i)⋅X−λ−1−iYi−1

即

X−iYλ+i↦iλ+i+1C(i)⋅X−λ−1−iYi−1

这应当对应于

X−iYλ+i↦C(i−1)⋅X−λ−1−iYi−1.

对 (⋆),两边用 y 作用得

(−i−1)X−i+Yλ+i+2↦(−λ−2−i)C(i)⋅X−λ−3−iYi+1

即

X−i−1Yλ+i+1↦λ+i+2i+1C(i)⋅X−λ−3−iYi+1

这应当对应于

X−i−1Yλ+i+1↦C(i+1)⋅X−λ−3−iYi+1.

两式共同给出 C(i)=i+1λ+i+2C(i+1),故 C(i)=(λ+i+2)!i! 满足要求.最后对 h,由 [x,y]=h 知只需 x,y 满足要求,就有 h 满足要求.因此映射

X−1−iYλ+i+1↦(λ+i+2)!i!X−λ−1−iYi−1

是 W(λ)/V(λ) 到 W(−λ−2) 的一个同构. ◻

张量积模的分解

回忆:张量积模 的作用定义为 Leibniz 律:

x⋅(u⊗v)=(x⋅u)⊗v+u⊗(x⋅v).

假如作张量积的两个模是 V(m) 及 V(n),设其权向量为 u1,⋯,um+1 及 v1,⋯,vn+1 ,其中 u1,v1 分别为最高权向量.对 1≤i≤m+1 及 1≤j≤n+1,我们有

y⋅(ui⊗vj)=(y⋅ui)⊗vj+ui⊗(y⋅vj)=(i+1)ui+1⊗vj+(j+1)ui⊗vj+1.

因此,全体 ui⊗vj 可用杨辉三角来表记:全体 i+j 恒等的 ui⊗vj 为同一层.但注意 i>m+1 或 j>n+1 时 ui⊗vj 消失,因此该杨辉三角的非零层一共也就 (m+1)+(n+1)−2=m+n 层,杨辉三角退化为“杨辉平行四边形”.这说明:

引理:张量积模的最高权

V(m)⊗V(n) 的最高权为 m+n .

同时,引理还说明

推论:张量积模的权集

V(m)⊗V(n) 的权集为 m+n,m+n−2,⋯,−m−n .

另一证明. 回忆权空间的定义: Vλ={v:h⋅v=λv} .对 ui 及 vj,有 h⋅ui=(m−2i)ui,h⋅vj=(n−2j)vj,于是

h⋅(ui⊗vj)=(m−2i)ui⊗vj+(n−2j)ui⊗vj=(m+n−2i−2j)ui⊗vj.

从而 ui⊗vj 位于权空间 Vm+n−2i−2j 中,故全体的权构成集合

{m+n−2i−2j:0≤i≤m,0≤j≤n}.

从而也证明了上述二结论. ◻

我们记一个 L− 模 M 的权集为 P(M) .

定理:张量积模的不可约分解

设 m≥n,则

V(m)⊗V(n)≅⨁i=0nV(m+n−2i)=V(m+n)⊕V(m+n−2)⊕⋯⊕V(m−n)

是 V(m)⊗V(n) 的唯一不可约分解.

证明: 由引理知,P(V(m)⊗V(n))={m+n,⋯,−m−n} .“杨辉平行四边形”给出权为 p=m+n−2i,1≤i≤n2 的向量个数应当是 {ip≥m−n+2n,0≤p≤m−n ,这立刻说明 V(m)⊗V(n) 应形如命题中的结构. ◻