Теория симметрии молекул (стр. 10 из 13)

1) A₁=E, где Е – единичная матрица;

2) A₁+A₂+…+A_d=J, где J – матрица, все элементы которой равны единице;

3)

, i¢Î[1, 2, …, d], где - матрица, транспонированная с матрицей A_i;

4)

;

5)

.

Если построить матрицы смежности для группы G по указанному выше правилу, то они образуют базис алгебры Боуза–Меснера в соответствии с определением 7.

Если А – алгебра Боуза–Меснера, то из коэффициентов в соотношении

можно образовать матрицы порядка d. Рассмотрим алгебру В, порожденную матрицами C₁, C₂, …, C_d, являющуюся подалгеброй алгебры d´d матриц M_d(C). Эта алгебра изоморфна алгебре А Боуза–Меснера. В силу того, что в алгебре изоморфные объекты не различаются, будем называть ее также алгеброй Боуза–Меснера.

Если рассматривать А как векторное пространство, то в А имеется естественный базис, состоящий из матриц A_i, которые по условию 5 определения 7 попарно коммутируют. Кроме того, эти матрицы нормальны (т. е.

, где - комплексно-сопряженная и транспонированная с А матрица). Все матрицы A_i можно одновременно диагонализировать с помощью унитарной матрицы S. Столбцы являются общими собственными векторами матриц A_i, образующими базис общих собственных подпространств, а ее диагональные элементы являются собственными значениями матриц A_i, соответствующими общим собственным векторам. Если

, (22)

где diag – диагональная матрица, вне главной диагонали которой стоят нули, то p_i(1), p_i(2), …, p_i(d) – указанные собственные значения. Тогда можно записать

k, i=1, 2, …, d,

где E₁+E₂+…+E_d=E, E_i²=E_i, E_iE_j=E_jE_i=0, i¹j.

Итак, в А появился второй базис, состоящий из идемпотентов E_i, i=1, 2, …, d, который связан с общими собственными векторами матриц A_i, из которых состоят линейно независимые столбцы матриц S.

Определение 8. Квадратная матрица Р порядка d, (j, i)-м элементом которой является p_i(j), называется первой собственной матрицей алгебры Боуза–Меснера А. Матрица Q=(g_i(j)) такая, что PQ=QP=|G|E, называется второй собственной матрицей Боуза–Меснера.

Возвращаясь к задаче определения характеров неприводимых представлений, сформулируем в приспособленном для наших целей виде теорему, позволяющую обосновать приводимый ниже алгоритм нахождения неприводимых характеров.

Теорема 1. Если G – конечная группа, а Т – ее таблица характеров, А – алгебра Боуза–Меснера классов сопряженных элементов, изоморфная алгебре пересечений В, P=(p_i(j)) и Q=(q_i(j)) – соответственно первая и вторая собственная матрицы этих алгебр, то таблица характеров определяется как произведение матриц в виде

где k₁, k₂, …, k_d – мощности классов сопряженных элементов, m_i определяются по формуле m_i=f_i², где f_i – степени неприводимых представлений.

Теорема 2. Каждый столбец таблицы характеров является общим левым собственным вектором матрицы C_i, C_j, …, C_d, а каждая строка является общим правым собственным вектором этих матриц. И наоборот, каждый стандартный общий левый собственный вектор матриц C_i и, каждый стандартный общий правый собственный вектор этих матриц с точностью до расположения строк и столбцов является строкой и соответственно столбцом матрицы характеров.

Замечание. Собственный вектор матрицы называется стандартным, если его правая координата равна единице.

5. Алгоритм нахождения характеров неприводимых представлений

Алгоритм. Для нахождения характеров неприводимых представлений группы G, надо:

1. Найти классы сопряженных элементов группы G, т. е. классы K₁, K₂, …, K_d.

2. Построить групповую алгебру CG группы G над полем С и алгебру классов сопряженных элементов C_i, i=1, 2, …, d необходимо определить структурные константы C_ijk алгебры классов сопряженных элементов.

3. Построить алгебру Боуза–Меснера, для чего необходимо найти матрицы C_i=

.

4. Найти собственные числа матриц C_i и соответствующие им правые собственные векторы.

5. Найти всевозможные линейно независимые общие правые собственные векторы.

6. Построить первую и вторую собственные матрицы Р и Q алгебры Боуза–Меснера В.

7. Исходя из выражения для матрицы Q по формуле из теоремы 1 определить таблицу характеров неприводимых представлений группы G. Для этого необходимо найти числа

, где f₁²+f₂²+…+f_d²=|G|=m₁+m₂+…+m_d. Числа m₁, m₂, …, m_d можно также найти по формуле Биггса

,

где u_i=(p₁(i)/k₁, p₂(i)/k₂, …, p_d(i)/k_d); v_i=( p₁(i), p₂(i), …, p_d(i)).

Эти векторы получаются стандартизацией i-го столбца матрицы, причем 1=k₁, k₂, …, k_d – числа элементов в классах сопряженных элементов группы G порядка |G|.

Примеры

1. На примере группы C_3V покажем некоторые приемы и соображения, с помощью которых можно составить таблицу характеров неприводимых представлений. Характер тождественного представления c₁(А₁) записывается сразу.

Для составления характера c₂(А₂) воспользуемся перестановочным представлением S₃ группы C_3V. Подстановки, соответствующие элементам

, , =1 – четные, остальные подстановки – нечетные. Так как произведение четных подстановок – четная подстановка, причем четные подстановки образуют подгруппу А₃ группы S₃, то четным подстановкам сопоставим число 1, а нечетным – число –1. Произведение нечетных подстановок – четная подстановка и (-1)(-1)=1, а произведение подстановок разной четности – нечетная подстановка и (-1)1=1(-1)=-1. Следовательно, мы получили одномерное представление группы C_3V, в котором элементам 1, , сопоставляется 1 (эти элементы представляются четными подстановками), а остальным элементам , , сопоставляется –1 (или соответствуют нечетные подстановки). Так как одномерные представления совпадают с характерами, то получаем вторую строку таблицы. Третья строка таблицы получается из следующих соображений. В теории представлений группы известно, что число неприводимых представлений группы равно числу классов сопряженных элементов. Поэтому группа C_3V имеет три неприводимых представления. Известно также, что сумма квадратов размерностей неприводимых представлений равна порядку группы. В рассматриваемом случае 1²+1²+Z²=6, т. е. Z=2. Следовательно, группа C_3V имеет двумерное неприводимое представление, в котором

, т. е. c(1)=2 (см. табл. 2).

Остальные элементы строки c₃ получаются из соотношений ортогональности для неприводимых представлений:

и , где x, y – неизвестные числа из строки c₃. Отсюда 2х+3y=-2, 2x-3y=-2, т. е. х=-1, y=0. Мы построили таблицу характеров неприводимых представлений, не зная двумерного неприводимого представления группы C_3V.

2. Нахождение характеров неприводимых представлений группы S₃.

Проиллюстрируем алгоритм нахождения характеров на примере групп S₃.

Необходимо разложить все перестановки группы в произведении циклов. Элементы одинакового циклического строения образуют классы. Выпишем все перестановки группы S₃:

; ; ; ;

; .

При записи перестановок в циклах, если элемент i переходит в k, то k стоит не под i, а рядом с i; при этом цикле длины 1, кроме e=(1), не пишутся. Таким образом, в циклах e=(1); a=(1 2 3); a²=(1 3 2); b=(2 3); c=(1 3); d=(1 2).