1. Théorie de la représentation pour les groupes avec une moyenne

1. Th´
eorie de la repr´
esentation pour les groupes avec une moyenne
1.1. Alg`ebres de fonctions avec une moyenne. Si on ´etudie un espace topologique on s’ineresse
surtout pour les fonctions continues. Si on ´etudie une vari´et´e alg´ebrique on s’int´eresse surtout pour
les fonctions r´eguli`eres. De mˆeme si on ´etudie un groupe topologique et ses actions sur des espaces
topologiques, les repr´esentations qui apparaissent naturellement sont des repr´esentations continues.
Si on ´etudie un groupe alg´ebrique et ses actions sur des vari´et´es alg´ebriques, les repr´esentations qui
apparaissent naturellement sont des repr´esentations alg´ebriques.
Un groupe topologique est un groupe qui a aussi la structure d’espace topologique telle que la
multiplication µ:G×GG: (x, y)7→ xy et l’inverse ι:GG:x7→ x1sont des applications
continues. Un groupe alg´ebrique Gest un groupe qui est aussi une vari´et´e alg´ebrique telle que µet
ιsont des morphismes de vari´et´es. Si ρ:GGL(n, C) est une repr´esentation, chaque coefficient
matricielle ρij :GCest une fonction: on exige que cette fonction soit continue (ou r´eguli`ere).
Si le groupe topologique est mˆeme compact, on peut inegrer chaque fonction continue sur le
groupe. La cons´equence est qu’on a un th´eor`eme de Maschke pour les repr´esentations continues
de dimension finie. Si le groupe alg´ebrique est r´eductif, on peut inegrer alg´ebriquement chaque
fonction r´eguli`ere sur le groupe. Comme cons´equence on aura aussi un th´eor`eme de Maschke pour
les repr´esentations alg´ebriques de dimension finies. Si le groupe n’est pas compact (ou r´eductif), la
th´eorie des repr´esentations continues (alg´ebriques) n’est pas aussi bien comprise.
On peut formaliser les deux cas, et le cas des repr´esentations complexes des groupes finis et
donner une preuve uniforme des th´eor`emes de Maschke qui est tr`es proche de la preuve pour les
groupes finis o`u |G| ∈ k×: on utilise le processus de la moyenne. On trouve aussi des analogues
des th´eor`emes de Schur et de Wedderburn et il existe une th´eorie de caract`eres. On n’aura pas
besoin de beaucoup de hypth`eses pour montrer des r´esultats int´eressants. Seulement l’existence
d’une moyenne.
Comme souvent dans l’alg`ebre on extrait des exemples pr´ec´edents les outils fondamentaux et on
les remplace par des axiomes! Puis on d´eduit des cons´equences `a partir de ces hypoth`eses.
Les th´eories des repr´esentation des groupes compactes et des repr´esentations alg´ebriques des
groupes r´eductifs sont trs semblables `a la th´eorie des repr´esentations complexes des groupese finies.
Mais chacune th´eorie a ses aspects sp´eciaux aussi, bien sˆur.
1.2. Axiomes. Soit Gun groupe et C[G] une alg`ebre de fonctions complexes sur G. La somme et
le produit de deux fonctions sont d´efinis comme d’habitude par
(c1f1+c2f2)(x):=c1f1(x) + c2f2(x); (f1f2)(x):=f1(x)f2(x),
pour c1, c2C,f1, f2C[G].
Nous supposerons que les trois axiomes suivants sont satisfaits.
(i) Les fonctions constantes complexes sont dans C[G].
(ii) Pour chaque fonction f:GCdans l’alg`ebre C[G] et pour chaque gGaussi les fonctions
g·f:x7→ f(g1x) et x7→ f(x1)
sont dans C[G].
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(iii) Il existe une moyenne invariante `a gauche, i.e., une application C-lin´eaire
IG:C[G]C
telle que IG(g·f) = IG(f) et IG(c) = cpour chaque fonction constante c:GC:g7→ c.
On ´ecrit aussi suggestivement
IG(f)=:ZG
f(x)dx.
Mais en g´en´eral IGn’est pas une ”vraie” int´egration. Alors on r´e´ecrit les propri´et´es :
ZG
(a1f1(x) + a2f2(x))dx =a1ZG
f1(x)dx +a2ZG
f2(x)dx;
ZG
f(gx)dx =ZG
f(x)dx;
ZG
dx = 1,
o`u a1, a2k,f, f1, f2C[G], gG.
Exemples 1.1.Nous donnons quelques exemples o`u les axiomes sont satisfaits. Si Gest fini on peut
prendre pour C[G] l’alg`ebre de toutes les fonctions f:GCavec la moyenne
IG(f) = 1
|G|X
gG
g·f.
Un exemple d’un groupe compacte. Soit G=S1=R/2πZle groupe du cercle. Pour C[G] on
prend les fonctions complexes continues sur S1. On peut identifier ces fonctions avec les fonctions
complexes continues 2π-p´eriodiques sur R, par exemple t7→ cos ntπ +isin mtπ. Pour la moyenne
on prend la vraie inegrale
IG(f) := 1
2πZ2π
0
f(x)dx.
Soit Kun groupe continu compact comme SU(n) ou SO(n). On montre qu’il existe une mesure de
Haar sur K, alors une mesure invariante par translations `a gauche. Cela implique l’existence d’une
inegrale RGf(x)dx pour les fonctions continues sur K.
Un exemple d’un groupe alg´ebrique r´eductif. Soit G=C×et C[G] = C[z, z1], l’alg`ebre des
polynˆomes de Laurent. Ici zest la fonction r´eguli`ere
z:GC:z(g) = g.
Chaque ´el´ement de C[G] s’´ecrit uniquement comme f=PM
i=Naizi. On d´efinit alors
IG(f):=a0
pour la moyenne de f. Si G= GL(n, C) on prend pour C[G] l’alg`ebre des fonctions g7→
F(g)/det(g)i, o`u Fest une fonction polynomiale. Alors il existe aussi une moyenne IG, mais
ce n’est pas facile a donner une formule. Plus g´en´eralement si Gest un groupe alg´ebrique lin´eaire
complexe r´eductif, et C[G] est l’alg`ebre des fonctions alg´ebriques sur G, alors il existe une moyenne
invariante `a gauche.
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1.3. Modules admissibles et fonctions repr´esentatives. On va principalement ´etudier les
repr´esentations de dimension finie, o`u chaque fonction coefficient matriciel est une fonction dans
G. Pour ˆetre capable d’inclure la repr´esentation r´eguli`ere it faut aussi admettre les repr´esentations
de dimension infinies qui sont localement admissible.
Plus pr´ecisement, on dit qu’une repr´esentation de dimension finie ρ:GGL(V) est admissible
pour C[G] (ou est une C[G]-repr´esentation) si toutes les coefficients matricielles sont dans C[G],
c’est `a dire que pour chaque vVet ωVla fonction
g7→ ω(g·v) = ω(ρ(g)(v))
est une fonction dans C[G]. Une repr´esentation de dimension infinie est admissible si pour chaque
vVil existe un sous-module WVde dimension finie admissible qui contient v.
On va dire que fC[G] est une fonction repr´esentative s’il existe un module admissible de
dimension finie V, un vecteur vVet une fonctionnelle ωVtelle que
f(g) = ω(g·v),
pour chaque gG. Dans l’exercice suivant on montre que l’ensemble des fonctions repr´esentatives
C[G]rep est une sous-alg`ebre de C[G] qui aussi satisfait les trois axiomes.
Exercice 1.1.(i) Chaque sous-module ordinaire d’un module admissible est admissible, et chaque
module quotient d’un module admissible est admissible.
(ii) Supposons V1et V2sont admissible, alors V1V2et V1V2sont aussi admissible. Si Vest
admissible de dimension finie, alors Vet Hom(V, V1) sont admissibles.
(iii) L’ensemble des fonctions repr´esentatives C[G]rep est une sous-alg`ebre de C[G] qui aussi
satisfait aux trois axiomes.
Dans l’´etude des G-modules admissibles on rencontre seulement des fonctions repr´esentatives.
Proposition 1.1. Une repr´esentation (ρ, V )est C[G]-admissible si et seulement si elle est C[G]rep-
admissible.
Exemple 1.2.On consid`ere le groupe du cercle G=R/2πZet l’alg`ebre des fonctions continues. Les
repr´esentations simples continues sont toutes de degr´e un, parce que S1est ab´elien :
zn:GC×:t+ 2πZ7→ eint,
o`u nZ. Chaque fonction repr´esentative est une combinaison lin´eaire des zi, donc un polynˆome
en zet z1. Alors
C[G]rep =C[z, z1].
L’anneau de polynˆomes de Laurent est plus facile `a comprendre alg´ebriquement que l’anneau des
fonctions continues. Le processus de remplacer C[G] par C[G]rep est une processus de algebraisation,
mais l’alg`ebre C[G]rep est dense dans C[G]. Pour chaque groupe de Lie compact, l’alg`ebre C[G]rep
est isomorphe `a l’alg`ebre de fonctions r´eguli`ere sur un groupe alg´ebrique r´eductif GC(la complexi-
fication de G) et est dense dans C[G] (le th´eor`eme de Peter-Weyl, un th´eor`eme de l’analyse). Par
exemple, S1
C=C×.
Pour un groupe alg´ebrique r´eductif, rien ne change C[G] est ´egale `a C[G]rep.
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1.4. Maschke. Un bon nombre de th´eor`emes pour les repr´esentations complexes des groupes finis
restent vrais pour les repr´esentations admissibles, avec des preuves semblables. Par exemple, les
th´eor`emes de Maschke et de Schur.
Th´eor`eme 1.1. Soit Wun sous-module d’un module admissible V. Alors il existe un sous-module
compl´ementaire W0tel que V=WW0.
Preuve. (i) On commence par le cas o`u les dimensions sont finies. Dans ce cas Hom(V, V ) est
admissible par exercice 1.1. Pour vVet ωV, l’application p7→ ω(p(v)) est une fonctionnelle
sur Hom(V, V ). Donc
x7→ ω(x·p(x1·v))
est une fonction repr´esentative (ou admissible) sur G. Choisissons une projection p:VVsur
W, on va modifier pet obtenir une G-projection. Pour faire ¸ca on fixe une base e1, . . . , ende V
avec la base duale e
1, . . . , e
n. Fixons vV. On d´efinit pGpar
pG(v) :=
n
X
i=1 ZG
e
i(x·p(x1·v)) dxei.
Pour montrer que pGest un G-morphisme, on va utiliser que si g·ej=Pi[g]ij ei, alors g1·e
j=
P[g]jie
i.
pG(g·v) =
n
X
i=1 ZG
e
i(xp(x1gv)) dxei
=
n
X
i=1 ZG
e
i(gxp((gx)1gv)) dxei(par une propri´et´e de RGdx)
=
m
X
i=1 ZG
e
i(gxp(x1v)) dxei
=
m
X
i=1 ZG
(g1·e
i)(xp(x1v)) dxei(par la d´efinition de l’action sur V)
=
m
X
i,s=1 ZG
([g]ise
s)(xp(x1v)) dxei
=
m
X
i,s=1 ZG
e
s(xp(x1v)) dx[g]isei
=
m
X
s=1 ZG
e
s(xp(x1v)) dxg·es
=g·pG(v).
Et pGreste une projection, parce que si wWon aura
pG(w) =
n
X
i=1 ZG
e
i(x·p(x1·w))dxei=
n
X
i=1 ZG
e
i(w))dxei=w.
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Et dans l’exercice suivant on montre que pG(v)Wpour chaque vV.
Exercice 1.2.(a) Montrer que la d´efinition de pGne d´epend pas du choix de base.
(b) Montrer que pG(v)Wpour chaque vV.
(ii) On consid`ere maintenant le cas g´en´eral. Par le lemme de Zorn il existe une projection p:V
Vsur W. On va modifier pet obtenir une G-projection pG.
Fixons vV, alors il existe un sous-module admissible de dimension finie V1qui contient v. La
restriction p1de p`a V1est une projection sur V1W. Dans (i) on a modifi´e p1`a une G-projection
p1,G de V1sur V1W. On d´efinit maintenant pG(v) := p1,G(v). Il faut montrer encore que la
d´efinition ne d´epend pas du choix de V1.
Supposons que V2est un autre module admissible de dimension finie qui contient v. Alors
V3=V1V2est un troisi`eme module admissible qui contient v. Prenons une base e1, . . . , ende V1,
telle que e1, . . . , emest une base de V3. Alors pour chaque xGon a x·p(x1·v)V3W, donc
pour chaque m < i non a que e
i(x·p(x1·v)) = 0.Alors
n
X
i=1 ZG
e
i(x·p1(x1·v)) dxei=
m
X
i=1 ZG
e
i(x·p1(x1·v)) dxei.
Donc la d´efinition de pGest la mˆeme si on utilise V3`a la place de V1. Donc pGest bien-d´efinie et
est une G-projection.
On obtient par une induction sur la dimension un th´eor`eme de Maschke.
Corollaire 1.1. Chaque G-module admissible de dimension finie est la somme directe de G-
modules admissibles simples. Plus g´en´eralement, si la dimension d’un module admissible est au
plus d´enombrable, alors le module est la somme directe de G-modules simples.
Preuve. Supposons v1, v2, . . . est une base, alors il existe des sous-modules de dimension finie V1
V2. . ., tels que viVi, et donc V=P
i=1 Vi. Par le r´esultat avant il existe des sous-modules Wi
tels que Vi=jiWi. Il suit que V=
i=1Wi.
Exemple 1.3.Dans certains cas il y a une preuve alternative pour le th´eor`eme de Maschke. Soit
zle conjugu´e complexe de z. efinissons pour fC[G] la fonction f:GC:g7→ f(g). En
g´en´eral fne reste pas dans C[G]. Supposons c’est le cas pour C[G]. Puis, supposons pour fC[G]
que si f(g)R0pour chaque gG, alors aussi RGf(g)dg R0, et dans ce cas RGf(g)dg = 0 si
et seulement si f(g) = 0 pour chaque gG.
Ces hypoth`eses sont satisfaites si Gest un groupe compact et C[G] est l’alg`ebre des fonctions
continues sur G.
Soit Vun G-module continu de dimension finie. Fixons un produit scalaire complexe (,) sur
V, et e1, . . . , enune base orthonormale. Soit v=Pivieiet w=Piwiei, alors on peut ´ecrire la
fonction g7→ (g·v, g ·w) comme
g7→ X
i,j,r
viwjρri(g)ρrj (g),
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