6. Formule pour les idempotents Soit k un corps gauche tel que |G

6. Formule pour les idempotents
Soit kun corps gauche tel que |G| ∈ k×et dimC(k)k < , et supposons que le nombre de
kG-modules simples `a gauche est ´egale au nombre cde classes de conjugaison dans G. Dans ce cas
il y a deux bases naturelles pour le centre de kG comme C(k) module. D’un cˆot´e, si C1, . . . , Ccsont
les classes de conjugaison de Galors les [Ci] aussi font une base. De l’autre cˆot´e, soient V1, . . . , Vc
les kG-modules simples. Par le th´eor`eme de Wedderburn il existent des uniques ´el´ements e1, . . . , ec
dans le centre de kG, caract´eris´es par la propri´et´e que eiVj= 0, i6=jet eiagit comme l’identit´e sur
Vi. Ces eiforment aussi une base. Alors on peut uniquement exprimer les eicomme combinaison
C(k)-lin´eaire de [Cj]’s, et vice versa. On voudrait savoir ces coefficients.
Par exemple, soit V=kle kG-module trivial (gv =v, for all gG,vV), alors l’´el´ement
associ´e est
e=1
|G|X
gG
[g],
en effet, pour chaque kG-module Mon a eM =MGest la somme des sous kG-modules triviaux
de M.
On dira d’un corps kqu’il est G-d´eploy´e si |G| ∈ k×et pour chaque kG-module simple Von a
EndkG(V) = k·1. Dans ce cas,
|G|=X
i
dimk(Vi)2.
Par exemple, chaque corps alg´ebriquement clos ktel que |G| ∈ k×est G-d´eploy´e, par le lemme de
Schur.
Proposition 6.1. Soit kun corps gauche tel que |G| ∈ k×et dimCk < (o`u C:= C(k)) et
supposons que le nombre de kG-modules simples `a gauche est ´egale au nombre cde classes de
conjugaison dans G. Soient les Vj,ejcomme plus haut.
Soit KCune extension de corps de C.
(i) Alors le nombre de classes de conjugaison dans Gest aussi ´egal au nombre de KG-modules
simples `a gauche. Et les e1, . . . , ecforment aussi un syst`eme central d’idempotents orthogonal
complet pour pour KG.
(ii) Soient U1, . . . , Ucdes KG-modules simples, o`u eiagit comme l’identit´e sur Uiet trivialement
sur les autres Uj’s. Alors ViCKconsid´er´e comme KG-module est une somme de modules, chacun
isomorphe `a Ui(alors Uj,j6=i, n’apparaˆıt pas).
(iii) Si kest un corps, alors Ui'VikKsi et seulement si EndkG(Vi)kKreste un corps
gauche, ce qui est le cas si EndkG(Vi)'k. En particulier, si kest G-d´eploy´e alors aussi Kest
G-d´eploy´e.
Preuve. (i) Le centre de kG est inclu dans le centre de KG, alors on peut consid´erer les ei
aussi comme un syst`eme central d’idempotents orthogonal complet pour KG, ainsi on obtient
une d´ecomposition d’anneaux
KG =KGe1. . . KGec.
Chaque composant KGeia au moins un module simple, donc KG a au moins cmodules simples
non-isomorphes. Si sest le nombre de KG-modules simples on alors sc. Par contre, par cor. 5.1
on a toujours cs, donc s=c.
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(ii) L’idempotent eiagit comme l’identit´e sur Vi, alors Vi=eiViet chaque composant CG-simple
est isomorphe `a Ui.
(iii) On a que EndKG(VikK)'EndkG(Vi)kK, et par le lemme de Schur, VikKest KG-
simple si et seulement si EndKG(VikK) est un corps gauche. En particulier, si EndkG(Vi)'k,
alors EndkG(Vi)kK'kkK'K.
Pour trouver une expression des eien termes des [Cj] la proposition permet de remplacer kpar
son centre C, et puis Cpar une extension de Cqui est G-d´eploe. Parce que ni les eini les [Cj]
changent par ces changements de corps gauche. Donc dans les sous-sections suivantes, nous allons
nous concentrer principalement sur les corps G-d´eploy´es.
6.1. Caract`eres. Soit kun corps et Vle kG-module associ´e `a la repr´esentation ρ:GGL(V).
On d´efinit le caract`ere χV:Gkpar
χV(σ) := tr(ρ(σ)),
o`u trρ(g) est la trace de l’application k-lin´eaire ρ(g) : VV. C’est une fonction centrale sur G,
c’est `a dire une fonction constante sur chaque classe de conjugaison :
χV(xgx1) = tr ρ(x)ρ(g)ρ(x)1= tr(ρ(g)) = χV(g),o`u g, x G,
parce que la trace d’une application ne d´epend pas du choix de base et donc ne change pas par une
conjugaison.
Les propri´et´es suivants sont laiss´ees comme exercice. Soient Vet Wdeux kG-modules. Si Vet
Wsont isomorphes, alors les caract`eres sont ´egaux : χV=χW. On a χVW=χV+χW, pour la
somme directe; χVW=χVχW,pour le produit tensoriel. Et χV(g) = χV(g1), pour le module
dual V= Homk(V, k).Si V1, V2, . . . , Vssont les facteurs simples dans une suite de Jordan-H¨older
de V, alors χV=PiχVi.Si kKest une extension de corps, alors VkKest un KG-module.
Soit χVkK:GKson caract`ere, alors pour chaque gGon a χV(g) = χVkK(g), pour chaque
gG.
Si le caract´eristique de kest positif, disons p > 0, il est possible que χVest la fonction z´ero. Par
exemple, si Vest la somme de pcopies d’un autre kG-module W, alors
χV=W= 0 k,
donc son caract`ere sera identiquement 0.
Lemme 6.1. Soit kun corps. Soient Vet Wdeux kG-modules de dimension finie. Alors
Homk(W, V )est aussi un kG-module, o`u g·fest d´efinie par
(g·f)(w) := gf(g1w).
Alors
χHomk(W,V )(g) = χV(g)χW(g1).
Preuve. Soit e1, . . . , enune base de Wet f1, . . . , fmune base de V. Alors une base de Hom(W, V )
est {ηi,j; 1 in, 1jm}, o`u
ηi,j(ek) := δikfj,
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o`u nous avons utilis´e le Kronecker-δ. On a des matrices ρW(g) et ρV(g) pour chaque gGtel que
gej=X
i
ρW(g)ijei; et gfj=X
i
ρV(g)ijfi.
Donc
(g·ηij)(ek) = gη(g1ek) = gηij X
r
ρW(g1)rker!
=X
r
ρW(g1)rkgηij (er)
=X
r
ρW(g1)rkδirgfj
=ρW(g1)ik X
s
ρV(g)sjfs
=X
s
ρW(g1)ikρV(g)sj fs.
`
A l’autre cˆot´e,
X
r,s
crsηr,s(ek) = X
r,s
crsδr,kfs=X
s
cksfs,
donc
g·ηij =X
r,s
ρW(g1)irρV(g)sj ηrs.
Alors
χHom(W,V )(g) = X
i,j
ρW(g1)iiρV(g)jj =X
j
ρV(g)jj X
i
ρW(g1)ii =χV(g)χW(g1).
Lemme 6.2. Soit Gun groupe fini et kun corps.
(i) Supposons Vun kG-module simple tel que k'EndkG(V). Alors
1
|G|X
g
χV(g)χV(g1) = 1.
En particulier, il existe un gG, tel que χV(g)6= 0.
(ii) Supposons Vet Wsont deux kG-modules simples, nonisomophes. Alors
1
|G|X
g
χV(g)χW(g1) = 0.
Preuve. Consid´erons Endk(V) comme kG-module, par (g·η)(v) := gη(g1v). Alors Endk(V)G=
EndkG(V) = k·1V, par l’hypoth`ese, et donc l’image de la projection sur les invariants η7→ e·η,
o`u e=1
|G|PgG[g],est de dimension 1, donc sa trace est 1. Cette trace est 1
|G|PgχV(g)χV(g1,
par lemme 6.1). La preuve de (ii) est similaire en utilisant que HomkG(V, W ) = 0, par le lemme de
Schur.
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6.2. Formule pour les idempotents. Soit Gun groupe fini et soient C1=C(x1), C2=C(x2),
. . . , Cc=C(xc) les classes de conjugaison, avec des repr´esentants xifix´es. On denote son central-
isateur CG(xi) = {gG;gxi=xig}par Giet on pose ni:= |Ci|pour le nombre d’´el´ements dans
la classe de conjugaison Ci.
Supposons maintenant que kest un corps G-d´eploy´e. Soient V1, . . . , Vcles kG-modules simples,
χi:Gkles caract`eres simples associ´es. On pose di:= dim Vipour les degr´es simples.
Le th´eor`eme suivant exprime la base des [Ci] dans la bases des ei, et vice versa, dans le cas o`u
kest un corps G-d´eploy´e.
Th´eor`eme 6.1. Soit Gun groupe fini et kun corps G-d´eploy´e.
(i) Ni les degr´es simples dini les cardinalit´es nides classes de conjugaison de Gne sont divisible
par la caract´eristique du corps, c’est `a dire que
dik×et nik×.
(ii) Pour chaque 1icon a
1
ni
[Ci] =
c
X
j=1
χj(xi)·1
dj
ej;
(iii) et
1
di
ei=
c
X
j=1
χi(x1
j)
|Gj|·1
nj
[Cj] = 1
|G|
c
X
j=1
χi(x1
j) [Cj].
Preuve. (i) On a ni|Gi|=|G| ∈ k×. Donc aussi nik×.
Les [Ci] sont des ´el´ements du centre de kG, donc par le lemme de Schur (et l’hypoth`ese que k
soit G-d´eploy´e) ces ´el´ements agissent comme la multiplication par un scalaire aij ksur Vj, et il
suit que la trace est djaij. Par d´efinition des eion a au moins :
[Ci] =
c
X
j=1
aijej.
Puis, on calcule la trace de ρj([Ci] en deux fa¸cons, comme
trρj([Ci]) = djaij
= tr X
xCi
ρj(x) = X
xCi
trρj(x) = X
xC(xi)
χj(x) = niχj(xi).
D’o`u
djaij =niχj(xi)k.
Par lemme 6.2, pour chaque jil existe un xitel que χj(xi)6= 0. Il suit que pour chaque jle degr´e
simple djk×. Ainsi (i) est montr´e.
Et (ii) suit aussi :
1
ni
[Ci] =
c
X
j=1
χj(xi)·1
dj
ej.
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(iii) Posons maintenant pour chaque 1 ic:
Ei:= di
|G|X
gG
χi(g1)[g].
On v´erifie facilement que c’est un ´el´ement central de kG, donc Eiagit par un scalaire, disons aj,
sur le kG-module simple Vjde caract`ere simple χj. On calcule
dim Vj·aj= trρj(Ei) = di
|G|X
gG
χi(g)χj(g1).
Donc si i6=jon obtient par lemme 6.2 dim Vj·aj=dj·aj= 0 dans k, d’o`u aj= 0 k. Par contre,
si i=jon obtient di·ai=di, donc ai= 1 k.
Les Eiet eiagissent de la mˆeme mani`ere sur chaque module simple, donc Ei=ei. Et on obtient
1
di
ei=1
|G|X
gG
χi(g1)[g] = 1
|G|
c
X
j=1
χi(x1
j)[Cj] =
c
X
j=1
χi(x1
j)
|Gj|·1
nj
[Cj]
parce que |G|=nj|Gj|.
Le th´eor`eme nous dit que la matrice
(χi(xj))1i,jc
est une matrice changement de base avec la matrice inverse
χj(x1
i)
|Gi|.
D’o`u le r´esultat suivant, qui nous sera tr`es utile plus tard.
Corollaire 6.1. (i) On a
c
X
r=1
χi(xr)χj(x1
r)
|Gr|=
1si i=j,
0sinon.
(ii) Aussi
c
X
r=1
χr(x1
i)
|Gi|χr(xj) =
1si i=j,
0sinon,
et alors
c
X
r=1
χr(xi)χr(x1
j) =
|Gi|si i=j,
0sinon.
7. Caract`
eres et produit scalaire
Si Vest un CG-module et Viun CG-module simple, il suffit de connaˆıtre leurs caract`eres pour
calculer la multiplicit´e de Vidans V. On montrera comment, dans cette section.
Fixons un corps ket un groupe fini G. Une fonction centrale (ou fonction de classe) sur G
est une fonction f:Gkqui est constante sur chaque classe de conjugaison, c.-`a-d., pour
chaque x, y G,f(xy) = f(yx).On peut identifier l’espace lin´eaire des fonctions centrales avec le
centre C(kG) de kG, par f7→ PxGf(x)[x]. Il faut faire attention: pour avoir un isomorphisme
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