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射影表現が線型に直せるか - Schur 乗数と普遍中心拡大

群を行列で表そうとして、係数のスカラー倍ぶんだけずれる。そのずれをとり除けるかどうかを測る群が Schur 乗数です[1]

Schur が 1904 年に射影表現を調べる中で導入し、あとから と一致することが分かりました[3]

射影表現

準同型 が線型表現、 が射影表現です。後者ではスカラー倍の違いを無視します。

射影表現が与えられたとき、各 に対して行列 を選んで持ち上げます。準同型になるとは限りません。

が 2 次のコサイクル条件を満たすことは、行列の積の結合律から出ます。 を選び直すと はコバウンダリぶんだけ動く。

だから射影表現が線型表現に持ち上がるかどうかは、 の類が かどうかで決まります。

有限群では を Schur 乗数と呼ぶ流儀もあります[1] が成り立つので、次数をずらせば整数係数の話になります[2]

定義

いま標準的なのはホモロジーによる定義です[1]

これを Schur 乗数といいます。中心拡大を扱うときに効きます[1]

Hopf の公式

と表示したとき、 が具体的に書けます[1]

は自由群の交換子部分群です。 に入る交換子のうち、 で自明になるものを割ったもの、と読めます[3]

全体ではなく をとる点が大事です[1]。交換子として書ける関係式だけを見ています。

を作ると、 が中心に入る中心拡大になります[1] はその中心のうち、交換子部分群に入る部分にあたる。

計算してみる

で計算します。表示は です。

は階数 の自由群で、 が生成する部分群を含みます。 の類で生成される無限巡回群です。

で割ると関係が入ります。 から から に落ちる。

だから の類の位数は の最大公約数になります。

巡回群では です。 が階数 なら なので、 も自明になります。

なら 。クラインの四元群には、自明でない中心拡大があります。

普遍係数の列

を自明な 加群とすると、次の完全列があります[1]

が 2 つの部分に分かれています。アーベル化から来る部分と、Schur 乗数から来る部分です[1]

が完全群、つまり なら なので左端が消えます[1]

完全群では、拡大の分類が Schur 乗数だけで決まります。

Stem 拡大と Schur 被覆

中心拡大 で、 の交換子部分群に入るものを stem 拡大といいます。

と同型になる stem 拡大を、 の Schur 被覆といいます。位数は です。

一般には Schur 被覆が複数あります。ところが が完全群なら、同型を除いてただ 1 つに決まる。それを普遍中心拡大といいます。

普遍という名は、どんな中心拡大へも一意に写せることから来ています。

の Schur 乗数は です。普遍中心拡大は位数 で、 になります。中心が で、それで割ると に戻る。

の射影表現は、この 元の群の線型表現として実現されます。 自身の線型表現では届かないものが、2 重被覆の側に出てくる。

値の例

小さい群の値を並べます。

巡回群0
Z/m x Z/nZ/gcd(m, n)
四元数群 Q80
An (n が 5、8 以上)Z/2
A6 と A7Z/6
Sn (n が 4 以上)Z/2

の乗数が なのは、位数 の群の中では珍しい形です。射影表現がすべて線型表現から来る、ということになります。

交代群では だけ値が大きくなります。 重被覆は、散在型単純群とのつながりでも現れる群です。

Schur 乗数が 0

射影表現はすべて線型表現に持ち上がる。中心拡大は自明なものだけ

Schur 乗数が大きい

持ち上がらない射影表現がある。被覆群の側に新しい表現が現れる

名前の順序

Schur が先で、 があとでした[3]

1904 年に Schur が射影表現の障害として乗数を導入します[3]。Hopf が 1942 年に の公式を出し、その形が Schur の乗数と一致することが 1940 年代に分かりました[3]

同じ時期に、 が導分、 が因子団に対応することも整理されます[3]。低い次数のコホモロジーには、それぞれ先行する名前があったことになります。

の Schur 乗数が自明なとき、言えることはどれですか。

  • は可換群である
  • の射影表現はすべて線型表現に持ち上がる
  • の中心拡大は存在しない
__RESULT__

射影表現を持ち上げたときのずれが 2 次のコサイクルになり、その類が消えることが持ち上げ可能性と同じでした。Schur 乗数はその類が入る群にあたるので、自明なら障害がありません。四元数群がその例で、可換でないのに乗数は です。

射影表現を線型に直せるか、という問いから出た量が、あとから位相の側のホモロジーと一致しました。表示の言葉では、交換子として書ける関係式のうち自明でないものを数えている。3 つの見え方が同じ群を指しています。

参考

Christopher Brookes(講義)、Leonard Tomczak(記録), *Group Cohomology*, Cambridge Part III
Caroline Lassueur, *Cohomology of Groups*, TU Kaiserslautern
Kenneth S. Brown, *Lectures on the Cohomology of Groups*, Cornell University
群を行列で表そうとすると、スカラー倍のぶんだけずれることがあります。そのずれをとり除けるかどうかを測るのが Schur 乗数です。Schur が 1904 年に射影表現の障害として導入し、のちに整数係数の 2 次ホモロジーと一致すると分かりました。表示 $G = F/R$ からは、自由群の交換子部分群と $R$ の重なりを $[R,F]$ で割ったものとして書けます。この Hopf の公式を使って、巡回群の直積の乗数が最大公約数になることを計算しました。完全群なら普遍中心拡大がただ 1 つに決まり、$A_5$ ではそれが位数 120 の $SL_2$ になる。四元数群の乗数が $0$ になることまで。