Các biểu diễn của nhóm heisenberg tổng quát H (m,n)

Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Việt Hải
CÁC BIỂU DIỄN
CỦA NHÓM HEISENBERG TỔNG QUÁT H
(m,n)
R
Nguyễn Việt Hải 1
1. Mở đầu
Năm 1960, A.A. Kirillov [7] đã đưa ra phương pháp quĩ đạo đối với nhóm
Lie luỹ linh thực. Công trình đó của ông được tổng quát hoá sang các nhóm
giải được kiểu I bởi L. Auslander và B. Kostant [1] vào năm 1970 với cách làm
độc đáo. Phép chứng minh của hai nhà toán học này dựa trên sự tồn tại của
phân cực phức thoả mãn các điều kiện nào đó.
Cách làm của Kirillov đối với nhóm Lie luỹ linh thực cũng đã được mở
rộng sang các nhóm giải được exponential đặc trưng bởi ánh xạ exp từ đại số
g = Lie(G) sang nhóm Lie G ứng với nó, là một vi phôi. Đối với loại nhóm này
ta có song ánh giữa các K-quĩ đạo và các biểu diễn, đồng thời có thể sử dụng
biểu diễn cảm sinh bằng cách xây dựng tường minh một phân cực như đối với
nhóm Lie luỹ linh thực. Trong các bài [3], [4], [5], [6] chúng tôi đã thu được
các kết quả đầy đủ và tường minh đối với loại nhóm này. Mặc dù lí thuyết của
Kirillov là như vậy nhưng trong nhiều trường hợp cụ thể, nhất là các trường
hợp số chiều lớn, việc tính các K-quĩ đạo và các biểu diễn tương ứng còn rất
khó khăn. Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu phương pháp quĩ đạo đối
với nhóm Heisenberg tổng quát H
(m,n)
R (trường hợp 3 chiều đã được trình bày
trong [5]) theo cách chỉ ra các phân cực của nhóm để xây dựng các biểu diễn
unita bất khả qui.
Bài báo được sắp xếp như sau: ở $1 chúng tôi giới thiệu các khái niệm phân
cực và tương ứng Kirillov ; $2 dành cho việc tính các K-quĩ đạo của nhóm
Heisenberg H
(m,n)
R . Cuối cùng, trong $3, chúng tôi tìm các phân cực, mô tả các
biểu diễn unita, bất khả qui của nhóm ứng với các K-quĩ đạo qua tương ứng
Kirillov.
Kí hiệu. Như thông thường, Sp(n,R) kí hiệu nhóm symplectic thực bậc n. Chúng
tôi gọi R(m,n) là tập tất cả các ma trận cỡ m × n với các phần tử thuộc vành
giao hoán R. Với mỗi A ∈ R(m,m), Tr(A) kí hiệu vết của A. Ma trận đồng nhất
cấp m được kí hiệu bởi Em.
1TS, Khoa Toán Trường ĐH Hải Phòng.
11
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 14 năm 2008
2. Phân cực và tương ứng Kirillov
Chúng tôi nhắc lại các kết quả của Kirillov về biểu diễn unita của nhóm
Lie luỹ linh thực (xem [8],[2]). Gọi G là nhóm Lie liên thông, đơn liên và đại số
Lie của nó, g = Lie(G), là không gian tiếp xúc tại đơn vị e. Dễ thấy mỗi phần
tử g ∈ G có thể xác định một ánh xạ A(g) : G −→ G, x 7→ gxg−1 cố định phần
tử e ∈ G. Từ đó tồn tại một ánh xạ tiếp xúc tương ứng
A(g)∗ : g −→ g
X ∈ g 7→ d
dt
g exp(tX)g−1|t=0 ∈ g.
Ánh xạ này xác định một tác động, thường kí hiệu bởi AdG, của nhóm G trong
đại số Lie(G). Đặt K = Ad∗G : G −→ GL(g∗) xác định bởi 〈K(g)F,X〉 :=
〈F,AdG(g−1)X〉, với mọi F ∈ g∗, X ∈ g, g ∈ G. K được gọi là biểu diễn đối
phụ hợp hay K-biểu diễn của nhóm G. Ta kí hiệu quĩ đạo đối phụ hợp hay K-quĩ
đạo của G trong g∗, đi qua F bởi
ΩF = K(G)F := {K(g)F |g ∈ G}.
Dễ thấy, không gian đối ngẫu g∗ được phân tích thành hợp rời rạc các K-quĩ
đạo. Với mỗi F ∈ g∗, ta xác định dạng song tuyến tính BF trên g bởi
BF (X, Y ) =, X, Y ∈ g. (1)
Định nghĩa 2.1.
(1) Đại số Lie con h của g được gọi là phụ thuộc F ∈ g∗ nếu BF |h×h = 0.
(2) Đại số Lie con h của g phụ thuộc F ∈ g∗ được gọi là một phân cực của
g đối với F nếu h có tính chất: nếu P là không gian véc-tơ con của g chứa h và
BF |P×P = 0 thì h = P .
(3) Cho F ∈ g∗ và h là phân cực của g đối với F . Gọi H là nhóm con đóng
liên thông, đơn liên của G mà Lie(H) = h . Hàm χF,h xác định như sau gọi là
đặc trưng unita của H:
χF,h(expH(X)) = e
2pii,X ∈ h (2)
trong đó, expH : h −→ H kí hiệu ánh xạ exponential từ h sang H, (expH là một
toàn ánh).
12
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Việt Hải
Trong [7], Kirillov đã chứng minh được các định lí quan trọng sau:
Định lí 2.2. G là nhóm Lie luỹ linh thực, đơn liên và g = Lie(G). Nếu đã có
biểu diễn unita bất khả qui pi của G thì tồn tại ` ∈ g∗ và một phân cực h của g
đối với F sao cho pi ∼= IndGHχF,h với χF,h là đặc trưng unita của H xác định bởi
(2).
Định lí 2.3. G là nhóm Lie luỹ linh thực, đơn liên và g = Lie(G). Nếu F ∈ g∗
thì tồn tại một phân cực h của g đối với F sao cho biểu diễn đơn thức IndGHχF,h
là biểu diễn bất khả qui. Nếu F ′ là một phần tử của g∗ mà thuộc K-quĩ đạo
K(G) := Ad∗G(G)F và h
′ là một phân cực của g đối với F ′ thì các biểu diễn đơn
thức IndGHχF,h và Ind
G
H′χF′,h′ sẽ tương đương unita, trong đó kí hiệu H và H
′ là
các nhóm con đóng đơn liên, h = Lie(H), h′ = Lie(H′). Ngược lại, nếu h và h′ là
các phân cực của g đối với F ∈ g∗ và F ′ ∈ g∗ tương ứng sao cho các biểu diễn
đơn thức IndGHχF,h và Ind
G
H′χF′,h′ của G là tương đương unita thì F và F
′ thuộc
cùng một K-quĩ đạo của G trong g∗.
Cuối cùng, với mỗi biểu diễn unita bất khả qui τ của G đều tồn tại duy nhất
một K-quĩ đạo Ω của G trong g∗ sao cho với mỗi dạng tuyến tính ` ∈ Ω và mỗi
phân cực h của g đối với F , các biểu diễn τ và IndGHχ`,h đều tương đương unita.
Định nghĩa 2.4. Song ánh từ không gian g∗/G, các K-quĩ đạo của G trong g∗,
lên đối ngẫu unita Ĝ của G cho bởi Định lí 2.3 được gọi là tương ứng Kirillov
của G.
3. Nhóm Heisenberg tổng quát H
(m,n)
R
Với hai số nguyên dương bất kì m và n, ta xét nhóm Heisenberg (xem [9])
H
(m,n)
R =
{
(A,B,C) | A,B ∈ R(n,m), C ∈ R(n,n), C +BAt đối xứng }
với qui tắc nhân
(A,B,C) ◦ (A′, B′, C ′) = (A+ A′, B +B′, C + C ′ + AB′t −BA′t).
Nhóm này được nhúng vào nhóm symplectic Sp(m + n,R) nhờ ánh xạ
H
(m,n)
R 3 (A,B,C) 7−→

Em 0 0 B
t
A En B C
0 0 Em −At
0 0 0 En
 ∈ Sp(m + n,R).
13
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 14 năm 2008
Ta đi tìm các K-quĩ đạo của nhóm Heisenberg H
(m,n)
R và mô tả mối liên hệ giữa
các K-quĩ đạo và đối ngẫu unita của H
(m,n)
R một cách tường minh.
Để cho gọn ta kí hiệu G := H
(m,n)
R , g = Lie(G) và g
∗ là không gian đối ngẫu
của g. Chú ý rằng có thể xem g là đại số con gồm tất cả các ma trận thực cỡ
(m+ n)× (m+ n) có dạng
X(α, β, γ) =

0 0 0 βt
α 0 β γ
0 0 0 −αt
0 0 0 0
 , α, β ∈ R(n,m), γ = γt ∈ R(n,n)
của đại số Li sp(m+ n,R) = Lie(Sp(m + n,R)). Với các tính toán đơn giản ta
có:
[X(α, β, γ), X(δ, , ξ)] = X(α, β, γ)X(δ, , ξ)−X(δ, , ξ)X(α, β, γ) =
= X(0, 0, αt+ tα− βtδ − δtβ). (3)
Không gian đối ngẫu g∗ của g có thể đồng nhất với không gian véc-tơ gồm các
ma trận thực cỡ (m+ n)× (m+ n) có dạng
F (a, b, c) =

0 at 0 0
0 0 0 0
0 bt 0 0
b c −a 0
 , a, b ∈ R(n,m), c = ct ∈ R(n,n), sao cho
= Tr(F (a, b, c)X(α, β, γ)) = 2Tr(αta+ btβ) +Tr(cγ).
(4)
Biểu diễn phụ hợp Ad của G được cho bởi AdG(g)X = gXg
−1 với g ∈ G và
X ∈ g. Đối với g ∈ G và F ∈ g∗, gFg−1 không có dạng F (a, b, c). Ta kí hiệu
(gFg−1)∗ là bộ phận 
0 ∗ 0 0
0 0 0 0
0 ∗ 0 0
∗ ∗ ∗ 0

của ma trận gFg−1. Khi đó dễ thấy rằngK-biểu diễnK := Ad∗G : G −→ GL(g∗)
xác định bởi K(g)F = (gFg−1)∗ với g ∈ G và F ∈ g∗. Cụ thể hơn,
K(g)F (a, b, c) = F (a+ cB, b− cA, c), (5)
14
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Việt Hải
với g = (A,B,C) ∈ G. Như vậy, K-quĩ đạo Ωa,b của G tại F (a, b, 0) ∈ g∗ là
điểm đơn độc
Ωa,b = K(F (a, b, 0)) = {F (a, b, 0)} (6)
và K-quĩ đạo Ωc của G tại F (0, 0, c) ∈ g∗ với c 6= 0 là
Ωc = K(F (0, 0, c)) = {F (a, b, c)|a, b ∈ R(n,m)} ∼= R(n,m) × R(n,m). (7)
Như thế, các K-quĩ đạo của G trong g∗ được phân thành hai lớp:
i. Điểm đơn độc {Ωa,b|a, b ∈ R(n,m)} = {F (a, b, 0)} trong phẳng c = 0.
ii. Phẳng afin {Ωc|c = ct ∈ R(n,n), c 6= 0} song song với phẳng thuần nhất
c = 0.
Vì G là nhóm Li luỹ linh liên thông và đơn liên nên theo A. Kirillov (xem [7]
hoặc [8] trang 249), đối ngẫu unita Ĝ của G được cho bởi
Ĝ =
(
R(n,m) × R(n,m))∐{z ∈ R(n,n) | z = zt, z 6= 0} , (8)
trong đó,
∐
kí hiệu hợp rời rạc.
A. Kirillov khẳng định rằng mỗi K-quĩ đạo là một đa tạp symplectic nhưng
ông không đưa ra phép chứng minh. Chúng tôi sẽ chứng minh sự kiện này đối
với nhóm Heisenberg tổng quát H
(m,n)
R một cách chi tiết. Cố định một phần tử
F của g∗, ta xét dạng R-song tuyến tính BF trên g xác đinh bởi
BF (X, Y ) ==< ad
∗
g(Y )F,X >, X, Y ∈ g, (9)
với ad∗g : g −→ End(g∗) kí hiệu vi phân của K-biểu diễn K : G −→ GL(g∗). Cụ
thể hơn, nếu F = F (a, b, c), X = X(α, β, γ), Y = X(δ, , ξ), thì
BF (X, Y ) = Tr(F.[X, Y ]) = Tr{c(αt+ tα− βtδ − δtβ)}. (10)
Cố định F ∈ g∗, ta đặt
GF = {g ⊂ G|K(g)F = F}
là nhóm con ổn định của tác động K = Ad∗ của G lên g∗ tại F. Vì GF là nhóm
con đóng của G nên GF là nhóm Li con của G. Gọi gF = Lie(GF ), khi đó dễ
chứng minh được
gF = rad(BF ) = {X ∈ g|ad∗g(X)F = 0}. (11)
15
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 14 năm 2008
Trong đó, rad(BF ) kí hiệu căn của BF trong g. Ta gọi B˙F là dạng R-song tuyến
tính không suy biến trên không gian véc-tơ thương g/rad(BF ) cảm sinh từ dạng
BF . Vì có thể đồng nhất không gian tiếp xúc của ΩF ∼= G/GF với g/gF = g/
rad(BF ) nên ta thấy không gian tiếp xúc của ΩF tại F là một không gian véc-tơ
symplectic với dạng symplectic B˙F .
Ký hiệu X˜ là trường véc-tơ nhẵn trên g∗ kết hợp với X ∈ g. Điều đó nghĩa
là với mỗi ` ∈ g∗, ta có:
X˜(`) = ad∗g(X) `. (12)
Chúng ta xác định 2-dạng BΩF trên ΩF bởi
BΩF (X˜, Y˜ ) = BΩF (ad
∗
g(X)F, ad
∗
g(Y )F ) := BF (X, Y ), (13)
với X, Y ∈ g.
Bổ đề 3.1. Dạng BΩF không suy biến.
Chứng minh. Giả sử X˜ là trường véc-tơ nhẵn g∗ kết hợp với X ∈ g sao cho
BΩF (X˜, Y˜ ) = 0 với mọi Y˜ ứng với Y ∈ g. Vì BΩF (X˜, Y˜ ) = BF (X,Y ) = 0 với
mọi Y ∈ g, X ∈ gF nên X˜ = 0. Do đó BΩF không suy biến.
Bổ đề 3.2. BΩF là dạng đóng.
Chứng minh. Nếu X˜1, X˜2, X˜3 ∈ g∗ là ba trường véc-tơ nhẵn kết hợp với
X1, X2, X3 ∈ g thì
dBΩF (X˜1, X˜2, X˜3) = X˜1(BΩF (X˜2, X˜3))− X˜2(BΩF (X˜1, X˜3)) + X˜3(BΩF (X˜1, X˜2))
−BΩF ([X˜1, X˜2], X˜3) +BΩF ([X˜1, X˜3], X˜2)−BΩF ([X˜2, X˜3], X˜1)
= − = 0
(theo đồng nhất thức Jacobi). Do đó BΩF là dạng đóng.
Tóm lại, (ΩF , BΩF ) là đa tạp symplectic có chiều 2mn hoặc 0.
4. Các biểu diễn unita bất khả qui của H
(m,n)
R
Để mô tả các biểu diễn unita bất khả qui của G ứng với các K-quĩ đạo qua
tương ứng Kirillov chúng ta phải xác định cực của g đối với dạng tuyến tính
F ∈ g∗. Có hai trường hợp sau:
16
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Việt Hải
4.1. Trường hợp suy biến
Khi F = F (a, b, 0). Theo (6), ΩF = {F (a, b, 0)} là một điểm đơn độc. Từ
(10) ta suy ra BF (X, Y ) = 0 với mọi X, Y ∈ g. Như thế g là cực duy nhất của
g đối với F. Tương ứng Kirillov nói rằng biểu diễn unita bất khả qui pia,b của
G ứng với K-quĩ đạo ΩF là
pia,b(expX(α, β, γ)) = e
2pii = e4piiTr(a
tα+btβ). (14)
Nghĩa là, pia,b là biểu diễn suy biến một chiều của G.
4.2. Trường hợp không suy biến
Khi F = F (0, 0, c), 0 6= c = ct ∈ R(n,n). Theo (7), ΩF = Ωc =
{F (a, b, c)|a, b ∈ R(n,m)}. Từ (10) ta thấy
q = { X(0, β, γ)|β ∈ R(n,m), γ = γt ∈ R(n,n)} (15)
là phân cực của g đối với F, tức là q là một đại số Li con của g phụ thuộc
F ∈ g∗ thoả mãn ý (2) trong định nghĩa 1.1. Gọi Q là nhóm Li con đơn liên
của G mà Lie(Q) = q. Giả sử
χc,q : Q −→ C×1
là đặc trưng unita của Q xác định theo công thức
χc,q(expX(0, β, γ)) = e
2pii = e2piiTr(cγ), γ = γt ∈ R(n,n). (16)
Tương ứng Kirillov nói rằng biểu diễn unita bất khả qui pic,q của G ứng với
K-quĩ đạo ΩF = Ωc được cho là
pic,q = Ind
G
Q χc,q. (17)
Từ kết quả của Kirillov (xem [7]) ta biết rằng biểu diễn cảm sinh pic,q, sai khác
một tương đương, không phụ thuộc vào cách chọn cực của g đối với F. Như vậy,
ta kí hiệu lớp tương đương của pic,q bởi pic. Biểu diễn pic tác động trên không
gian biểu diễn L2(R(n,m), dξ) theo cách sau:
(pic(g)f)(ξ) = e
2piiTr{c(C+BtA+2ξtB)}f(ξ + A), (18)
17
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 14 năm 2008
với g = (A,B,C) ∈ G và ξ ∈ R(n,m). Cuối cùng, sử dụng đẳng thức
expX(α, β, γ) = (α, β, γ +
1
2
(αtβ − βtα)),
ta thấy pic chính là biểu diễn Schrodinger U(χc) của G cảm sinh từ biểu diễn
unita một chiều χc của Q cho bởi χc((0, B, C)) = e
2piiTr(cC)I, xem [9].
Tóm lại ta có kết quả sau:
Định lí 4.1. Danh sách các biểu diễn unita bất khả qui của nhóm Heisenberg
tổng quát H
(m,n)
R là:
• Với F = F (a, b, 0) ∈ g∗, biểu diễn unita bất khả qui pia,b của H(m,n)R ứng
với K-quĩ đạo ΩF = Ωc qua tương ứng Kirillov là biểu diễn suy biến của
H
(m,n)
R xác định bởi
pia,b(expX(α, β, γ)) = e
4piiTr(atα+btβ).
• Với F = F (0, 0, c) ∈ g∗ mà 0 6= c = ct ∈ R(n,n), biểu diễn unita
bất khả qui (pic, L
2(R(n,m), dξ)) của H(m,n)R ứng với K-quĩ đạo ΩF = Ωc
qua tương ứng Kirillov tương đương unita với biểu diễn Schrodinger
U(χc), L
2(R(n,m), dξ)) của H(m,n)R cảm sinh từ biểu diễn unita một chiều
χc của Q cho bởi
χc((0, B, C)) = e
2piiTr(cC)I.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Auslander L. and Kostant B. (1971), Polarization and unitary representations
of solvable Lie groups , Invent. Math., 14, Pp. 255-354.
[2] Do Ngoc Diep (1999), Methods of Noncommutative Geometry for Group
C*-Algebras, Chapman & Hall/CRC Research Notes in Mathematics Series,
Vol.416.
[3] Do Ngoc Diep, Nguyen Viet Hai (2001), Quantum Half-Planes via Deformation
Quantization, Contributions to Algebra and Geometry, 42, No 2, pp. 407-417.
[4] Do Ngoc Diep, Nguyen Viet Hai (2001), Quantum Co-Adjoint Orbits of the
Group of Affine Transformations of the Complex Straight Line, Contributions
to Algebra and Geometry, 42, No 2, Pp. 419-430.
18
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Việt Hải
[5] Nguyen Viet Hai (2001), Quantum co-adjoint orbits of MD4-groups, Vietnam
J. Math. Vol 29, IS. Pp.131-158.
[6] Nguyen Viet Hai (2005), Quantum Co-adjoint Orbits of the Real Diamond Lie
Group, Journal Of Science, TXXI, N03, Vietnam National University, Hanoi.
[7] Kirillov A.A. (1962) Unitary representations of nilpotent Lie groups, Russian
Math. Surveys, 17Pp 57-110.
[8] Kirillov A.A. (1978), Elements of the theory of representations, Springer.
[9] Yang, J.-H. (1991), Harmonic Analysis on the Quotient Spaces of Heisenberg
Groups, Nagoya Math. J., 123, Pp103-117.
Tóm tắt
Các biểu diễn của nhóm Heisenberg tổng quát H
(m,n)
R
Chúng tôi tính các quĩ đạo đối phụ hợp của nhóm Heisenberg H(m,n)R . Từ
đó, bằng cách xác định các phân cực của đại số Lie g, chúng tôi thu được
các biểu diễn unita, bất khả qui theo tương ứng Kirillov. Đây là phương
pháp mới để xây dựng các biểu diễn của nhóm Heisenberg tổng quát.
Abstract
The Representations of Heisenberg Group H
(m,n)
R
We calculate the Co-adjoint orbits of the general Heisenberg group H(m,n)R .
From this, by determination the polarizations of Lie algebra g, we obtain
irreducible unitary representations under Kirillov corespondence. This is
new method for construct representations of the the general Heisenberg
group.
19
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 14 năm 2008
Phần này không in trong Tạp chí - chỉ dùng để tham chiếu chỉ
số.
Người ghi chú : Thanh Vinh
Tài liệu
[1] Auslander L. and Kostant B.,1971, Polarization and unitary representa-
tions of solvable Lie groups , Invent. Math., 14, Pp. 255-354.
[2] Do Ngoc Diep,1999,Methods of Noncommutative Geometry for Group C*-
Algebras, Chapman & Hall/CRC Research Notes in Mathematics Series,
Vol.416.
[3] Do Ngoc Diep, Nguyen Viet Hai, 2001, Quantum Half-Planes via Defor-
mation Quantization, Contributions to Algebra and Geometry, 42, No 2,
pp. 407-417.
[4] Do Ngoc Diep, Nguyen Viet Hai, 2001, Quantum Co-Adjoint Orbits of the
Group of Affine Transformations of the Complex Straight Line, Contribu-
tions to Algebra and Geometry, 42, No 2, Pp. 419-430.
[5] Nguyen Viet Hai, 2001 Quantum co-adjoint orbits of MD4-groups, Viet-
nam J. Math. Vol 29, IS. Pp.131-158.
[6] Nguyen Viet Hai, 2005, Quantum Co-adjoint Orbits of the Real Diamond
Lie Group, Journal Of Science, TXXI, N03, Vietnam National University,
Hanoi.
[7] Kirillov A.A., 1962 Unitary representations of nilpotent Lie groups, Rus-
sian Math. Surveys, 17Pp 57-110.
[8] Kirillov A.A., 1978, Elements of the theory of representations, Springer,
[9] Yang, J.-H., 1991, Harmonic Analysis on the Quotient Spaces of Heisen-
berg Groups, Nagoya Math. J., 123, Pp103-117.
20