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Représentations & caractères

Algèbre · leçon socle (gratuite)

L2L3Maths ingénieur

Représentations linéaires : Maschke, Schur, caractères et relations d'orthogonalité

Idée. Linéariser un groupe : le faire agir sur un espace vectoriel pour l'étudier par l'algèbre linéaire. Toute l'information se condense dans une seule fonction numérique, le caractère χ(g)=trρ(g)\chi(g)=\operatorname{tr}\rho(g). C'est le sommet de la théorie des groupes finis, qui mobilise groupes (classes de conjugaison), matrices/diagonalisation (trace, valeurs propres) et cplx_coeur (racines de l'unité).

Note (L2/L3, démonstratif). Exercices = preuves + calculs de tables de caractères, vérifiés machine sur Cn,S3,D4,Q8,A4,S4C_n,S_3,D_4,Q_8,A_4,S_4 (_verif_representations.py construit les ρ\rho explicitement).

A. Représentations

Une représentation (complexe) de GG est un morphisme ρ:GGL(V)\rho:G\to GL(V), VV un C\mathbb{C}-espace de dimension finie ; son degré est dimV\dim V. De façon équivalente, ρ:GGLd(C)\rho:G\to GL_d(\mathbb{C}) avec ρ(gh)=ρ(g)ρ(h)\rho(gh)=\rho(g)\rho(h).

  • triviale (ρ(g)=1\rho(g)=1), régulière (GG agit sur C[G]\mathbb{C}[G] par translation, degré G\lvert G\rvert), de permutation (GG agit sur CX\mathbb{C}^{X}, ρ(g)ex=egx\rho(g)e_x=e_{g\cdot x}), signature (ε:Sn{±1}\varepsilon:S_n\to\{\pm1\}).
  • Une sous-représentation est un sous-espace WVW\subseteq V stable par tous les ρ(g)\rho(g). VV est irréductible si V0V\neq0 et ses seules sous-représentations sont 00 et VV.
  • Deux représentations sont équivalentes s'il existe PP inversible avec ρ(g)=Pρ(g)P1\rho'(g)=P\rho(g)P^{-1} pour tout gg.

B. Maschke & Schur

Maschke : sur C, toute repreˊsentation de G fini est somme directe d’irreˊductibles.\boxed{\textbf{Maschke : } \text{sur } \mathbb{C}, \text{ toute représentation de } G \text{ fini est somme directe d'irréductibles.}}

Preuve (moyennage). D'un produit hermitien quelconque on fabrique u,vG=1Ggρ(g)u,ρ(g)v\langle u,v\rangle_G=\frac1{\lvert G\rvert}\sum_{g}\langle\rho(g)u,\rho(g)v\rangle, GG-invariant ; l'orthogonal d'une sous-représentation est alors une sous-représentation supplémentaire. On récurre. (Tout ρ(g)\rho(g) devient unitaire, donc diagonalisable ; comme gg est d'ordre fini, ses valeurs propres sont des racines de l'unité.)

Schur : HomG(V,W)=0 si V≇W irreˊductibles, =Cid si V=W.\boxed{\textbf{Schur : } \operatorname{Hom}_G(V,W)=0 \text{ si } V\not\cong W \text{ irréductibles, } =\mathbb{C}\cdot\mathrm{id} \text{ si } V=W.}

Conséquence. Si GG est abélien, toutes ses représentations irréductibles sont de degré 1 (chaque ρ(h)\rho(h) commute à tous les ρ(g)\rho(g), donc est scalaire par Schur). Les irréductibles de degré 1 sont exactement les morphismes GC×G\to\mathbb{C}^\times.

E. Caractères & orthogonalité

Le caractère de ρ\rho est χρ(g)=trρ(g)\chi_\rho(g)=\operatorname{tr}\rho(g). Propriétés : χ(e)=degρ\chi(e)=\deg\rho ; χ\chi est une fonction de classe (χ(hgh1)=χ(g)\chi(hgh^{-1})=\chi(g), invariance de la trace par conjugaison) ; χ(g1)=χ(g)\chi(g^{-1})=\overline{\chi(g)} (les ρ(g)\rho(g) unitaires ont des valeurs propres de module 1).

Sur l'espace des fonctions de classe, le produit hermitien

χ,ψ=1GgGχ(g)ψ(g)\displaystyle\langle\chi,\psi\rangle=\frac1{\lvert G\rvert}\sum_{g\in G}\chi(g)\overline{\psi(g)}
donne les relations d'orthogonalité :
 χi,χj=δij (caracteˋres irreˊductibles)χV irreˊductible    χV,χV=1. \boxed{\ \langle\chi_i,\chi_j\rangle=\delta_{ij}\ \text{(caractères irréductibles)}\qquad \chi_V\ \text{irréductible}\iff\langle\chi_V,\chi_V\rangle=1.\ }
Conséquences fondamentales :
 #{irreˊductibles}=#{classes de conjugaison}i(dimVi)2=G. \boxed{\ \#\{\text{irréductibles}\}=\#\{\text{classes de conjugaison}\}\qquad \sum_i(\dim V_i)^2=\lvert G\rvert.\ }
Toute représentation se décompose V=imiViV=\bigoplus_i m_iV_i avec multiplicités mi=χV,χim_i=\langle\chi_V,\chi_i\rangle.

Exemple — S3S_3 (classes : {e}\{e\}, transpositions, 33-cycles). Trois irréductibles : triviale, signature (degré 1), standard (degré 2). dim2=1+1+4=6=S3\sum\dim^2=1+1+4=6=\lvert S_3\rvert.

Dans le palier approfondissement (Pro) : Tables de caractères (S₃, D₄=Q₈, A₄, S₄), régulière, produit tensoriel, lien Burnside

  • C. La table de caractères
  • D. A4A_4, S4S_4, produit tensoriel, Burnside

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