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). 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,S4 (_verif_representations.py construit les ρ explicitement).
A. Représentations
Une représentation (complexe) de G est un morphisme ρ:G→GL(V), V un C-espace de dimension finie ; son degré est dimV. De façon équivalente, ρ:G→GLd(C) avec ρ(gh)=ρ(g)ρ(h).
- triviale (ρ(g)=1), régulière (G agit sur C[G] par translation, degré ∣G∣), de permutation (G agit sur CX, ρ(g)ex=eg⋅x), signature (ε:Sn→{±1}).
- Une sous-représentation est un sous-espace W⊆V stable par tous les ρ(g). V est irréductible si V=0 et ses seules sous-représentations sont 0 et V.
- Deux représentations sont équivalentes s'il existe P inversible avec ρ′(g)=Pρ(g)P−1 pour tout g.
B. Maschke & Schur
Maschke : sur C, toute repreˊsentation de G fini est somme directe d’irreˊductibles.Preuve (moyennage). D'un produit hermitien quelconque on fabrique ⟨u,v⟩G=∣G∣1∑g⟨ρ(g)u,ρ(g)v⟩, G-invariant ; l'orthogonal d'une sous-représentation est alors une sous-représentation supplémentaire. On récurre. (Tout ρ(g) devient unitaire, donc diagonalisable ; comme g est d'ordre fini, ses valeurs propres sont des racines de l'unité.)
Schur : HomG(V,W)=0 si V≅W irreˊductibles, =C⋅id si V=W.Conséquence. Si G est abélien, toutes ses représentations irréductibles sont de degré 1 (chaque ρ(h) commute à tous les ρ(g), donc est scalaire par Schur). Les irréductibles de degré 1 sont exactement les morphismes G→C×.
E. Caractères & orthogonalité
Le caractère de ρ est χρ(g)=trρ(g). Propriétés : χ(e)=degρ ; χ est une fonction de classe (χ(hgh−1)=χ(g), invariance de la trace par conjugaison) ; χ(g−1)=χ(g) (les ρ(g) unitaires ont des valeurs propres de module 1).
Sur l'espace des fonctions de classe, le produit hermitien ⟨χ,ψ⟩=∣G∣1g∈G∑χ(g)ψ(g) donne les relations d'orthogonalité :
⟨χi,χj⟩=δij (caracteˋres irreˊductibles)χV irreˊductible⟺⟨χV,χV⟩=1.
Conséquences fondamentales :
#{irreˊductibles}=#{classes de conjugaison}i∑(dimVi)2=∣G∣.
Toute représentation se décompose V=⨁imiVi avec multiplicités mi=⟨χV,χi⟩.
Exemple — S3 (classes : {e}, transpositions, 3-cycles). Trois irréductibles : triviale, signature (degré 1), standard (degré 2). ∑dim2=1+1+4=6=∣S3∣.