C OMPOSITIO M ATHEMATICA
K EIZO A SANO K ENJIRO S HODA
Zur Theorie der Darstellungen einer endlichen Gruppe durch Kollineationen
Compositio Mathematica, tome 2 (1935), p. 230-240
<http://www.numdam.org/item?id=CM_1935__2__230_0>
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Gruppe durch Kollineationen
von
Keizo Asano und
Kenjiro
ShodaOsaka (Japan)
In seinen
grundlegenden
Arbeiten1)
hat I. Schur die Theorie derDarstellungen
einer endlichenGruppe
durch Kollineationen entwickelt. Er hat nâmlich die Theorievôllig
auf die Frobenius- scheDarstellungstheorie
reduziert. Dabei hat er sich aber auf dieDarstellungen
in einemalgebraisch-abgeschlossenen Kôrper
derCharakteristik Null besebrânkt. Diese
Einschrankung
ist wesent-lich,
denn sonstgibt
es imallgemeinen
unendlich viele mitein- ander nichtäquivalente
irreduzibleDarstellungen
durch Kol- lineationen.In §
1 dervorliegenden
Arbeit werden zwei Sâtzen von I.Schur,
wie es unsscheint,
einfacher bewiesen. DarananschlieBend unter- suchen wirin §
2und §
3 dieDarstellungen
durch Kollineationen in einembeliebigen Kôrper.
§
1.Zusammenfassung
der Schurschen Theorie.Wir skizieren zunâchst die
grundlegenden
Resultate vonI. Schur. Es sei K ein
beliebiger (kommutativer) Kôrper, §
eineendliche
Gruppe
von derOrdnung h,
die aus den ElementenH1, H2,
...,Hh
besteht. EinSystem {Cp,Q}
von h2 Elementen aus K heiBt einFaktorensystem,
wenn die h3Gleichungen
bestehen. Zwei
Faktorensysteme
heiBen zueinan-1) 1. SCHUR, L’Der die Darstellung der endlichen Gruppen durch gebrochene
lineare Substitution en [Journal für Math. 127 (1904), 20-50]. Untersuchungen
über die Darstellungen der endlichen Gruppen durch gebrochene lineare Substi- tutionen [ebenda 132 (1907), 85-137]. Über die Darstellung der symmetrischen
und der alternierenden Gruppe durch gebrochene lineare Substitutionen [ebenda
139 (1911), 155-250].
der
assoziiert,
wenn es einSystem {kp}
von h Elementen aus Kgibt,
das denBedingungen
genügt.
Ist ein
Faktorensystem (cp, QI gegeben,
so kann man einhyper-
komplexes System
vomRang h
über Kbilden,
mit derKompositionsregel
Denn die
Gleichungen (1)
bedeuten in der Tatgerade
das Asso-ziativgesetz.
Ist nun eineDarstellung
von(c, 5))
durch Matrizen in Kgegeben
undentspricht
dabei up eine MatrixUp,
so bildendie h Kollineationen mit den Koeffizientenmatrizen
Up eine Darstellung
von5). Umgekehrt
induziertjede Darstellung
vonSj
durch Kollineationen eineMatrizendarstellung
von(c, 5))
miteinem
passend gewàhlten Faktorensystem {cp,Q}.
Zwei Faktoren-systeme
induzieren dann und nur dann dieselbenDarstellungen
durch
Kollineationen,
wenn sie assoziiert sind. Die Klassen asso-ziierter
Faktorensysteme
bilden mit derMultiplikation
eine abelsche
Gruppe lm,
die wir nach I. Schur denMultiplikator von jj
nennen. DerMultiplikator
9R ist danndurch jj
und Keindeutig
bestimmt. Aus(1) folgt
daher
besitzt jede
Klasse aus M eine endlicheOrdnung,
die einTeiler von h ist. Es sei e die
Ordnung
der{cp, Q}
enthaltenden Klasse aus9,
es sei alsoSetzt man
so sind
dp, Q
sâmtliche e-te Einheitswurzeln. Wir sagen, solchFaktorensystem
sei normiert. Ist Kalgebraisch-abgeschlossen,
so enthâlt
jede
Klasse aus 3R mindestens ein normiertes Faktoren-system.
Daher ist dieOrdnung
von 3K endlich.Eine
Erweiterung S)*
einer endlichen abelschenGruppe %
mitHilfe
von jj
heiBt nach I. Schur eine durch 3tergânzte Gruppe
von
#,
wenn W im Zentrum vonjj*
enthalten ist. BedeutenGH!, GH2’ ..., G,,,
einRepràsentantensystem
der Restklassenvon
§*
modulo%,
so bestehen h2 Relationenmit A P, Q
aus 9t. Es sei L1 eineDarstellung
vonS)*
durchMatrizen,
bei der
jedem Element A P, Q
eine Matrix a p, Q Eentspricht,
woE die Einheitsmatrix bedeutet. Dann vermittelt L1 eine Darstel-
lung
von(a, jj ),
also eineDarstellung von S)
durch Kollineationen.Wenn alle
Darstellungen von S)
durch Kollineationen durch dieDarstellungen
vonS)*
induziertwerden,
so heiBt solcheGruppe Sj*
nach I. Schur eine hinreichendergànzte Gruppe;
eine hin-reichend
ergànzte Gruppe,
derenOrdnung môglichst
kleinist,
heiBt eine
Darstellungsgruppe.
Wenn es unendlich viele Klassen assoziierter
Faktorensysteme gibt,
sogibt
es natürlich keine hinreichendergànzte Gruppe.
Jedenfalls ist die
Ordnung
einer hinreichendergänzten Gruppe
nicht kleiner als
mh,
wo m dieOrdnung
desMultiplikators
bedeutet.
I. Ist K
algebraisch-abgeschlossen,
so besitztjede
endlicheGruppe S)
von derOrdnung
h eineDarstellungsgruppe
von derOrdnung rnh,
wo m dieOrdnung
desMultiplikators
3Kvon
bedeutet.
Für diesen Schurschen Fundamentalsatz werden wir einen
neuen
Beweis 2) angeben.
Es seien{ (1) } { (2) }
...,{ (r) }
Reprasentanten
der Basisklassen vonWC,
derenOrdnungen
bzw.el’ e2 , ... , er sind. Wir nehmen ferner an, daB
(c)/ )
ausei-ten
Einheitswurzeln
besteht, also,
daB{c Q}
schon normiert ist.Bezeichnet man
mit é;
eineprimitive ei-te Einheitswurzel,
so istwobei nach
(1)
1) Dieser Beweis sagt nichts über die Konstruktion der Darstellungsgruppe.
Beim Beweis des Satzes hat I. Schur eine unendlichen abelsche Gruppe mitbetrachtet.
Der Schursche Beweis zeigt aber zugleich eine allgemeine Konstruktionsmethode der Darstellungsgruppe.
sind. Dann ist
jedes Faktorensystem {cp,Q}
zu einem von derGestalt
assoziiert.
Es sei 9t eine zu 9R
isomorphe Gruppe und Ai
das(c) QI
ent-sprechende
Element aus 2’f. Setzt man,
so ist wegen
(2)
Für
jeden Charakter 1p
von 91 stimmt dasFaktorensystem 1p(Ap,Q)
mit einem der durch
(3) gelieferten
mFaktorensysteme
überein.Denn es ist
und 1p{Ai)
ist eineei-te
Einheitswurzel.Durchlàuft y
alle Cha-raktere von
51(,
so ersieht manleicht,
daB die mFaktorensysteme 1p(Ap,Q)
mit den mFaktorensystemen (3)
übereinstimmen.Nun bilden wir eine
Gruppe Sj* folgendermaBen: Gp
soll fürjedes
Paus jj
mit allen Elementen aus 2f vertauschbarsein,
undes werde
festgesetzt,
daBist. Setzen wir ferner das
Assoziativgesetz
zwischen A undGp
voraus, und nehmen wir an, dal3 das Einselement von 91 auch das Einselement
für jedes Gp ist,
so bilden die mh ElementeA GP
einedurch lll
ergänzte Gruppe
vonSj.
Denn dieBedingungen (5) besagen gerade
dasAssoziativgesetz
zwischen denGp,
und dieanderen
Gruppenpostulaten
sind ersichtlich erfüllt. DieseGruppe Sj*
ist eine hinreichendergânzte Gruppe,
denn die rrt Faktoren-systeme y(A,,Q)
enthalten alle zueinander nicht assoziiertenFaktorensysteme.
Da dieOrdnung
vonjj* gleich
rrthist,
so istjj*
eineDarstellungsgruppe
vonjj.
Dieser Satz
gilt
für einen nichtnotwendig algebraisch-abge-
schlossenen
Kôrper K,
wennjedes Faktorensystem
zu einemnormierten
Faktorensystem
assoziiert ist. Imallgemeinen
istdie
Darstellungsgruppe
nichteindeutig bestimmt,
aberjede
Dar-stellungsgruppe s
wird nach I. Schur durch diefolgenden Eigen-
schaften charakterisiert:
1.
jj*
enthâlt eine aus invarianten Elementen von5*
be-stehende
Untergruppe 9t derart,
daB dieFaktorgruppe jj*/W
der
Gruppe S) isomorph
ist.2. Die
Kommutatorgruppe
von5)*
enthâlt %.3. Es
gibt
keineGruppe,
die dieEigenschaften
1, 2besitzt,
und deren
Ordnung größer
als dieOrdnung von 5)*
ist.Wie wir schon im Beweis von I
gesehen haben,
kann man eineDarstellungsgruppe
in einemalgebraisch-abgeschlossenen Kôrper
K durch ein
System
konstruieren.Indem wir
1 - ,,, - , - ,,, ." ,w,
auf alle
mbgliche
Weise durch ein ihm assozi- iertes normiertesFaktorensystem
ersetzen, kônnen wir alle nichtisomorphen Darstellungsgruppen
erhalten. Hieraus ist die obere Grenze der Anzahl der verschiedenenDarstellungsgruppen
ab-zuleiten,
die sich schon in der zweiten Arbeit a.a.O. von I. Schur findet.Mit . bilden auch h2 Elemente
ein ihm assoziiertes normiertes
Faktorensystem.
Bezeichnet manmit 11
die Anzahl der verschiedenenLôsungen
von soist die von
vpo
gleich l2
=ie/,
und die Anzahl solcherFaktorensysteme ist gleich
ZweiFaktorensysteme
{c P, Q}
und{ë, Q}
führen zuisomorphen Darstellungsgruppen,
wenn sie den
Gleichungen
genügen.
Denn alsdann kann manannehmen. D.h. man kann die
Reprasentanten G p
der Rest-klassen mod. % so
annehmen,
daBwird.
(Vgl. (4).)
ehWir brauchen daher nur
h6ehstens ’ Faktorensysteme
zut
betrachten,
xv.o 1 die Anzahl der verschiedenenSysteme
mit be,
= 1 bedeutet. Bezeichnet manmit ni
die Anzahl der ver-schiedenen
Lôsungen
vonso ist also Es ist
aber ni
nichts Anderes als die Anzahl der linearen Charaktere vonlij,
welche ausei-ten
Einheitsyvurzeln bestehen. Bezeichnet man das Invarianten-system
derFaktorgruppe /@
modulo derKommutatorgruppe
OE mit E1, 82’ ..., 8s, so ist ersichtlich
Also erhâlt man den
folgenden
Schurschen Satz:II. Die Anzahl der verschiedenen
Darstellungsgruppen von
ist hôchstens
gleich
wo el’ e2’ ..., er bzw. BI’ B2’ ..., Bs die Invarianten des
Multipli-
kators bzw. der
Faktorgruppe
modulo derKommutatorgruppe
vonSj
bedeuten.§
2.Kôrpertheoretische Untersuchungen
derFaktorensysteme.
Es sei K ein vollkommener
Kôrper,
il einalgebraisch-abge-
schlossener
Erweiterungskôrper
von K. Ist einFaktorensystem
{cp, QI
in K zu{l}
assoziiert in Q:so betrachte man den
Erweiterungskôrper
K =K(kHI’ kH2’
...,kHh).
Geht man nun K* zu einem
konjugierten über,
soergibt
sichwo
k p
ein zuk p konjugiertes
Element bedeutet. Daher istD.h. das
System
von h ElementenCharakter von
jj. Folglich
istbildet einen linearen
wo
e peine
Einheitzwurzel ist. Diegaloissche Gruppe
des K*umfassenden
engsten galoisschen Erweiterungskôrpers
von Kbezeichnen wir mit (:,55 und die
Automorphismen
aus OE mitl,
A, - - -,
B. Dann lâsst sich(7)
in der Formdarstellen. Ist nun
e p(A)
fürjedes
A eine r-teEinheitswurzel,
so ist
(kT) 1-A
1. Daher istk)
pap in K enthalten undfolg-
lich ist
kp
r=âT
Nach
(6)
kann manabgesehen
von einem Faktor aus K an-nehmen,
daBkp
=A’o ist, falls P - Q (mod OE) ist,
wo 0152 dieKommutatorgruppe von jj
bedeutet. DieFaktorensysteme,
diein Q zum
Einssystem
assoziiertsind,
kann manfolgendermaBen
konstruieren. Es seien
Tl, T 2’ - - -, T n
die Basiselemente derFaktorgruppe Sj/ 0152,
wo dieOrdnung
vonTi gleich
ei ist. Wir nehmen dann n Elemente dl , a2 , - - - , a naus K,
, und wir setzenfür jedes
Element Paus §
Dann ist das
Faktorensystem
in K enthalten.Es ist auch
klar,
daB man nach dieser Methodejedes
Fak-torensystem
mit der obengenannten Eigenschaft
konstruieren kann.Enthâlt K die sämtlichen linearen Charaktere
von Sj,
so istder
Kôrper
K* nach(7) galoissch
über K. Dann erhâlt man nach(8)
eineeineindeutige Zuordnung
zwischen dergaloisschen Gruppe
@ und einem
System
der linearen Charaktere vonjj.
Es ist aberDaher ist (S einer
Gruppe @
der linearen Charakterevon jj isomorph.
Die Gesamtheit der Elemente P ausJ2 ,
die der Bedin-gung X(P) =
1für jeden Charakter Z
aus@y genügen,
bildeteinen
Normalteiler W,
der dieKommutatorgruppe OE von jj
enthâlt. Die
Faktorgruppe SjjW
ist dann zu0152x’
also zuisomorph.
Es ist nach(8)
wenn P in 9è
liegt.
Alsoist k,
dann in K enthalten. Nach(6)
kann man
daher, abgesehen
von einem Faktor ausK,
annehmen, daBA-p
=k Q ist,
falls P =Q (mod. W)
ist. Imallgemeinen
kannman
ferner, abgesehen
von einem Faktor ausK, annehmen,
dal3ist,
fallsist. Dabei bedeuten
Sl’ S2, - - -1 ,Sr Repräsentanten
der Basis-klassen von
jj / %.
Da aber diegaloissche Gruppe
Qj von K* überK zur
Faktorgruppe jj/ lJl isomorph ist,
so müssen die rKbrper K(ks1), K(ks2)’ - - -, K(ksr) unabhângig
sein. Der Grad vonK(ks,)
über K istgleich
derOrdnung
derSi
enthaltenden Rest- klasse ausS’J19l.
Dieobige Überlegung zeigt
schon die charakteris- tischeEigenschaft
der Klasse der in K assoziierten Faktoren-systeme,
die in 9 zur Einsklasse assoziiert sind.Es sei nun
e P, Q === X( C P, Q)
ein durch einenCharakter Z
desMultiplikators
definiertesFaktorensystem
in Q. Wir beweisennun: Ist ein in K enthaltenes
Faktorensystem
cP, Q zu (!p, Q assozi- iert inQ,
so ist ep, Q in K enthalten. Es sei nâmlichWir betrachten dann den
Kôrper K(kp,
ép,Q).
BeimÜbergang
zu einem
konjugierten Kôrper ergibt sich,
da c p, Q in Kliegt,
also ist
e;, Q
zumEinssystem
assoziiert. Ersichtlich istx’
auchép, Q
ein Charakter und daher ist
XX,-I(Cp,Q)
dann und nur dann zumEinssystem assoziiert,
wennXX,-l Hauptcharakter
ist. Bei unseremFall ist also e P, Q =
q’ Q,
d.h. e P, Q ist in K enthàlten.Sind zwei
Faktorensysteme {cp,Q}’ {c,Q}
assoziiert inil,
so istCI, Cp,lQ}
zumEinssystem
assoziiert.Da jedes Faktorensystem
einem normierten assoziiert in 12
ist,
sogenügt
es bei der Kon- struktion der in K enthaltenenFaktorensysteme,
nur die in Kenthaltenen Charaktere des
Multiplikators
und die Elementen-systeme {kp}
mit derobigen Eigenschaft
zu betrachten.Aus der
obigen Überlegung folgt
unmittelbarIII. Damit
jedes Faktorensystein
einein norrrzierten assoziiertsei,
also damit derMultiplikator
in K lnit einerUntergruppe
desMultiplikators
in ilisomorph sei,
istnotwendig
undhinreichend,
dafl
der Gradjedes Wurzelkörpers
über K zurn Index der Kom-mutatorgruppe teilerfremd
ist.Insbesondere
gilt
IIl’. Der
Multiplikator
in K ist mit einerUntergruppe
desM ultiplikators in Q isomorph,
wenn dieKommutatorgruppe
mitder ganzen
Gruppe
übereinstimmt.§
3. Konstruktion derDarstellungen.
Wir
nehmen jetzt
an, daB die Charakteristik von K Null oder eine zu h teilerfremde Primzahl ist.Es sei
(§)
eine in K irreduzibleDarstellung
eineshyperkom- plexen Systems (c, Sj), (K*)
eine in K irreduzibleDarstellung
eines
in §
2 konstruiertenErweiterungskôrper
K*. Dem ElementkP
bzw. u,entspreche
dabei die Matrix(kp)
bzw.(up).
DieKroneckerschen Produkte
(kp)
X(up)
bilden dann eine Darstel-lung
von(c’, Sj)
inK,
wobeiist. Der Charakter der
jetzt
konstruiertenDarstellung
ist dasProdukt der Charaktere von
(kp)
und(up).
DieDarstellungen
von
(c’, Sj)
in 12 sind wesentlich mit den von(c, §)
identisch.Daher ist
jede Darstellung
von(c’, S))
in Kvollstândig
reduzibel.Jede in Q irreduzible
Darstellung
von(c’, .§)
ist ersichtlich in einer oben konstruiertenDarstellung
enthalten. Daher kann manauch
jede
in K irreduzibleDarstellung
von(c’, jj)
als einen Be-standteil erhalten
3).
Nach dieser Methode kann mandaher jede
inK irreduzible
Darstellung
von(cf, S)),
also einebeliebige
in Kirreduzible
Darstellung von %
durch Kollineationen aus einer in K irreduziblenDarstellung
derDarstellungsgruppe
fur Qableiten
4 ) .
Der Einfachheit halber beschrànken wir uns im
folgenden
aufden
Fall,
daB K die sämtlichen einfachen Charaktere der Darstel-lungsgruppe
für Q enthâlt. Ist dasFaktorensystem fcp, QI
nor-miert, d. h. induziert
( J )
eineDarstellung
derDarstellungsgruppe
für
Q,
so zerfâllt(S))
bekanntlich in miteinanderâquivalente
irreduzible Bestandteile in
Q,
da K den einfachen Charakterenthâlt. Die Anzahl der absolut irreduziblen Bestandteile ist
gleich
dem Index des Charakters. DieDarstellung (kp)
X(up)
zerfâllt in K* in die
zu k,(u,) algebraisch konjugierten
Bestand-teile.
3) 1. SoHLR, Arithmetische Untersuchungen über endliche Gruppen linearer
Substitutionen (Sitzungsberichte Akad. Berlin 1906, 1642013184].
4) Diese Bedingung kann man nach III noch verschârfen.
Wir
gebrauchen
nunfolgende Bezeichnungen.
y: der Charakter von
(up);
X: der einfache Charakter von(u);
ce: der Index des Charakters X;
fl:
der Index des CharakterskpX(P);
K’ : der durchAdjunktion
aller CharakterekpX(P)
ent-stehende
Erweiterungskôrper
vonK ;
d* : der Grad von K* über K’.Dann entsteht K’ durch
Adjunktion
aller Elementek p
mitX(P) =1=
o aus K. Die Anzahl deralgebraisch konjugierten
Charak-tere von
kpX(P)
istgleich
dem Grad von K’ über K. Daher ist der Charakter von(k p)
X(up) gleich
wo A bzw. B die
galoissche Gruppe
von K* bzw. K’ über K durch- làuft. Der Charakter einer in K irreduziblenDarstellung
von(c, jj )
hat die
Gestalt Pl k)z(P),
wenn er den einfachen Charakterk p X (P) enthâlt.B
IV. Die
Darstellung (kp)
X(up) zerfâllt
in g enau§
d * mit-einander äquivalente
irreduzible Bestandteile4).
Aus
(9) folgt
nach(8)
wo
e p(A)
ein linearer Charakter derin §
2 konstruierten Faktor-gruppe / W
ist. Wir kônnen dasSystem
aller einfachen Charaktere derDarstellungsgruppe jj* von jj
in Klasseneinteilen,
indemwir je
zwei Charaktere in einer Klassevereinigen,
wenn derQuotient
ein linearer Charakter vonG/ %
ist. Die Klassenanzahl bezeichnen wir mity(k).
Danngilt
V. Ist ein
Elementensystem
mit derin §
2genannten Eigenschaft gegeben,
so kann man genauy(k )
verschiedene in K irreduzible Dar-stellungen
durch Kollineationen aus der in K irreduziblen Darstel-lungen
derDarstellungsgruppe
ableiten.Eine in K irreduzible
Darstellung
derDarstellungsgruppe S)*
definiert ein
Faktorensystem
cp,Q== cp(C P,Q)’
wo T einen linearen Charakter desMultiplikators
bedeutet. Stellt man dendurch ç
induzierten
Charakter Xq;
als Summe einfacher Charakteredar,
so definieren die vorkommenden einfachen Charaktere und nur
diese das
Faktorensystem {Cp,Q} 5).
Bezeichnet man die Anzahl der Klassen inV,
die solche einfache Charaktereenthalten,
mitd(c, k ),
sogilt
5) G. FROBENIUS, Über die Relationen zwischen den Charakteren einer Gruppe
und denen ihrer Untergruppe [Sitzungsberichte Akad. Berlin 1898, 501-515 ].
VI. Es
gibt à(c, k)
verschiedene in K irreduzibleDarstellungen
von
(C’, Sj),
wenn ist.Hier haben wir eine Méthode zur Konstruktion aller Darstel-
lungen
durch Kollineationenangegeben
unter derVoraussetzung,
dalB die sàmtlichen irreduziblen
Darstellungen
einerDarstellungs-
gruppe bekannt sind. Nach dieser Methode kann man nach dem Beweis von II aus den
Darstellungen
einerDarstellungsgruppe
die
Darstellungen
einer anderenDarstellungsgruppe
ableiten. Ent-hält K eine
primitive
mh-teEinheitswurzel,
so sieht manleicht,
daB
jede Darstellungsgruppe
dieselbenDarstellungen
durch Kol-lineationen vermittelt.
(Eingegangen den 11. April 1934.)