ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 131
Скачиваний: 0
86 Б. Вайборн. Теоретико-групповые методы
приведенным в тексте; он составил обширные таблицы, которые
включены |
в книгу |
в виде приложения I I . Мы надеемся, что эти |
таблицы |
помогут |
читателю, овладевшему методами, описанными |
в книге, проводить самостоятельно необходимые расчеты. В со ставлении таблиц большую помощь оказали сотрудники Вычис лительного центра Кентерберинского университета.
Текст книги базируется в основном на материалах курса лек ций, которые автор читал в Орсэ в начале 1968 г. в Лаборатории Эме Коттон Национального центра научных исследований Фран ции, а также несколько позже в АН Литовской ССР в Вильнюсе. Автору хотелось бы поблагодарить всех тех, кто посещал и слушал его лекции и чьи замечания невольно оказали влияние на харак тер изложения отдельных вопросов Е книге. Большую роль при
подготовке книги к печати сыграли |
критические замечания |
сотруд |
ников автора и проф. Джадда. |
|
|
Кристчёрч, Новая Зеландия |
Б. |
Вайборн |
Сентябрь 1969 |
|
|
1
ВВЕДЕНИЕ
Исследование и интерпретация атомных и ядерных спектров по существу обусловлены успехами, достигнутыми в теории сложных спектров. В свою очередь заметные успехи в формулировке совре менной теории сложных спектров базируются на основополагаю щей идее Рака [1, 2] об использовании свойств симметрии атомных волновых функций путем применения классической теории непре рывных групп, развитой Ли [3], Картаном [4], Вейлем [5, б] и др. Дальнейшее развитие теории сложных спектров [7—9] связано с широким использованием теории Юнга группы перестановок [10, 11] и предложенных Литтлвудом [12, 13] усовершенствований тео рии функций Шура [14] (или 5-функций); в этих исследованиях особенно ясно подчеркнута связь, существующая между симметри ческой группой и непрерывными группами. Прекрасный обзор всех этих работ по развитию теории сложных спектров недавно со ставил Джадд [15].
Математические исследования, проводимые последние тридцать лет, позволили чрезвычайно упростить классическую теорию групп. К сожалению, большинство результатов этих исследований оста лось практически вне поля зрения физиков-теоретиков, что, ко нечно, отрицательно сказалось на приложении принципов симмет рии к решению конкретных физических преблем.
Цель настоящей книги — проиллюстрировать возможные прило жения результатов современных математических исследований по теории групп к проблемам атомной спектроскопии. При этом не делается никаких попыток дать математически строгое и исчерпы вающее изложение результатов упомянутых математических ис следований; вместо этого автор стремился четко сформулировать (без доказательства) те теоремы, которые незнакомы большинству исследователей, занимающихся проблемами атомной спектроско пии, а также проиллюстрировать конкретное применение этих тео рем к актуальным проблемам. Автор ограничился обсуждением следующих трех центральных проблем теории атомных спектров:
1) построение симметрийной классификации состояний много электронных атомных конфигураций;
2)анализ и классификация многоэлектронных операторов, воз никающих при применении теории возмущений к атомным пробле мам;
3)использование правил отбора при расчетах матричных эле ментов операторов взаимодействий.
88 |
Б. Вайборн. Теоретико-группозые методы |
Предполагается, что читатель уже знаком с элементами теории непрерывных групп и алгеброй неприводимых тензорных опера торов в объеме, например, книги Джадда [15]; поэтому мы сразу начинаем с краткого изложения некоторых важнейших положений теории симметрической группы и сжатой формулировки основных свойств групповых характеров. После этого излагаются резуль таты, полученные Литтлвудом в теории симметрической группы и непрерывных групп с использованием аппарата S-функцнй Шура, с особым акцентом на алгебру плетизмов. Наконец, все это приме няется к решению ряда практических проблем в теории атомных спектров.
СИММЕТРИЧЕСКАЯ ГРУППА S„
2.1. Перестановки
Перестановки п символов а\, ..., ап образуют группу, называе мую симметрической группой, которая содержит п\ элементов и которую мы будем обозначать Sn. Любая перестановка может быть представлена в виде
'1 2 .. . . а h а2 . . . а„
где ai, ... , се,, обозначают числа 1, 2, . .., п, взятые в некотором определенном порядке; например, можно рассмотреть переста-
новку
1 2 3
3 1 2
для которой 1-*-3, 2->-1, 3—>-2. Произведение ST двух перестано вок S и Т определяется как перестановка, которая получается при действии сначала перестановки T, а затем перестановки S, т. е. при действии сначала правой, а потом левой перестановки; напри мер, имеем произведения
'1 2 3 4 5\ ( \ 2 3 4 5\ |
/1 2 3 4 5 |
||
2 4 5 3 1 / U 4 2 3 1 J= |
\ l 3 4 5 2 |
||
1 2 3 4 5 |
1 2 3 4 5 |
1 2 3 4 5 |
|
5 4 2 3 1 |
2 4 5 3 1 |
4 3 1 2 |
5 |
Как видно из этих двух примеров, произведение перестановок,, вообще говоря, некоммутативно.
2.2. Циклы
Перестановки можно разлагать на циклы; так, например, пе рестановку
'1 2 3 4 5 6 7 8х ч 2 3 1 5 4 7 6 8у
можно рассматривать как произведение четырех замкнутых цик лов, т. е. как произведение
(1 2 3) (4 5) (6 7) (8);
•90 Б. Вайборн. Теоретико-групповые методы
эти циклы не имеют общих элементов, и, как легко видеть, пред ставляемые ими перестановки коммутируют друг с другом. По этому совершенно не важен порядок, в котором мы выписываем от дельные циклы.
Цикл, состоящий из двух символов, называется транспозицией. Всякий цикл можно записать в виде произведения некоторого числа транспозиций, имеющих общие элементы; так, например, (12 3) = = (13) (12). Любой цикл из п символов можно записать в виде
произведения п—1 |
транспозиций. |
|
|
|
|
|
2.3. Четные и нечетные перестановки |
||
Разность между числом переставляемых символов и числом не |
||||
зависимых циклов |
данной |
перестановки |
называется |
декрементом |
перестановки. Перестановки, обладающие |
четным (или |
нечетным) |
||
декрементом, называются |
четными (или |
нечетными). |
Например, |
|
в группе 5б перестановка (1 2 3) (4 5) (6) |
нечетная, а перестановка |
(1 2 3) (4 5 6) четная. Все четные перестановки порядка п сами об разуют группу, называемую знакопеременной группой Ап; эта группа содержит п!/2 элементов; она, очевидно, является подгруп пой группы Sn-
2.4. Регулярные перестановки
Регулярными перестановками называются такие перестановки, которые не оставляют на месте ни одного символа (в их число, однако, включается также и тождественная перестановка) и кото рые образуют некоторую подгруппу, так называемую регулярную подгруппу группы Sn. При разложении на циклы, не содержащие
.общих символов, каждая регулярная перестановка представляется циклами одинаковой длины, т. е. в ее разложении все циклы со стоят из одинакового числа символов. Всего в группе Sn имеется п возможных регулярных перестановок, и они образуют подгруппу группы Sn порядка п. Поскольку любую регулярную перестановку можно разложить на циклы одинаковой длины, то регулярная под группа будет циклической, если п — простое число.
2.5. Теорема Кэли
Мы не будем останавливаться на детальном исследовании под групп группы Sn, хотя это исключительно важное дело для теории конечных групп, поскольку Кэли доказал теорему, утверждающую, что «любая группа G конечного порядка п обязательно изоморфна
.некоторой подгруппе симметрической группы Sn» [16].
Гл. 2. Симметрическая группа Sn |
91 |
2.6. Классы
Две перестановки а и ß из симметрической группы S„ считаются принадлежащими одному и тому же классу, если можно найти та кую перестановку у в Sn, что
Элемент ß называют сопряженным элементу а. Сопряженные друг другу перестановки имеют одну и ту же циклическую структуру, так что перестановки некоторого данного класса либо все четные, либо все нечетные. Далее, каждый класс содержит также и об
ратную |
перестановку |
для всякой перестановки, принадлежащей |
|
этому классу. |
|
|
|
При |
выписывании |
циклических разложений |
перестановок |
обычно |
опускают циклы, которые содержат по одному |
символу; эти |
символы при данной перестановке остаются на месте; например, пишут
1 2 3 4 |
5\ |
|
2 3 1 4 б ] ^ ° 23>)W(5)^V |
2 3)- |
При этом важно, конечно, всегда помнить, чему равен порядок данной перестановки.
Вгруппе 5д имеются следующие пять классов:
1)е;
2) |
(1 2), |
(1 3), |
(14), |
(2 3), |
(2 4), |
(34); |
|
|
|
|
||
3) |
(1 2) (34), |
(1 3)(2 4), |
(1 4) (2 3); |
|
|
|
|
|||||
4) |
(1 23), |
(1 32), (124), |
(142), |
(1 34), |
(1 4 3 ) , |
(234), |
(243); |
|||||
5) |
(1 234), |
(1243), |
i l 3 2 4), |
(1 423), |
(1 432), |
(1 342) . |
||||||
Отметим, |
что |
элементы |
е, |
(1 2 3 4 ) , (1 3) (24), |
(1 4 3 2) |
явля |
||||||
ются регулярными перестановками в S/L; они образуют |
циклическую |
группу четвертого порядка, являющуюся регулярной подгруппой группы Slt.
|
|
|
2.7. |
Разбиения |
|
Каждую перестановку можно разложить на |
независимые |
||||
циклы. Пусть vi — число циклов, составленных из одного |
символа, |
||||
Ѵ2 — число |
циклов, составленных из двух символов, |
и т. д. Тогда, |
|||
поскольку |
всего затрагивается |
ровно |
п символов в любой |
данной |
|
перестановке из 5„, то очевидно |
|
|
|
|
|
|
Ь , + 2 ѵ 2 + |
. . . + |
я ѵ в = я . |
|
(1) |
Структуру циклического разбиения перестановки можно характе ризовать, таким образом, символом (Г'2 Ѵ ! . . . или кратко символом (ѵ). Все перестановки группы Sn, обладающие одинако-
92 Б. Вайборн. Теоретико-групповые методы
вой циклической структурой, образуют некоторый класс сопря женных элементов в Sn.
Таким образом, каждое решение в положительных целых чис
лах v i , Ѵ2, . .., ѵ„ |
уравнения |
(1) характеризует некоторый |
класс |
|
в 5П . Следовательно, полное число классов группы Sn |
есть |
полное |
||
число указанных |
решений уравнения (1). Положим |
теперь, что |
||
|
Ѵо+ |
. . . -г-ѵя = Хп, |
|
|
|
|
|
|
(2) |
тогда очевидно |
|
Х , + Х , + . . . + Х „ = л , |
|
|
|
|
|
(3) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
причем |
|
|
Х , ^ Х л > . . . > \ , > 0 . |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Таким образом, всякое |
решение уравнения (1) однозначно |
связано |
||||||||||||
с некоторым разбиением числа п на числа К\, Хг, ..., |
kn, |
т. е. разбие |
||||||||||||
нием [Х\, Я,2 ..., |
Кп]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чи |
||
|
Это позволяет |
сформулировать |
следующее |
утверждение: |
||||||||||
сло |
классов |
в |
группе |
Sn равно |
числу |
разбиений |
п |
на |
положи |
|||||
тельные целые |
числа, удовлетворяющие |
условию |
(3). |
|
71, |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Весом р |
разбиения |
[Хі, Я2, ..., |
Х„] называется |
число |
р = |
ЛК\ |
|||||||
так |
что все |
разбиения |
данного |
целого |
числа |
п |
имеют |
один и |
тот |
|||||
же вес. |
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По известному |
разбиению числа |
можно |
всегда восстановить |
соответствующую циклическую структуру перестановки, если вос пользоваться соотношениями
ѵ2==Х2 — >.3> |
|
• • |
(4) |
ѵ„ = лп
2.8. Число перестановок в классе
Символ (ѵ) данного класса группы показывает, что его пере становки содержат по ѴІ циклов, составленных из одного символа,