Английская Википедия:Coxeter element

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Short description Шаблон:Distinguish

In mathematics, a Coxeter element is an element of an irreducible Coxeter group which is a product of all simple reflections. The product depends on the order in which they are taken, but different orderings produce conjugate elements, which have the same order. This order is known as the Coxeter number. They are named after British-Canadian geometer H.S.M. Coxeter, who introduced the groups in 1934 as abstractions of reflection groups.[1]

Definitions

Note that this article assumes a finite Coxeter group. For infinite Coxeter groups, there are multiple conjugacy classes of Coxeter elements, and they have infinite order.

There are many different ways to define the Coxeter number Шаблон:Mvar of an irreducible root system.

  • The Coxeter number is the order of any Coxeter element;.
  • The Coxeter number is Шаблон:Tmath where Шаблон:Mvar is the rank, and Шаблон:Mvar is the number of reflections. In the crystallographic case, Шаблон:Mvar is half the number of roots; and Шаблон:Math is the dimension of the corresponding semisimple Lie algebra.
  • If the highest root is <math>\sum m_i \alpha_i</math> for simple roots Шаблон:Mvar, then the Coxeter number is <math>1 + \sum m_i.</math>
  • The Coxeter number is the highest degree of a fundamental invariant of the Coxeter group acting on polynomials.

The Coxeter number for each Dynkin type is given in the following table:

Coxeter group Coxeter
diagram
Dynkin
diagram
Reflections
<math>m=\tfrac{nh}{2}</math>[2]
Coxeter number
Шаблон:Mvar
Dual Coxeter number Degrees of fundamental invariants
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD...Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin...Шаблон:Dynkin <math>\frac{n(n+1)}{2}</math> Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD...Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin...Шаблон:Dynkin Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Dynkin...Шаблон:Dynkin Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD...Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin...Шаблон:Dynkin Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin2 Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin2 Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin2 Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin
Шаблон:Dynkin
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD Шаблон:Dynkin
Шаблон:Dynkin
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD - Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD - Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:CDD - Шаблон:Mvar Шаблон:Mvar Шаблон:Math

The invariants of the Coxeter group acting on polynomials form a polynomial algebra whose generators are the fundamental invariants; their degrees are given in the table above. Notice that if Шаблон:Mvar is a degree of a fundamental invariant then so is Шаблон:Math.

The eigenvalues of a Coxeter element are the numbers <math>e^{2\pi i\frac{m-1}{h}}</math> as Шаблон:Mvar runs through the degrees of the fundamental invariants. Since this starts with Шаблон:Math, these include the [[primitive root of unity|primitive Шаблон:Mvarth root of unity]], <math>\zeta_h = e^{2\pi i\frac{1}{h}},</math> which is important in the Coxeter plane, below.

The dual Coxeter number is 1 plus the sum of the coefficients of simple roots in the highest short root of the dual root system.

Group order

There are relations between the order Шаблон:Mvar of the Coxeter group and the Coxeter number Шаблон:Mvar:[3] <math display=block>\begin{align}

 {} [p]:& \quad \frac{2h}{g_p} = 1 \\[4pt]
 [p,q]:& \quad \frac{8}{g_{p,q}} = \frac{2}{p} + \frac{2}{q} -1 \\[4pt]
 [p,q,r]:& \quad \frac{64h}{g_{p,q,r}} = 12 - p - 2q - r + \frac{4}{p} + \frac{4}{r} \\[4pt]
 [p,q,r,s]:& \quad \frac{16}{g_{p,q,r,s}} = \frac{8}{g_{p,q,r}} + \frac{8}{g_{q,r,s}} + \frac{2}{ps} - \frac{1}{p} - \frac{1}{q} - \frac{1}{r} - \frac{1}{s} +1 \\[4pt]
 \vdots \qquad & \qquad \vdots

\end{align}</math>

For example, Шаблон:Math has Шаблон:Math: <math display=block>\begin{align}

 &\frac{64 \times 30}{g_{3,3,5}} = 12 - 3 - 6 - 5 + \frac{4}{3} + \frac{4}{5} = \frac{2}{15}, \\[4pt] 
 &\therefore g_{3,3,5} = \frac{1920\times 15}{2} = 960 \times 15 = 14400.

\end{align}</math>

Coxeter elements

Шаблон:Expand section

Distinct Coxeter elements correspond to orientations of the Coxeter diagram (i.e. to Dynkin quivers): the simple reflections corresponding to source vertices are written first, downstream vertices later, and sinks last. (The choice of order among non-adjacent vertices is irrelevant, since they correspond to commuting reflections.) A special choice is the alternating orientation, in which the simple reflections are partitioned into two sets of non-adjacent vertices, and all edges are oriented from the first to the second set.[4] The alternating orientation produces a special Coxeter element Шаблон:Mvar satisfying <math>w^{h/2}= w_0,</math> where Шаблон:Math is the longest element, provided the Coxeter number Шаблон:Mvar is even.

For <math>A_{n-1} \cong S_n,</math> the symmetric group on Шаблон:Mvar elements, Coxeter elements are certain Шаблон:Mvar-cycles: the product of simple reflections <math>(1,2) (2,3) \cdots (n-1,n)</math> is the Coxeter element <math>(1,2,3,\dots, n)</math>.[5] For Шаблон:Mvar even, the alternating orientation Coxeter element is: <math display=block>(1,2)(3,4)\cdots (2,3)(4,5) \cdots = (2,4,6,\ldots,n{-}2,n, n{-}1,n{-}3,\ldots,5,3,1).</math> There are <math>2^{n-2}</math> distinct Coxeter elements among the <math>(n{-}1)!</math> Шаблон:Mvar-cycles.

The dihedral group Шаблон:Math is generated by two reflections that form an angle of <math>\tfrac{2\pi}{2p},</math> and thus the two Coxeter elements are their product in either order, which is a rotation by <math>\pm \tfrac{2\pi}{p}.</math>

Coxeter plane

Файл:E8Petrie.svg
Projection of Шаблон:Math root system onto Coxeter plane, showing 30-fold symmetry.

For a given Coxeter element Шаблон:Mvar, there is a unique plane Шаблон:Mvar on which Шаблон:Mvar acts by rotation by Шаблон:Tmath This is called the Coxeter plane[6] and is the plane on which Шаблон:Mvar has eigenvalues <math>e^{2\pi i\frac{1}{h}}</math> and <math>e^{-2\pi i\frac{1}{h}} = e^{2\pi i\frac{h-1}{h}}.</math>[7] This plane was first systematically studied in Шаблон:Harv,[8] and subsequently used in Шаблон:Harv to provide uniform proofs about properties of Coxeter elements.[8]

The Coxeter plane is often used to draw diagrams of higher-dimensional polytopes and root systems – the vertices and edges of the polytope, or roots (and some edges connecting these) are orthogonally projected onto the Coxeter plane, yielding a Petrie polygon with Шаблон:Mvar-fold rotational symmetry.[9] For root systems, no root maps to zero, corresponding to the Coxeter element not fixing any root or rather axis (not having eigenvalue 1 or −1), so the projections of orbits under Шаблон:Mvar form Шаблон:Mvar-fold circular arrangements[9] and there is an empty center, as in the Шаблон:Math diagram at above right. For polytopes, a vertex may map to zero, as depicted below. Projections onto the Coxeter plane are depicted below for the Platonic solids.

In three dimensions, the symmetry of a regular polyhedron, Шаблон:Math with one directed Petrie polygon marked, defined as a composite of 3 reflections, has rotoinversion symmetry Шаблон:Math, Шаблон:Math, order Шаблон:Mvar. Adding a mirror, the symmetry can be doubled to antiprismatic symmetry, Шаблон:Math, Шаблон:Math, order Шаблон:Math. In orthogonal 2D projection, this becomes dihedral symmetry, Шаблон:Math, Шаблон:Math, order Шаблон:Math.

Coxeter group Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Regular
polyhedron
Файл:3-simplex t0.svg
Tetrahedron
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:3-cube t0.svg
Cube
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:3-cube t2.svg
Octahedron
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:Dodecahedron H3 projection.svg
Dodecahedron
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:Icosahedron H3 projection.svg
Icosahedron
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Symmetry Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Coxeter plane
symmetry
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Petrie polygons of the Platonic solids, showing 4-fold, 6-fold, and 10-fold symmetry.

In four dimensions, the symmetry of a regular polychoron, Шаблон:Math with one directed Petrie polygon marked is a double rotation, defined as a composite of 4 reflections, with symmetry Шаблон:Math[10] (John H. Conway), Шаблон:Math (#1', Patrick du Val (1964)[11]), order Шаблон:Mvar.

Coxeter group Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Regular
polychoron
Файл:4-simplex t0.svg
5-cell
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:4-orthoplex.svg
16-cell
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:4-cube graph.svg
Tesseract
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:24-cell t0 F4.svg
24-cell
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:120-cell graph H4.svg
120-cell
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:600-cell graph H4.svg
600-cell
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Symmetry Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Coxeter plane
symmetry
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Petrie polygons of the regular 4D solids, showing 5-fold, 8-fold, 12-fold and 30-fold symmetry.

In five dimensions, the symmetry of a regular 5-polytope, Шаблон:Math with one directed Petrie polygon marked, is represented by the composite of 5 reflections.

Coxeter group Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Regular
polyteron
Файл:5-simplex t0.svg
5-simplex
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:5-orthoplex.svg
5-orthoplex
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:5-cube graph.svg
5-cube
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Файл:5-demicube t0 D5.svg
5-demicube
Шаблон:Math
Шаблон:CDD
Coxeter plane
symmetry
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math

In dimensions 6 to 8 there are 3 exceptional Coxeter groups; one uniform polytope from each dimension represents the roots of the exceptional Lie groups Шаблон:Math. The Coxeter elements are 12, 18 and 30 respectively.

En groups
Coxeter group Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math
Graph Файл:Up 1 22 t0 E6.svg
122
Шаблон:CDD
Файл:Gosset 2 31 polytope.svg
231
Шаблон:CDD
Файл:E8Petrie.svg
421
Шаблон:CDD
Coxeter plane
symmetry
Шаблон:Math Шаблон:Math Шаблон:Math

See also

Notes

Шаблон:Reflist

References

Шаблон:Refbegin

Шаблон:Refend

  1. Шаблон:Citation
  2. Coxeter, Regular polytopes, §12.6 The number of reflections, equation 12.61
  3. Regular polytopes, p. 233
  4. George Lusztig, Introduction to Quantum Groups, Birkhauser (2010)
  5. Шаблон:Harv
  6. Coxeter Planes Шаблон:Webarchive and More Coxeter Planes Шаблон:Webarchive John Stembridge
  7. Шаблон:Harv
  8. 8,0 8,1 Шаблон:Harv
  9. 9,0 9,1 Шаблон:Harv
  10. On Quaternions and Octonions, 2003, John Horton Conway and Derek A. Smith Шаблон:ISBN
  11. Patrick Du Val, Homographies, quaternions and rotations, Oxford Mathematical Monographs, Clarendon Press, Oxford, 1964.