1 多重テンソル積
定義 1.1.r≥2とし、V1,…,VrをK上の線形空間とする。V1,…,Vrの多重テンソル積 (multiple tensor product) とは、K-線形空間V1⊗⋯⊗Vrとr重線形写像
τ:V1×⋯×Vr→V1⊗⋯⊗Vrの組であって、任意のr重線形写像B:V1×⋯×Vr→Xに対しB=B∘τを満たす線形写像B:V1⊗⋯⊗Vr→Xがただ一つ存在するものをいう。τ(v1,…,vr)をv1⊗⋯⊗vrと書く。
命題 1.2.r≥2とし、V1,…,VrをK上の線形空間とする。多重テンソル積は存在し、標準的な同型を除いて一意である。各Vjが有限次元で基底(eij(j))をもつなら、
ei1(1)⊗⋯⊗eir(r)の全体が基底である。
証明.r=2は§E3.11 定義 1.1と§E3.11 定理 1.2で構成済みである。r−1個の場合が存在すると仮定し、
T=(V1⊗⋯⊗Vr−1)⊗Vrとおく。写像(v1,…,vr)↦(v1⊗⋯⊗vr−1)⊗vrは各変数について線形である。
r重線形写像B:V1×⋯×Vr→Xを取る。固定したvrに対し、最初のr−1変数の普遍性から線形写像Lvr:V1⊗⋯⊗Vr−1→Xが得られる。Bの最終変数についての線形性と一意性から、(z,vr)↦Lvr(z)は双線形である。二項テンソル積の普遍性により、これはT→Xのただ一つの線形写像へ移る。したがってTはr重線形写像の普遍性を満たす。一意性は§E3.11 命題 1.3と同じ相互逆写像の議論から従う。
有限次元の基底の主張は§E3.11 定理 2.1をrについて帰納的に適用して得る。▨
2 結合順序の比較
定理 2.1.K上の線形空間U,V,Wに対して
αU,V,W:(U⊗V)⊗W⟶U⊗(V⊗W),αU,V,W((u⊗v)⊗w)=u⊗(v⊗w)を満たす線形同型がただ一つ存在する。この同型は基底の選択に依存しない。
証明. 写像(u,v,w)↦u⊗(v⊗w)は三重線形である。命題 1.2の証明により(U⊗V)⊗Wは三重テンソル積の普遍性を満たすので、表示式を満たす線形写像αU,V,Wがただ一つ存在する。同様に(u,v,w)↦(u⊗v)⊗wから逆向きの線形写像βが得られる。合成β∘αは全ての生成元(u⊗v)⊗wを自身へ送るので恒等写像である。逆向きの合成も同様であり、αは同型である。定義式に基底が現れないので基底の選択に依存しない。▨
結合同型を用いると、有限個の因子の括弧を省略してV1⊗⋯⊗Vrと書くことができる。ただし、括弧の付け方だけが異なる二つのテンソル積は、集合として等しいのではなく、上の標準同型によって比較される。
定義 2.2.K上の線形空間Vと非負整数rに対し、
V⊗r=r 個V⊗⋯⊗VをVのr次テンソル冪 (r-th tensor power) という。V⊗0=Kと定める。
3 因子の置換
定理 3.1.VをK上の線形空間、r≥2を整数とし、Srをr次対称群とする。σ∈Srに対し、
Pσ:V⊗r→V⊗r,Pσ(v1⊗⋯⊗vr)=vσ−1(1)⊗⋯⊗vσ−1(r)を満たす線形同型がただ一つ存在する。さらに
Pid=idV⊗r,PσPτ=Pστが成り立つ。
証明. 右辺は(v1,…,vr)の各変数について線形なので、多重テンソル積の普遍性からPσが存在して一意に定まる。純テンソル上で
PσPτ(v1⊗⋯⊗vr)=Pσ(vτ−1(1)⊗⋯⊗vτ−1(r))=vτ−1σ−1(1)⊗⋯⊗vτ−1σ−1(r)=v(στ)−1(1)⊗⋯⊗v(στ)−1(r)=Pστ(v1⊗⋯⊗vr).純テンソルが全体を生成するので合成の式が全体で成り立つ。恒等置換の式も定義から従う。合成の式でτ=σ−1とすればPσPσ−1=idとなるため、Pσは同型である。▨
例 3.2.r=2の非自明な置換に対する写像を
P(v⊗w)=w⊗vと書く。P2=idである。V=K2の基底をe1,e2とすると、
P(e1⊗e2+2e2⊗e1)=e2⊗e1+2e1⊗e2.一方、e1⊗e1+e2⊗e2はPによって固定される。交換によって固定される部分と符号が変わる部分は、後の対称冪と外冪でそれぞれ商を通じて取り出す。
4 演習
問題 4.1 (逆元を用いない添字による置換作用).r≥2とし、σ∈Srに対してQσ(v1⊗⋯⊗vr)=vσ(1)⊗⋯⊗vσ(r)を満たす線形写像Qσ:V⊗r→V⊗rを考える。置換の積στはτを先に施す合成とする。Qσ=Pσ−1とQσQτ=Qτσを示せ。さらにr=3、dimV≥3、σ=(12)、τ=(23)についてQσQτ(e1⊗e2⊗e3)とQστ(e1⊗e2⊗e3)を計算し、QσQτ=Qστであることを確かめよ。
解答.
定理 3.1のPσ−1は純テンソルをv(σ−1)−1(1)⊗⋯⊗v(σ−1)−1(r)=vσ(1)⊗⋯⊗vσ(r)へ写すから、純テンソル上でQσと一致し、純テンソルがV⊗rを生成するのでQσ=Pσ−1である。したがって
QσQτ=Pσ−1Pτ−1=Pσ−1τ−1=P(τσ)−1=Qτσである。
σ=(12)、τ=(23)とすると、τσは1↦3、2↦1、3↦2を満たし、στは1↦2、2↦3、3↦1を満たす。したがって
QσQτ(e1⊗e2⊗e3)=Qτσ(e1⊗e2⊗e3)=e3⊗e1⊗e2,Qστ(e1⊗e2⊗e3)=e2⊗e3⊗e1である。直接の計算でも、Qτ(e1⊗e2⊗e3)=e1⊗e3⊗e2であり、このテンソルの第一因子と第二因子を入れ替えるとe3⊗e1⊗e2になる。定理 2.1によりV⊗3を(V⊗V)⊗Vと同一視して§E3.11 定理 2.1を二回用いると、ei⊗ej⊗ekの形の相異なるテンソルは一次独立であるから、二つの値は異なり、QσQτ=Qστである。▨