Gruppo di Coxeter

In matematica, un gruppo di Coxeter è un gruppo astratto che ammette una descrizione formale in termini di simmetrie speculari. In realtà, i gruppi finiti di Coxeter, sono più precisamente i gruppi euclidei di riflessione finiti; i gruppi di simmetria dei poliedri regolari ne forniscono degli esempi. Va detto subito che non tutti i gruppi di Coxeter sono finiti e che non tutti possono essere descritti in termini di simmetrie e riflessioni euclidee.

I gruppi di Coxeter prendono il nome dal matematico britannico Harold Coxeter (1907-2003) e trovano applicazione in molte aree della matematica. Esempi di gruppi di Coxeter finiti sono i gruppi di simmetria dei politopi regolari e i gruppi di Weyl delle algebre di Lie semplici. Esempi di gruppi infiniti di Coxeter sono i gruppi triangolari corrispondenti a tassellature regolari del piano euclideo e del piano iperbolico, e i gruppi di Weyl delle algebre di Kac–Moody di dimensione infinita.

Definizione

Formalmente, un gruppo di Coxeter può essere definito come un gruppo per cui

$\left\langle r_{1},r_{2},\ldots ,r_{n}\mid (r_{i}r_{j})^{m_{ij}}=1\right\rangle$

dove   m_ii = 1  e   m_ij ≥ 2  per   i ≠ j.

La condizione   m_ij = ∞  significa che nessuna relazione della forma   (r_i r_j)^m  può essere imposta.

Alcune conclusioni possono essere ricavate a partire dalle definizioni sopra riportate.

• La relazione   m_ii = 1  indica che   (r_i)² = 1  per ogni  $i$;   i generatori sono involuzioni.

• Se   m_ij = 2,  allora i generatori   r_i  e   r_j  si commutano. Questo segue dall'osservazione che

 $xx=yy=1$ 

insieme a

 $xyxy=1$ 

implica che

 $xy=xxyxyy=yx$ 

• Per non avere ridondanza fra le relazioni, è necessario assumere che   m_ij=m_ji. Questo si ottiene osservando che

 $yy=1$ 

insieme a

  (xy)^m = 1 

implica che

  (yx)^m = (yx)^myy = y(xy)^my = yy = 1.

La matrice di Coxeter è una matrice simmetrica di aspetto   n×n le cui entrate denotiamo con   m_ij. In realtà, ogni matrice simmetrica aventi come entrate interi positivi e   ∞   e con le entrate sulla diagonale uguali a 1 serve a definire un gruppo di Coxeter.

La matrice di Coxeter può essere convenientemente codificata mediante un cosiddetto "grafo di Coxeter", secondo le seguenti regole:

• i vertici del grafo sono etichettati con i deponenti degli elementi generatori;
• i vertici del grafo  $i$   e  $j$  sono connessi se e solo se   m_ij ≥ 3;

• un lato è etichettato con il valore di   m_ij   se è uguale o maggiore di  $4$.

In particolare, due generatori commutano se e solo se non sono connessi attraverso un lato del grafo.

Inoltre, se un grafo di Coxeter ha due o più componenti connessi, il gruppo associato è il prodotto diretto dei gruppi associati ai singoli componenti.

Un esempio

Il grafico in cui i vertici da  $1$   a  $n$   sono posti in una riga con ciascun vertice connesso mediante un lato non etichettato al suo immediato vicino dà origine a un gruppo simmetrico   S_n+1;  i generatori corrispondono alle permutazioni  $(1$   $2)$,  $(2$  $3)$, ...  $(n$  $n+1)$.  Due permutazioni non consecutive commutano sempre, mentre  $(k$   $k+1)$  $(k+1$   $k+2)$  dà  $(k$   $k+1$   $k+2)$.  Naturalmente questo mostra solamente che   S_n+1   è un gruppo quoziente del gruppo di Coxeter, ma non è troppo difficile verificare l'eguaglianza che mantiene.

Gruppi finiti di Coxeter

Grafi di Coxeter di gruppi finiti di Coxeter

Ogni gruppo di Weyl può essere realizzato come un gruppo di Coxeter. Il grafico di Coxeter può essere ottenuto dal diagramma di Dynkin rimpiazzando ogni doppio lato con un lato etichettato  $4$   e ogni triplo lato con un lato etichettato  $6$.  L'esempio dato sopra corrisponde al gruppo di Weyl del sistema di radice di tipo   A_n.  Il gruppo di Weyl include la maggior parte dei gruppi finiti di Coxeter, ma ci sono anche esempi aggiuntivi. La seguente lista fornisce tutti i grafici connessi di Coxeter che danno origine a gruppi finiti.

Confrontando questa con la lista di sistemi a radici semplici, si vede che   B_n   e   C_n   danno origine allo stesso gruppo di Coxeter. Anche,   G₂  sembra mancare, ma è presente sotto il nome   I₂(6).  Le aggiunte alla lista sono   H₃,   H₄, e   I₂(p).

Alcune proprietà di gruppi finiti di Coxeter sono dati nella seguente tabella:

Tipo	Rango	Aspetto	Politopo	Grafo
An	n	(n + 1)!	simplesso-n
Bn = Cn	n	2n n!	ipercubo-n / politopo a croce-n
Dn	n	2n−1 n!	demipercubo
I2(n)	2	2n	n-gono
H3	3	120	icosaedro / dodecaedro
F4	4	1152	24-celle
H4	4	14400	120-celle / 600-celle
E6	6	51840	politopo E6
E7	7	2903040	politopo E7
E8	8	696729600	politopo E8

Gruppi di simmetria di politopi regolari

Tutti i gruppi di simmetria di politopi regolari sono gruppi finiti di Coxeter. I gruppi diedrali, che sono i gruppi simmetrici di poligoni regolari, formano le serie   I₂(p).   Il gruppo di simmetria di un regolare simplesso-n è il gruppo simmetrico   S_n+1,  anche conosciuto come il gruppo di Coxeter di tipo   A_n.  Il gruppo di simmetria del cubo-n è lo stesso di quello del politopo a croce-n, vale a dire   BC_n. Il gruppo di simmetria del dodecagono regolare e dell'icosaedro regolare è   H₃. In dimensione  $4$,  ci sono tre speciali politopi, il 24-celle, il 120-celle, e il 600-celle. Il primo ha gruppo simmetrico   F₄,  mentre gli altri due hanno gruppo simmetrico   H₄.

I gruppi di Coxeter di tipo   D_n,   E₆,   E₇, e   E₈ sono gruppi di simmetria di alcuni politopi semiregolari.

Gruppi affini di Weyl

I gruppi affini di Weyl formano una seconda importante serie di gruppi di Coxeter. Questi non sono finiti di per se stessi, ma ciascuno contiene un sottogruppo abeliano normale, in modo che il corrispondente gruppo quoziente è finito. In ciascun caso, il gruppo quoziente è esso stesso un gruppo di Weyl, e il grafo di Coxeter è ottenuto dal grafo di Coxeter del gruppo di Weyl aggiungendo un vertice supplementare e uno o due lati aggiuntivi. Ad esempio, per n ≥ 2, il grafo consistente di n+1 vertici in un cerchio è ottenuto da A_n in questo modo, e il corrispondente gruppo di Coxeter è il gruppo di Weyl affine di A_n. Per n = 2, questo può essere illustrato come il gruppo di simmetria del piastrellamento standard del piano mediante triangoli equilateri.

Segue una lista di gruppi affini di Coxeter:

Si nota che il pedice è in ogni caso il numero di nodi meno uno, dal momento che ognuno di questi gruppi è stato ottenuto aggiungendo un nodo ad un grafo finito del gruppo.

Gruppi di Coxeter iperbolici

Ci sono anche gruppi di Coxeter iperbolici rappresentanti gruppi di riflessione in geometria iperbolica.

Ordinamento di Bruhat

La scelta di generatori di riflessione dà origine ad una funzione l di lunghezza in un gruppo di Coxeter, cioè il numero minimo di utilizzi dei generatori richiesto per esprimere un elemento di gruppo. Da esso viene definito l'ordine di Bruhat: un elemento v eccede un elemento u se ha una lunghezza che è maggiore di 1 ed è il prodotto di u per un generatore di riflessione. In altre parole, u ≤ v significa che v è costruito da u con l'appropriato numero l(v) − l(u) di riflessioni generate.

Bibliografia

• Larry C Grove and Clark T. Benson, Finite Reflection Groups, Graduate texts in mathematics, vol. 99, Springer, (1985)
• James E. Humphreys, Reflection Groups and Coxeter Groups, Cambridge studies in advanced mathematics, 29 (1990)
• Richard Kane, Reflection Groups and Invariant Theory, CMS Books in Mathematics, Springer (2001)

Voci correlate

• Gruppo di Artin
• Gruppo di Weyl
• Gruppo triangolare
• Numero di Coxeter
• Gruppo complesso di riflessione
• Polinomio di Kazhdan-Lusztig

Collegamenti esterni

• (EN) Coxeter group in MathWorld
• (EN) Jenn, sistema software per la visualizzazione dei grafi di Cayley dei gruppi di Coxeter finiti con 1, 2, 3 e 4 generatori.