Алгебра Хопфа - Hopf algebra

В математике , А алгебра Хопфа , названная в честь Heinz Хопфа , является структурой , которая является одновременно ( унитальным ассоциативной) алгебра и (counital coassociative) коалгебра , с совместимостью этих структур делают его биалгебру , и что , кроме того оснащено антиавтоморфизмом удовлетворяющие определенному свойству. Теория представлений алгебры Хопфа особенно хороша, поскольку существование совместимого коумножения, коэлита и антипода позволяет строить тензорные произведения представлений, тривиальных представлений и двойственных представлений.

Алгебры Хопфа естественным образом встречаются в алгебраической топологии , откуда они возникли и связаны с концепцией H-пространства , в теории схем групп, в теории групп (через концепцию группового кольца ) и во многих других местах, что делает их, вероятно, наиболее распространенными. знакомый тип биалгебры . Алгебры Хопфа также изучаются сами по себе, с большой работой над конкретными классами примеров, с одной стороны, и проблемами классификации, с другой. У них есть самые разные приложения, начиная от физики конденсированного состояния и квантовой теории поля до теории струн и феноменологии LHC .

Формальное определение

Формально алгебра Хопфа - это (ассоциативная и коассоциативная) биалгебра H над полем K вместе с K- линейным отображением S : HH (называемым антиподом ), такая что следующая диаграмма коммутирует :

коммутативная диаграмма антиподов

Здесь Δ - коумножение биалгебры, - ее умножение, η - ее единица, а ε - ее счетчик. В нотации Sumless Sweedler это свойство также может быть выражено как

Что же касается алгебры , можно заменить , лежащий в основе поля K с коммутативным кольцом R в приведенном выше определении.

Определение алгебры Хопфа является самодвойственным (что отражено в симметрии вышеприведенной диаграммы), поэтому, если можно определить двойственное к H (что всегда возможно, если H конечномерно), то это автоматически алгебра Хопфа. .

Структурные константы

Зафиксировав основу для лежащего в основе векторного пространства, можно определить алгебру в терминах структурных констант для умножения:

для совместного умножения:

и антипод:

Тогда ассоциативность требует, чтобы

в то время как соассоциативность требует, чтобы

Связующая аксиома требует, чтобы

Свойства антипода

Антиподом S иногда требуется , чтобы иметь K -линейные обратный, который является автоматическим в конечномерном случае, или если Н является коммутативным или кокоммутативен (или в более общем случае квазитреугольном ).

В общем, S является антигомоморфизмом , поэтому S 2 является гомоморфизмом , который, следовательно, является автоморфизмом, если S был обратимым (что может потребоваться).

Если S 2 = id H , то алгебра Хопфа называется инволютивной (а основная алгебра с инволюцией является * -алгеброй ). Если H конечномерно полупросто над полем нулевой характеристики, коммутативно или кокоммутативно, то оно инволютивно.

Если биалгебра B допускает антипод S , то S единственна («биалгебра допускает не более 1 структуры алгебры Хопфа»). Таким образом, антипод не создает никакой дополнительной структуры, которую мы можем выбрать: быть алгеброй Хопфа - это свойство биалгебры.

Антипод является аналогом отображения инверсии на группе, которое переводит g в g −1 .

Подалгебры Хопфа

Подалгебру из алгебры Хопфа H подалгебра Хопфа , если это subcoalgebra из H и антипод S отображает A в A . Другими словами, подалгебра Хопфа A является алгеброй Хопфа сама по себе, когда умножение, коумножение, коумножение и антипод H ограничены до A (и, кроме того, тождество 1 H требуется, чтобы находиться в A). Теорема Николса – Зеллера о свободе установила (в 1989 г.), что естественный A- модуль H не имеет конечного ранга, если H конечномерно: это обобщение теоремы Лагранжа для подгрупп . Как следствие этой и интегральной теории, подалгебра Хопфа полупростой конечномерной алгебры Хопфа автоматически полупроста.

Подалгебра Хопфа A называется нормальной справа в алгебре Хопфа H, если она удовлетворяет условию устойчивости ad r ( h ) ( A ) ⊆ A для всех h в H , где правое сопряженное отображение ad r определяется формулой ad г ( ч ) ( ) = S ( ч (1) ) ах (2) для всех а в А , ч в H . Точно так же подалгебра Хопфа A остается нормальной в H, если она устойчива относительно сопряженного слева отображения, заданного формулой ad l ( h ) ( a ) = h (1) aS ( h (2) ). Два условия нормальности эквивалентны, если антипод S биективен, и в этом случае A называется нормальной подалгеброй Хопфа.

Нормальная подалгебра Хопфа в H удовлетворяет условию (равенства подмножеств H): HA + = + Н , где + обозначает ядро коединицы на K . Из этого условия нормальности следует, что HA + - идеал Хопфа в H (т. Е. Идеал алгебры в ядре коединицы, коидеальная и устойчивая коалгебра относительно антипода). Как следствие, возникает фактор-алгебра Хопфа H / HA + и эпиморфизм HH / A + H , теория, аналогичная теории нормальных подгрупп и фактор-групп в теории групп .

Заказы Хопфа

Хопфа порядок вывода над областью целостности R с полем частных K представляет собой порядок в алгебре Хопфа H над K , который закрыт под алгебры и коалгебра операций: в частности, коумножение Δ отображает вывода для выводавывода .

Групповые элементы

Группы , как элемент является ненулевым элементом х таким образом, что Δ ( х ) = хх . Группоподобные элементы образуют группу с инверсией, задаваемой антиподом. Для примитивного элемента x выполняется Δ ( x ) = x ⊗1 + 1⊗ x .

Примеры

В зависимости от Умножение Графство Антипод Коммутативный Кокоммутативный Замечания
групповая алгебра KG группа G Δ ( g ) = gg для всех g в G ε ( g ) = 1 для всех g в G S ( g ) = g −1 для всех g в G тогда и только тогда, когда G абелева да
функции f из конечной группы в K , K G (с поточечным сложением и умножением) конечная группа G Δ ( f ) ( x , y ) = f ( xy ) ε ( f ) = f (1 г ) S ( е ) ( х ) = е ( х - 1 ) да тогда и только тогда, когда G абелева
Представительные функции на компактной группе компактная группа G Δ ( f ) ( x , y ) = f ( xy ) ε ( f ) = f (1 г ) S ( е ) ( х ) = е ( х - 1 ) да тогда и только тогда, когда G абелева Наоборот, всякая коммутативная инволютивная редуцированная алгебра Хопфа над C с конечным интегралом Хаара возникает таким образом, что дает одну формулировку двойственности Таннаки – Крейна .
Регулярные функции на алгебраической группе Δ ( f ) ( x , y ) = f ( xy ) ε ( f ) = f (1 г ) S ( е ) ( х ) = е ( х - 1 ) да тогда и только тогда, когда G абелева Наоборот, всякая коммутативная алгебра Хопфа над полем возникает из групповой схемы таким образом, что дает антиэквивалентность категорий.
Тензорная алгебра T ( V ) векторное пространство V Δ ( x ) = x ⊗ 1 + 1 ⊗ x , x в V , Δ (1) = 1 ⊗ 1 ε ( х ) = 0 S ( x ) = - x для всех x в 'T 1 ( V ) (и расширен до более высоких тензорных степеней) Если и только если dim ( V ) = 0,1 да симметрическая алгебра и внешняя алгебра (которые являются факторами тензорной алгебры) также являются алгебрами Хопфа с таким определением коумножения, коединицы и антипода.
Универсальная обертывающая алгебра U (g) Алгебра Ли g Δ ( x ) = x ⊗ 1 + 1 ⊗ x для каждого x в g (это правило совместимо с коммутаторами и, следовательно, может быть однозначно распространено на все U ) ε ( x ) = 0 для всех x в g (опять же, продолжено на U ) S ( х ) = - х тогда и только тогда, когда g абелева да
Алгебра Хопфа Свидлера H = K [ c , x ] / c 2 = 1, x 2 = 0 и xc = - cx . K - поле с характеристикой, отличной от 2 Δ ( c ) = cc , Δ ( x ) = cx + x ⊗ 1, Δ (1) = 1 ⊗ 1 ε ( c ) = 1 и ε ( x ) = 0 S ( c ) = c −1 = c и S ( x ) = - cx нет нет Основное векторное пространство порождается {1, c , x , cx } и, таким образом, имеет размерность 4. Это наименьший пример алгебры Хопфа, которая одновременно некоммутативна и некокоммутативна.
кольцо симметричных функций через полные однородные симметричные функции h k ( k ≥ 1):

Δ ( ч к ) знак равно 1 ⊗ ч К + ч 1ч к −1 + ... + ч к −1ч 1 + ч к ⊗ 1.

ε ( h k ) = 0 S ( h k ) = (−1) k e k да да

Обратите внимание, что функции на конечной группе можно отождествить с групповым кольцом, хотя их более естественно рассматривать как двойственные - групповое кольцо состоит из конечных сумм элементов и, таким образом, соединяется с функциями на группе, вычисляя функцию на суммированном элементы.

Когомологии групп Ли

Алгебра когомологий (над полем ) группы Ли - это алгебра Хопфа: умножение обеспечивается чашечным произведением , а коумножение

групповым умножением . Это наблюдение было фактически источником понятия алгебры Хопфа. Используя эту структуру, Хопф доказал структурную теорему для алгебры когомологий групп Ли.

Теорема (Хопф) Пусть - конечномерная градуированная коммутативная градуированная кокоммутативная алгебра Хопфа над полем характеристики 0. Тогда (как алгебра) является свободной внешней алгеброй с образующими нечетной степени.

Квантовые группы и некоммутативная геометрия

Все приведенные выше примеры либо коммутативны (т. Е. Умножение коммутативно ), либо ко-коммутативно (т. Е. Δ = T ∘ Δ, где твист-отображение T : HHHH определяется формулой T ( xy ) = yx ). Другими интересными алгебрами Хопфа являются определенные «деформации» или « квантования » алгебр из примера 3, которые не являются ни коммутативными, ни ко-коммутативными. Эти алгебры Хопфа часто называют квантовыми группами , термин, который до сих пор определяется нечетко. Они важны в некоммутативной геометрии , идея заключается в следующем: стандартная алгебраическая группа хорошо описывается своей стандартной алгеброй Хопфа регулярных функций; тогда мы можем думать о деформированной версии этой алгебры Хопфа как о некой «нестандартной» или «квантованной» алгебраической группе (которая вообще не является алгебраической группой). Хотя кажется, что нет прямого способа определять или манипулировать этими нестандартными объектами, можно по-прежнему работать с их алгебрами Хопфа и действительно отождествлять их с их алгебрами Хопфа. Отсюда и название «квантовая группа».

Теория представлений

Пусть A - алгебра Хопфа, а M и N - A -модули. Тогда MN также является A -модулем, причем

для mM , nN и ∆ ( a ) = ( a 1 , a 2 ). Кроме того, мы можем определить тривиальное представление как базовое поле K с

для мK . Наконец, можно определить двойственное представление A : если M - A -модуль, а M * - его двойственное пространство, то

где FM * и тM .

Связь между Δ, ε и S гарантирует, что некоторые естественные гомоморфизмы векторных пространств действительно являются гомоморфизмами A -модулей. Например, естественные изоморфизмы векторных пространств MMK и MKM также являются изоморфизмами A -модулей. Кроме того, отображение векторных пространств M *MK с fmf ( m ) также является гомоморфизмом A -модулей. Однако отображение MM *K не обязательно является гомоморфизмом A -модулей.

Связанные понятия

Градуированные алгебры Хопфа часто используются в алгебраической топологии : они представляют собой естественную алгебраическую структуру на прямой сумме всех групп гомологий или когомологий H-пространства .

Локально компактные квантовые группы обобщают алгебры Хопфа и несут топологию . Алгебра всех непрерывных функций на группе Ли является локально компактной квантовой группой.

Квазихопфовые алгебры являются обобщениями алгебр Хопфа, где коассоциативность сохраняется только с точностью до твиста. Они были использованы при изучении уравнений Книжника – Замолодчикова .

Алгебры мультипликаторов Хопфа, введенные Альфонсом Ван Даэлем в 1994 году, являются обобщениями алгебр Хопфа, в которых коумножение алгебры (с единицей или без нее) на алгебру мультипликаторов тензорной алгебры произведения алгебры с самим собой.

Групповые (ко) алгебры Хопфа, введенные В. Г. Тураевым в 2000 г., также являются обобщениями алгебр Хопфа.

Слабые алгебры Хопфа

Слабые алгебры Хопфа или квантовые группоиды являются обобщениями алгебр Хопфа. Подобно алгебрам Хопфа, слабые алгебры Хопфа образуют самодуальный класс алгебр; т. е. если H - (слабая) алгебра Хопфа, то H * - двойственное пространство линейных форм на H (по отношению к структуре алгебры-коалгебры, полученной естественным спариванием с H и ее структурой коалгебры-алгебры). Слабая алгебра Хопфа H обычно считается

  • конечномерна алгебра и коалгебра с копроизведением А: ННН и коединица & epsi ; : HK , удовлетворяющий все аксиомами алгебры Хопфа , за исключением , возможно , Д (1) ≠ 1 ⊗ 1 или е ( абы ) ≠ ε ( ) & epsi ; ( б ) для некоторых а, Ь в Н . Вместо этого требуется следующее:
для всех в , б , и с в Н .
  • H имеет ослабленный антипод S : HH, удовлетворяющий аксиомам:
  1. для всех a в H (правая часть представляет собой интересную проекцию, обычно обозначаемую Π R ( a ) или ε s ( a ) с изображением сепарабельной подалгебры, обозначаемой H R или H s );
  2. для всех a в H (другая интересная проекция, обычно обозначаемая как Π R ( a ) или ε t ( a ), образ которой является сепарабельной алгеброй H L или H t , антиизоморфной H L посредством S );
  3. для всех а в H .
Заметим, что если ∆ (1) = 1 ⊗ 1, эти условия сводятся к двум обычным условиям на антипод алгебры Хопфа.

Частично аксиомы выбраны так, что категория H -модулей является жесткой моноидальной категорией . Единичный H -модуль - это упомянутая выше сепарабельная алгебра H L.

Например, алгебра конечных группоидов является слабой алгеброй Хопфа. В частности, группоидом алгебра на [N] с одной парой обратима стрелки е IJ и е ц между I и J в [ п ] изоморфна алгебре Н из п х п матриц. Структура слабой алгебры Хопфа на этой конкретной H задается копроизведением ∆ ( e ij ) = e ije ij , countit ε ( e ij ) = 1 и антиподом S ( e ij ) = e ji . Сепарабельные подалгебры H L и H R совпадают и в данном частном случае являются нецентральными коммутативными алгебрами (подалгеброй диагональных матриц).

Ранние теоретические вклады в слабые алгебры Хопфа можно найти, а также в

Алгеброиды Хопфа

См. Алгеброид Хопфа

Аналогия с группами

Группы могут быть аксиоматизированы с помощью тех же диаграмм (то есть операций), что и алгебра Хопфа, где G рассматривается как множество, а не модуль. В этом случае:

  • поле K заменяется одноточечным множеством
  • есть естественная страна (сопоставить с 1 точкой)
  • есть естественное коумножение (диагональное отображение)
  • единица является тождественным элементом группы
  • умножение - это умножение в группе
  • антипод обратный

В этой философии группу можно рассматривать как алгебру Хопфа над « полем с одним элементом ».

Алгебры Хопфа в сплетенных моноидальных категориях

Определение алгебры Хопфа естественным образом распространяется на произвольные сплетенные моноидальные категории . Алгебра Хопфа в такой категории - это шестерка, в которой - объект , а

(умножение),
(Ед. изм),
(коумножение),
(счет),
(антипод)

- морфизмы в такие, что

1) тройка является моноидом в моноидальной категории , т. Е. Следующие диаграммы коммутативны:

моноид в моноидальной категории

2) тройка является комоноидом в моноидальной категории , т. Е. Следующие диаграммы коммутативны:

комоноид в моноидальной категории

3) структуры моноида и комоноида на совместимы: умножение и единица являются морфизмами комоноидов, и (в данной ситуации это эквивалентно) в то же время коумножение и коумножение являются морфизмами моноидов; это означает, что следующие диаграммы должны быть коммутативными:

согласованность между умножением и коумножением

единица и счет в биалгебрах

единица и счет в биалгебрах

пятерка со свойствами 1), 2), 3) называется биалгеброй в категории ;
4) диаграмма антипода коммутативна:

единица и счет в биалгебрах

Типичные примеры следующие.

  • Группы . В моноидальной категории из множествдекартово произведением как тензорное произведение, и произвольным singletone, скажем, в качестве единичного объекта) тройкой является моноидом в категориальной смысле тогда и только тогда , когда она является моноидом в обычном алгебраическом смысл , т.е. если операции и ведут себя как обычное умножение и единица в (но, возможно, без обратимости элементов ). В то же время тройка является комоноидом в категориальном смысле тогда и только тогда, когда это диагональная операция (и операция также определена однозначно :) . И любая такая структура комоноида совместима с любой структурой моноида в том смысле, что диаграммы в разделе 3 определения всегда коммутируют. Как следствие, каждый моноид in естественно рассматривать как биалгебру в , и наоборот. Существование антипода для такой биалгебры в точности означает, что каждый элемент имеет обратный элемент по отношению к умножению . Таким образом, в категории множеств алгебры Хопфа - это в точности группы в обычном алгебраическом смысле.
  • Классические алгебры Хопфа . В частном случае, когда - категория векторных пространств над данным полем , алгебры Хопфа в являются в точности классическими алгебрами Хопфа, описанными выше .
  • Функциональные алгебры на группах . Стандартные функциональные алгебры , , , (непрерывный, гладкие, голоморфные, регулярные функции) на группах являются алгебрами Хопфа в категории ( Ste , ) из стереотипных пространств ,
  • Групповые алгебры . В алгебрах стереотипа группы , , , (меры, распределение, аналитические функционалы и токов) на группах являются алгебрами Хопфа в категории ( Ste , ) из стереотипных пространств . Эти алгебры Хопфа используются в теориях двойственности для некоммутативных групп .

Смотрите также

Примечания и ссылки

Примечания

использованная литература