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在数学中,霍普夫代数(Hopf algebra,以海因茨·霍普夫 Heinz Hopf 命名)是一种结构,它既是一个(含幺结合的)代数,又是一个(含余元的余结合)余代数;这些结构的相容性使它成为一个双代数,此外它还配备了一个满足特定性质的反同态。霍普夫代数的表示论尤其优美,因为兼容的余乘法、余元以及反元的存在,使得能够构造表示的张量积、平凡表示以及对偶表示。
霍普夫代数自然地出现在代数拓扑中(其起源之处,并与 H-空间概念相关)、群概形理论、群论(通过群环的概念),以及许多其他地方,因此可能是最常见的一类双代数。霍普夫代数也作为独立的研究对象受到关注,一方面有许多关于具体类实例的研究,另一方面也存在分类问题。它们拥有广泛的应用,从凝聚态物理与量子场论,到弦论以及大型强子对撞机(LHC)现象学。
形式上,霍普夫代数是域 $K$ 上的一个(结合且余结合的)双代数 $H$,并配备一个 $K$-线性映射 $S: H \to H$(称为反元,antipode),使得下列图表交换:
这里,$\Delta$ 是双代数的余乘法,$\nabla$ 是其乘法,$\eta$ 是其单位元映射,$\varepsilon$ 是其余元映射。在无求和的 Sweedler 记号下,这一性质也可以表述为: $$ S(c_{(1)})c_{(2)} \;=\; c_{(1)}S(c_{(2)}) \;=\; \varepsilon(c)\,1 \qquad \text{对于所有 } c \in H.~ $$ 与代数的情况类似,在上述定义中,可以将底层的域 $K$ 替换为交换环 $R$。\(^\text{[4]}\)
霍普夫代数的定义是自对偶的(这在上面图表的对称性中有所体现),因此如果可以定义 $H$ 的对偶(当 $H$ 是有限维时总是可能的),那么该对偶也自动是一个霍普夫代数。\(^\text{[5]}\)
在固定了底层向量空间的一组基 $\{ e_k \}$ 之后,可以通过乘法的结构常数来定义代数: $$ e_i \nabla e_j = \sum_k \mu_{ij}^k e_k~ $$ 对于余乘法: $$ \Delta e_i = \sum_{j,k} \nu_i^{\,jk} \, e_j \otimes e_k~ $$ 以及反元: $$ S e_i = \sum_j \tau_i^{\,j} e_j~ $$ 结合律要求: $$ \mu_{ij}^k \, \mu_{kn}^m \;=\; \mu_{jn}^k \, \mu_{ik}^m~ $$ 而余结合律要求: $$ \nu_k^{\,ij} \, \nu_i^{\,mn} \;=\; \nu_k^{\,mi} \, \nu_i^{\,nj}~ $$ 连接公理要求: $$ \nu_k^{\,ij} \, \tau_j^{\,m} \, \mu_{im}^n \;=\; \nu_k^{\,jm} \, \tau_j^{\,i} \, \mu_{im}^n~ $$
反元 $S$ 有时被要求具有一个 $K$-线性逆映射,这在有限维情形下会自动成立【需要澄清】,或者当 $H$ 是交换的、余交换的(或更一般地是拟三角的 quasitriangular)时也成立。
一般而言,$S$ 是一个反同态 \(^\text{[6]}\),因此 $S^2$ 是同态;若 $S$ 可逆(通常要求如此),那么 $S^2$ 就是一个自同构。
若 $S^2 = \mathrm{id}_H$,则称该霍普夫代数为对合的,其底层带对合的代数是一个 $*$-代数。若 $H$ 是有限维、在零特征域上半单、交换或余交换的,那么它是对合的。
如果一个双代数 $B$ 承认一个反元 $S$,那么这个 $S$ 是唯一的(“一个双代数至多承认一个霍普夫代数结构”)\(^\text{[7]}\)。因此,反元并不是可以随意选择的额外结构:作为霍普夫代数,是双代数的一个性质。
反元可以类比为群上的逆映射,即把元素 $g$ 映射为 $g^{-1}$\(^\text{[8]}\)。
若 $H$ 是一个霍普夫代数,$A$ 是其子代数,则当 $A$ 同时也是 $H$ 的子余代数,并且反元 $S$ 将 $A$ 映射到 $A$ 中时,称 $A$ 为一个霍普夫子代数。换言之,当把 $H$ 的乘法、余乘法、余元和反元限制到 $A$ 上时,$A$ 本身就是一个霍普夫代数(此外还要求 $H$ 的单位元 $1$ 属于 $A$)。Warren Nichols 与 Bettina Zoeller 于 1989 年证明的 **Nichols–Zoeller 自由性定理表明:如果 $H$ 是有限维的,则自然的 $A$-模 $H$ 是有限秩的自由模;这推广了子群的拉格朗日定理 \(^\text{[9]}\)。由此及积分理论推出,半单有限维霍普夫代数的霍普夫子代数自动是半单的。
在霍普夫代数 $H$ 中,若一个霍普夫子代数 $A$ 满足右稳定性条件,即 $\operatorname{ad}_r(h)(A) \subseteq A \quad \text{对所有 } h \in H$,则称 $A$ 在 $H$ 中是右正规的。其中右伴随映射 $\operatorname{ad}_r$ 定义为 $\operatorname{ad}_r(h)(a) = S(h_{(1)})\, a \, h_{(2)}, \quad a \in A, \; h \in H$.类似地,若 $A$ 在左伴随映射 $\operatorname{ad}_l(h)(a) = h_{(1)}\, a \, S(h_{(2)})$ 下稳定,则称 $A$ 在 $H$ 中是左正规的。当反元 $S$ 是双射时,左右正规条件等价,此时称 $A$ 为一个正规霍普夫子代数。
在 $H$ 中的正规霍普夫子代数 $A$ 满足以下条件(作为 $H$ 的子集相等):$H A^{+} = A^{+} H$,其中 $A^{+}$ 表示 $A$ 上余元的核。此正规性条件意味着 $H A^{+}$ 是 $H$ 的一个霍普夫理想(即:它既是余元核中的代数理想,也是余代数的余理想,并且在反元下稳定)。因此,可以得到一个商霍普夫代数 $H / H A^{+}$,以及一个满射 $H \to H / A^{+} H$,其理论与群论中正规子群和商群的理论类似 \(^\text{[10]}\)。
设 $R$ 是一个整环,$K$ 是其分式域。若 $H$ 是 $K$ 上的一个霍普夫代数,则 $R$ 上的一个霍普夫整环 $O$ 是 $H$ 的一个整环,且在代数与余代数运算下封闭:特别地,余乘法 $\Delta : O \to O \otimes O$ 成立 \(^\text{[11]}\)。
一个类群元素是满足 $\Delta(x) = x \otimes x$ 的非零元素 $x$。类群元素在反元给出的逆元运算下构成一个群 \(^\text{[12]}\)。
一个原始元素 $x$ 则满足:$\Delta(x) = x \otimes 1 + 1 \otimes x$\(^\text{[13][14]}\)。
| 取决于 | 余乘法 | 余元 | 反元 | 交换性 | 余交换性 | 备注 | |
| 群代数 $KG$ | 群 $G$ | $\Delta(g) = g \otimes g \quad \forall g \in G$ | $\varepsilon(g) = 1 \quad \forall g \in G$ | $S(g) = g^{-1} \quad \forall g \in G$ | 当且仅当 $G$ 是阿贝尔群时成立 | 是 | |
| 从有限群到 $K$ 的函数 $f$,$K^G$(带点加与点乘运算) | 有限群 $G$ | $\Delta(f)(x,y) = f(xy)$ | $\varepsilon(f) = f(1_G)$ | $S(f)(x) = f(x^{-1})$ | 是 | 当且仅当 $G$ 是阿贝尔群时成立 | |
| 紧群上的表象函数 | 紧群 $G$ | $\Delta(f)(x,y) = f(xy)$ | $\varepsilon(f) = f(1_G)$ | $S(f)(x) = f(x^{-1})$ | 是 | 当且仅当 $G$ 是阿贝尔群时成立 | 反之,每一个在 $\mathbb{C}$ 上具有有限 Haar 积分的交换的、对合的、约化的霍普夫代数都以这种方式出现,这给出了 Tannaka–Krein 对偶性的一种表述 \(^\text{[15]}\)。 |
| 代数群上的正则函数 | $\Delta(f)(x,y) = f(xy)$ | $\varepsilon(f) = f(1_G)$ | $S(f)(x) = f(x^{-1})$ | 是 | 当且仅当 $G$ 是阿贝尔群时成立 | 反之,域上的每一个交换霍普夫代数都以这种方式来自一个群概形,从而给出了范畴之间的一种反等价 \(^\text{[16]}\)。 | |
| 张量代数 $T(V)$ | 向量空间 $V$ | $\Delta(x) = x \otimes 1 + 1 \otimes x, \; x \in V,\; \Delta(1) = 1 \otimes 1$ | $\varepsilon(x) = 0$ | $S(x) = -x \quad \forall x \in T^1(V)$(并推广到更高阶张量幂) | 当且仅当 $\dim(V) = 0,1$ 时成立 | 是 | 对称代数与外代数(它们是张量代数的商)在此余乘法、余元和反元定义下也都是霍普夫代数 |
| 普遍包络代数 $U(\mathfrak{g})$ | 李代数 $\mathfrak{g}$ | $\Delta(x) = x \otimes 1 + 1 \otimes x \quad \forall x \in \mathfrak{g}$(此规则与对易子相容,因此可以唯一地扩展到整个 $U$) | $\varepsilon(x) = 0 \quad \forall x \in \mathfrak{g}$(同样可扩展到 $U$) | $S(x) = -x$ | 当且仅当 $\mathfrak{g}$ 是阿贝尔李代数时成立 | 是 | |
| Sweedler 的霍普夫代数 $H = K[c, x] / (c^2 = 1, \; x^2 = 0, \; xc = -cx)$。 | $K$ 是一个特征不等于 2 的域。 | $\Delta(c) = c \otimes c,\;\; \Delta(x) = c \otimes x + x \otimes 1,\;\; \Delta(1) = 1 \otimes 1$ | $\varepsilon(c) = 1,\;\; \varepsilon(x) = 0$ | $S(c) = c^{-1} = c,\;\; S(x) = -cx$ | 否 | 否 | 其底层向量空间由 $\{1, c, x, cx\}$ 张成,因此维数为 4。这是最小的同时非交换且非余交换的霍普夫代数例子。 |
| 对称函数环 \(^\text{[17]}\) | 以完全齐次对称函数 $h_k \; (k \geq 1)$ 表示 $\Delta(h_k) = 1 \otimes h_k + h_1 \otimes h_{k-1} + \cdots + h_{k-1} \otimes h_1 + h_k \otimes 1$ | $\varepsilon(h_k) = 0$ | $S(h_k) = (-1)^k e_k$ | 是 | 是 |
注意:有限群上的函数可以与群环对应起来,尽管它们更自然地被视为对偶结构——群环由有限个元素的和组成,因此可以通过将函数作用在这些求和元素上,与群上的函数配对。
李群 $G$ 的上同调代数(在域 $K$ 上)是一个霍普夫代数:乘法由杯积给出;余乘法则由群乘法 $G \times G \to G$ 所诱导: $$ H^{*}(G,K) \;\longrightarrow\; H^{*}(G \times G,K) \;\cong\; H^{*}(G,K) \otimes H^{*}(G,K) .~ $$ 这一观察实际上正是霍普夫代数概念的来源。利用这种结构,霍普夫证明了关于李群上同调代数的一个结构定理。
定理(Hopf)\(^\text{[18]}\) 设 $A$ 是一个有限维、分次交换、分次余交换的霍普夫代数,定义在特征为 0 的域上。那么,作为代数,$A$ 是一个自由外代数,其生成元均为奇次数。
设 $A$ 是一个霍普夫代数,$M, N$ 是 $A$-模。则 $M \otimes N$ 也是一个 $A$-模,定义为: $$ a (m \otimes n) := \Delta(a)(m \otimes n) = (a_{1} \otimes a_{2})(m \otimes n) = (a_{1}m \otimes a_{2}n),~ $$ 其中 $m \in M, \; n \in N,\; \Delta(a) = (a_1, a_2)$。此外,可以将平凡表示定义为基域 $K$,其作用为: $$ a(m) := \epsilon(a) m, \quad m \in K.~ $$ 最后,还可以定义 $A$ 的对偶表示:若 $M$ 是一个 $A$-模,且 $M^{*}$ 是其对偶空间,则有: $$ (af)(m) := f(S(a)m), ~ $$ 其中 $f \in M^{*}, \; m \in M$。
$\Delta, \epsilon, S$ 三者之间的关系保证了某些自然的向量空间同态实际上是 $A$-模同态。例如:向量空间的自然同构 $M \to M \otimes K$ 与 $M \to K \otimes M$ 同时也是 $A$-模同构;向量空间同态 $M^{*} \otimes M \to K,\; f \otimes m \mapsto f(m)$ 也是 $A$-模同态;但映射 $M \otimes M^{*} \to K$ 并不一定是 $A$-模同态。
分次霍普夫代数常用于代数拓扑:它们是 $H$-空间所有同调或上同调群的直和上自然出现的代数结构。
局部紧量子群是霍普夫代数的推广,并携带拓扑结构。李群上所有连续函数所成的代数就是一个局部紧量子群。
拟霍普夫代数是霍普夫代数的推广,其中余结合律只在 “扭曲” 意义下成立。它们被用于研究 Knizhnik–Zamolodchikov 方程 \(^\text{[21]}\)。
乘子霍普夫代数由 Alfons Van Daele 于 1994 年提出 \(^\text{[22]}\),是霍普夫代数的推广:其余乘法是从一个代数(可含幺元,也可无幺元)映射到该代数与自身张量积的乘子代数。
霍普夫群-(余)代数由 V. G. Turaev 于 2000 年提出,也是霍普夫代数的一种推广。
弱霍普夫代数,又称为量子群胚,是霍普夫代数的推广。与霍普夫代数一样,弱霍普夫代数构成一个自对偶的代数类;即:若 $H$ 是一个(弱)霍普夫代数,则其对偶空间 $H^*$(即 $H$ 上的线性形式空间)也是一个(弱)霍普夫代数,其中的代数–余代数结构由 $H$ 与其余代数–代数结构的自然配对给出。
这些公理部分上是为了保证 $H$-模范畴是一个刚性单 oidal 范畴。其中的单位 $H$-模就是上文提到的可分代数 $H_L$。
例如,有限群胚代数就是一个弱霍普夫代数。特别地,集合 $[n]$ 上的群胚代数,若在其中每对元素 $i, j \in [n]$ 之间都有一对可逆箭头 $e_{ij}$ 与 $e_{ji}$,则它同构于 $n \times n$ 矩阵代数 $H$。在这个特殊的 $H$ 上,其弱霍普夫代数结构由下式给出:余积:$\Delta(e_{ij}) = e_{ij} \otimes e_{ij}$,余元:$\epsilon(e_{ij}) = 1$,反元:$S(e_{ij}) = e_{ji}$。 在此情形下,可分子代数 $H_L$ 与 $H_R$ 重合,并且它们是非中心的交换代数(即对角矩阵的子代数)。
关于弱霍普夫代数的早期理论性贡献,可以参见 \(^\text{[23]}\) 和 \(^\text{[24]}\)。
群可以通过与霍普夫代数相同的图表(或等价地,相同的运算)来公理化,只是此时 $G$ 被视为一个集合而非模。在这种情况下:
从这个角度来看,可以把群看作是定义在 “一元域” 上的一个霍普夫代数 \(^\text{[25]}\)。
霍普夫代数的定义可以自然推广到任意编织单 oidal 范畴 \(^\text{[26][27]}\)。在这样一个范畴 $(C, \otimes, I, \alpha, \lambda, \rho, \gamma)$ 中,一个霍普夫代数是一个六元组 $(H, \nabla, \eta, \Delta, \varepsilon, S)$,其中 $H$ 是 $C$ 中的一个对象,并且:
$\nabla : H \otimes H \to H$ —— 乘法;
$\eta : I \to H$ —— 单位;
$\Delta : H \to H \otimes H$ —— 余乘法;
$\varepsilon : H \to I$ —— 余元;
$S : H \to H$ —— 反元;
这些都是范畴 $C$ 中的态射,并满足相应的条件。
1)三元组 $(H, \nabla, \eta)$ 是单 oidal 范畴 $(C, \otimes, I,\alpha, \lambda, \rho, \gamma)$ 中的一个幺半群,即下列图表交换 \(^\text{[b]}\):
2)三元组 $(H, \Delta, \varepsilon)$ 是单 oidal 范畴 $(C, \otimes, I, \alpha, \lambda, \rho, \gamma)$ 中的一个余幺半群,即下列图表交换 \(^\text{[b]}\):
3)在 $H$ 上的幺半群与余幺半群结构是相容的:乘法 $\nabla$ 与单位 $\eta$ 是余幺半群的态射,并且(在这种情形下是等价的)余乘法 $\Delta$ 与余元 $\varepsilon$ 同时也是幺半群的态射;这意味着下列图表必须交换:
其中,$\lambda_{I}: I \otimes I \to I$ 是范畴 $C$ 中的左单位态射,而 $\theta$ 是函子之间的一个自然变换:$(A \otimes B) \otimes (C \otimes D) \;\;\xrightarrow{\;\theta\;}\;\; (A \otimes C) \otimes (B \otimes D)$,它在所有由范畴 $C$ 的结构变换(结合律、左右单位、对换及其逆变换)所构成的自然变换类中是唯一的。
满足 1)、2)、3)性质的五元组 $(H, \nabla, \eta, \Delta,\varepsilon)$ 称为范畴 $(C, \otimes, I, \alpha, \lambda, \rho, \gamma)$ 中的一个双代数。
4)反元的图表是交换的:
典型例子如下:
a.群 $G$ 的有限性意味着 $KG \otimes KG$ 自然同构于 $K[G \times G]$。这被用于上文中的余乘法公式。对于无限群 $G$,$KG \otimes KG$ 是 $K[G \times G]$ 的真子集。在这种情况下,可以赋予有限支撑函数空间一个霍普夫代数结构。
b.这里 $\alpha_{H,H,H} : (H \otimes H) \otimes H \;\to\; H \otimes (H \otimes H)$,$\lambda_H : I \otimes H \;\to\; H$,$
\rho_H : H \otimes I \;\to\; H$ 分别是单 oidal 范畴 $(C, \otimes, I, \alpha, \lambda, \rho, \gamma)$ 中的结合律、左单位和右单位的自然变换。