Матрица Манина
В математике матрицы Манина , названные в честь Юрия Манина, представившего их примерно в 1987–88 годах, [1] [2] [3] — это класс матриц с элементами в необязательно коммутативном кольце , которые в определенном смысле ведут себя как матрицы, элементы которых коммутируют. В частности, для них существует естественное определение определителя , большинство линейной алгебры, теорем таких как правило Крамера , теорема Кэли-Гамильтона и для них справедливо и т. Д. Любая матрица с коммутирующими элементами является матрицей Манина. Эти матрицы имеют приложения в теории представлений , в частности, в тождестве Капелли , янгианских и квантовых интегрируемых системах .
Матрицы Манина являются частными примерами общей конструкции Манина «некоммутативных симметрий», которую можно применить к любой алгебре.С этой точки зрения они являются «некоммутативными эндоморфизмами» алгебры полиномов C [ x 1 , ... x n ].Взяв (q)-(супер)-коммутирующие переменные, получим (q)-(супер)-аналоги матриц Манина, тесно связанных с квантовыми группами. Работы Манина находились под влиянием квантовой теории групп .Он обнаружил, что квантованная алгебра функций Fun q (GL) может быть определена требованием, чтобы T и T т одновременно являются q-матрицами Манина.В этом смысле следует подчеркнуть, что (q)-матрицы Манина определяются только половиной отношений родственной квантовой группы Fun q (GL) и этих отношений достаточно для многих теорем линейной алгебры.
Определение
[ редактировать ]Контекст
[ редактировать ]Матрицы с общими некоммутативными элементами не допускают естественной конструкции определителя со значениями в основном кольце, и основные теоремы линейной алгебры не выполняются. Существует несколько модификаций теории детерминантов: Определитель Дьедонне , который принимает значения в абелианизации K * /[ К * , К * ] мультипликативной группы K * заземляющего кольца К ; и теория квазидетерминантов . Но аналогия между этими определителями и коммутативными определителями не полная. С другой стороны, если рассмотреть некоторые конкретные классы матриц с некоммутативными элементами, то найдутся примеры, где можно определить определитель и доказать теоремы линейной алгебры, очень похожие на их коммутативные аналоги. Примеры включают: квантовые группы и q-детерминант; матрица Капелли и определитель Капелли ; суперматрицы и Березиниан .
Матрицы Манина — это общий и естественный класс матриц с необязательно коммутативными элементами, которые допускают естественное определение определителя и обобщения теорем линейной алгебры.
Формальное определение
[ редактировать ]размера n на m Матрица M с элементами M ij над кольцом R (не обязательно коммутативная) является матрицей Манина, если все элементы в данном столбце коммутируют и если для всех i , j , k , l выполняется условие [ M ij , M kl ] знак равно [ M kj , M il ]. Здесь [ a , b ] обозначает ab − ba ) коммутатор a b и ( . [3]
Определение лучше видно из следующих формул.Прямоугольная матрица M называется матрицей Манина, если для любой подматрицы размера 2×2, состоящей из строк i и k и столбцов j и l :
имеют место следующие коммутационные соотношения
Повсеместное распространение матриц Манина 2 × 2
[ редактировать ]Ниже представлены примеры проявления свойства Манина в различных очень простых и естественных вопросах, касающихся матриц 2×2. Общая идея заключается в следующем: рассмотрим хорошо известные факты линейной алгебры и посмотрим, как ослабить предположение о коммутативности матричных элементов так, чтобы результаты сохранялись истинными. Ответ: тогда и только тогда, когда M — матрица Манина. [3] Доказательством всех наблюдений является прямая проверка в одну строку.
Рассмотрим матрицу 2×2.
Наблюдение 1. Кодействие на плоскости.
Рассмотрим кольцо полиномов C [ x 1 , x 2 ] и предположим, что матричные элементы a , b , c , d коммутируют с x 1 , x 2 .Определите y 1 , y 2 по
Тогда y 1 , y 2 коммутируют между собой тогда и только тогда, когда M — матрица Манина.
Доказательство:
Требуя, чтобы это значение было равно нулю, мы получаем отношения Манина.
Наблюдение 2. Кодействие на суперплоскости.
Рассмотрим алгебру Грассмана C [ ψ 1 , ψ 2 ] и предположим, что матричные элементы a , b , c , d коммутируют с ψ 1 , ψ 2 .Определим φ 1 , φ 2 как
Тогда φ 1 , φ 2 являются переменными Грассмана (т.е. антикоммутируют между собой и φ i 2 =0) тогда и только тогда, когда M — матрица Манина.
Наблюдения 1,2 справедливы для общих матриц Манина размера n × m .Они демонстрируют оригинальный подход Манина, описанный ниже (обычные матрицы следует рассматривать как гомоморфизмы колец полиномов, тогда как матрицы Манина являются более общими «некоммутативными гомоморфизмами»).Обратите внимание, что генераторы полиномиальной алгебры представлены в виде векторов-столбцов, а алгебры Грассмана — в виде векторов-строок, то же самое можно обобщить на произвольную пару двойственных алгебр Кошуля и связанных с ними общих матриц Манина.
Наблюдение 3. Правило Крамера . Обратная матрица задается стандартной формулой
тогда и только тогда, когда M — матрица Манина.
Доказательство:
Наблюдение 4. Теорема Кэли–Гамильтона . Равенство
выполняется тогда и только тогда, когда M — матрица Манина.
Наблюдение 5. Мультипликативность определителей.
тот столбец ( MN ) = оно столбец ( M )det( N ) выполняется для всех комплексных матриц N тогда и только тогда, когда M является матрицей Манина.
Где это столбец Матрица 2×2 определяется как ad − cb , т.е. элементы из первого столбца ( a , c ) стоят первыми в произведениях.
Концептуальное определение. Понятие «некоммутативных симметрий»
[ редактировать ]По словам Ю. Согласно идеологии Манина, любой алгебре можно сопоставить определенную биалгебру ее «некоммутативных симметрий (т.е. эндоморфизмов)». В более общем смысле паре алгебр A , B можно сопоставить ее алгебру «некоммутативных гомоморфизмов» A и B. между Эти идеи естественным образом связаны с идеями некоммутативной геометрии .Рассмотренные здесь матрицы Манина являются примерами этой общей конструкции, применяемой к полиномиальным алгебрам C [ x 1 , ... x n ].
Область геометрии касается пространств, а область алгебры, соответственно, алгебр, мостом между двумя областями является привязка к каждому пространству алгебры функций на нем, которая является коммутативной алгеброй.Многие понятия геометрии можно переписать на языке алгебр и наоборот.
Идею симметрии G пространства V можно рассматривать как действие G на V , т.е. существование отображения G× V -> V.Эту идею можно перевести на алгебраический язык как существование гомоморфизма Fun(G) Fun(V) <- Fun(V) (поскольку обычно отображения между функциями и пространствами идут в противоположных направлениях).Также могут быть составлены отображения пространства в себя (они образуют полугруппу), следовательно, двойственный объект Fun(G) является биалгеброй .
Наконец, можно взять эти два свойства за основу и дать чисто алгебраическое определение «симметрии», которое можно применить к произвольной алгебре (не обязательно коммутативной):
Определение. Алгебра некоммутативных симметрий (эндоморфизмов) некоторой алгебры A — это биалгебра End(A) такая, что существуют гомоморфизмы, называемые кодействием :
которое естественным образом совместимо с коумножением.Наконец, End(A) должна удовлетворять только отношениям, вытекающим из вышеизложенного, и никаким другим отношениям, т. е. это универсальная кодействующая биалгебра для A .
Кодействие следует мыслить как двойственное действию G× V -> V , поэтому оно и называется кодействием . Совместимость отображения коумножения с отображением кодействия двойственна g (hv) = (gh) v . Эту совместимость можно легко написать.
факт, что эта конструкция, примененная к алгебре многочленов C [ x1 Несколько удивительным является тот ,..., xn ] , даст не обычную алгебру матриц Mat n (точнее, алгебру функций на ней), а гораздо большую некоммутативную алгебра матриц Манина (точнее, алгебра, порожденная элементами M ij .Точнее, справедливы следующие простые предложения.
Предложение . Рассмотрим алгебру полиномов Pol = C [ x 1 ,..., x n ] и матрицу M с элементами из некоторой алгебры EndPol .Элементы коммутируют между собой тогда и только тогда, когда M — матрица Манина.
Следствие. Карта является гомоморфизмом из Pol в EndPol Пол . Это определяет сотрудничество.
Действительно, чтобы убедиться в том, что отображение является гомоморфизмом, нам нужно лишь проверить, что y i коммутируют между собой.
Предложение . Определим карту коумножения по формуле .Тогда оно коассоциативно и согласовано с кодействием на алгебре полиномов, определенной в предыдущем предложении.
Из двух приведенных выше предложений следует, что алгебра, порожденная элементами матрицы Манина, является биалгеброй, взаимодействующей с алгеброй полиномов. Если не накладывать других соотношений, получается алгебра некоммутативных эндоморфизмов алгебры полиномов.
Характеристики
[ редактировать ]Элементарные примеры и свойства
[ редактировать ]- Любая матрица с коммутирующими элементами является матрицей Манина.
- Любая матрица, элементы которой из разных строк коммутируют между собой (такие матрицы иногда называют матрицами Картье — Фоата ), является матрицей Манена.
- Любая подматрица матрицы Манина является матрицей Манина.
- В матрице Манина можно менять местами строки и столбцы, результат также будет матрицей Манина. Можно добавить строку или столбец, умноженный на центральный элемент, в другую строку или столбец, и результат снова будет матрицей Манина. Т.е. можно производить элементарные преобразования с ограничением на то, что множитель является центральным.
- Рассмотрим две матрицы Манина M , N такие, что все их элементы коммутируют, тогда сумма M+N и произведение MN также будут матрицами Манина.
- Если матрица M и одновременно транспонировать матрицу M т являются матрицами Манина, то все элементы M коммутируют друг с другом.
- Недопустимые факты: M к вообще не является матрицей Манина (за исключением k = -1, обсуждаемого ниже); ни det( M ), ни Tr( M ) не являются центральными в алгебре, порожденной M ij вообще (этим матрицы Манина отличаются от квантовых групп); дет( е М ) ≠ и Тр( М ) ; log(it( M )) ≠ Tr(log( M )).
- Рассмотрим алгебру полиномов C [ x ij ] и обозначим через операторы дифференцирования по
x ij , формируем матрицы X, D с соответствующими элементами.Также рассмотрим переменную z и соответствующий дифференциальный оператор . Ниже приведен пример матрицы Манина, котораяважно для идентичности Капелли :
можно Заменить X , D любыми матрицами, элементы которыхудовлетворяют соотношению: X ij D kl - D kl X ij = δ ik δ kl , то же самое касается z и его производной.
Вычисление определителя этой матрицы двумя способами: прямым и через формулу дополнения Шура по существу дает тождество Капелли. и его обобщение (см. раздел 4.3.1, [4] на основе [5] ).
Определитель = определитель столбца
[ редактировать ]Определитель матрицы Манина можно определить по стандартной формуле с указанием, что в произведении первыми стоят элементы из первых столбцов.
Теоремы линейной алгебры
[ редактировать ]Многие утверждения линейной алгебры справедливы для матриц Манина, даже если R не коммутативен. В частности, определитель можно определить стандартным способом с помощью перестановок и он удовлетворяет правилу Крамера . [3] Теорема Мак-Магона справедлива для матриц Манина и, собственно, для их обобщений (супер), (q) и т. д. аналогов.
Предложение. Правило Крамера (см. [2] или раздел 4.1. [3] )Обратная матрица Манина M может быть определена по стандартной формуле: где М прил. - это сопряженная матрица, заданная стандартной формулой - ее (i,j)-й элемент является определителем столбца матрицы (n - 1) × (n - 1), полученной в результате удаления строки j и столбца i из M и умножения на (-1) я+дж .
Единственное отличие от коммутативного случая состоит в том, что следует обратить внимание, что все определители вычисляются как определители-столбцы, а также сопряженная матрица стоит справа, а коммутативная, обратная к определителю M , стоит слева, т.е. из-за некоммутативности порядок важен.
Предложение. Инверсия – это тоже Манин. (См. раздел 4.3. [3] )Предположим, что существует двусторонняя обратная матрица Манина M , тогда она также будет матрицей Манина.Более того, det(M −1 ) = (оно(М)) −1 .
Это предложение несколько нетривиально, из него следует результат Энрикеса-Рубцова и Бабелон-Талона в теории квантовых интегрируемых систем (см. раздел 4.2.1). [4] ).
Предложение. Теорема Кэли–Гамильтона (см. раздел 7.1. [3] )
Где σi — коэффициенты характеристического многочлена .
Предложение. Тождества Ньютона (см. раздел 7.2.1. [3] )
Где σi — коэффициенты характеристического многочлена ,и по соглашению σ i =0 для i>n , где n — размер M. матрицы
Предложение. Определитель через дополнение Шура (См. раздел 5.2. [3] )Предположим, что приведенная ниже блочная матрица представляет собой матрицу Манина и двусторонние обратные M −1 , А −1 , Д −1 существовать, то
Более того, Шур дополняет являются матрицами Манина.
Предложение. Основная теорема Мак-Магона
Примеры и приложения
[ редактировать ]Матрица Капелли как матрица Манина и центр U(gl n )
[ редактировать ]Тождество Капелли XIX века дает один из первых примеров определителей для матриц с некоммутирующими элементами. Матрицы Манина открывают новый взгляд на эту классическую тему. Этот пример связан с алгеброй Ли gl n и служит прототипом для более сложных приложений петлевой алгебры Ли для gl n , янгианских и интегрируемых систем.
Возьмем E ij — матрицы с 1 в позиции ( i,j ) и нулями во всех остальных местах.Сформируйте матрицу E с элементами E ij в позиции ( i,j ). Это матрица с элементами в кольце матриц Mat n . Это не матрица Манина, однако существуют модификации, которые преобразуют ее в матрицу Манина, как описано ниже.
Введем формальную переменную z коммутирующую с Eij , , соответственно d/dz — оператор дифференцирования по z . Единственное, что будет использоваться, это то, что коммутатор этих операторов равен 1.
Наблюдение. Матрица является матрицей Манина.
Здесь Id — единичная матрица.
Пример 2 × 2:
Полезно проверить требование коммутативности столбцов: .
Наблюдение. Матрица является матрицей Манина.
Единственное, что требуется от для Eij это то, что они удовлетворяют коммутационным соотношениям [ Eij наблюдений , , Ekl этих ]= δ jk E il - δ li E kj . Таким образом, наблюдения верны, если E ij являются генераторами универсальной обертывающей алгебры Ли gl n или ее образов в любом представлении.Например, можно взять
Здесь ψ — переменные Грассмана .
Наблюдение.
В правой части этого равенства находится определитель Капелли (или, точнее, характеристический полином Капелли), а в левой части — матрица Манина с ее естественным определителем.Таким образом, матрицы Манина дают новый взгляд на определитель Капелли. Более того, тождество Капелли и его обобщение могут быть получены с помощью методов матриц Манина.Также это дает простой способ доказать, что это выражение принадлежит центру универсальной обертывающей алгебры U(gl n ), что далеко не тривиально. Действительно, достаточно проверить инвариантность относительно действия группы GL n методом сопряжения. . Таким образом, единственное свойство, используемое здесь, это то, что что верно для любой матрицы Манина M и любой матрицы g с центральными (например, скалярными) элементами.
Петлевая алгебра для gl n , соответствие Ленглендса и матрица Манина
[ редактировать ]Матрицы типа Янга как матрицы Манина
[ редактировать ]Наблюдение. Пусть T(z) — порождающая матрица янгиана для gl n .Тогда матрица exp(-d/dz) T(z) является матрицей Манина.
Квантовый определитель Янгиана можно определить как exp (nd/dz) det столбец (exp(-d/dz) T(z)) . Обратите внимание, что exp(-d/dz) можно отменить, поэтому выражение от него не зависит. Таким образом, определитель в теории Янга имеет естественную интерпретацию через матрицы Манина.
Для квантовых интегрируемых систем важно построить коммутативные подалгебры в янгиане.Хорошо известно, что в классических предельных выражениях Tr(T к (z)) порождают пуассоновскую коммутативную подалгебру. Правильное квантованиеиз этих выражений было впервые предложено с использованием тождеств Ньютона для матриц Манина:
Предложение. Коэффициенты Tr(T(z+k-1)T(z+k-2)...T(z)) для всех k коммутируют между собой. Они порождают коммутативную подалгебру в Янгиане. Та же подалгебра, что и коэффициенты характеристического многочлена det столбец (1-exp(-d/dz) T(z)) .
(Подалгебру иногда называют подалгеброй Бете, поскольку анзац Бете — это метод поиска ее совместных собственных пар.)
Дополнительные вопросы
[ редактировать ]История
[ редактировать ]Манин предложил общую конструкцию «некоммутативных симметрий» в: [1] частный случай, называемый матрицами Манина, обсуждается в [2] где были изложены некоторые основные свойства. Основной мотивацией этих работ было дать новый взгляд на квантовые группы. Квантовые матрицы Fun q ( GL n ) можно определить как такие матрицы, что T и одновременно T т являются q-матрицами Манина (т.е. являются некоммутативными симметриями q-коммутирующих полиномов x i x j = qx j x i .После оригинальных работ Манина до 2003 года было всего несколько статей по матрицам Манина.Но около и некоторые после этой даты матрицы Манина появились в нескольких не совсем связанных между собой областях: [6] получил некоторое некоммутативное обобщение главного тождества Мак-Магона, которое использовалось в теории узлов; были найдены приложения к квантовым интегрируемым системам, в которых были найдены алгебры Ли; [4] появились обобщения тождества Капелли с использованием матриц Манина. [7] Направления, предложенные в этих работах, получили дальнейшее развитие.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Манин, Юрий (1987), «Некоторые замечания об алгебрах Кошуля и квантовых группах» , Annales de l'Institut Fourier , 37 (4): 191–205, doi : 10.5802/aif.1117 , Zbl 0625.58040
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Манин, Ю. (1988). «Квантовые группы и некоммутативная геометрия» . Университет Монреаля, Центр математических исследований : 91 страница. ISBN 978-2-921120-00-5 . Збл 0724.17006 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я А. Червов; Г. Фальки; В. Рубцов (2009). «Алгебраические свойства матриц Манина I». Достижения прикладной математики . 43 (3). Эльзевир: 239–315. arXiv : 0901.0235 . дои : 10.1016/j.aam.2009.02.003 . ISSN 0196-8858 . S2CID 14101198 . Збл 1230.05043 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с А. Червов; Г. Фальки (2008). «Матрицы Манина и формула Талалаева» . Журнал физики А. 41 (19): 239–315. arXiv : 0711.2236 . Бибкод : 2008JPhA...41s4006C . дои : 10.1088/1751-8113/41/19/194006 . S2CID 16193419 . Збл 1151.81022 .
- ^ Мухин Е.; Тарасов В.; Варченко, А. (2006), Обобщение тождества Капелли , arXiv : math/0610799 , Bibcode : 2006math.....10799M
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Гаруфалидис, Ставрос; Ле, ТТК; Зейлбергер, Дорон (2006), «Квантовая основная теорема Мак-Магона», Proc. Натл. акад. наук. США , 103 (38): 13928–13931, arXiv : math/0303319 , Bibcode : 2006PNAS..10313928G , doi : 10.1073/pnas.0606003103 , PMC 1599890 , PMID 16966614
- ^ Караччиоло, Серджио; Спортиелло, Андреа; Сокал, Алан Д. (2009), «Некоммутативные определители, формулы Коши – Бине и тождества типа Капелли. I. Обобщения тождеств Капелли и Тернбулла» (Исследовательская статья) , Electron. Дж. Комб. , 16 (1, номер R103): 43, arXiv : 0809.3516 , Bibcode : 2008arXiv0809.3516C , doi : 10.37236/192 , ISSN 1077-8926 , S2CID 1765203 , Zbl 1192.15001
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- В. Рубцов; Д. Талалаев; А. Силантьев (2009). «Матрицы Манина, квантовые эллиптические коммутативные семейства и характеристический полином эллиптической модели Годена». СИГМА . 5 : 110. arXiv : 0908.4064 . Бибкод : 2009SIGMA...5..110R . дои : 10.3842/SIGMA.2009.110 . S2CID 15639061 . Збл 1190.37079 .
- Суэми Родригес-Ромо; Эрл Тафт (2002). «Некоторые квантовоподобные алгебры Хопфа, которые остаются некоммутативными при q = 1». Летт. Математика. Физ . 61 : 41–50. дои : 10.1023/A:1020221319846 . S2CID 115931689 .
- Суэми Родригес-Ромо; Эрл Тафт (2005). «Левая квантовая группа» . Дж. Алгебра . 286 : 154–160. дои : 10.1016/j.jalgebra.2005.01.002 .
- С. Ван (1998). «Квантовые группы симметрии конечных пространств». Комм. Математика. Физ . 195 (1): 195–211. arXiv : математика/9807091 . Бибкод : 1998CMaPh.195..195W . дои : 10.1007/s002200050385 . S2CID 14688083 .
- Теодор Баница; Жюльен Бишон; Бенуа Коллинз (2007). «Некоммутативный гармонический анализ с приложениями к вероятности». Квантовые группы перестановок: обзор . Банах Центр Издательство. Том. 78. Варшава. стр. 13–34. arXiv : math/0612724 . Бибкод : 2006math.....12724B .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - Матьяз Конвалинка (2007). «Обобщение фундаментального преобразования Фоаты и его приложения к правоквантовой алгебре». arXiv : math/0703203 .
- Конвалинка, Матяж (2007). «Детерминантное тождество некоммутативного Сильвестра» . Электрон. Дж. Комбин . 14 (1). #Р42. arXiv : math/0703213 . Бибкод : 2007math......3213K . дои : 10.37236/960 . ISSN 1077-8926 . S2CID 544799 .