Maninova matice - Manin matrix

V matematice Maninovy ​​matice, pojmenoval podle Jurij Manin kdo je představil kolem 1987–88,[1][2][3] jsou třídou matice s prvky nemusí komutativní prsten, které se v určitém smyslu chovají jako matice, jejichž prvky dojíždějí. Zejména existuje přirozená definice určující pro ně a většinu lineární algebra věty jako Cramerovo pravidlo, Cayley-Hamiltonova věta atd. platí pro ně. Jakákoli matice s prvky dojíždění je Maninova matice. Tyto matice mají aplikace v teorie reprezentace zejména Capelliho identita, Yangian a kvantově integrovatelné systémy.

Maninovy ​​matice jsou konkrétními příklady Maninovy ​​obecné konstrukce „nekomutativních symetrií“, které lze použít na jakoukoli algebru. Z tohoto hlediska jsou to „nekomutativní endomorfismy“ polynomiální algebry. C[X1, ...Xn]. Vezmeme-li (q) - (super) -pomocí proměnných, dostaneme (q) - (super) -analogy Maninových matic, které úzce souvisí s kvantovými skupinami. Maninské práce byly ovlivněny kvantová skupina Teorie. Zjistil, že kvantovaná algebra funkcí Zábavaq(GL) lze definovat požadavkem, že T a Tt jsou současně matice q-Manin. V tomto smyslu je třeba zdůraznit, že matice (q) -Manin jsou definovány pouze polovina vztahů související kvantové skupiny Zábavaq(GL)a tyto vztahy jsou dostatečné pro mnoho vět o lineární algebře.

Definice

Kontext

Matice s obecnými nekomutativními prvky nepřipouštějí přirozenou konstrukci determinantu s hodnotami v základním kruhu a základní věty lineární algebry neplatí. Existuje několik modifikací teorie determinantů: Dieudonné determinant který bere hodnoty v abelianizace K.*/[K.*, K.*] multiplikativní skupiny K.* zemnicího kruhu K.; a teorie kvazideterminanty. Analogie mezi těmito determinanty a komutativními determinanty však není úplná. Na druhou stranu, vezmeme-li v úvahu určité specifické třídy matic s nekomutativními prvky, existují příklady, kde lze definovat determinant a dokázat věty lineární algebry, které jsou velmi podobné jejich komutativním analogům. Mezi příklady patří: kvantové skupiny a q-determinant; Capelliho matice a Capelliho determinant; super-matice a Berezinian.

Maninovy ​​matice je obecná a přirozená třída matic s ne nutně komutativními prvky, které připouštějí přirozenou definici determinantu a zobecnění vět o lineární algebře.

Formální definice

An n podle m matice M se záznamy Mij přes prsten R (ne nutně komutativní) je Maninova matice, pokud dojíždí všechny prvky v daném sloupci a pokud pro všechny i,j,k,l platí, že [Mij,Mkl] = [Mkj,Mil]. Tady [A,b] označuje (ab − ba) komutátor z A a b.[3]

Definici lze lépe vidět z následujících vzorců: Obdélníková matice M se nazývá Maninova matice, pokud pro jakoukoli 2 × 2 submatici, skládající se z řádků i a ka sloupce j a l:

platí následující komutační vztahy

Všudypřítomnost 2 × 2 Maninových matic

Níže jsou uvedeny některé příklady vzhledu Maninovy ​​vlastnosti v různých velmi jednoduchých a přirozených otázkách týkajících se matic 2 × 2. Obecná myšlenka je následující: zvažte známá fakta o lineární algebře a podívejte se, jak uvolnit předpoklad komutativity pro maticové prvky tak, aby výsledky zůstaly pravdivé. Odpověď je: kdyby a jen kdyby M je Maninova matice.[3] Důkazem všech pozorování je přímá 1řádková kontrola.

Zvažte matici 2 × 2

Pozorování 1. Koakce v letadle.
Zvažte polynomiální kruh C[X1, X2], a předpokládejme, že prvky matice A, b, C, d dojíždět s X1, X2.Definovat y1, y2 podle

Pak y1, y2 dojíždět mezi sebou kdyby a jen kdyby M je Maninova matice.

Důkaz:

Když to požadujeme na nulu, dostaneme Maninovy ​​vztahy.

Pozorování 2. Koakce na superrovině.
Zvažte Grassmannovu algebru C[ψ1, ψ2], a předpokládejme, že prvky matice A, b, C, d dojíždět s ψ1, ψ2.Definovat φ1, φ2 podle

Pak φ1, φ2 jsou Grassmann proměnné (tj. anticommute mezi sebou a φi2=0) kdyby a jen kdyby M je Maninova matice.

Pozorování 1,2 platí obecně n × m Maninovy ​​matice. Ukazují originální Maninův přístup, jak je popsáno níže (jeden by měl být považován za obvyklé matice jako homomorfismy polynomiálních kruhů, zatímco Maninovy ​​matice jsou obecnější „nekomutativní homomorfismy“). Dávejte pozor, aby generátory polynomiální algebry byly prezentovány jako sloupcové vektory, zatímco Grassmannova algebra jako řádkové vektory, totéž lze zobecnit na libovolnou dvojici Koszulových duálních algeber a přidružených obecných Maninových matic.

Pozorování 3. Cramerovo pravidlo.Inverzní matice je dána standardním vzorcem

kdyby a jen kdyby M je Maninova matice.

Důkaz:

Pozorování 4. Cayley-Hamiltonova věta.Rovnost

drží kdyby a jen kdyby M je Maninova matice.

Pozorování 5. Multiplikativita determinantů.

detsloupec(MN) = detsloupec(M) det (N) platí pro všechny matice se složitou hodnotou N kdyby a jen kdyby M je Maninova matice.

Kde detsloupec matice 2 × 2 je definována jako inzerát − cb, tj. prvky z prvního sloupce (A,C) je na prvním místě v produktech.

Koncepční definice. Koncept „nekomutativních symetrií“

Podle Yu. Maninovu ideologii lze spojit s jakoukoli algebrou určitou bialgebru jejích „nekomutativních symetrií (tj. Endomorfismů)“. Obecněji k dvojici algeber A, B jeden může spojovat jeho algebru "nekomutativních homomorfismů" mezi A a BTyto myšlenky přirozeně souvisejí s myšlenkami nekomutativní geometrie Maninské matice zde uvažované jsou příklady této obecné konstrukce aplikované na polynomiální algebry C[X1, ...Xn].

Sféra geometrie se týká prostorů, zatímco oblast algebry, respektive algebry, můstkem mezi těmito dvěma oblastmi je ke každému prostoru spojena algebra funkcí na něm, což je komutativní algebra. Mnoho konceptů geometrie lze v jazyce respektovat algeber a naopak.

Myšlenka symetrie G prostoru PROTI lze považovat za akci G na PROTI, tj. existence mapy G × V -> VTuto myšlenku lze v algebraickém jazyce přeložit jako existenci homomorfismu Zábava (G) Zábava (V) <- Zábava (V) (Jak obvykle mapy mezi funkcemi a mezerami jdou v opačných směrech). Mapy z prostoru do sebe lze také skládat (tvoří poloskupinu), tedy dvojitý objekt Zábava (G) je bialgebra.

Nakonec je možné vzít tyto dvě vlastnosti jako základní a poskytnout čistě algebraickou definici „symetrie“, kterou lze použít na libovolnou algebru (nemusí být nutně komutativní):

Definice. Algebra nekomutativních symetrií (endomorfismů) některé algebry A je bialgebra Konec (A), takže existují homomorfismy zvané součinnost:

který je kompatibilní s komultiplikací přirozeným způsobem. Konečně Konec (A) je povinen uspokojit pouze vztahy, které pocházejí z výše uvedeného, ​​žádné jiné vztahy, tj. je to univerzální koaliční bialgebra pro A.

Spolupráce by měla být považována za dvojí akci G × V -> V, proto se tomu říká coakce. Kompatibilita kombinované mapy s koakční mapou je dvojí g (h v) = (gh) v. Tuto kompatibilitu lze snadno napsat.

Poněkud překvapivým faktem je, že tato konstrukce se vztahovala na polynomiální algebru C[X1, ..., Xn] neposkytne obvyklou algebru matic Rohožn (přesněji algebra funkce na něm), ale mnohem větší nekomutativní algebra Maninových matic (přesněji algebra generovaná prvky MijPřesněji platí následující jednoduché návrhy.

Tvrzení. Zvažte polynomiální algebru Pol = C.[X1, ..., Xn] a matice M s prvky v nějaké algebře EndPol.Elementy dojíždějí mezi sebou právě tehdy M je Maninova matice.

Důsledek. Mapa je homomorfismus z Pol na EndPol Pol. Definuje součinnost.

Abychom zajistili homomorfismus mapy, musíme zkontrolovat pouze to yi dojíždět mezi sebou.

Tvrzení. Definujte mapu multiplikace podle vzorce .Tak to je koassociativní a je kompatibilní s koakcí na polynomiální algebře definované v předchozím návrhu.

Dva výše uvedené výroky naznačují, že algebra generovaná prvky Maninovy ​​matice je bialgebra spolupracující na polynomiální algebře. Pokud neukládáte další vztahy, dostanete algebru nekomutativních endomorfismů polynomiální algebry.

Vlastnosti

Základní příklady a vlastnosti

  • Jakákoli matice s prvky dojíždění je Maninova matice.
  • Jakákoli matice, jejíž prvky z různých řádků dojíždějí mezi sebou (takové matice se někdy nazývají Cartier -Foata matice) je Maninova matice.
  • Jakákoli submatice Maninovy ​​matice je Maninova matice.
  • Jeden může vyměňovat řádky a sloupce v Maninově matici, výsledkem bude také Maninova matice. Lze přidat řádek nebo sloupec vynásobený centrálním prvkem do jiného řádku nebo sloupce a výsledky budou opět Manin matrix. Tj. lze provádět elementární transformace s omezením, že multiplikátor je ústřední.
  • Zvažte dvě Maninovy ​​matice M,N takové, že dojíždí všechny jejich prvky, pak součet M + N a produkt MN budou také Maninovy ​​matice.
  • Pokud matice M a současně transponovat matici Mt jsou Maninovy ​​matice, pak všechny prvky M dojíždět mezi sebou.
  • No-go fakta: Mk není Maninova matice obecně (kromě k= -1 níže); ani det (M), ani Tr (M) jsou centrální v algebře generované Mij obecně (v tomto ohledu se Maninovy ​​matice liší od kvantových skupin); det (EM) ≠ ETr (M); log (det (M)) ≠ Tr (log (M)).
  • Zvažte polynomiální algebru C[Xij] a označit operátory diferenciace s ohledem na

Xij, tvoří matice XD s odpovídajícími prvky. Zvažte také proměnnou z a odpovídající operátor diferenciálu . V následující části je uveden příklad Maninovy ​​matice, která je důležitá pro Identity Capelli:

Jeden může nahradit X, D libovolnými maticemi, jejichž prvky splňují vztah: Xij Dkl - Dkl Xij = δikδklstejně z a jeho derivát.

Výpočet determinantu této matice dvěma způsoby: přímý a prostřednictvím Schurova vzorce komplementu v podstatě dává Capelliho identita a jeho zobecnění (viz část 4.3.1,[4] na základě[5]).

Determinant = sloupcový determinant

Determinant Maninovy ​​matice lze definovat standardním vzorcem s předpisem, že prvky z prvních sloupců jsou v produktu na prvním místě.

Věty o lineární algebře

Mnoho lineární algebra příkazy platí pro Maninovy ​​matice, i když R není komutativní. Zejména určující lze definovat standardním způsobem pomocí obměny a splňuje a Cramerovo pravidlo.[3] Věta MacMahon Master platí pro Maninovy ​​matice a vlastně pro jejich zobecnění (super), (q) atd. analogy.

Tvrzení. Cramerovo pravidlo (Vidět[2] nebo oddíl 4.1.[3]) Inverzní k Maninově matici M lze definovat standardním vzorcem:kde Madj je adjugovaná matice dané standardním vzorcem - jeho (i, j) -tý prvek je sloupcový determinant matice (n - 1) × (n - 1), který je výsledkem smazání řádku j a sloupec i M a násobení (-1)i + j.

Jediným rozdílem komutativního případu je, že je třeba věnovat pozornost tomu, že všechny determinanty se počítají jako sloupcové determinanty a také adjugovat maticové stojany vpravo, zatímco komutativní inverzní k determinantu M stojí nalevo, tj. kvůli nekomutativitě je pořadí důležité.

Tvrzení. Inverzní je také Manin. (Viz část 4.3.[3]) Předpokládejme oboustrannou inverzi k Maninově matici M existuje, pak to bude také Maninova matice. det (M.−1) = (det (M))−1.

Tento návrh je poněkud netriviální, implikuje výsledek Enriqueze-Rubtsova a Babelona-Talona v teorii kvantově integrovatelných systémů (viz část 4.2.1[4]).

Tvrzení. Cayley-Hamiltonova věta (Viz část 7.1.[3])

Kde σi jsou koeficienty charakteristického polynomu.

Tvrzení. Newtonovy identity (Viz část 7.2.1.[3])

Kde σi jsou koeficienty charakteristického polynomua podle konvence σi= 0, pro i> n, kde n je velikost matice M.

Tvrzení. Určující prostřednictvím Schurův doplněk(Viz část 5.2.[3]) Předpokládejme, že bloková matice níže je Maninova matice a oboustranné inverze M−1, A−1, D−1 tedy existují

Schur navíc doplňuje jsou Maninovy ​​matice.

Tvrzení. Věta MacMahon Master

[6]

Příklady a aplikace

Capelliho matice jako Maninova matice a střed U (gln)

The Identita Capelli z 19. století uvádí jeden z prvních příkladů determinant pro matice s nedojíždějícími prvky. Maninovy ​​matice dávají nový pohled na tento klasický předmět. Tento příklad souvisí s Lieovou algebrou gln a slouží jako prototyp složitějších aplikací pro smyčkovou Lieovu algebru gln, Jangovské a integrovatelné systémy.

Vzít Eij být matice s 1 na pozici (já, j) a nuly všude jinde. Vytvořte matici E s prvky Eij v poloze (já, j). Je to matice s prvky v kruhu matic Rohožn. Není to Maninova matice, existují však modifikace, které ji transformují na Maninovu matici, jak je popsáno níže.

Představte formální proměnnou z které dojíždějí s Eij, resp d / dz je operátor diferenciace v z. Jediná věc, která bude použita, že komutátor těchto operátorů se rovná 1.

Pozorování. Matice je Maninova matice.

Tady Id je matice identity.

Příklad 2 × 2:

Je poučné zkontrolovat požadavek komutativity sloupce:.

Pozorování. Matice je Maninova matice.

Jediná skutečnost požadovaná od Eij pro tato pozorování je to, že uspokojují komutační vztahy [Eij, Ekl] = 8jkEil - δliEkj. Pozorování tedy platí, pokud Eij jsou generátory univerzální obalová algebra of Lie algebra gln, nebo jeho obrázky v libovolné reprezentaci. Například lze pořídit

Tady jsou Grassmann proměnné.

Pozorování.

Na pravé straně této rovnosti poznáme Capelliho determinant (nebo přesněji Capelliho charakteristický polynom), zatímco na levé straně je Maninova matice s jejím přirozeným determinantem. Maninské matice tedy dávají nový pohled na Capelliho determinant. Identitu Capelli a její zobecnění lze navíc odvodit technikami Maninových matic. Poskytuje také snadný způsob, jak dokázat, že tento výraz patří do středu univerzální obalová algebra U (gln), což zdaleka není triviální. Opravdu stačí zkontrolovat invariantnost s ohledem na akci skupiny GLn konjugací. . Jediná vlastnost použitá zde je tedy což platí pro jakoukoli Maninovu matici M a libovolnou matici G s centrálními (např. skalárními) prvky.

Smyčková algebra pro gln, Langlandsova korespondence a Maninova matice

Matice Yangianského typu jako Maninovy ​​matice

Pozorování.Nechat T (z) být generující maticí Yangian pro gln.Pak matice exp (-d / dz) T (z) je Maninova matice.

Kvantový determinant pro Yangian lze definovat jako exp (n d / dz)detsloupec(exp (-d / dz) T (z)). Věnujte tomu pozornost exp (-d / dz) lze zrušit, takže výraz na něm nezávisí. Takže determinant v jangovské teorii má přirozenou interpretaci prostřednictvím Maninových matic.

Kvůli kvantově integrovatelným systémům je důležité konstruovat komutativní subalgebry v Yangian. Je dobře známo, že v klasických mezních výrazech Tr (T.k(z)) generovat Poissonovu komutativní subalgebru. Správná kvantizace těchto výrazů byla poprvé navržena pomocí Newtonových identit pro Maninovy ​​matice:

Tvrzení. Koeficienty Tr (T (z + k-1) T (z + k-2) ... T (z)) pro všechny k dojíždět mezi sebou. Generují komutativní subalgebru v Yangian. Stejná subalgebra jako koeficienty charakteristické polynomické detsloupec(1-exp (-d / dz) T (z)) .

(Subalgebra se někdy nazývá Bethe subalgebra Bethe ansatz je metoda k vyhledání jejích společných vlastních párů.)

Další otázky

Dějiny

Manin navrhl obecnou konstrukci „nekomutativních symetrií“ v,[1]konkrétní případ, který se nazývá Maninovy ​​matice, je popsán v,[2] kde byly nastíněny některé základní vlastnosti. Hlavní motivací těchto prací bylo poskytnout další pohled na kvantové skupiny. Kvantové matice Zábavaq(GLn) lze definovat jako takové matice, které T a současně Tt jsou q-Maninovy ​​matice (tj. nejsou komutativní symetrie q-dojíždějících polynomů Xi Xj = q xj XiPo původních Maninových pracích bylo do roku 2003 na Maninových maticích jen několik článků, ale kolem a některé po tomto datu se Maninské matice objevily v několika nepříliš souvisejících oblastech:[6] získal jistou nekomutativní generalizaci hlavní identity MacMahona, která byla použita v teorii uzlů; aplikace pro kvantově integrovatelné systémy, Lie algebry byly nalezeny v;[4] v roce se objevily zevšeobecnění identity Capelli zahrnující Maninovy ​​matice.[7]Pokyny navržené v těchto dokumentech byly dále rozpracovány.

Reference

  1. ^ A b Manin, Yuri (1987), „Několik poznámek ke Koszulovým algebrám a kvantovým skupinám“, Annales de l'Institut Fourier, 37 (4): 191–205, doi:10,5802 / aif.1117, Zbl  0625.58040
  2. ^ A b C Manin, Y. (1988). „Kvantové skupiny a nekomutativní geometrie“. Université de Montréal, Centre de Recherches Mathématiques: 91 stránky. ISBN  978-2-921120-00-5. Zbl  0724.17006.
  3. ^ A b C d E F G h i A. Chervov; G. Falqui; V. Rubtsov (2009). Msgstr "Algebraické vlastnosti Maninových matic I". Pokroky v aplikované matematice. Elsevier. 43 (3): 239–315. arXiv:0901.0235. doi:10.1016 / j.aam.2009.02.003. ISSN  0196-8858. Zbl  1230.05043.
  4. ^ A b C A. Chervov; G. Falqui (2008). „Maninovy ​​matice a Talalaevův vzorec“. Journal of Physics A. 41 (19): 239–315. arXiv:0711.2236. Bibcode:2008JPhA ... 41s4006C. doi:10.1088/1751-8113/41/19/194006. Zbl  1151.81022.
  5. ^ Mukhin, E .; Tarasov, V .; Varchenko, A. (2006), Zobecnění identity Capelli, arXiv:matematika / 0610799, Bibcode:Matematika 2006 ..... 10799 mil
  6. ^ A b Garoufalidis, Stavros; Le, T. T. Q .; Zeilberger, Doron (2006), „The Master of The Quantum MacMahon Theorem“, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103 (38): 13928–13931, arXiv:matematika / 0303319, Bibcode:2006PNAS..10313928G, doi:10.1073 / pnas.0606003103, PMC  1599890, PMID  16966614
  7. ^ Caracciolo, Sergio; Sportiello, Andrea; Sokal, Alan D. (2009), „Nekomutativní determinanty, Cauchy – Binetovy vzorce a identity typu Capelli. I. Zobecnění identit Capelli a Turnbull“ (Research Paper), Elektron. J. Comb., 16 (1, číslo R103): 43, arXiv:0809.3516, Bibcode:2008arXiv0809,3516C, ISSN  1077-8926, Zbl  1192.15001