В абстрактной алгебре алгебры Вейля абстрагируются от кольца дифференциальных операторов с полиномиальными коэффициентами. Они названы в честь Германа Вейля , который ввел их для изучения принципа неопределенности Гейзенберга в квантовой механике .
В простейшем случае это дифференциальные операторы. Пусть — поле , а — кольцо многочленов от одной переменной с коэффициентами в . Тогда соответствующая алгебра Вейля состоит из дифференциальных операторов вида
Это первая алгебра Вейля . Аналогично строятся n -ые алгебры Вейля .
Альтернативно, может быть построено как фактор свободной алгебры с двумя образующими, q и p , по идеалу , порожденному . Аналогично, получается путем факторизации свободной алгебры с 2n образующими по идеалу, порожденному , где — символ Кронекера .
В более общем случае пусть будет частичным дифференциальным кольцом с коммутирующими производными . Алгебра Вейля, связанная с — это некоммутативное кольцо, удовлетворяющее соотношениям для всех . Предыдущий случай — это частный случай, где и где — поле.
В данной статье рассматривается только случай с нулевой базовой характеристикой поля , если не указано иное.
Алгебра Вейля является примером простого кольца , которое не является матричным кольцом над телом . Это также некоммутативный пример области и пример расширения Оре .
Алгебра Вейля возникает естественным образом в контексте квантовой механики и процесса канонического квантования . Рассмотрим классическое фазовое пространство с каноническими координатами . Эти координаты удовлетворяют соотношениям скобок Пуассона : При каноническом квантовании стремятся построить гильбертово пространство состояний и представить классические наблюдаемые (функции на фазовом пространстве) как самосопряженные операторы на этом пространстве. Налагаются канонические коммутационные соотношения: где обозначает коммутатор . Здесь и являются операторами, соответствующими и соответственно. Эрвин Шредингер предложил в 1926 году следующее: [1]
При таком отождествлении выполняется каноническое коммутационное соотношение.
Алгебры Вейля имеют разные конструкции и разные уровни абстракции.
Алгебра Вейля может быть конкретно построена как представление .
В представлении дифференциального оператора, аналогичном каноническому квантованию Шредингера, пусть будет представлено умножением слева на , а будет представлено дифференцированием слева на .
В матричном представлении, аналогично матричной механике , представляется как [2]
может быть построена как фактор свободной алгебры в терминах генераторов и отношений. Одна конструкция начинается с абстрактного векторного пространства V (размерности 2 n ), снабженного симплектической формой ω . Определим алгебру Вейля W ( V ) как
где T ( V ) — тензорная алгебра на V , а обозначение означает « идеал , порожденный».
Другими словами, W ( V ) — это алгебра, порожденная V , подчиненная только отношению vu − uv = ω ( v , u ) . Тогда W ( V ) изоморфна An посредством выбора базиса Дарбу для ω .
также является фактором универсальной обертывающей алгебры алгебры Гейзенберга , алгебры Ли группы Гейзенберга , путем установки центрального элемента алгебры Гейзенберга (а именно [ q , p ]) равным единице универсальной обертывающей алгебры (обозначенной выше как 1).
Алгебра W ( V ) является квантованием симметрической алгебры Sym( V ). Если V находится над полем нулевой характеристики, то W ( V ) естественным образом изоморфна базовому векторному пространству симметрической алгебры Sym( V ), снабженному деформированным произведением, называемым произведением Гроенвольда–Мойала (считая симметрическую алгебру полиномиальной функцией на V ∗ , где переменные охватывают векторное пространство V , и заменяя iħ в формуле произведения Мойала на 1).
Изоморфизм задается отображением симметризации из Sym( V ) в W ( V )
Если кто-то предпочитает иметь iħ и работать с комплексными числами, то вместо этого можно было бы определить алгебру Вейля выше как сгенерированную q i и iħ∂ q i (согласно использованию в квантовой механике ).
Таким образом, алгебра Вейля представляет собой квантование симметрической алгебры, которое по сути совпадает с квантованием Мойала (если для последнего ограничиться полиномиальными функциями), но первое из них выражается в терминах генераторов и соотношений (считающихся дифференциальными операторами), а второе — в терминах деформированного умножения.
Другими словами, пусть звездное произведение Мойала обозначается , тогда алгебра Вейля изоморфна . [3]
В случае внешних алгебр аналогичным квантованием Вейля является алгебра Клиффорда , которая также называется ортогональной алгеброй Клиффорда . [4] [5]
Алгебра Вейля также называется симплектической алгеброй Клиффорда . [4] [5] [6] Алгебры Вейля представляют для симплектических билинейных форм ту же структуру, которую алгебры Клиффорда представляют для невырожденных симметричных билинейных форм. [6]
Алгебра Вейля может быть построена как D-модуль . [7] В частности, алгебра Вейля, соответствующая кольцу полиномов с его обычной структурой частных дифференциалов, в точности равна кольцу дифференциальных операций Гротендика . [7]
В более общем случае пусть будет гладкой схемой над кольцом . Локально факторизуется как этальное покрытие над некоторым , снабженным стандартной проекцией. [8] Поскольку « этальное » означает «(плоское и) обладающее нулевым кокасательным пучком», [9] это означает, что каждый D-модуль над такой схемой можно локально рассматривать как модуль над алгеброй Вейля.
Пусть — коммутативная алгебра над подкольцом . Кольцо дифференциальных операторов (обозначается, когда это ясно из контекста) индуктивно определяется как градуированная подалгебра :
Пусть будет объединением всех для . Это подалгебра .
В случае кольцо дифференциальных операторов порядка представляется аналогично частному случаю , но с дополнительным рассмотрением "операторов разделенной мощности"; это операторы, соответствующие операторам в комплексном случае, которые стабилизируют , но которые не могут быть записаны как целочисленные комбинации операторов более высокого порядка, т.е. не обитают в . Одним из таких примеров является оператор .
Явно, презентация дана
с отношениями
где по соглашению. Алгебра Вейля тогда состоит из предела этих алгебр как . [10] : Гл. IV.16.II
Когда — поле характеристики 0, то порождается как -модуль 1 и -выводами . Более того, порождается как кольцо -подалгеброй . В частности, если и , то . Как уже упоминалось, . [ 11]
Многие свойства применимы к с практически аналогичными доказательствами, поскольку различные измерения коммутируют.
Теорема (общее правило Лейбница) —
При представлении это уравнение получается с помощью общего правила Лейбница. Поскольку общее правило Лейбница доказуемо с помощью алгебраических манипуляций, оно справедливо и для .
В частности, и .
Следствие — Центр алгебры Вейля — это базовое поле констант .
Если коммутатор с любым из равен нулю, то по предыдущему утверждению не имеет одночлена с или .
Теорема — имеет основание . [12]
Повторяя коммутаторные соотношения, любой моном можно приравнять к линейной сумме этих. Осталось проверить, что они линейно независимы. Это можно проверить в представлении дифференциального оператора. Для любой линейной суммы с ненулевыми коэффициентами сгруппируем ее в порядке убывания: , где — ненулевой многочлен. Этот оператор, примененный к, дает .
Это позволяет быть градуированной алгеброй , где степень находится среди ее ненулевых мономов. Степень определяется аналогично для .
Теорема — Для : [13]
Докажем это для , так как случай аналогичен.
Первое отношение определяется по определению. Второе отношение определяется по общему правилу Лейбница. Для третьего отношения следует отметить, что , поэтому достаточно проверить, что содержит хотя бы один ненулевой одночлен степени . Чтобы найти такой одночлен, выберите тот, который имеет наибольшую степень в . Если таких одночленов несколько, выберите тот, который имеет наибольшую степень в . Аналогично для . Эти два одночлена при умножении создают уникальный одночлен среди всех одночленов , и поэтому он остается ненулевым.
То есть, он не имеет двусторонних нетривиальных идеалов и не имеет делителей нуля .
Потому что у него нет делителей нуля.
Предположим от противного, что — ненулевой двусторонний идеал , причем . Выберите ненулевой элемент с наименьшей степенью.
Если содержит некоторый ненулевой одночлен вида , то содержит ненулевой одночлен вида Таким образом , является ненулевым и имеет степень . Поскольку — двусторонний идеал, то имеем , что противоречит минимальности .
Аналогично, если содержит некоторый ненулевой одночлен вида , то является ненулевым с меньшей степенью.
Теорема — Выводы находятся во взаимно однозначном соответствии с элементами с точностью до аддитивного скаляра. [15]
То есть, любой вывод равен для некоторого ; любой дает вывод ; если удовлетворяет , то .
Доказательство аналогично вычислению потенциальной функции для консервативного полиномиального векторного поля на плоскости. [16]
В случае, когда основное поле F имеет нулевую характеристику, n -я алгебра Вейля является простой нётеровой областью . [17] Она имеет глобальную размерность n , в отличие от кольца, которое она деформирует, Sym( V ), которое имеет глобальную размерность 2 n .
Он не имеет конечномерных представлений. Хотя это следует из простоты, это можно показать более прямо, взяв след σ ( q ) и σ ( Y ) для некоторого конечномерного представления σ (где [ q , p ] = 1 ).
Поскольку след коммутатора равен нулю, а след тождества — размерности представления, представление должно быть нульмерным.
На самом деле, существуют более сильные утверждения, чем отсутствие конечномерных представлений. Для любого конечно порождённого A n -модуля M существует соответствующее подмногообразие Char( M ) V × V ∗ , называемое «характеристическим многообразием» [ требуется разъяснение ], размер которого примерно соответствует размеру [ требуется разъяснение ] M (конечномерный модуль имел бы нульмерное характеристическое многообразие). Тогда неравенство Бернштейна утверждает, что для M, отличного от нуля,
Еще более сильным утверждением является теорема Габбера, которая гласит, что Char( M ) является коизотропным подмногообразием V × V ∗ для естественной симплектической формы.
Ситуация существенно иная в случае алгебры Вейля над полем характеристики p > 0 .
В этом случае для любого элемента D алгебры Вейля элемент D p является центральным, и поэтому алгебра Вейля имеет очень большой центр. Фактически, это конечно порождённый модуль над своим центром; более того, это алгебра Адзумая над своим центром. Как следствие, существует много конечномерных представлений, которые все построены из простых представлений размерности p .
Идеалы и автоморфизмы хорошо изучены. [18] [19] Известно пространство модулей для его правого идеала. [20] Однако случай для значительно сложнее и связан с гипотезой Якобиана . [21]
Более подробную информацию об этом квантовании в случае n = 1 (и расширении с использованием преобразования Фурье на класс интегрируемых функций, больших, чем полиномиальные функции), см. в преобразовании Вигнера–Вейля .
Алгебры Вейля и алгебры Клиффорда допускают дополнительную структуру *-алгебры и могут быть объединены как четные и нечетные члены супералгебры , как обсуждается в алгебрах CCR и CAR .
Алгебры Вейля также обобщаются в случае алгебраических многообразий. Рассмотрим кольцо многочленов
Тогда дифференциальный оператор определяется как композиция -линейных производных . Это можно явно описать как фактор-кольцо