ホップ代数

数学において，ホップ代数（ホップだいすう，）は，に因んで名づけられた代数的構造であり，同時に（単位的結合）代数かつ（余単位的余結合的）余代数であり，これらの構造の整合性により双代数になっており，さらにある性質を満たすを備えたものである．ホップ代数の表現論は特に見事である，なぜならば整合的な余積，余単位射，対合射の存在により，表現のテンソル積，自明表現，双対表現を構成できるからである．

ホップ代数は，その起源でありの概念と関係する代数的位相幾何学，の理論，群論（群環の概念によって），そして多数の他の場所で，自然に生じ，おそらく双代数の最もよく知られた種類となっている．ホップ代数はそれ自身も研究されていて，一方では例の特定のクラスが，他方では分類問題が，多く研究されている．それらは物性物理学や量子的場の理論から弦理論まで多様な応用を持つ．

定理 (ホップ) を標数 0 の体上の有限次元次数付き余可換ホップ代数とする．このときは（代数として）奇数次の生成元による自由外積代数である．

定義正式には，ホップ代数は体上の（結合的かつ余結合的）双代数であって，次の図式が可換であるような（対蹠射または対合射と呼ばれる）線型写像を持つものである：

ここでは双代数の余積であり，は積，は単位射，は余単位射である．スウィードラーの記法を用いて，この性質は次のようにも書ける：

代数に関しては，上の定義において基礎体を可換環に置き換えることができるUnderwood (2011) p. 55.．

ホップ代数の定義は（上の図式の対称性に表れているように）自己双対であるので，の双対を定義できるならば（が有限次元ならいつでも可能である），それは自動的にホップ代数になるUnderwood (2011) p. 62.．

構造定数基礎ベクトル空間の基底を固定して，代数を構造定数を用いて定義できる．積に対して

余積に対して

対合射に対して

すると結合律は

であり，余結合律は

である．上の図式の可換性は

である．

対蹠射の性質対蹠射は線型逆写像を持つよう要求されることもある．これは有限次元の場合や，が可換あるいは余可換（あるいはより一般に）であるとき，自動的に成り立つ．

一般に，は反準同型なので，は準同型で，したがってが可逆ならば同型である．

対蹠射が対合、すなわちならば，ホップ代数は対合的 (involutive) といわれる（そして台となる対合付きの代数は *-環となる）．が標数 0 の体上有限次元半単純，可換，あるいは余可換ならば，対合的である．

双代数が対合射を持つならば，は一意である（「双代数は高々 1 つのホップ代数構造を持つ」）．

対合射はを逆元に送る群上の写像の類似であるQuantum groups lecture notes．

部分ホップ代数ホップ代数の部分代数が部分ホップ代数であるとは，の部分余代数であり，対合射がをの中に写すことをいう．言い換えると，部分ホップ代数は，の積，余積，余単位射，対合射をに制限したとき（さらにの単位元はに属しているとき）それ自身ホップ代数である．Nichols–Zoeller freeness theorem はが有限次元であるときに自然な加群は階数有限の自由加群であることを（1989年に）確立した．これは部分群に対するラグランジュの定理の一般化である．これと積分論の系として，半単純有限次元ホップ代数の部分ホップ代数は自動的に半単純である．

部分ホップ代数がホップ代数において右正規であるとは，安定性の条件，すべてのに対して , を満たすことをいう．ここで右随伴写像はすべてのとに対してによって定義される．同様に，部分ホップ代数がにおいて左正規であるとは，によって定義される左随伴写像で安定なことをいう．正規性の2つの条件は対合射が全単射なときには同値であり，この場合は正規ホップ部分代数といわれる．

の正規部分ホップ代数は（の部分集合の等式の）条件を満たす，ただしは上の余単位射の核を表す．この正規性条件はがのホップイデアルである（すなわち余単位射の核の代数イデアルで，余代数余イデアルで，対合射で安定である）ことを意味する．したがって，商ホップ代数と全射準同型があり，群論における正規部分群と商群に類似の理論があるMontgomery (1993) p. 36.．

ホップ整環分数体をもつ整域上のホップ整環とは，上のホップ代数におけるであって，代数と余代数の演算で閉じている，特に余積はをに送る，もののことであるUnderwood (2011) p. 82.．

群的元群的元とは非零元であってなるものである．群的元たちは対合射によって与えられる逆元を持つ群をなす．はを満たす．

表現論をホップ代数とし，とを加群とする．このとき，も次のようにして加群である：, , に対して，

さらに，自明表現を基礎体にに対して

として定義できる．最後に，の双対表現が定義できる：が加群でがその双対空間のとき，とに対して

の間の関係により，ベクトル空間のある自然な準同型は実際加群の準同型であることが保証される．例えば，ベクトル空間の自然な同型とは加群の同型でもある．また，ベクトル空間の写像も加群の準同型である．しかしながら，写像は加群の準同型であるとは限らない．

例群多元環群 () () () ⇔ が可換 yes 有限の有限性はがに自然に同型であることを意味する．これは余積の上の公式で用いられる．無限群に対しては，はの真部分集合である．この場合台が有限の写像の空間にホップ代数の構造を入れることができる．群からへの写像全体（点ごとの和と積）有限群 yes ⇔ が可換コンパクト群上の環コンパクト群 yes ⇔ が可換逆に，有限のハール積分をもつ上の任意の可換対合的ホップ代数はこのようにして生じ，の1つの定式化を与える．代数群上の正則関数環代数群 yes ⇔ が可換逆に，体上の任意の可換ホップ代数はこのようにしてから生じ，圏のを与える, section 2.3．テンソル代数ベクトル空間 (), () （として高次のテンソル冪に拡張する） ⇔ yes 対称代数と外積代数（これらはテンソル代数の商）もまた余積，余単位，対合をこのように定義してホップ代数である普遍包絡環リー環 ()（この規則は交換子と協調的であり，したがっての全体に一意的に拡張できる） ()（再びに拡張する） ⇔ が可換 yes : を , , で割った代数標数がでない体 , , , , no no 台となるベクトル空間はによって生成され，したがって次元はである．これは非可換かつ非余可換なホップ代数の最小の例である． See Michiel Hazewinkel, Symmetric Functions, Noncommutative Symmetric Functions, and Quasisymmetric Functions, Acta Applicandae Mathematica, January 2003, Volume 75, Issue 1-3, pp 55–83 完全斉次対称関数 () のことばで：

. yes yes

有限群上の関数たちは群環と同一視できるが，これらはより自然に双対と考えられることに注意――群環の元は群の元の（重み付き）有限和であり，したがって群上の関数との内積が和の各項の群の元をその函数で評価することによって与えられる．

リー群のコホモロジーリー群のコホモロジー環はホップ代数である：積はカップ積で与えられ，余積

は群の積によって与えられる．この観察は実はホップ代数の概念の源であった．この構造を用いて，ホップはリー群のコホモロジー環の構造定理を証明した．

定理 (Hopf) を標数上の有限次元次数付き余可換ホップ代数とする．このときは（代数として）奇数次の生成元を持った自由外積代数である．

量子群と非可換幾何学

上の例はほとんど可換（すなわち積が可換）か余可換（すなわちUnderwood (2011) p. 57. ただし twist mapUnderwood (2011) p. 36. はによって定義される）である．他の面白いホップ代数は，可換でも余可換でもない，普遍包絡環や正則関数環，座標環のある種の「変形」あるいは「量子化」である．これらのホップ代数はしばしば量子群と呼ばれ，この用語は今のところ漠然としか定義されていない．それらは非可換幾何学において重要であり，思想は以下のようである：普通の代数群はその正則関数の普通のホップ代数によってよく記述される；このホップ代数の変形版をある種の「普通でない」あるいは「量子化された」代数群（もはや代数群ではない）と考えることができる．これらの対象を定義したり扱ったりする直接的な方法は存在しないように思われるが，ホップ代数を研究することはなおでき，実際それらをホップ代数と同一視する．したがって名前「量子群」である．

関連概念次数付きホップ代数は代数的位相幾何学においてしばしば用いられる：それらはのすべてのホモロジーあるいはコホモロジー群の直和上の自然な代数的構造である．

はホップ代数を一般化し，位相を持つ．リー群上のすべての連続関数からなる代数は局所コンパクト量子群である．

はホップ代数の一般化であり，余結合律が捩れを除いてしか成り立たないものである．それらはKZ方程式の研究において使われているMontgomery (1993) p. 203.．

Alfons Van Daele によって1994年に導入されたはホップ代数の一般化であり，余積は（単位元をもつあるいはもたない）代数からその代数のテンソル積代数のへである．

V. G. Turaev によって2000年に導入されたもまたホップ代数の一般化である．

弱ホップ代数，あるいは量子亜群は，ホップ代数の一般化である．ホップ代数と同様，弱ホップ代数たちは代数の自己双対なクラスをなす，つまり，が（弱）ホップ代数ならば，上の線型形式からなる双対空間もそうである（との自然なペアリングとその余代数・代数構造から得られる代数・余代数構造に関して）．弱ホップ代数は通常次のように取られる：有限次元代数かつ余代数で，余積と余単位射を持ち，あるいはあるに対してでもよいが，他のすべてのホップ代数の公理を満たす．あるいは，以下を要求する：すべてのに対して，

は以下の公理を満たす弱められた対合射を持つ：

すべてのに対して（右辺は像がまたはと書かれる separable subalgebra である通常あるいはと書かれる面白い射影）；すべてのに対して（像がによってに反同型な separable algebra あるいはである通常あるいはと書かれる別の面白い射影）；すべてのに対して

ならこれらの条件はホップ代数の対合射の2つの通常の条件となることに注意．

公理は部分的には加群の圏がであるように選ばれている．unit -module は上で述べた separable algebra である．

例えば，有限代数は弱ホップ代数である．特に，のとの間に可逆な矢印との1つのペアがある上の亜群代数は行列の代数に同型である．この上の弱ホップ代数構造は余積 , 余単位射 , 対合射によって与えられる．separable subalgebras とは一致し，中心的でない可換代数（対角行列の部分代数）である．

弱ホップ代数への早期の理論的貢献は Gabriella Böhm, Florian Nill, Kornel Szlachanyi. J. Algebra 221 (1999), 385–438 や Dmitri Nikshych, Leonid Vainerman, in: New direction in Hopf algebras, S. Montgomery and H.-J. Schneider, eds., M.S.R.I. Publications, vol. 43, Cambridge, 2002, 211–262. に見つかる．

ホップ亜代数を参照．

群との類似群はホップ代数と同じ図式（同じことだが演算）によって公理化できる，ただしは加群の代わりに集合と取られる．この場合：体は 1 点集合で置き換えられる自然な余単位射がある（1 点に写す）自然な余積がある（対角写像）単位射は群の単位元である積は群の積である対合射は逆元であるこの哲学において，群は「一元体」上のホップ代数と考えることができるGroup = Hopf algebra « Secret Blogging Seminar, Group objects and Hopf algebras, video of Simon Willerton.．

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