Derivation (differential algebra)

In mathematics, a derivation is a function on an algebra that generalizes certain features of the derivative operator. Specifically, given an algebra A{\displaystyle A} over a ring or a fieldK{\displaystyle K}, a K{\displaystyle K}-derivation is a K{\displaystyle K}-linear mapD:AA{\displaystyle D:A\to A} that satisfies Leibniz's law:

D(ab)=aD(b)+D(a)b.{\displaystyle D(ab)=aD(b)+D(a)b.}

More generally, if M{\displaystyle M} is an A{\displaystyle A}-bimodule, a K{\displaystyle K}-linear map D:AM{\displaystyle D:A\to M} that satisfies the Leibniz law is also called a derivation. The collection of all K{\displaystyle K}-derivations of A{\displaystyle A} to itself is denoted by DerK(A){\displaystyle \mathrm {Der} _{K}(A)}. The collection of K{\displaystyle K}-derivations of A{\displaystyle A} into an A{\displaystyle A}-module M{\displaystyle M} is denoted by DerK(A,M){\displaystyle \mathrm {Der} _{K}(A,M)}.

Derivations occur in many different contexts in diverse areas of mathematics. The partial derivative with respect to a variable is an R{\displaystyle \mathbb {R} }-derivation on the algebra of real-valued differentiable functions on Rn{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}. The Lie derivative with respect to a vector field is an R{\displaystyle \mathbb {R} }-derivation on the algebra of differentiable functions on a differentiable manifold; more generally it is a derivation on the tensor algebra of a manifold. It follows that the adjoint representation of a Lie algebra is a derivation on that algebra. The Pincherle derivative is an example of a derivation in abstract algebra. If the algebra A{\displaystyle A} is noncommutative, then the commutator with respect to an element of the algebra A{\displaystyle A} defines a linear endomorphism of A{\displaystyle A} to itself, which is a derivation over K{\displaystyle K}. That is,

[FG,N]=[F,N]G+F[G,N],{\displaystyle [FG,N]=[F,N]G+F[G,N]\,,}

where [,N]{\displaystyle [\cdot ,N]} is the commutator with respect to N{\displaystyle N}. An algebra A{\displaystyle A} equipped with a distinguished derivation d{\displaystyle d} forms a differential algebra, and is itself a significant object of study in areas such as differential Galois theory.

Properties

If A{\displaystyle A} is a K{\displaystyle K}-algebra, for K{\displaystyle K} a ring, and D: A{\displaystyle A}A{\displaystyle A} is a K{\displaystyle K}-derivation, then

  • If A{\displaystyle A} has a unit 1, then D(1)=D(12)=2D(1){\displaystyle D(1)=D(1^{2})=2D(1)}, so that D(1)=0{\displaystyle D(1)=0}. Thus by K{\displaystyle K}-linearity, D(k)=0{\displaystyle D(k)=0} for all kK{\displaystyle k\in K}.
  • If A{\displaystyle A} is commutative, then D(x2)=xD(x)+D(x)x=2xD(x){\displaystyle D(x^{2})=xD(x)+D(x)x=2xD(x)}, and D(xn)=nxn1D(x){\displaystyle D(x^{n})=nx^{n-1}D(x)}, by the Leibniz rule.
  • More generally, for any x1,x2,,xnA{\displaystyle x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}\in A}, it follows by induction that
    D(x1x2xn)=ix1xi1D(xi)xi+1xn{\displaystyle D(x_{1}x_{2}\cdots x_{n})=\sum _{i}x_{1}\cdots x_{i-1}D(x_{i})x_{i+1}\cdots x_{n}}
which is iD(xi)jixj{\displaystyle \textstyle \sum _{i}D(x_{i})\prod _{j\neq i}x_{j}} if for all i{\displaystyle i}, D(xi){\displaystyle D(x_{i})} commutes with x1,x2,,xi1{\displaystyle x_{1},x_{2},\ldots ,x_{i-1}}.
  • For n>1{\displaystyle n>1}, Dn{\displaystyle D^{n}} is not a derivation, instead satisfying a higher-order Leibniz rule:
Dn(uv)=k=0n(nk)Dnk(u)Dk(v).{\displaystyle D^{n}(uv)=\sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}\cdot D^{nk}(u)\cdot D^{k}(v).}
Moreover, if M{\displaystyle M} is an A{\displaystyle A}-bimodule, write
DerK(A,M){\displaystyle \operatorname {Der} _{K}(A,M)}
for the set of K{\displaystyle K}-derivations from A{\displaystyle A} to M{\displaystyle M}.
  • DerK(A,M){\displaystyle \mathrm {Der} _{K}(A,M)} is a module over K{\displaystyle K}.
  • DerK(A){\displaystyle \mathrm {Der} _{K}(A)} is a Lie algebra with Lie bracket defined by the commutator:
[D1,D2]=D1D2D2D1.{\displaystyle [D_{1},D_{2}]=D_{1}\circ D_{2}-D_{2}\circ D_{1}.}
since it is readily verified that the commutator of two derivations is again a derivation.
  • There is an A{\displaystyle A}-module ΩA/K{\displaystyle \Omega _{A/K}} (called the Kähler differentials) with a K{\displaystyle K}-derivation d:AΩA/K{\displaystyle d:A\to \Omega _{A/K}} through which any derivation D:AM{\displaystyle D:A\to M}العوامل. أي، لأي اشتقاقد{\displaystyle D}هناكأ{\displaystyle A}خريطة الوحدة النمطيةφ{\displaystyle \varphi }مع
د:أدΩأ/كφم{\displaystyle D:A{\stackrel {d}{\longrightarrow }}\Omega _{A/K}{\stackrel {\varphi }{\longrightarrow }}M}
المراسلاتدφ{\displaystyle D\leftrightarrow \varphi }هو تماثل لـأ{\displaystyle A}-الوحدات النمطية:
ديرك(أ،م)هومأ(Ωأ/ك،م){\displaystyle \operatorname {Der} _{K}(A,M)\simeq \operatorname {Hom} _{A}(\Omega _{A/K},M)}
  • لوكك{\displaystyle k\subset K}إذا كانت حلقة فرعية ، فـأ{\displaystyle A}يرثك{\displaystyle k}بنية الجبر، لذلك يوجد تضمين
ديرك(أ،م)ديرك(أ،م)،{\displaystyle \operatorname {Der} _{K}(A,M)\subset \operatorname {Der} _{k}(A,M),}
منذ أيك{\displaystyle K}-الاشتقاق هو من باب أولىك{\displaystyle k}-اشتقاق.

الاشتقاقات المتدرجة

بالنظر إلى الجبر المتدرجأ{\displaystyle A}وخريطة خطية متجانسةد{\displaystyle D}من الدرجة|د|{\displaystyle |D|}علىأ{\displaystyle A}،د{\displaystyle D}يكون الاشتقاق متجانساً إذا

د(أب)=د(أ)ب+ε|أ||د|أد(ب){\displaystyle {D(ab)=D(a)b+\varepsilon ^{|a||D|}aD(b)}}

لكل عنصر متجانسأ{\displaystyle A}وكل عنصرب{\displaystyle b}لأ{\displaystyle A}لعامل التبديلε=±1{\displaystyle \varepsilon =\pm 1}الاشتقاق المتدرج هو مجموع اشتقاقات متجانسة لها نفسε{\displaystyle \varepsilon }.

لوε=1{\displaystyle \varepsilon =1}، يؤول هذا التعريف إلى الحالة المعتادة. إذاε=-1{\displaystyle \varepsilon =-1}لكن، إذن

د(أب)=د(أ)ب+(-1)|أ||د|أد(ب){\displaystyle {D(ab)=D(a)b+(-1)^{|a||D|}aD(b)}}

للفردي|د|{\displaystyle |D|}، ود{\displaystyle D}يُطلق عليه اسم الاشتقاق المضاد .

تشمل أمثلة المشتقات المضادة المشتق الخارجي والناتج الداخلي الذي يعمل على الأشكال التفاضلية .

الاشتقاقات المتدرجة للجبر الفائق (أي،Z2{\displaystyle \mathbb {Z} _{2}}تُسمى الجبر المتدرج غالبًا بالمشتقات الفائقة .

مشتقات هاس-شميت هيك{\displaystyle K}تماثلات الجبر

أأ[[ت]].{\displaystyle A\to A[[t]].}

إضافة إلى ذلك، يتم استخدام الخريطة التي ترسل سلسلة قوى رسمية.أنتن{\displaystyle \sum a_{n}t^{n}}إلى المعاملأ1{\displaystyle a_{1}}يقدم اشتقاقًا.

انظر أيضاً

مراجع

  • بورباكي، نيكولاس (1989)، الجبر 1 ، عناصر الرياضيات، سبرينغر-فيرلاغ، ISBN 3-540-64243-9.
  • أيزنبد، ديفيد (1999)، الجبر التبادلي مع نظرة نحو الهندسة الجبرية (الطبعة الثالثة  )، سبرينغر-فيرلاغ، ISBN 978-0-387-94269-8.
  • ماتسومورا، هيديوكي (1970)، الجبر التبادلي ، سلسلة محاضرات محاضرات الرياضيات، WA Benjamin، ISBN 978-0-8053-7025-6.
  • كولار، إيفان؛ سلوفاك، يان؛ ميخور، بيتر دبليو. (1993)، العمليات الطبيعية في الهندسة التفاضلية ، سبرينغر-فيرلاغ.