Квантовые группы и инварианты узлов

где

(2) = , (3) = (Δ id) ◦ и т. д. Для 1 i n − 1 определим автоморфизм

ci = id (i−1) cV id (n−i−1) .

Тогда набор c1, . . . , cn−1 определяет представление группы кос Bn на V n. Для всех x H и всех i {1, . . . , n − 1} имеем

ciρ(n)(x) = ρ(n)(x)ci.

Это значит, что образ Bn в End(V n) содержится в коммутанте образа H.

Теперь мы вернемся к Uq sl(N +1). Мы знаем, что эта алгебра Хопфа является почти косовой, в том смысле, что ее универсальная R-матри- ца R лежит в подходящем пополнении Uq sl(N + 1) Uqsl(N + 1). Тем не менее, образ этой R-матрицы в любом конечномерном представлении хорошо определен. Явная формула для R может быть получена введением подходящих логарифмов, образующих Ki. Действительно, поскольку Ei

иFi действуют нильпотентно, для данного конечномерного представления достаточно взять формулу, полученную в случае корня из единицы при достаточно большом порядке корня, и подставить туда общее q.

Пусть ω1 — доминантный вес, такой что ω1(H1) = 1 и ω1(Hi) = 0 при i > 2. Неприводимое представление L(ω1) (N + 1)-мерно и является «деформацией» фундаментального представления sl(N + 1). В действительности, можно выбрать такой базис в L(ω1), что образующие Ei

иFi будут представлены элементарными матрицами Ei,i+1 и Ei+1,i. Действие R-матрицы в L(ω1) легко вычисляется. Оно описывается следующей формулой:

Следующий результат принадлежит Джимбо [Jim85].

2.2.Теорема

(i)Положим gi = qci для i = 1, . . . , n−1. Тогда g1, . . . , gn−1 задают представление алгебры Гекке Hn(q2) в L(ω1) n.

(ii)Образы Hn(q2) и Uqsl(N + 1) в End(L(ω1) n) являются коммутантами друг друга.

Мы наметим идею доказательства. Пункт (i) получается прямым

вычислением. Чтобы доказать (ii), надо заметить, что алгебра Hn(q2) является полупростой C(q)-алгеброй размерности n!. Хороший способ понять ее структуру — воспользоваться изоморфизмом

Hn−1(q2) Hn−2(q2) Hn−1(q2) Hn−1(q2) −→ Hn(q2),

определяемым как (x y, z) → xgn−1y + z. Этот изоморфизм позволяет нам записать всякий элемент как линейную комбинацию «канонических форм», в которой последняя образующая появляется максимум один раз.

Мы будем рассматривать только случай N > n. Мы уже знаем, что L(ω1) n есть полупростой Uqsl(N + 1)-модуль. Он раскладывается следующим образом:

$

L(ω1) n = L(λ) Pλ,

где Pλ можно рассматривать как подпространство L(ω1) n, состоящее из векторов старшего веса со старшим весом λ. Более того, веса λ, появляющихся в этом разложении и кратности dim Pλ, — такие же, как и в классическом случае, т. е. такие же, как для U sl(N + 1), действующего на (CN +1) n.

Классическая теория инвариантов утверждает, что образ групповой алгебры симметрической группы Sn, переставляющий сомножители, есть в точности коммутант U sl(N +1) в End((CN +1) n). Из предположения, что N > n, следует, что этот образ изоморфен групповой алгебре, а также, что пространства Pλ являются простыми Sn-модулями и их множество в точности совпадает с множеством всех простых модулей Sn.

ствует на каждом подпространстве Pλ автоморфизмами ci. По теореме о двойном коммутанте, каждое Pλ является неприводимым представлением коммутанта Uqsl(N + 1) в L(ω1) n. Если бы образ Hn(q2) был строго меньше, некоторые из представлений Pλ разлагались бы на меньшие неприводимые компоненты и размерность образа Hn(q2), которая является суммой квадратов размерностей этих неприводимых компонент, была бы строго меньше n!.

Тем самым, осталось только доказать, что c1, . . . , cn−1 порождают n!-мерную подалгебру в End(L(ω1) n). Это сводится к тому, чтобы показать, что «канонические формы», построенные по автоморфизмам gi, линейно независимы над C(q). Это, конечно, справедливо, поскольку их специализации при q = 1 линейно независимы.

3. Случай корней из единицы

Есть несколько точек зрения на определение квантовых групп в корне из единицы, ведущих к очень разным теориям представлений. Хотя в основном мы будем использовать в применении к трехмерным многообразиям последнюю точку зрения из описанных ниже, мы кратко упомянем и другие, представляющие самостоятельный интерес.

Во-первых, можно просто рассмотреть алгебру Хопфа Uε из параграфа 4 главы IV, где ε — корень из единицы. Это бесконечномерная алгебра Хопфа с большим центром. (Как правило, если l — порядок ε, l-е степени аналогов корневых векторов и Ki2 лежат в центре.) Размерности ее неприводимых конечномерных представлений ограничены размерностью lN (N +1)/2. Эту алгебру активно изучали Кончини, Кац и Прочези (см. [CK90], [CKP92]), которые нашли очень интересные связи с теорией групп Пуассона – Ли.

Вторая точка зрения состоит в том, чтобы работать сначала над

ме U sl(N + 1) Костанта). Неприводимые модули L(λ) тоже имеют такую Z[q, q−1]-форму. После этого нужно положить q равным ε — примитивному корню из единицы степени, скажем, l. Назовем получившуюся алгебру Хопфа Uεres. В этой ситуации мы получаем, что Eil = 0, Fil =

= 0, но Ei(l) и Fi(l) выживают. Этот подход был предложен Люстигом (см. [Lus88], [Lus90], [Lus93]), который построил «отображение Фробениуса характеристики 0» со значениями в обычной обертывающей алгебре U sl(N + 1) и обнаружил, в том случае, когда l — простое число, наличие фундаментальных связей с теорией алгебраических групп характеристики l. Заметим, что модули L(λ) также могут быть специ-

ализированы, но, вообще говоря, их специализации уже не являются простыми модулями.

Третья точка зрения — та, которую мы в основном здесь и будем использовать. А именно, мы берем конечномерную алгебру Хопфа uε из параграфа 4 главы IV. Это не что иное, как подалгебра Uεres, порожденная Ei, Fi, Ki при 1 i N . Теория представлений этой алгебры намного сложнее, чем теория представлений в общем случае. Она оказывается важным ингредиентом для построения инвариантов трехмерных многообразий. Вот два важных факта, касающихся теории представле-

ний uε.

(i) Конечномерные uε-модули уже не являются полупростыми. Простой способ увидеть это — заметить, что квадрат антипода является нетривиальным автоморфизмом uε; но теорема Ларсона и Рэдфорда [LR88] утверждает, что антипод полупростой конечномерной алгебры Хопфа инволютивен.

(ii) Существует лишь конечное число конечномерных простых uε-модулей. Они параметризованы доминантными весами λ, удовлетворяющими

0 λ(Hi) l для всех i = 1, . . . , N,

где l — порядок ε. Соответствующий простой модуль L(λ) является модулем старшего веса со старшим весом λ, однако он меньше, чем простой модуль с тем же старшим весом в общем случае (в том смысле, что кратности весов меньше). Эти модули являются, на самом деле, модулями

над алгеброй разделенных степеней Uεres, причем Ei(l) и Fi(l) действуют как 0. Как уже упоминалось выше, есть красивый, придуманный Люсти-

гом [Lus90] способ получения L(λ) из L(λ) с помощью специализации и факторизации.

Информация о характере L(λ) в терминах многочленов Каждана – Люстига была получена лишь совсем недавно Кажданом и Люстигом [KL93] при доказательстве некоторых гипотез Люстига.

Ввиду приложений к инвариантам трехмерных многообразий важно обсудить категорные аспекты представлений uε и Uεres и, в особенности, описать модулярную категорию в смысле параграфа 3 главы VI.

В дальнейшем мы будем предполагать, что l взаимно просто с N +1 (этого ограничения можно избежать, если немного модифицировать определение uε, но мы не хотим углубляться в технические детали).

3.1. Предложение

Категория C конечномерных представлений uε является ленточной категорией.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО.

Из параграфа 4 главы IV мы уже знаем, что uε является косовой алгеброй Хопфа. Поэтому C — косовая моноидальная категория.

Общая теория косовых алгебр Хопфа (см. параграф 4 главы II) дает нам элемент u uε, такой что S2(x) = uxu−1 для всех x uε и

u = (R21R)−1(u u) = (u u)(R21R)−1.

i

Далее, если ϕ : uε → End(V ) — конечномерное представление, то

ρ(u−1) : V → V

удовлетворяет формуле для скручивания (1.3) из главы VI. К сожалению, этот гомоморфизм не является морфизмом в категории C, так как u−1 не лежит в центре uε. Заметим, однако, что для всех x uε имеет место

Положим v = Ku−1 = u−1K. Ясно, что v лежит в центре uε и удо-

влетворяет соотношению v = (R21R)(v v) = (v v)(R21R). Отсюда вытекает, что для всякого представления (V, ϕ) автоморфизм θV = ϕ(v)

определяет скручивание в C.

Совместимость скручивания и двойственности, которая потребована в определении ленточной категории, следует из равенства S(v) = v, откуда вытекает, что θV является обычным транспонированием θV . Чтобы доказать, что S(v) = v, достаточно проверить, что uS(u−1) = K2. Прямым вычислением показывается, что элемент uS(u−1) является групповым (т. е. удовлетворяет формуле (1.4) главы II), и что uS(u−1)K−2 лежит в центре. Поэтому достаточно проверить, что единственный групповой центральный элемент есть 1. Если записать такой элемент в базисе Пуанкаре – Биркгофа – Витта для uε, полученном из треугольного разложения, становится видно, что такой элемент лежит в подалгебре u0ε, порожденной элементами K1, . . . , KN . Так как u0ε изоморфна групповой алгебре для (Z/l)N , все групповые элементы являются произведениями элементов Ki, и единственное центральное произведение есть 1.

Немедленно проверяется, что L(0) есть тривиальное представление и что двойственное к L(λ) изоморфно L(−w0(λ)), где w0 — перестановка, посылающая простой корень αi в αN +1−i (где 1 i N ).

Для того, чтобы получить модулярную категорию в смысле параграфа 3 главы VI, необходимо сделать кое-что еще. Идея состоит в том, чтобы рассмотреть моноидальную подкатегорию в C, порожденную (I(λ))λ I , и взять подходящий фактор (переход к такому фактору необходим, так как тензорные произведения I(λ) не являются прямыми суммами I(μ): нужно выкинуть «плохую часть» в тензорных произведениях). Подходящий способ это сделать — работать в определенной категории модулей над Uεres, C (а именно, таких модулей V , что V и его двойственный имеют фильтрации, последовательные факторы которых являются специализациями L(λ)), и использовать следующий замечательный результат, принадлежащий Андерсену [And92]. (Для N = 1 он был установлен Решетихиным и Тураевым [RT91].)

3.3. Теорема

Для всех λ1, . . . , λr I тензорное произведение I(λ1) · · · I(λr ) разбивается в прямую сумму модулей I(λ), где λ I и модуля Z, такого что tr(f ) = 0 для всех f EndC (Z).

%

горию категории M, которую обозначим через M. Для этого положим,

%

что морфизм f : A → B между двумя объектами A, B из M является нулевым в M, если tr(gf ) = 0 для всех морфизмов g : B → A. В частно-

%

сти, если A — такой объект в M, что f = 0 в M для всякого объекта B

и всякого морфизма f Hom (A, B), то A изоморфен нулевому объек-

M

ту в M. Это ровно так для объектов Z, появляющихся в формулировке теоремы 3.3.

Получившаяся категория M есть модулярная категория по отношению к семейству объектов (I(λ))λ I . Аксиома доминирования 3.2.3 главы VI выполнена, поскольку объекты в M — прямые суммы (I(λ))λ I ; аксиома невырожденности (обратимость матрицы S параграфа 3.2 главы VI) следует из вычислений характеров, проделанных Кацем и Петерсоном (ср. [TW93]). Применяя к категории M конструкции из параграфа 4 главы VI, мы получаем числовые инварианты трехмерных многообразий и зацеплений на трехмерных многообразиях.

4. Квантовые группы с формальным параметром

Почти все содержание глав IV и VII справедливо для произвольной комплексной полупростой алгебры Ли g. Такие алгебры Ли были проквантованы Дринфельдом над алгеброй комплексных формальных рядов C[[h]] (см. [Dri85], [Dri87]). В последующих конструкциях все C[[h]]-модули имеют вид:

где V — комплексное векторное пространство. Мы определяем топологическое тензорное произведение на таких C[[h]]-модулях, как

Из полупростой алгебры Ли g Дринфельд сконструировал C[[h]]-ал- гебру Uhg со следующими свойствами.

(i)Как C[[h]]-модуль, Uhg = U g[[h]].

(ii)Есть отображения : Uhg → Uhg Uhg, ε : Uhg → C[[h]] и S : Uhg → Uhg, превращающие Uhg в алгебру Хопфа.

(iii)Как алгебры Хопфа, Uhg/hUhg = U g.

(iv)Есть универсальная R-матрица Rh Uhg Uhg, такая что Rh ≡ 1 1 по модулю h.

(v)Всякий конечномерный g-модуль V продолжается единственным

образом до Uhg-модуля V вида V [[h]], такого что V /hV = V в смысле g-модулей.

группами, построенными в главе IV, когда g = sl(N + 1). Полагая q = = exp( 12 h), мы можем рассматривать Uhsl(N + 1) как A-модуль, где

A = C[q, q−1]. В параграфе 4 главы IV мы ввели A-подалгебру Хопфа UA в Uhsl(N + 1), чтобы получить возможность специализировать параметр q. Нетрудно проверить, что UA есть A-подалгебра Хопфа в Uhsl(N + 1).

Пусть g — снова произвольная полупростая алгебра Ли. Катего-

рия C , объекты которой — g-модули , где есть конечномерный h Uh V V

g-модуль, является косовой категорией с тензорным произведением, даваемым топологическим тензорным произведением , определенным выше, и со сплетением, индуцированным универсальной R-матрицей Rh. Единичный объект — это тривиальный Uhg-модуль C[[h]]. Оказывается,

что категория Ch имеет скручивание и что это ленточная категория в смысле параграфа 1 главы VI.

Последнее обстоятельство дает нам возможность построить «квантовый инвариант» оснащенных ориентированных зацеплений для всякой полупростой алгебры Ли g и всякого конечномерного g-модуля V следующим образом. Мы раскрашиваем компоненты оснащенной ориенти-

рованной связки объектом из C и продолжаем, как в параграфе 2

V h

главы VI. Таким образом, мы получаем функтор Fg,V : T0 → Ch, где T0 — категория оснащенных ориентированных связок, ср. параграф 2.1 главы VI. Всякое оснащенное ориентированное зацепление K можно рассматривать как эндоморфизм единичного объекта в категории T0. Поэтому его образ Fg,V (K) принадлежит EndCh (C[[h]]). Последнее, очевидно, изоморфно C[[h]]. Поэтому Fg,V (K) есть изотопический инвариант

Fg,V (K) = Fg,V,m(K)hm m 0

со значениями в C[[h]].

ГЛАВА VIII

Инварианты Васильева

Здесь мы определяем класс инвариантов зацеплений, называемых инвариантами Васильева конечной степени. Квантовые инварианты, построенные в параграфе 4 главы VII, являются инвариантами конечной степени. Принадлежащая М. Концевичу теорема выражает инварианты конечной степени в терминах линейных форм на некоторых диаграммах, называемых хордовыми диаграммами.

1. Определение и примеры

Инварианты Васильева — это некоторые инварианты зацеплений со значениями в абелевой группе, а в более общем случае, в модуле над коммутативным кольцом R. Зафиксируем коммутативное кольцо R и рассмотрим свободный R-модуль L(R), порожденной изотопическими классами оснащенных ориентированных зацеплений в R3. Очевидно, что любой инвариант P оснащенных ориентированных зацеплений в R3, принимающий значения в R-модуле M единственным образом продолжается до R-линейного отображения P : L(R) → M , так что для всякого оснащенного ориентированного узла K

()

P [K] = P (K),

где через [K] обозначен класс K в L(R). Следовательно, есть биекция между множеством всех инвариантов оснащенных зацеплений в R3 со значениями в M и R-модулем HomR(L(R), M ).

Мы определим для каждого неотрицательного целого числа m некоторый фактор-модуль Lm(R) модуля L(R), так что модуль HomR(Lm(R), M ) окажется в биективном соответствии с инвариантами Васильева степени m.

Для того чтобы определить Lm(R), нам нужно задание R-моду- ля L(R) с помощью большего семейства образующих. Нам понадобятся следующие понятия. Особое зацепление — это некоторая иммерсия в R3