FACULTEIT WETENSCHAPPEN EN BIO-INGENIEURSWETENSCHAPPEN VAKGROEP WISKUNDE
Categorical constructions, braidings on monoidal categories and bicrossed products of Hopf algebras
Proefschrift voorgelegd aan de Faculteit Wetenschappen, voor het verkrijgen van de graad van Doctor in de Wetenschappen door Ana Loredana Agore
Promotors: Prof. S. Caenepeel Prof. G. Militaru
2012 Contents
Acknowledgements...... iii Introduction...... iv Inleiding...... xiii
1 Categorical constructions for Hopf algebras and related topics1 1.1 Preliminaries...... 1 1.2 Categorical constructions for Hopf algebras...... 14 1.3 Reflective and coreflective subcategories...... 24 1.4 Monomorphisms of coalgebras and Hopf algebras...... 28 1.5 Braidings on the category of bimodules...... 32 1.6 The center of the category of bimodules...... 43 Bibliographical Notes...... 53
2 Unified products 55 2.1 Notational conventions...... 55 2.2 The extending structures problem...... 56 2.3 Extending structures: the group case...... 57 2.4 Extending structures: the quantum version...... 67 2.5 Bialgebra extending structures and unified products...... 69 2.6 The classification of unified products...... 82 2.7 Unified products and split extensions of Hopf algebras...... 88 2.8 Coquasitriangular structures for extensions of Hopf algebras...... 98
i 2.9 Crossed product of Hopf algebras...... 112 Bibliographical Notes...... 127
3 Classifying bicrossed products of quantum groups. Deformations of a Hopf algebra and descent type theory 129 3.1 Motivating problems...... 129 3.2 The morphisms between two bicrossed products...... 141 3.3 The classification of bicrossed products...... 148 3.4 Bicrossed descent theory and deformations of Hopf algebras...... 154 3.5 Examples...... 163 3.6 Application: Bicrossed descent theory for groups...... 184 Bibliographical Notes...... 188
Bibliography 189
ii Acknowledgements
I owe my deepest gratitude to:
Gigel Militaru who suggested most of the problems studied here, for his constant support and guidance along the way. I benefited greatly from his insight on many topics during the scientific seminar he organized between 2007 and 2010.
Stef Caenepeel for his advice, friendship and hospitality which made my stay in Brussels easier.
The members of the jury: Tomasz Brzezinski,´ Stefaan Caenepeel, Philippe Cara, Eric Jespers, Rudger Kieboom, Gigel Militaru and Joost Vercruysse for the careful reading of this manuscript and their useful suggestions.
My colleagues at the VUB for their friendly attitude and the very nice working environment.
My dear parents and my entire family for their continuous encouragement and support.
Brussel, October 2012
iii Introduction
A bialgebra is an algebra on which there exists a dual structure called a coalgebra such that the two structures are compatible. As in the case of groups where the difference between a group and a monoid relies on the existence of an additional map that allows forming inverses, in the same manner a Hopf algebra is a bialgebra H with an additional linear map S : H → H, called the antipode. However, in this case the antipode provides an inverse for certain linear combinations and not for individual elements. The development of Hopf algebra theory as a distinct branch of mathematics has experienced two historically significant moments: the classical part and the quantum part. The classical part: Hopf algebras were introduced around 1960 arising from algebraic geometry and algebraic topology. In this context Hopf algebras appear either as algebras of regular functions on alge- braic groups or as algebras of representative functions on compact Lie groups, or as enveloping algebras of Lie algebras. The first structural results for Hopf algebras motivated by this context are due to A. Borel, J. Dieudonne,´ P. Cartier, G. Hochschild, J. Milnor, J. Moore, B. Kostant, M. Demazure and A. Grothendieck. The first explosion of interest for this field has came in 1969 with Sweedler’s book after which the study of Hopf algebras became a distinct branch of math- ematics. Different areas of mathematics like group theory, algebraic groups, algebraic topology, Lie algebras, locally compact groups, representation theory, Galois theory, the theory of graded rings, etc are all intimately related to Hopf algebras. During the classical period the theory of Hopf algebras developed around these ideas, focusing on the attempt to obtain at the level of Hopf algebras general results that extend well known theorems from the above mentioned fields. We mention that even elementary results, such as Lagrange’s theorem in group theory or deep structural connections such as Galois theory became famous conjectures or directions of study for many years in the theory of Hopf algebras. There are two major problems within the clas- sical part of the theory that still generate a lot of interest: on one hand we are talking about the structure and classification of Hopf algebras of a given dimension that satisfy certain prop- erties, whose roots are in the classification of finite groups. On the other hand we are talking about the study of the various types of categories of representations that can be associated with Hopf algebras that (co)act on (co)algebras, whose roots go back to the representation theory of groups, algebras or Lie algebras. The quantum part: the second important development within this field of study started in 1987 with the appearance of the paper Quantum groups by V. Drinfel’d. From this moment on, the field changed dramatically in terms of methods, new examples and interaction with other areas of mathematics such as: noncommutative geometry, physics, knot theory, conformal field theory, category theory, combinatorics, quantum statistical mechanics, etc. For example, noncommutative geometry is based on a simple idea: instead of working with points on a space or a manifold M we can work equivalently with the algebra of functions on M. Adopting a categorical point of view, a quantum space is a representable functor on the category of (not necessarily commutative) algebras. If the representing object of the quantum space is a Hopf algebra then the quantum space is called a quantum group. Quan- tum groups (Hopf algebras) have been therefore accepted as the natural analogue from the point of view of noncommutative geometry of the classical notion of group. A turning point in the theory was the introduction of braided monoidal (tensor) categories by Joyal and Street in 1993. iv The concept proved to be revolutionary by its unifying character and by its implications both in quantum groups as well as in other areas of mathematics: physics, theory of knots, category theory. Braided monoidal categories play a central role in the representation theory of quantum groups, Kac-Moody algebras and quantum field theory. They also provide topological invariants to links, knots and 3-manifolds. Studying objects in braided categories implies working in a very general and unifying framework in mathematics. The present work is devoted to both classical and quantum part of the Hopf algebra theory. In Chapter 1 we study Hopf algebras from the categorical point of view. It is well known that the category k-Alg of k-algebras is complete and cocomplete. This is immediately implied by the existence of products, coproducts, equalizers and coequalizers in the category k-Alg. The categories of coalgebras and bialgebras have arbitrary coproducts and coequalizers (see [58, Propositon 1.4.19], [43, Proposition 2.10], [118, Corollary 2.6.6]), hence these categories are cocomplete. In Section 1.2 we prove that the category of Hopf algebras has coproducts and coequalizers. Furthermore, related to the question of whether these categories are complete (i.e. if they have arbitrary products and equalizers) we could not find similar results in the classical Hopf algebra textbooks ([1], [139]), not even in the more recent ones ([43], [58], [81], [106]). For example, [58, Propositon 1.4.21] proves only the existence of finite products (namely the tensor product of coalgebras) and only in the category of cocommutative coalgebras, as a dual result to the one concerning commutative algebras. We shall fill this gap: using the fact that the forgetful functor from the category of coalgebras to the category of vector spaces has a right adjoint, namely the so called cofree coalgebra, we shall construct explicitly the product of an arbitrary family of coalgebras. As a consequence, the product of an arbitrary family of bialgebras and Hopf algebras is constructed. The equalizers of two morphisms of coalgebras (bialgebras, Hopf algebras) are also described explicitly. Thus we obtain that the categories of coalgebras, bialgebras and Hopf algebras are complete and a description for limits in the above categories is given. Next, we turn our attention to the fundamental book of Sweedler: the following problems con- cerning Hopf algebras are stated in [139, p. 135], without any proof : given a coalgebra C there exists a free Hopf algebra on C (i.e. the forgetful functor from the category of Hopf algebras to the category of coalgebras has a left adjoint) and a free commutative Hopf algebra on C. The problem has turned out to be quite difficult: several years passed until Takeuchi, in [142, Sec- tions §1 and §11], answered affirmatively to both statements. His proof relies on an ingenious and laborious construction. Moreover, in [139, p. 135] Sweedler also states, again without any proofs, the dual of the above problem: given an algebra A there exists a cofree Hopf algebra on A (that is the forgetful functor from the category of Hopf algebras to the category of algebras has a right adjoint) and a cofree cocommutative Hopf algebra on A. Concerning this problem, recently it was proved in [123, Corollary 4.1.4] that the existence of a cofree Hopf algebra on every algebra implies the existence of a cofree cocommutative Hopf algebra on every algebra. In Section 1.3 we prove Sweedler’s statement concerning the existence of a cofree Hopf algebra on every algebra. For the sake of completeness we also include the construction of this right adjoint which was given in [53]. In Section 1.4 we complete the existing description of monomorphisms in k-Coalg given in [108] with two more characterizations: the first one indicates a cohomological description of
v monomorphisms while the other is an elementary one involving the cotensor product CDC. In any concrete category C the natural problem of whether epimorphisms are surjective maps arise, as well as the dual problem of whether the monomorphisms are injective maps. This type of problems have already been studied before in several well known categories: for example in [133] it is shown that the property of epimorphisms of being surjective holds in the categories of von Neumann algebras, C∗-algebras, groups, finite groups, Lie algebras, compact groups, while it fails to be true in the categories of finite dimensional Lie algebras, semisimple finite dimen- sional Lie algebras, locally compact groups and unitary rings (see [82], [137]). The more recent paper [53] deals with the same problems in the context of Hopf algebras: several examples of non-injective monomorphisms and non-surjective epimorphisms are given. It turns out that the above problem is also intimately related to Kaplansky’s first conjecture in the way that every non-surjective epimorphism of Hopf algebras provides a counterexample to Kaplansky’s prob- lem. Our interest in this problem comes also from the fact that in the light of [53, Proposition 2.5] which states that a morphism of Hopf algebras is a monomorphism if and only if it is a monomorphism viewed as a morphism of coalgebras it turns out that the same characterization holds for Hopf algebra monomorphisms. Braided monoidal categories play a key role in several areas of mathematics like quantum groups, noncommutative geometry, knot theory, quantum field theory and 3-manifolds. It is well-known that the category AMA of bimodules over an algebra A over a commutative ring k is monoidal. The aim of Section 1.5 is to give an answer to the following natural question: given an algebra A, describe all braidings on AMA. The question is not as obvious as it seems: a first attempt might be to use the switch map to define the braiding, but this is not well-defined, even in the case when A is a commutative algebra. However, there are non-trivial examples of braidings on the category of bimodules. A first general result is Theorem 1.5.1, stating that braidings on the category of A-bimodules are in bijective correspondence with canonical R-matrices, these are invertible elements R in the threefold tensor product A ⊗ A ⊗ A, satisfying a list of axioms. In this situation, we will say that (A, R) is an algebra with a canonical R-matrix. Actually, this re- sult is inspired by a classical result of Hopf algebras: braidings on the category of (left) modules over a bialgebra H are in one-to-one correspondence with quasitriangular structures on H, these are elements R in the two-fold tensor product H ⊗ H satisfying certain properties. We refer to [106, Theorem 10.4.2] for detail. The next step is to reduce the list of axioms to two equations, a centralizing condition and a normalizing condition, and then we can prove in Theorem 1.5.2 that all braidings on a category of bimodules are symmetries. In the situation where A is commuta- tive, we have a complete classification: A admits a canonical R-matrix R if and only if k → A is an epimorphism in the category of rings, and then R is trivial, see Proposition 1.5.3. A The invariants functor G = (−) : AMA → Mk has a left adjoint F = A ⊗ −. We prove that G is a separable functor [109, 131] if and only if G is fully faithful and this implies that A admits a canonical R-matrix. The converse property also holds if A is free as a k-module, and then the braiding on the category of A-bimodules is unique, cf. Theorem 1.5.6. In particular, any Azumaya algebra admits a canonical R-matrix. R can be described explicitly in the cases where A is a matrix algebra or a quaternion algebra, see Examples 1.5.9 and 1.5.10. Not every algebra with a canonical R-matrix is Azumaya; for example Q is not a Z-Azumaya algebra, but 1 ⊗ 1 ⊗ 1 is a canonical R-matrix, since Z → Q is an epimorphism of rings. Thus algebras with vi a canonical R-matrix can be viewed as generalizations of Azumaya algebras. Applying Theorem 1.5.6 to finite dimensional algebras over fields, we obtain a new charac- terization of central simple algebras, namely central simple algebras are the finite dimensional algebras admitting a canonical R-matrix. As a final application, we construct a simultaneous so- lution of the quantum Yang-Baxter equation and the braid equation from any canonical R-matrix, see Theorem 1.5.13. A monoidal category can be viewed as a categorical version of a monoid. The appropriate gen- eralization of the center of a monoid is given by the centre construction, which was introduced independently by Drinfeld (unpublished), Joyal and Street [80] and Majid [98]. A key result in the classical theory is the following: the center of the category of representations of a Hopf al- gebra H is isomorphic to the category of Yetter-Drinfeld modules over H [81]. Moreover, if the Hopf algebra H is finite dimensional, then the category of Yetter-Drinfeld modules is isomorphic to the category of representations over the Drinfeld double D(H). Since the center is a braided monoidal category, it follows that the Drinfeld double is a quasitriangular Hopf algebra. Let A be an algebra over a commutative ring k. In Section 1.6, we study the center of the category AMA of A-bimodules, and relate it to some classical concepts. We introduce A ⊗ Aop-Yetter-Drinfeld modules (Definition 1.6.1), and show that the weak center of AMA is isomorphic to the category of A ⊗ Aop-Yetter-Drinfeld modules (Proposition 1.6.3). We give other descriptions: the weak center is equal to the center (Proposition 1.6.5) and is isomorphic to the category MA⊗A of co- modules over the Sweedler canonical coring A ⊗ A (Proposition 1.6.2). Moreover it was proved in [41, Theorem 5] that the category MA⊗A is isomorphic to the category of right A-modules with a flat connection as defined in noncommutative differential geometry. Thus, the category of right A-modules with a flat connection is also equal to the center. We introduce a category of descent data Desc(A/k), generalizing the descent data introduced in [83] from A commutative to A non-commutative, and this category is also isomorphic to the center. The first main result of this section is summarized in Theorem 1.6.9 which provide six isomorphic descriptions for the center of the category of A-bimodules. All six isomorphic categories are symmetric monoidal categories. In particular, the category of comodules over the Sweedler canonical A-coring A⊗A is a symmetric monoidal category and hence one can perform most of the constructions that are performed for differentiable manifolds. For instance, connections in bimodules try to mimic linear connections in geometry and are useful in capturing Riemannian aspects (see [43], [42] for more detalis). The second major application of the above results is the fact that they lead to constructing new and interesting family of solutions for the quantum Yang-Baxter equation (Theorem 1.6.14). Several examples are provided. Chapter 2 deals with the new introduced notion of unified product ([12]). Let C be a category whose objects are sets endowed with various algebraic structures (S) and D be a category such that there exists a forgetful functor F : C → D, i.e. a functor that forgets some of the structures (S). In this context we formulate a general problem which may be of interest for many areas of mathematics: Extending Structures Problem (ES): Let F : C → D be a forgetful functor and consider two objects C ∈ C, D ∈ D such that F (C) is a subobject of D in D. Describe and classify all mathematical structures (S) that can be defined on D such that D becomes an object of C and C is a subobject of D in the category C (the classification is up to an isomorphism that stabilizes
vii C and a certain type of fixed quotient D/C). The ES-problem generalizes and unifies two famous and still open problems in the theory of groups: the extension problem of Holder¨ [73] and the factorization problem of Ore [115]. Let us explain this. In Section 2.3 we formulate the ES-problem at the level of groups, corresponding to the forgetful functor F : Gr → Set: if A is a group and E a set such that A ⊆ E, describe all group structures (E, ·) that can be defined on the set E such that A is a subgroup of (E, ·). In order to do that we have introduced a new product for groups, called the unified product (Theorem 2.3.6), such that both the crossed product (the tool for the extension problem) and the bicrossed product (the tool for the factorization problem) of two groups are special cases of it. The unified product for groups is associated to a group A and a new hidden algebraic structure (H, ∗), connected by two actions and a generalized cocycle satisfying some compatibility con- ditions. We now take a step forward and formulate the ES-problem at the level of Hopf algebras corresponding to the forgetful functor F : Hopf → CoAlg: (H-C) Extending Structures Problem: Let A be a Hopf algebra and E a coalgebra such that A is a subcoalgebra of E. Describe and classify all Hopf algebra structures that can be defined on E such that A is a Hopf subalgebra of E. If at the level of groups the ES-problem is elementary, for Hopf algebras the problem is more difficult. Indeed, let A be a group and E a set such that A ⊆ E. For a field k we look at the extension k[A] ⊆ k[E], where k[A] is the group algebra that is a Hopf algebra and a subcoalgebra in the group-like coalgebra k[E]. Assume now that (E, ·) is a group structure on the set E such that A is a subgroup of (E, ·). Thus, we obtain an extension of Hopf algebras k[A] ⊆ k[E]. This extension of Hopf algebras has a remarkable property: let H ⊆ E be a system of representatives for the right cosets of the subgroup A in the group (E, ·) such that 1E ∈ H. Since the map u : A × H → E, u(a, h) = a · h is bijective, we obtain that the multiplication map k[A] ⊗ k[H] → k[E], a ⊗ h 7→ a · h is bijective, i.e. the Hopf algebra k[E] factorizes through the Hopf subalgebra k[A] and the subcoalgebra k[H]. This is not valid for arbitrary extensions of Hopf algebras. Therefore, we have to restrict the (H-C) extending structures problem to those Hopf algebras E that factorize through a given Hopf subalgebra A and a given subcoalgebra H: we called this the restricted (H-C) ES-problem and we shall give a complete answer to it in the present chapter. It turns out that H is not only a subcoalgebra of E but will be endowed additionally with a hidden algebraic structure that will play the role of the system of representatives for congruence in the theory of groups. In Section 2.7 we shall prove an equivalent description for the unified product from the view point of split extensions of Hopf algebras. Let A n H be a unified product associated to a bialgebra extending structure Ω(A) = H, /, ., f of a Hopf algebra A (see Section 3.1). Then we have an extension of bialgebras iA : A → A n H. This extension is split in the sense of [136]: there exists πA : A n H → A a left A-module coalgebra morphism such that πA ◦ iA = IdA. Thus the unified product A n H appears as a special case of the Schauenburg’s product A ∝ H but is a much more malleable version of it. Furthermore, there is more to be said and this makes a substantial difference: πA is also a normal morphism of coalgebras in the sense of Andruskiewitsch and Devoto [21]. This context fully characterizes unified products: we prove that a Hopf algebra E is isomorphic to a unified product A n H if and only if there viii exists a morphism of Hopf algebras i : A → E which has a retraction π : E → A that is a normal left A-module coalgebra morphism (Theorem 2.7.3). The next aim of this section is to make the connection between the unified product and Radford’s biproduct: for a Hopf algebra A, Proposition 2.7.6 gives necessary and sufficient conditions for iA : A → A n H to be a split monomorphism of bialgebras. In this case the unified product A n H is isomorphic as a A bialgebra to a biproduct L ∗ A, and the structure of L as a bialgebra in the category AYD of Yetter-Drinfel’d modules is explicitly described. Finally, Theorem 2.7.8 gives a general method for constructing unified products, as well as biproducts arising from a right A-module coalgebra (H, C) and a unitary coalgebra map γ : H → A. In Section 2.8 we completely describe the coquasitriangular structures on unified products (see Theorem 2.8.6). Let λ : H ⊗ A → k be a skew pairing between two Hopf algebras and consider Dλ(A, H) := A ./λ H to be the generalized quantum double as constructed in ([100, Example 7.2.6]). In particular, the coquasitriangular structures on a bicrossed product are given in Theorem 2.8.8. As the main application of Theorem 2.8.8 the set of all coquasitriangular structures on the generalized quantum double Dλ(A, H) are completely described. In particular, it is proved that a generalized quantum double is a coquasitriangular Hopf algebra if and only if both Hopf algebras A and H are coquasitriangular. Several explicit examples are also provided. Section 2.9 deals with the crossed product of Hopf algebras. The crossed product is a funda- mental construction in mathematics. It was first introduced in group theory related to the famous extension problem of Holder:¨ any extension (E, i, π) of a group H by a group G is equiva- α lent to a crossed product extension (H#f G, iH , πG). The construction of crossed products of groups has served as a model for later generalizations at the level of groups acting on rings [122], Hopf algebras acting on k-algebras [35], von Neumann algebras [107], etc. The crossed product . A#f H of a Hopf algebra H acting on a k-algebra A was introduced independently in [35] and [62] as a generalization of the crossed product of groups acting on k-algebras. It has only an algebra structure and was studied mainly as an algebra extension of A, being an essential tool in Hopf-Galois extensions theory as it is well known that Hopf-Galois extensions with normal basis are equivalent to crossed products with invertible cocycle. Many algebraic properties of the crossed product of a Hopf algebra H acting on a k-algebra A such as semisimplicity, semiprime- ness, etc. were studied in this setting ([52], [127]). If, in addition, A and H are Hopf algebras and the cocycle f : H ⊗ H → A and the action . : H ⊗ A → A are coalgebra maps satisfy- ing two compatibility conditions then we proved in Example 2.5.6, 2) that the crossed product . A#f H has a natural Hopf algebra structure which we call the crossed product of Hopf algebras. An important feature of the crossed product of Hopf algebras is the following: a Hopf algebra E is isomorphic as a Hopf algebra to a crossed product of Hopf algebras if and only if E factorizes through a normal Hopf subalgebra and a subcoalgebra containing the unit of E (Theorem 2.9.3). The aim of Chapter 3 is to prove that there exists a very rich theory behind the so-called bicrossed product (or double cross product in Majid’s terminology) of two objects which deserves to be developed further mainly because of the major impact they have in at least three different prob- lems: the classification of objects of a given dimension, the development of a general descent type theory for a given extension A ⊆ E (including a deformation type theory as a subsequent problem) which we called bicrossed descent theory as the converse of the factorization prob- lem and also the development of some new types of cohomologies that will be the key players
ix for both problems. All results presented below provide a detailed answer at the level of Hopf algebras for the three problems mentioned above and offer an argument for the major role that bicrossed products can play. In particular, for finite quantum groups we describe a new way of approaching the classification problem which we hope to be effective in the future. In order to maintain a general frame for our discussion, considering that bicrossed products were introduced and studied in various areas of mathematics, we will consider C a category whose objects are sets endowed with various algebraic, topological, differential structures. To illustrate, we can think of C as the category of groups, groupoids or quantum groupoids, algebras, Hopf algebras, local compact groups or local compact quantum groups, Lie groups, Lie algebras and so on. Let A and H be two given objects of C. We say that an object E ∈ C factorizes through A and H if E can be written as a ’product’ of A and H, where A and H are viewed as subobjects of E having minimal intersection. Here, the ’product’ depends on the nature of the category. For instance, if C = Gr, the category of groups, then a group E factorizes through two subgroups A and H if E = AH and A ∩ H = {1}. This is called in group theory an exact factorization of E and can be restated equivalently as the fact that the multiplication map A×H → E, (a, h) 7→ ah is bijective. The last assertion is also taken as a definition of factorization for other categories like: algebras [49], Hopf algebras [100], Lie groups or Lie algebras [96], [84], [103], locally compact quantum groups [145] and so on. The factorization problem is then the following very natural and elementary question: The factorization problem. Let A and H be two given objects of C. Describe and classify up to an isomorphism all objects of C that factorize through A and H. There is also an interesting converse of the above problem, called here the bicrossed descent theory, which we introduce below having as main source of inspiration the classical descent theory for modules [83]. Now let A ⊂ E be two given objects of C such that A is an subobject of E.A factorization A-form of E is a suboject H of E such that E factorizes through A and H. We denote by F(A, E) the (possibly empty) full subcategory of C of all factorization A-forms of E. The bicrossed descent theory consists of the following two questions: Existence of forms. Let A ⊂ E be an extension in C. Does there exist a factorization A-form of E? Description and classification of forms. If a factorization A-form of E exists, describe and classify up to isomorphism all factorization A-forms of E. Going back to the factorization problem for groups, an important step in dealing with this problem was the construction of the bicrossed product A ./ H associated to a matched pair (A, H, C, B) of groups given by Takeuchi [143]. A group E factorizes through two subgroups ∼ A and H if and only if there exists a matched pair of groups (A, H, C, B) such that E = A ./ H. Thus the factorization problem can be restated in a pure computational manner: Let A and H be two given groups. Describe the set of all matched pairs (A, H, C, B) and classify up to an isomorphism all bicrossed products A ./ H. In conclusion, if we are only looking for the description part of the factorization problem, for- mulated in an arbitrary category C, the following general principle (for the categories mentioned above this principle becomes a theorem) should work: an object E ∈ C factorizes through A
x and H if and only if E =∼ A ./ H, where A ./ H is a ’bicrossed product’ in the category C associated to a ’matched pair’ between the objects A and H. The classification part of the factor- ization problem is now clear: it consists of classifying the bicrossed products A ./ H associated to all matched pairs between A and H. This is the strategy that we follow for the category of Hopf algebras. For other categories, the steps taken into this direction are still shy, including the group case as well as the algebras case presented above. The present chapter offers an answer to the first and the third problem above if C = Hopf, the category of Hopf algebras. The second problem, namely the existence of forms, needs to be treated ”case by case” for every given Hopf algebra extension A ⊆ E, a computational part of it can not be avoided. The chapter is organized as follows. In Section 3.1 we shall recall the basic concepts that will be used throughout the chapter. Section 3.2 is devoted to proving some purely technical results which will be intensively used throughout the chapter. Theorem 3.2.2 describes completely the set of all morphisms of Hopf algebras ψ : A ./ H → A0 ./0 H0 between two arbitrary bicrossed products. In particular, the set of all Hopf algebra maps between two semi-direct (or smash) products of Hopf algebras is described in Corollary 3.2.3. Section 3.3 deals with the classification part of the factorization problem for which the group 1 Hl,c(H,A) of all coalgebra lazy 1-cocycles of H with coefficients in A introduced in Defini- tion 2.6.3 plays the crucial role. Let A and H be two given Hopf algebras. Theorem 3.3.7 is the classification theorem for bicrossed products: all Hopf algebras E that factorize through A and H are classified up to an isomorphism that stabilizes A by a cohomological type object 2 1 H (A, H) in the construction of which the key role is played by pairs (r, v) ∈ Hl,c(H,A) × 1 Aut CoAlg(H), consisting of a coalgebra lazy 1-cocycle r : H → A and an unitary automor- phism of coalgebras v : H → H related by a certain compatibility condition. The classification of bicrossed products up to an isomorphism that stabilizes one of the terms has at least two strong motivations: the first one is the cohomological point of view which descends to the classification theory of Holder’s¨ group extensions [133, Theorem 7.34] and the second one is the problem of describing and classifying the A-forms of a Hopf algebra from descent theory. Section 3.4 offers the full answer to the third problem above on the description and classifica- tion of forms as part of what we have called the bicrossed descent theory. The answer will be given in four steps, each of them of interest in its own right, as follows: deformation of a Hopf algebra, deformations of forms, the description of forms and finally the classification of forms. In Theorem 3.4.7 a general deformation of a given Hopf algebra H is introduced. This deforma- tion Hr of H is associated to an arbitrary matched pair of Hopf algebras (A, H, B, C) and to an (B, C)-cocycle r : H → A in the sense of Definition 3.4.4. As a coalgebra Hr = H, with the new multiplication • defined by h • g := h / r(g(1)) g(2) for all h, g ∈ Hr = H. Then Hr is a new Hopf algebra called the r-deformation of H. Now let A ⊆ E be an extension of Hopf algebras and F(A, E) the small category, possibly empty, of all factorization A-forms of E: hence, F(A, E) is the category of all Hopf subalgebras H ⊆ E such that E factorizes through A and H. Let F sk(A, E) be the skeleton of F(A, E), that is a set of types of isomorphisms of all factorization A-forms of E. The factorization index of the extension E/A, introduced in Definition 3.4.2 and denoted by [E : A]f , is the cardinal of F sk(A, E), i.e. [E : A]f = | F sk(A, E) |. The extension A ⊆ E is called rigid if [E : A]f = 1.
xi Rigid extensions are interesting for the following reason. Assume that E/A is rigid: if E =∼ A ./ H =∼ A ./0 H0, then H =∼ H0. This is a Krull-Schmidt-Azumaya type theorem for bicrossed product of two Hopf algebras: the rigid extensions of Hopf algebras are exactly those for which the decomposition as a bicrossed product is unique. Examples of rigid extensions as well as of extensions E/A such that [E : A]f ≥ 2, which are quite rare, are provided. Theorem 3.4.9 proves that if r : H → A is an (B, C)-cocycle, then the r-deformation Hr is a factorization r A-form of the bicrossed product A ./ H, that is there exists a new matched pair (A, Hr, B , C) r ∼ such that A ./ Hr = A ./ H. We called this result deformation of forms: another name used for a similar result at the level of algebras is invariance under twisting theorem [76, Theorem 4.4]. The description of forms is given in Theorem 3.4.10 which is the converse of Theorem 3.4.9: if H is a given factorization A-form of E then any other form H is isomorphic as a Hopf algebra with an Hr, for some (B, C)-cocycle r : H → A. This result is interesting in its own right as it proves that in order to find all the objects of the category F(A, E) of all factorization A-forms of E it is enough to know only one object H: all other objects are deformations of H. Finally, as a conclusion of these theorems, the classification of forms is proved as the main result of the section, namely Theorem 3.4.6: if H is a given factorization A-form of E then there exists a bijection between the set of types of isomorphisms of all factorization A-forms of E and a new 2 cohomological object HA (H,A | (B, C)). In particular, we obtain a formula for computing the f 2 factorization index of a given extension A ⊆ E: [E : A] = |HA (H,A | (B, C))|. Mutatis- mutandis, Theorem 3.4.6 can be viewed as a bicrossed version for Hopf algebras of the classical result in descent theory: if k ⊆ l is a faithfully flat extension of commutative rings then the first Amitsur cohomology group is isomorphic to the relative Picard group Pic(l/k) ([83]). In Section 3.5 we provide some explicit examples: for two given Hopf algebras A and H we will describe by generators and relations and classify up to an isomorphism all Hopf algebras E that factorize through A and H. Furthermore, for any such Hopf algebra E the factorization index [E : A]f is computed. There are three steps that we go through: first of all we compute the set of all matched pairs between A and H. This is the computational part of our schedule and can not be avoided. Then we describe by generators and relations the bicrossed products A ./ H associated to all these matched pairs. Finally, using Theorem 3.2.2, we shall classify up to an isomorphism these bicrossed products A ./ H. As an application, the group Aut Hopf (A ./ H) of all Hopf algebra automorphisms of a given bicrossed product is computed. All the results proved in Section 3.4 can be translated to groups by replacing the category C = Hopf with the category Gr of groups, without needing a proof. We write down briefly these new results in Section 3.6.
xii Inleiding
Een bialgebra is een lineaire ruimte voorzien van een algebra en een coalgebra structuur die met elkaar compatibel zijn. Een Hopf algebra is een bialgebra H voorzien van een lineaire afbeelding S : H → H, genaamd de antipode met eigenschappen die kunnen vergeleken worden met de eigenschappen van inverse elementen, die van een monoide een groep maken. Historisch kunnen we twee belangrijke bloeiperioden onderscheiden in de ontwikkeling van de algebraische theorie van Hopf algebras, die we de klassieke periode en de quantum periode kun- nen noemen. Klassieke periode: De oorsprong van Hopf algebras vinden we terug in algebraische topologie en algebraische meetkunde, vanaf de jaren 40. Een doorgedreven algebraische studie situeert zich in de periode 1960-1980; Hopf algebras manifesteren zich als algebras of reguliere functies op algebraische groepen, of als algebras van representerende functies on compacte Lie groepen, of als omhullend algebras van Lie algebras. De eerste belangrijke resultaten in dit verband zijn toe te schrijven aan Borel, Dieudonne,´ Cartier, Hochschild, Milnor, Moore, Kostant, De- mazure en Grothendieck. Het hoogtepunt van de eerste bloeiperiode is wellicht de publicatie van Sweedler’s monografie “Hopf algebras” in 1969; vanaf dan kunnen we Hopf algebra the- orie beschouwen als een aparte wiskundige discipline. Een reeks wiskundige gebieden, zoals groepentheorie, algebraische groepen, algebraische topologie, Lie algebras, locaal compacte groepen, representatie theorie, Galois theorie, gegradeerde ringen zijn nauw verweven met Hopf algebras. Het is rond deze ideeen¨ dat de theorie van Hopf algebras zich ontwikkeld heeft tijdens de eerste bloeiperiode; hierbij lag de focus in veel gevallen op veralgemeningen en unificaties van resultaten uit bovenvermelde disciplines naar het meer algemene kader van Hopf algebras. Laat ons hier vermelden dat een aantal elementaire resultaten, zoals de stelling van Lagrange in groepentheorie, of de klassieke Galois theorie, hebben aanleiding gegeven tot problemen over Hopf algebras die pas na vele jaren opgelost werden. Twee problemen worden ook vandaag nog intensief bestudeerd. Ten eerste is er het classificatieprobleem, dat teruggaat tot de clas- sificatie van eindige groepen: klasseer Hopf algebras van een gegeven dimensie, al dan niet met bepaalde vooraf gegeven eigenschappen. Daarnaast is er de studie van acties en coacties van Hopf algebras op algebras en coalgebras, een probleem dat zijn wortels vindt in de klassieke rep- resentatietheorie van groepen, algebras en Lie algebras. Quantum periode. De tweede bloeiperi- ode nam een aanvang in 1987, met de publicatie van het artikel “Quantum groups” door Victor Drinfeld, dat een revolutie teweegbracht: nieuwe technieken, nieuwe voorbeelden, en een vloed aan nieuwe interacties met andere wiskundige disciplines, zoals niet-commutatieve meetkunde, wiskundige natuurkunde, knopentheorie, conformele veldentheorie, categorie theorie, combi- natoriek en statistische quantum mechanica. Niet-commutatieve meetkunde, bijvoorbeeld, is essentieel gebaseerd op een eenvoudig idee. Werken met punten in een ruimte of een manifold M is equivalent met het werken met de algebra van functies op M. Vanuit een categorisch stand- punt is een quantum ruimte een representeerbare functor op de categorie van (niet noodzakelijk commutatieve) algebras. Als het representerende object een Hopf algebra is, dan noemen we deze quantum ruimte een quantum groep. Quantum groepen (of Hopf algebras) zijn nu aan- vaard als het natuurlijke analogon van klassieke groepen, tenminste vanuit een niet-commutatief meetkundig standpunt.
xiii Een nieuw keerpunt was de invoering van braided (gebreide) monoidale categorieen¨ door Joyal en Street in 1993. Dit werk was een mijlpaal, door het unificerende karakter ervan, en door de gevolgen ervan, niet alleen op de theorie van de quantum groepen, maar ook op categorie the- orie, knopen theorie, en wiskundige fysica. Ons werk behelst aspecten van zowel het klassieke als het quantum deel van de Hopf algebra theorie.
In Hoofdstuk 1 bestuderen we Hopf algebras vanuit een categorisch standpunt. Het is welbek- end dat de categorie van de algebras volledig en co-volledig is, een gevolg van het bestaan van producten, coproducten, equalizers en coequalizers van algebras. De categorieen¨ van de coalge- bras en van de bialgebras hebben willekeurige coproducten en coequalizers (zie [58, Proposition 1.4.19], [43, Proposition 2.10], [118, Corollary 2.6.6]), en dus zijn ze co-volledig. In § 1.2 zullen we aantonen dat ook de categorie van de Hopf algebras coproducten en coequalizers heeft. Een natuurlijke vraag is of deze categorieen¨ ook compleet zijn; in de klassieke literatuur over Hopf algebras hebben we geen antwoord op deze vraag kunnen vinden. Een zeer gedeeltelijk resultaat kan gevonden worden in [58, Proposition 1.4.21], waar het bestaan van eindige producten (dit zijn hier tensor producten) van cocommutatieve coalgebras bestaan. Dit is een lacune die we zullen opvullen. Gebruik makend van het resultaat dat de vergeetfunctor van coalgebras naar vectorruimten een rechtstoegevoegde heeft, de zogenaamde co-vrije coalgebra, kunnen we ex- pliciet het product van een willekeurige familie coalgebras construeren. Als toepassing kunnen we ook het product van een willekeurige familie bialgebras of Hopf algebras beschrijven. Equal- izers van families coalgebras, bialgebras en Hopf algebras kunnen we ook expliciet beschrijven, en dus zijn de bijhorende categorieen¨ compleet. We geven ook een expliciete beschrijving van limieten in deze categorieen.¨ In het basiswerk van Sweedler vinden we volgende problemen, zonder enig bewijs, zie [139, p. 135]. Bestaat er een vrije Hopf algebra over een coalgebra C? Anders geformuleerd, heeft de vergeetfunctor van Hopf algebras naar coalgebras een linkstoegevoegde? Eenzelfde vraag kun- nen we stellen voor de cateogrie van commutatieve Hopf algebras. Het heeft vele jaren geduurd tot Takeuchi een positief antwoord heeft gegeven op beide vragen, in [142, Sections §1 and §11] Zijn bewijs is gebaseerd op een ingenieuze constructie. Ook het duale probleem wordt reeds geformuleerd in het boek van Sweedler, zie [139, p. 135]: bestaat er een covrije Hopf algebra over een algebra A? Anders geformuleerd: heeft de vergeetfunctor van Hopf algebras naar al- gebras een rechtstoegevoegde? Kort geleden werd bewezen dat het bestaan van covrije Hopf algebras over algebras het bestaan impliceert van covrije cocommutatieve Hopf algebras over al- gebras, zie [123, Corollary 4.1.4]. We zullen het bestaan van covrije Hopf algebras over algebras aantonen in § 1.3. Voor de volledigheid geven we ook de constructie van de rechtstoegevoegde, zoals beschreven in [53]. Monomorfismen in k-Coalg werden gekarakteriseerd in [108]; in § 1.4 voegen we daar nieuwe karakterisaties aan toe; een eerste karakterizatie is cohomologisch, en de tweede houdt verbandt met het cotensor product CDC. In een concrete categorie C kan de natuurlijke vraag gesteld worden of epimorfismen samenvallen met surjecties, en, duaal, monomorfismen met injecties. Dit type problemen is veelvuldig bestudeerd geweest. In [133] wordt aangetoond dat epimorfis- men surjecties zijn in de volgende categorieen:¨ von Neumann algebras, C∗-algebras, groepen, eindige groepen, Lie algebras, compacte groepen. De eigenschap geldt echter niet in de cate- xiv gorieen¨ der eindig dimensionale Lie algebras, semienkelvoudige eindig dimensionaleLie alge- bras, locaal compacte groepen en ringen met een eenheid, zie [82], [137]. In [53] wordt hetzelfde probleem bestudeerd in de context van Hopf algebras; hier worden diverse voorbeelden van niet- injectieve monomorfismen en niet-surjectieve epimorfismen gegeven. Het is ook gebleken dat dit probleem nauw verband houdt met eerste vermoeden van Kaplansky, in die zin dat elk niet- surjectief epimorfisme van Hopf algebras een tegenvoorbeeld voor Kaplansky’s vermoeden met zich meebrengt. Onze interesse in dit probleem vloeit ook voor uit [53, Proposition 2.5]: een Hopf algebra morfisme is een monomorfisme als en alleen als het een monomorfisme is in de categorie der coalgebras. Gebreide monoidale categorieen¨ spelen een sleutelrol in diverse gebieden binnen de wiskunde: quantum groepen, niet-commutatieve meetkunde, knopentheorie, quantum veldentheorie en 3- manifolds. Het is welbekend dat de categorie der bimodulen AMA over een algebra A monoidaal is. We doel van § 1.5 is een antwoord te geven op de volgende vraag: beschrijf alle gebreide structuren op AMA. Deze vraag is niet zo eenvoudig als ze lijkt, zelfs in het geval waarin A commutatief is. Toch bestaan er niet-triviale voorbeelden. Een eerste algemeen resultaat is hoofdstelling 1.5.1: gebreide structuren op de categorie der bimodulen corresponderen bijectief met kanonieke R-matrices, dit zijn inverteerbare elementen R in het drievoudige tensor product A ⊗ A ⊗ A, die aan zekere axioma’s voldoen. We zullen dan zeggen dat (A, R) een algebra met een kanonieke R-matrix is. Dit resultaat is trouwens geinspireerd door een klassiek re- sultaat over Hopf algebras, namelijk het feit dat gebreide structuren op de categorie der linkse modulen over een bialgebra H bijectief corresponderen met quasitriangulaire structuren op H, dit zijn elementen in het tweevoudig tensor product H ⊗ H, die aan zekere voorwaarden vol- doen, zie bijvoorbeeld [106, Theorem 10.4.2]. De lijst van axioma’s waaraan R moet voldoen kan gereduceerd worden to twee vergelijkingen, namelijk een centralizerende en een normaliz- erende voorwaarde. In hoofdstelling 1.5.2 bewijzen we dat alle gebreide structuren symmetrieen¨ zijn; in het geval waarin A commutatief is hebben we een volledige karakterizatie: A heeft een kanonieke R-matrix als en alleen als k → A een epimorfisme is in de categorie der ringen, en in dit geval is R triviaal, zie stelling 1.5.3. A De invarianten functor G = (−) : AMA → Mk heeft een linkstoegevoegde F = A ⊗ −. We toenen aan dat G separabel is in de zin van [109, 131] als en alleen als G voltrouw is, en dit impliceert dat A kan uitgerust worden met een voltrouwe R-matrix. De omgekeerde eigenschap geldt wanneer A vrij is als een K-moduul, en dan is de gebreide structuur uniek, zie hoofd- stelling 1.5.6. In het bijzonder heeft elke Azumaya algebra een kanonieke R-matrix. R kan expliciet beschreven worden in de situaties waarin A een matrix algebra of een quaternionen algebra is, zie voorbeelden 1.5.9 and 1.5.10. Niet elke algebra met een kanonieke R-matrix is Azumaya; Q is niet Azumaya als een Z-algebra, maar heeft wel een kanonieke R-matrix. Als we hoofdstelling 1.5.6 toepassen op eindig dimensionale algebras, dan verkrijgen we een al- ternatieve karakterizatie van centraal enkelvoudige algebras, het zijn namelijk precies de eindig dimensionale algebras die een kanonieke R-matrix hebben. Een verdere toepassing is de con- structie van een gelijktijdige oplossing van de quantum Yang-Baxter vergelijking en de brei vergelijking, vertrekkende van een kanonieke R-matrix, zie hoofdstelling 1.5.13. Een monoidale categorie is in wezen de categorische versie van een monoide. De centrum constructie is de categorische versie van het centrum van een monoide; deze werd onafhankelijk
xv van elkaar ingevoerd door verschillende auteurs: Drinfeld (niet gepubliceerd), Joyal en Street [80] en Majid [98]. Een cruciaal resultaat is dat het centrum van de categorie der representaties van een Hopf algebra H isomorf is met de categorie der Yetter-Drinfeld modulen over H, zie bijvoorbeeld [81]. Als H ook eindigdimensionaal is, dan is het centrum ook isomorf met de categorie der representaties van de Drinfeld dubbel D(H). Omdat het centrum bij constructie een gebreide monoidale categorie is, volgt hieruit dat de Drinfeld dubbel een quasitriangulaire Hopf algebra is. In § 1.6 bestuderen we het centrum van de categorie AMA der bimodulen over een k-algebra A. We voeren A ⊗ Aop-Yetter-Drinfeld modulen in, zie Definition 1.6.1, en laten op zien dat het zwakke centrum van AMA isomorf is met de categorie der A ⊗ A -Yetter-Drinfeld modulen, zie stelling 1.6.3. We geven ook andere beschrijvingen: het zwakke centrum is gelijk aan het centrum, en isomorf met de categorie MA⊗A bestaande uit comodulen over Sweedler’s kanonieke coring. In [41, Theorem 5] werd bewezen dat deze ook isomorf is met de categorie der A-modulen met een platte connectie, zoals gedefinieerd in niet-commutatieve algebraische meetkunde. We voeren ook een categorie Desc(A/k) van “descent data” in, en deze is een niet- commutatieve veralgemening van de descent data ingevoerd in [83], en deze is ook isomorf met het centrum. De resultaten worden samengevat in hoofdstelling 1.6.9, waarin zes categorieen¨ worden beschreven die isomorf zijn met het centrum. Deze zijn allen symmetrisch, en in het bijzonder is de categorie der comodulen over Sweedler’s kanonieke coring symmetrisch, een eigenschap die voorheen onbekend was, en ondertussen reeds toepassingen heeft, zie [42]. Onze constructies hebben ook geleid tot nieuwe interessante oplossingen van de quantum Yang-Baxter vergelijking, zie hoofdstelling 1.6.14. We presenteren diverse voorbeelden. In Hoofdstuk 2 bestuderen we eengemaakte producten, zie [12]. Zij C een categorie waarvan de objecten verzamelingen zijn, uitgerust met een algebraische structuur (S), en D een categorie zodanig dat er een vergeetfunctor F : C → D bestaat. We kunnen dan het volgende algemeen probleem formuleren. Uitbreiden van de structuur (ES): Beschouw C ∈ C, D ∈ D, zodat F (C) een deelobject is van D. Beschrijf en klasseer alle mogelijke structuren (S) die kunnen gedefinieerd worden op D zodat D ∈ C en C is een deelobject van D in C. Het ES-probleem veralgemeent twee bekende problemen uit de groepentheorie: het extensie probleem van Holder¨ [73] en het factorizatie probleem van Ore [115]. In § 2.3 zullen we het ES-probleem formuleren voor groepen, meer bepaald voor de vergeetfunctor F : Gr → Set: als A een groep is, en E een verzameling die A bevat, beschrijf dan alle groepstructuren (E, ·) zodat A een deelgroep is van E. Om dit te kunnen doen moeten we een nieuw product van groepen invoeren, genaamd het eengemaakt product, zie hoofdstelling 2.3.6, waarvan zowel het gekruist product (hulpmiddel voor het extensie probleem) en het dubbelgekruist product (hulp- middel voor het factorizatieprobleem) speciale gevallen zijn. Het eengemaakt product kunnen we associeren aan een groep A en een nieuwe algebraische structuur (H, ∗), aan elkaar verbon- den via twee acties, en een veralgemeend cocycle dat aan zekere compatibiliteitscondities moet voldoen. De volgende stap bestaat er nu in om het ES-probleem te formuleren op het niveau van Hopf algebras, voor de vergeetfunctor F : Hopf → CoAlg. (H-C) Uitbreiden van de structuur: Beschouw een Hopf algebra A en een coalgebra E zo- danig dat A een deelcoalgebra is van E. Beschrijf en klasseer alle Hopf algebra structuren op
xvi E zodat A een Hopf deelalgebra is van E. Dit probleem is ingewikkelder dan het corresponderend probleem voor groepen. Neem een groep A en een verzameling E zodat A ⊂ E. We kunnen dan kijken naar de uitbreiding k[A] ⊆ k[E]. Onderstel nu dat (E, ·) een groepsstructuur is op E zodat A een deelgroep is van E. We hebben dan een Hopf algebra uitbreiding k[A] ⊆ k[E], en deze heeft een opmerkenswaardige eigenschap die in het algemeen niet geldt. Neem een representerend systeem H ⊆ E voor de rechtse cosets van de deelgroep A van (E, ·), zodat 1E ∈ H. De afbeelding u : A × H → E, u(a, h) = a · h is bijectief, en dus is ook de vermenigvuldiging
k[A] ⊗ k[H] → k[E], a ⊗ h 7→ a · h bijectief, wat betekent dat de Hopf algebra k[E] factorizeert door de Hopf deelalgebra k[A] en de deelcoalgebra k[H]. Zoals gezegd geldt dit niet voor willekeurige extensies van Hopf alge- bras, en hierdoor moeten we het extensie probleem (H-C) beperken tot die Hopf algebras E die factorizeren door een gegeven Hopf deelalgebra A en een gegeven coalgebra H. Dit probleem noemen we het beperkte (H-C) ES-probleem, en in Hoofdstuk 2 geven we een volledig antwo- ord hierop. Het blijkt dat H niet alleen een deelcoalgebra is van E, maar ook een verborgen algebra structuur heeft, die de rol speelt van het systeeem van represantanten in de theorie voor extensies van groepen. In § 2.7 geven we een equivalente beschrijving van het eengemaakt prod- uct, vanuit het standpunt van gespleten uitbreidingen van Hopf algebras. Neem een eengemaakt product A n H, geassocieerd aan de bialgebra structuur Ω(A) = H, /, ., f , zie § 3.1. We hebben dan een bialgebra uitbreiding iA : A → A n H, en deze is gespleten in de zin van [136]: er bestaat een links A-moduul coalgebra morfisme πA : A n H → A zodat πA ◦ iA = IdA. Het eengemaakt product is dus een speciaal geval van het Schauenburg product A ∝ H, maar er valt wel gemakkelijker mee te werken. Bovendien is πA een normaal morfisme van coalgebras, in de zin van Andruskiewitsch and Devoto [21]. Dit is een volledige karakterizatie van eengemaakte producten: een Hopf algebra E is isomorf met een eengemaakt product A n H als en slechts als er een morfisme van Hopf algebras i : A → E, met een retractie π : E → A die een normaal links A-moduul coalgebra morfisme is, zie hoofdstelling 2.7.3. Het volgende doel is om een ver- band te leggen tussen het eengemaakte product en het Radford biproduct: in stelling 2.7.6 geven we nodige en voldoende voorwaarden opdat iA : A → A n H een gespleten monomorfisme van bialgebras is. In dit geval is AnH isomorf als bialgebra met een biproduct L∗A, en de structuur A van L als bialgebra in de categorie AYD der Yetter-Drinfeld modulen can expliciet beschreven worden. In hoofdstelling 2.7.8 geven we een algemene methode om eengemaakte producten te construeren, en biproducten die voortkomen uit een rechtese A-moduul coalgebra (H, C) en een unitaire coalgebra afbeelding γ : H → A. In § 2.8 geven we een volledige beschrijving van coquasitriangulaire structuren op eengemaakte producten, zie hoofdstelling 2.8.6. Zij λ : H ⊗ A → k een scheve paring tussen twee Hopf algebras, and beschouw de veralgemeende quantum dubbel Dλ(A, H) := A ./λ H zoals die geconstrueerd werd in [100, Example 7.2.6]. In hoofdstelling 2.8.8 geven we de coquasitriangu- laire structuren op een dubbel gekruist product. Als toepassing kunnen we de coquasitriangulaire structuren op Dλ(A, H) volledig beschrijven. In het bijzonder kunnen we aantonen dat een ve- ralgemeende quantum dubbel coquasitriangulair is als en slechts als beide onderliggende Hopf algebras A and H coquasitriangulair zijn. We geven ook een aantal voorbeelden.
xvii In § 2.9 bestuderen we gekruiste producten van Hopf algebras. Gekruiste producten werden eerst ingevoerd in groep theorie, naar aanleiding van het extensie probleem van Holder:¨ een uitbrei- ding (E, i, π) van een groep H door een groep G is equivalent met een gekruiste product uit- α breiding (H#f G, iH , πG). Deze constructie heeft later als model gediend bij de invoering van gekruiste producten in het kader van groepacties op ringen [122], Hopf algebra acties op algebras . [35], von Neumann algebras [107], enz. Het gekruiste product A#f H van een Hopf algebra H agerend op een algebra A werd onafhankelijk ingevoerd in [35] en [62] als een veralgemening van de situatie waarbij een groep ageert op een algebra. Dit gekruist product heeft enkel een algebra structuur, en het werd bestudeerd als algebra uitbreiding van A. Het gekruist product is essentieel in Hopf-Galois theorie: Hopf-Galois uitbreidingen met normale basis zijn precies gekruiste producten met een inverteerbare cocycle. Algebraische eigenschappen van gekruiste producten, zoals halfenkelvoudigheid, halfpriemheid, en anderen werden bestudeerd in onder- meer [52], [127]. In voorbeeld 2.5.6 bewijzen we dat het gekruiste product een natuurlijke Hopf algebra structuur draagt, als aan bijkomend voorwaarden voldaan is. We noemen dit het gekruist product van Hopf algebras. Een opmerkelijk resultaat is dat een Hopf algebra E isomorf is met een gekruist product van Hopf algebras als en slechts als E factorizeert door een normale Hopf deelalgebra en een deelcoalgebra die de eenheid van E bevat, zie hoofdstelling 2.9.3. Het doel van Hoofdstuk 3 is aan te tonen dat er een rijke theorie verscholen zit achter dubbel gekruiste producten; deze heeft een impact op tenminste drie algemene problemen: classificatie van objecten van een gegeven dimensie; ontwikkeling van een algemene “descent” theorie voor een gegeven uitbreiding A ⊆ E, met inbegrip van deformatie achtige theorieen),¨ en de on- twikkeling van nieuwe types van cohomologieen.¨ Antwoorden op deze drie problemen worden gegeven in het kader van Hopf algebras, en het zal blijken dat dubbel gekruiste producten hierin een cruciale rol spelen. In het bijzonder stellen we een alternatieve benadering voor het clas- sificatie probleem voor eindige quantum groepen voor, en we koesteren de hoop dat die in de toekomst efficient¨ zal blijken te zijn. Om een algemeen raamwerk voor onze discussie te kunnen aanhouden, in acht genomen de rol die dubbel gekruiste producten spelen in diverse takken van de wiskunde, werken we in een cate- gorie C waarvan de objecten verzamelingen zijn voorzien van diverse algebraische, topologische of differentiele¨ structuren, zoals groepen, quantum groepoiden, locaal compacte groepen, Lie groepen of Lie algebras. Neem twee objecten A en H in C. We zeggen dat E ∈ C factorizeert door A en H als E kan geschreven worden als een “product” van A en H, waar A en H bekeken worden als deelobjecten van H met een minimale doorsnede. Het product hangt hier af van de aard van de categorie. In het geval waarin C = Gr, de categorie van de groepen, hebben we bijvoorbeeld dat E factorizeert door twee deelgroepen A en H als E = AH en A ∩ H = {1}. In groepentheorie wordt dit een exacte factorizatie genoemd, en een equivalente formulering is de voorwaarde dat de vermenigvuldiging A × H → E, (a, h) 7→ ah bijectief is. Deze laatste voorwaarde wordt ook genomen als definitie voor factorizatie in andere categorieen¨ zoals alge- bras [49], Hopf algebras [100], Lie groups en Lie algebras [96], [84], [103], locaal compacte quantum groupen [145]. Het factorizatie probleem herleidt zich dan tot de volgende natuurlijke en eenvoudige vraag. Het factorizatie probleem. Neem objecten A en H in C. Beschrijf en klasseer objecten in C die factorizeren door A en H. xviii Het is ook interessant om het omgekeerde probleem te beschouwen; de achterliggende theorie noemen we dubbel gekruiste descent theorie. Onze klassieke inspiratie is descent theorie voor modulen, zie [83]. Onderstel dat A ⊂ E objecten zijn in C. Een factorizatie A-vorm van E is een subobject H van E zodat E factorizeert door A en H. De (mogelijk lege) volledige deelcategorie van C bestaande uit factorizatie A-vormen van E noteren we als F(A, E). Dubbel gekruiste descent theorie bestudeert de volgende vragen. Bestaan van vormen. Neem een uitbreiding A ⊂ E in C. Bestaat er een factorizatie A-vorm van E? Beschrijving en classificatie van vormen. In de onderstelling dat een factorizatie A-vorm van E bestaat, beschrijf en klasseer alle factorizatie A-vormen van E op isomorfisme na. Als we kijken naar het factorizatie probleem voor groepen, dan is een belangrijke stap naar de oplossing van het probleem de constructie van een dubbel gekruist product A ./ H geasso- cieerd aan een “matched” paar van groepen (A, H, C, B), zoals ingevoerd door Takeuchi [143]. E factorizeert door A en H als en alleen als er een matched paar (A, H, C, B) bestaat zodat E =∼ A ./ H. Het factorizatie probleem kan dus geherformuleerd worden als een zuiver compu- tationeel probleem: Beschrijf de verzameling van alle matched paren (A, H, C, B) en klasseer alle dubbel gekruiste producten op isomorfisme na. In andere categorieen¨ trachten we dezelfde strategie te volgen. Dit werkt goed in het geval van Hopf algebras, voor andere categorieen¨ is dit op dit ogenblik minder duidelijk. We hebben Hoofdstuk 3 als volgt georganizeerd. Voorafgaande begrippen worden besproken in § 3.1; in § 3.2 geven we een aantal zuiver technische resultaten, die van belang zijn voor de rest van het hoofdstuk. In hoofdstelling 3.2.2 geven we een beschrijving van de verzameling van alle Hopf algebra morfismen ψ : A ./ H → A0 ./0 H0 tussen twee dubbel gekruiste producten. In het bijzonder vinden we de verzameling van alle Hopf algebra morfismen tussen semi-directe producten (of smash producten) van Hopf algebras terug in Corollary 3.2.3. In § 3.3 behandelen we het classificatie gedeelte van het factorizatie probleem. Een belangrijke 1 rol is weggelegd voor de groep Hl,c(H,A) bestaande uit luie 1-cocycles van H met coeffici¨ enten¨ in A. hoofdstelling 3.3.7 is de classificatie stelling voor dubbel gekruiste producten: alle Hopf algebras E die factorizeren door een gegeven A en H worden geklasseerd, op isomorfisme dat A stabiliseert na, door een cohomologisch object H2(A, H). Dit wordt geconstrueerd vertrekkende 1 1 van koppels (r, v) ∈ Hl,c(H,A) × Aut CoAlg(H) bestaande uit een lui cocycle en een unitair coalgebra automorfisme v van H, waartussen een bepaalde compatibiliteitsvoorwaarde bestaat. § 3.4 biedt een volledig antwoord tot het derde probleem hierboven, over de classificatie van vormen. We gaan tewerk in vier stappen, die elk hun intrinsiek belang hebben: deformatie van Hopf algebras, deformatie van vormen, beschrijving van vormen, en tenslotte de classificatie van vormen.
In hoofdstelling 3.4.7 geven we een algemene deformatie Hr van een gegeven Hopf algebra H, geassocieerd aan een matched paar van Hopf algebras (A, H, B, C) en een (B, C)-cocycle r : H → A in de zin van Definition 3.4.4. Hr = H als een coalgebra, en de nieuwe vermenigvuldiging • is gegeven door de formule h • g := h / r(g(1)) g(2), voor alle h, g ∈ Hr = H. Hr is een nieuwe Hopf algebra, genaamd de r-deformatie van H.
xix Neem nu een Hopf algebra uitbreiding A ⊆ E, en de kleine categorie F(A, E) zoals hiervoor beschreven. We noteren het skelet hiervan door F sk(A, E). De factorizatie index [E : A]f is het aantal elementen van F sk(A, E), zie Definition 3.4.2. We noemen de uitbreiding A ⊆ E star als [E : A]f = 1. Het belang van starre extensies wordt ge¨ıllustreerd door de volgende eigenschap: als E/A star is, en A ./ H =∼ A ./0 H0, dan is ook H =∼ H0. Dit is een Krull-Schmidt-Azumaya type eigenschap voor dubbel gekruiste producten: de starre uitbreidingen van Hopf algebras zijn precies diegenen waarvoor de ontbinding als een dubbel gekruist product uniek is. We geven (zeldzame) voorbeelden van starre uitbreidingen, en ook van uitbreidingen met factorizatie index groter dan of gelijk aan 2. Als r : H → A een (B, C)-cocycle is, dan is de r-deformatie Hr r een factorizatie A-vorm van A ./ H, m.a.w. er bestaat een nieuw matched paar (A, Hr, B , C) r ∼ zodanig dat A ./ Hr = A ./ H, zie hoofdstelling 3.4.9. We noemen dit resultaat deformatie van vormen; een andere naam die gebruikt werd voor een gelijkaardig resultaat over algebras is invariantie onder verdraaiingen, zie [76, Theorem 4.4]. De beschrijving van vormen wordt gegeven in hoofdstelling 3.4.10, het omgekeerde resultaat van hoofdstelling 3.4.9: als H een factorizatie A-vorm van E is, dan is elke andere vorm H isomorf met Hr als een Hopf algebra, voor een zeker (B, C)-cocycle r : H → A. Dit resultaat is op zichzelf van belang, omdat het aantoont dat het in wezen volstaat om e´en´ object van de categorie F(A, E) te kennen om ze allemaal te kennen. Deze resultaten leiden naar ons hoofdresultaat over de classificatie van vormen, hoofdstelling 3.4.6. Als H een gegeven factorizatie A-vorm van E is, dan bestaat er een bijecie tussen de verzameling van de isomorfisme klassen van factorizerende A-vormen van 2 E en het cohomologische object HA (H,A | (B, C)). Dit leidt ook tot volgende formule voor f 2 de factorizatie index: [E : A] = |HA (H,A | (B, C))|. hoofdstelling 3.4.6 kan beschouwd worden als de dubbel gekruiste versie voor Hopf algebras van de Hilbert 90 stelling: als k ⊆ l een trouw platte uitbreiding van commutatieve ringen is, dan is de relatieve Picard groep Pic(l/k) isomorf met de eerste Amitsur cohomologie groep, zie bijv. [83]. Expliciete voorbeelden worden gegeven in § 3.5: voor twee gegeven Hopf algebras A en H beschrijven we met generatoren en relaties alle Hopf algebras E die factorizeren door A en H. We geven ook de classificatie op isomorfisme na, en bepalen de factorizatie index [E : A]f . Dit verloopt in drie stappen. Eerst berekenen we alle matched paren; dit is het rekentechnische deel, en dit kan niet vermeden worden. Dan beschrijven we de dubbel gekruiste producten met gener- atoren en relaties. Tenslotte passen we hoofdstelling 3.2.2 toe om de classificatie op isomorfisme na uit te voeren. Als toepassing berekenen we de groep der Hopf algebra automorfismen van een dubbel gekruist product Aut Hopf (A ./ H). Alle resultaten in § 3.4 kunnen vertaald worden naar groepen toe, door de categorie der Hopf algebras te vervangen door die der groepen. Deze resultaten, waarvoor geen bewijs nodig is, worden samengevat in § 3.6.
xx 1 Categorical constructions for Hopf algebras and related topics
1.1 Preliminaries
In this section we introduce the basic framework that will be used throughout this chapter. In what follows k will be a commutative ring. In some specific cases, we will assume that k is a field. Unless specified otherwise, all modules, algebras, coalgebras, bialgebras, tensor prod- ucts and homomorphisms are over k. Our notation for the standard categories is as follows: kM (k-vector spaces), k-Alg (associative unital k-algebras), k-CoAlg (coalgebras over k), k- BiAlg (bialgebras over k), k-HopfAlg (Hopf algebras over k), MC (right C-comodules), C MD ((C,D)-bicomodules) where C, D are k-coalgebras. For a coalgebra C, we will use Sweedler’s Σ-notation, that is, ∆(c) = c(1) ⊗ c(2), (I ⊗ ∆)∆(c) = c(1) ⊗ c(2) ⊗ c(3), etc. We also use the r Sweedler notation for left and right C-comodules: ρM (m) = m[0] ⊗ m[1] for any m ∈ M if r l l (M, ρM ) is a right C-comodule and ρN (n) = n<−1> ⊗ n<0> for any n ∈ N if (N, ρN ) is a left l C-comodule. Suppose that M is a left C-comodule with structure map ρM : M → C ⊗M and a r r l l r right D-module with structure map ρM : M → M ⊗ D such that (I ⊗ ρM )ρM = (ρM ⊗ I)ρM . We then say that M is a (C,D)-bicomodule . For further details regarding the theory of co- modules we refer to [43]. We use the standard notations for opposite and coopposite structures: Aop denotes the opposite of the algebra A and Ccop stands for the coopposite of the coalgebra C. We also require some notions related to homological coalgebra. For basic definitions and properties we refer to [61]. We just recall here, for further reference, the description of the first cohomology group of a coalgebra C with coefficients in a (C,C)-bicomodule N:
0 ∗ l r H (N,C) = {γ ∈ N |(I ⊗ γ)ρN = (γ ⊗ I)ρN } ∗ = {γ ∈ N |n<−1>γ(n<0>) = γ(n[0])n[1], ∀n ∈ N}
Given a vector space V , (K(V ), p) stands for the cofree coalgebra on V , where K(V ) is a coalgebra and p : K(V ) → V is a k-linear map, while (T (V ), i) denotes the tensor algebra, where T (V ) is an algebra and i : V → T (V ) a k-linear map.
1 CHAPTER 1. CATEGORICAL CONSTRUCTIONS
Hopf algebras
Recall that a k-algebra is a k-module together with a multiplication map m = mA : A⊗A → A and a unit map η = ηA : k → A satisfying the conditions: m ◦ (m ⊗ I) = m ◦ (I ⊗ m) m(η ⊗ I) = m(I ⊗ η) = I
Dually, a k-coalgebra C is a k-module together with k-linear maps ∆ = ∆C : C → C ⊗ C and ε = εC : C → k satisfying (∆ ⊗ I) ◦ ∆ = (I ⊗ ∆) ◦ ∆ (ε ⊗ I) ◦ ∆ = (I ⊗ ε) ◦ ∆ = I ∆ is called the comultiplication and ε is called the counit . The second compatibility tells us that the comultiplication is coassociative. Let C be a coalgebra, and A an algebra. Then we can define a multiplication on Hom(C,A) in the following way: for f, g : C → A, let f ∗ g = mA ◦ (f ⊗ g) ◦ ∆C , that is,
(f ∗ g)(c) = f(c(1))g(c(2)) This multiplication is called the convolution. For a k-module B which is both a k-algebra and a k-coalgebra, the following assertions are equivalent:
1. mH and ηH are comultiplicative;
2. ∆H and εH are multiplicative;
3. for all h, g ∈ H, we have
∆(gh) = g(1)h(1) ⊗ g(2)h(2) ε(gh) = ε(g)ε(h) ∆(1) = 1 ⊗ 1 ε(1) = 1
In this situation, H is called a bialgebra.
A bialgebra H is called a Hopf algebra if the identity IH has an inverse S in the convolution algebra Hom(H,H). Thus, the map S : H → H satisfies:
S(h(1))h(2) = h(1)S(h(2)) = η(ε(h)) The map S is called the antipode of H. The antipode of a Hopf algebra is both an antimorphism of algebras as well as an antimorphism of coalgebras.
2 1.1. PRELIMINARIES
Examples 1.1.1 1) Let G be a monoid. Then the group algebra k[G] is a bialgebra with the coalgebra structure given by ∆(g) = g ⊗ g for all g ∈ G. Moreover, k[G] is a Hopf algebra if and only if G is a group. In this case the antipode is given by S(g) = g−1 for all g ∈ G.
2) Recall that a Lie algebra consists of a vector space L together with a linear multiplication [ , ]: L ⊗ L → L such that the following compatibilities hold for all x, y, z ∈ L:
[x, y] = −[y, x]
[x, [y, z]] + [y, [z, x]] + [z, [x, y]] = 0 An important class of examples of Lie algebras are those associated to a unitary algebra. If A is an algebra then we can define on A a Lie multiplication as follows:
[x, y] := xy − yx
The universal enveloping algebra can be constructed as follows: let L be a Lie algebra, (T (L), i) the tensor algebra on the vector space L and define U(L) := T (L)/I, where I is the ideal of T (L) generated by the elements of the form x ⊗ y − y ⊗ x − [x, y] with x, y ∈ L. U(L) becomes a Hopf algebra with coalgebra structure and antipode given below. The comultiplication and counit are given by the following diagrams:
i i L / U(L) L / U(L) KK D KK D KK DD KK ∆ DD ε f KK g DD K% D! U(L) ⊗ U(L) k where f(x) = x ⊗ 1 + 1 ⊗ x and g(x) = 0 for all x ∈ L. The antipode is given by the following diagram, where p(x) = −x for all x ∈ L:
i L / U(L) EE EE EE S p EE E" U(L)op
3) Let n ≥ 2 and ζ a primitive n-th root of unity. Let Hn2 (ζ) be the algebra defined by the generators c and x with the relations:
cn = 1, xn = 0, xc = ζcx
We can introduce a coalgebra structure on Hn2 (ζ) as follows: ∆(c) = c ⊗ c, ∆(x) = c ⊗ x + x ⊗ 1, ε(c) = 1, ε(x) = 0
Hn2 (ζ) becomes a bialgebra with the above structures. Moreover, Hn2 (ζ) is a Hopf algebra, called the Taft algebra , with the antipode defined as follows: S(c) = cn−1, S(x) = −cn−1x. For n = 2 we obtain Sweedler’s 4-dimensional Hopf algebra (see Section 3.5)
3 CHAPTER 1. CATEGORICAL CONSTRUCTIONS
Basic category theory
Let C be a category and A, B two objects in C. We denote by HomC(A, B) the set of arrows with source A and target B. We will omit the subscript denoting the category, unless confusion is possible. Given a morphism f ∈ C we denote by dom(f) and cod(f) the domain, respectively the codomain of f. A category C is called small if both the objects of C and the arrows of C are sets. If C is a small category we denote by Hom(C) the set of all morphisms of C. We call an arrow f : A → B monomorphism in a category C if for any other object C and for any pair of arrows g, h : C → A, f ◦ g = f ◦ h implies g = h. The dual notion is called epimorphism . A morphism f : A → B is an isomorphism if there exists g : B → A such that f ◦ g = IdB and g ◦ f = IdA. A subobject of an object X is the equivalence class of monomorphisms m : Y → X, where m : Y → X is equivalent to m0 : Y 0 → X if there is an isomorphism p : Y → Y 0 such that m0 ◦ p = m. The category C is called locally small (or well-powered) if the subobjects of each C ∈ C can be indexed by a set. Dually, the category C is colocally small (or co-well-powered) if its dual is locally small. At some point we will also use, in passing, the notion of locally presentable category. More details regarding this type of categories can be found in [2]. If k is a field then the categories k-Alg, k-CoAlg, k-BiAlg, k-HopfAlg are locally presentable. An argument for the fact that the category k-HopfAlg is locally presentable is presented in Remark 1.3.2. Let F : I → C be a covariant functor. A limit for F is a pair limF, (pi : limF → F (i))i∈I where limF is an object in C and pi : limF → F (i) are maps in C for all i ∈ I such that:
0 1) for any map γ : i → i in I we have pi0 = F (γ) ◦ pi;
0 2) for any object W ∈ C and any family of maps qi : W → F (i) such that for all γ : i → i in I we have qi0 = F (γ) ◦ qi there exists a unique map q : W → limF in C such that qi = pi ◦ q for every object i ∈ I
A category C is called complete if any functor F : I → C has a limit for all small categories I. We also have the dual notions of colimit respectively cocomplete category. Let F : I → C be a covariant functor. A colimit for F is a pair colimF, (si : F (i) → colimF )i∈I where colimF is an object in C and si : F (i) → olimF are maps in C for all i ∈ I such that:
0 0 1) for any map γ : i → i in I we have si = si ◦ F (γ);
0 2) for any object W ∈ C and any family of maps ti : F (i) → W such that for all γ : i → i in 0 I we have ti = ti ◦ F (γ) there exists a unique map t : colimF → W such that ti = t ◦ si for every object i ∈ I
A category C is called cocomplete if any functor F : I → C has a colimit for all small categories I.
4 1.1. PRELIMINARIES
Examples 1.1.2 1) Take I to be a small discrete category, that is I is a set whose elements are the objects of the category and the morphisms are the identity maps. Then a (co)limit of a functor F : I → C, if it exists, is called a (co)product. More precisely, if I is a small discrete category then a functor F : I → C is essentially nothing but a family of objects (Ci)i∈I in C indexed by the set I. For a further use we recall explicitly the universal properties satisfied by the (co)product. Q Q Q A pair i∈I Ci, (πi)i∈I where i∈I Ci is an object in C and pj : i∈I Ci → Cj are maps in C for all j ∈ I is called a product of the family (Ci)i∈I if for each object C ∈ C and each family Q of morphisms fj : C → Cj j∈I there is a unique morphism f : C → i∈I Ci such that the following diagram commutes for all j ∈ I:
C H HH f HH j f HH HH Q H# Ci / Cj i∈I pj