Derivation (Mathematik)

In verschiedenen Teilgebieten d​er Mathematik insbesondere i​m Bereich d​er abstrakten Algebra bezeichnet m​an Abbildungen a​ls Derivationen, w​enn sie e​ine bestimmte Funktionalgleichung erfüllen. Diese Gleichung w​ird als Leibniz-Regel bezeichnet u​nd erinnert a​n die Produktregel a​us der Differentialrechnung. Tatsächlich i​st der Begriff d​er Derivation e​ine Abstraktion d​er Ableitung i​n den Kontext d​er Algebra. Eine Algebra über e​inem kommutativen Ring zusammen m​it einer Derivation w​ird auch Differentialalgebra genannt.[1]

Definition

Es sei ${\displaystyle R}$ ein kommutativer Ring mit Eins, beispielsweise ein Körper wie ${\displaystyle \mathbb {R} }$ oder ${\displaystyle \mathbb {C} }$. Außerdem sei ${\displaystyle A}$ eine ${\displaystyle R}$-Algebra. Eine (${\displaystyle R}$-lineare) Derivation (auch ${\displaystyle R}$-Derivation) von ${\displaystyle A}$ ist eine ${\displaystyle R}$-lineare Abbildung ${\displaystyle D\colon A\to A}$, die

${\displaystyle D(a_{1}a_{2})=D(a_{1})a_{2}+a_{1}D(a_{2})}$ für alle ${\displaystyle a_{1},a_{2}\in A}$

erfüllt. Die Eigenschaft ${\displaystyle R}$-linear besagt, dass für alle ${\displaystyle a_{1},a_{2}\in A}$ und ${\displaystyle r\in R}$ die Gleichungen

${\displaystyle D(a_{1}+a_{2})=D(a_{1})+D(a_{2})}$

und

${\displaystyle D(ra_{1})=rD(a_{1})}$

gelten. Eine Algebra zusammen mit einer Derivation wird Differentialalgebra genannt.[2] Die Definition schließt Ringe ${\displaystyle A}$ ein, indem man sie als ${\displaystyle \mathbb {Z} }$-Algebren auffasst.

Bildet ${\displaystyle D}$ in einen Modul oder Bimodul ab, so kann man die Definition analog angeben.[3]

Eigenschaften

Im Folgenden sei weiterhin ${\displaystyle D\colon A\to A}$ eine Derivation.

• Ist ${\displaystyle A}$ eine Algebra mit Einselement ${\displaystyle 1_{A}}$, so gilt ${\displaystyle D(1_{A})=0}$. Damit gilt auch ${\displaystyle D(r)=0}$ für alle ${\displaystyle r\in R}$.
• Der Kern einer Derivation ist eine Unteralgebra.
• Die Menge der Derivationen von ${\displaystyle A}$ mit Werten in ${\displaystyle A}$ bildet mit dem Kommutator eine Lie-Algebra: Sind ${\displaystyle D_{1}}$ und ${\displaystyle D_{2}}$ Derivationen, so auch

${\displaystyle [D_{1},D_{2}]=D_{1}\circ D_{2}-D_{2}\circ D_{1}.}$

• Die Verkettung einer Derivation mit sich selbst ist keine Derivation. Die Abbildung

${\displaystyle D^{n}:=\underbrace {D\circ \ldots \circ D} _{n-\mathrm {mal} }}$

ist also keine Derivation, es gilt aber die Leibniz-Regel höherer Ordnung

${\displaystyle D^{n}(ab)=\sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}\cdot D^{n-k}(a)\cdot D^{k}(b)}$

für diese Abbildung mit ${\displaystyle a,b\in A}$.[4]

• Für ein Element ${\displaystyle b\in A}$ ist ${\displaystyle D_{b}\colon A\to A}$, ${\displaystyle D_{b}(a)=ba-ab}$, eine Derivation. Derivationen dieses Typs heißen innere Derivationen. Die Hochschild-Kohomologie ${\displaystyle H^{1}(A,A)}$ ist der Quotient des Moduls der Derivationen nach dem Untermodul der inneren Derivationen.
• In einer kommutativen Algebra ${\displaystyle A}$ gilt ${\displaystyle D(a^{n})=na^{n-1}D(a)}$ für alle ${\displaystyle a\in A}$ und alle nichtnegativen ganzen Zahlen ${\displaystyle n}$.

Beispiele

• Die Ableitung reeller Funktionen ${\displaystyle f\colon D\subseteq \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ ist eine Derivation. Dies besagt die Produktregel. Aus der Definition der Derivation und aus dem Abschnitt über die Eigenschaften von Derivationen sieht man, dass sich auch die Faktorregel, die Summenregel, die Potenzregel und die Produktregel für höhere Ableitungen einer Funktion auf Derivationen übertragen.
• Sei ${\displaystyle A=R[X]}$ die Algebra der formalen Potenzreihen. Dann ist die formale Ableitung

${\displaystyle \sum a_{i}X^{i}\mapsto \sum ia_{i}X^{i-1}}$

eine ${\displaystyle R}$-lineare Derivation von ${\displaystyle A}$ mit Werten in ${\displaystyle A}$.

• Sei ${\displaystyle X}$ eine Mannigfaltigkeit. Dann ist die Cartan-Ableitung eine ${\displaystyle \mathbb {R} }$-lineare Derivation von ${\displaystyle C^{\infty }(X)}$ mit Werten im Raum ${\displaystyle A^{1}(X)}$ der 1-Formen auf ${\displaystyle X}$.
• Eine der Umformulierungen der Jacobi-Identität für Lie-Algebren besagt, dass die adjungierte Darstellung durch Derivationen operiert:

${\displaystyle [X,[A,B]]=[[X,A],B]+[A,[X,B]].}$

Derivationen und Kähler-Differentiale

Per definitionem werden ${\displaystyle R}$-lineare Derivationen einer kommutativen Algebra ${\displaystyle A}$ durch den Modul ${\displaystyle \Omega _{A/R}}$ der Kähler-Differentiale klassifiziert, d. h., es gibt eine natürliche Bijektion zwischen den ${\displaystyle R}$-linearen Derivationen von ${\displaystyle A}$ mit Werten in einem ${\displaystyle A}$-Modul ${\displaystyle M}$ und den ${\displaystyle A}$-linearen Abbildungen ${\displaystyle \Omega _{A/R}\to M}$. Jede Derivation ${\displaystyle D\colon A\to M}$ entsteht als Verkettung der universellen Derivation ${\displaystyle \mathrm {d} \colon A\to \Omega _{A/R}}$ mit einer ${\displaystyle A}$-linearen Abbildung ${\displaystyle \Omega _{A/R}\to M}$.

Antiderivationen

Definition

Ist ${\displaystyle A}$ eine ${\displaystyle \mathbb {Z} }$- oder ${\displaystyle \mathbb {Z} /2\mathbb {Z} }$-graduierte ${\displaystyle R}$-Algebra, so heißt eine ${\displaystyle R}$-lineare graduierte Abbildung ${\displaystyle D\colon A\to A}$ eine Antiderivation, wenn

${\displaystyle D(a_{1}a_{2})=D(a_{1})a_{2}+(-1)^{|a_{1}|}\cdot a_{1}D(a_{2})}$

für alle homogenen Elemente ${\displaystyle a_{1},a_{2}\in A}$ gilt; dabei bezeichnet ${\displaystyle |a_{1}|}$ den Grad von ${\displaystyle a_{1}}$.

Beispiele

• Die äußere Ableitung von Differentialformen ist eine Antiderivation:

${\displaystyle \mathrm {d} (\omega \wedge \eta )=\mathrm {d} \omega \wedge \eta +(-1)^{|\omega |}\cdot \omega \wedge \mathrm {d} \eta .}$

Literatur

• Siegfried Bosch: Algebra. 7. Auflage. Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-540-40388-3, doi:10.1007/978-3-540-92812-6.

Einzelnachweise

1. Robert Berger: Differentiale höherer Ordnung und Körpererweiterungen bei Primzahlcharakteristik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-99905-5, S. 4. (books.google.com)
2. Thierry Vialar. Handbook of Mathematics. BoD - Books on Demand, 2016, ISBN 978-2-9551990-0-8, S. 714. (books.google.com)
3. Integral Closure of Ideals, Rings, and Modules. Cambridge University Press, 2006, ISBN 0-521-68860-4, S. 147. (books.google.com)
4. Nathan Jacobson: Lie Algebras. Courier Corporation, 1979, ISBN 0-486-63832-4, S. 8. (books.google.com)