中心 [中心]

定义

群

对生象群 $G$, 定义其中心为 $$ Z(G) := \operatorname{Aut}_{\operatorname{Aut}_{\mathsf{Ani}}(\mathbf{B}G)}(\mathrm{id}). $$ 换言之,

• $Z(G) = \Omega^2(\mathsf{Ani}^\simeq,\mathbf{B}G)$ 为 $\mathsf{Ani}^\simeq$ (“生象的生象”) 在 $\mathbf{B}G$ 处的二重环路空间 (可见 $Z(G)$ 是个 $\mathbb E_2$-群);
• $\mathbf{B}Z(G)$ 是 $\operatorname{Aut}_{\mathsf{Ani}}(\mathbf{B}G)$ 在 $\mathrm{id}_{\mathbf{B}G}$ 处的连通分支.

由定义, 中心 $Z(G)$ 到 $G$ 本身有一典范映射 $$ Z(G)\to \operatorname{Aut}_{\mathbf{B}G}(*) = G. $$

结合代数

固定交换环 $k$ 作为基环. 设 $A$ 为 $k$ 上的结合代数. $A$ 的中心是 $A$ 作为 $(A,A)$-双模的自同态集 $$ Z(A) = \operatorname{End}_{\mathsf{BiMod}(A,A)}(A), $$

回忆 Morita 范畴中, 结合代数 $A$ 的恒等态射即是 $A$ 作为 $(A,A)$-双模. 因此, $A$ 的中心又可理解为 $$ Z(A) = \operatorname{End}_{\operatorname{End}_{\mathsf{Morita}}(A)}(\mathrm{id}). $$

进一步, Morita 范畴嵌入线性范畴的范畴, 从而结合代数 $A$ 的中心也可定义为 $$ Z(R) := \operatorname{End}_{\operatorname{End}_{\mathsf{Cat}}(\mathsf{Mod}(A))}(\mathrm{id}). $$

范畴

范畴 $\mathcal{C}$ 的中心为幺半群 $$ Z(\mathcal{C}) := \operatorname{End}_{\operatorname{End}_{\mathsf{Cat}}(X)}(\mathrm{id}_{\mathcal{C}}). $$ 见后文 “$2$-范畴的对象”.

由定义, 若将群 $G$ 视为单对象范畴 $\mathbf{B}G$, 则 $G$ 的中心即是范畴 $\mathbf{B}G$ 的中心. 当然, 一般的结合代数的中心也可通过视为单对象充实范畴来定义.

幺半范畴

注. 当我们说幺半范畴的中心时, 一般不是将其视为范畴像上一小节那样定义中心, 而是视为 $\mathsf{Cat}$ 中的结合代数定义中心.

设 $\mathcal C$ 为幺半范畴, 此时 $\mathcal C$ 的中心 (又称 Drinfeld 中心) $Z(\mathcal C)$ 是一个辫幺半范畴, 可理解为两个函子 $\mathcal C \rightrightarrows \operatorname{End}(\mathcal C)$ 的等化子, 其对象为 $\mathcal C$ 的对象 $X$ 配备自然变换 $$ X\otimes (-) \to (-)\otimes X, $$ 满足两个自然变换 $X\otimes (Y\otimes Z)\to (Y\otimes Z)\otimes X$ 相等.

2-范畴的对象

定义 $2$-范畴 $\mathcal C$ 的对象 $X$ 的中心为幺半群 $$ Z(X) := \operatorname{End}_{\operatorname{End}_{\mathcal C}(X)}(\mathrm{id}_X). $$ 它类似于 $\mathcal C$ 在 $X$ 处的二阶环路空间. 由 Eckmann–Hilton 论证, $Z(X)$ 为 $\mathbb E_2$ 幺半群 (辫幺半群).

这样定义的中心又称 Hochschild 上同调.

性质

万有中心映射

群 $G$ 的中心到 $G$ 的典范映射 $$ Z(G)\to G $$ 是万有的中心映射.

共轭作用的不动点

群 $G$ 的中心是 $G$ 在自身上的共轭作用的不动点. 考虑下图. $$ \begin{array}{ccccc} G & \rightarrow & \operatorname{Aut}_{\mathsf{Grp}}(G) & \rightarrow & * \ \downarrow & & \downarrow & & \downarrow \

• & \underset{\mathrm{id}}{\rightarrow} & \operatorname{Aut}{\mathsf{Ani}}(\mathbf{B}G) & \underset{\mathrm{ev}*}{\rightarrow} & \mathbf{B}G \end{array} $$ 其右边方块与整个方块为拉回, 故左边方块为拉回. 左边的群同态 $G\to\operatorname{Aut}_{\mathsf{Grp}}(G)$ 为 $G$ 在自身上的共轭作用; 该同态的核为 $\Omega(\operatorname{Aut}_{\mathsf{Ani}}(\mathbf{B}G),\mathrm{id}) = Z(G)$.

与群作用, 模的关系

设群 $G$ 的中心为 $Z$, 考虑任意范畴中的 $G$-作用 $X$, 那么 $Z$ 不仅作用于 $X$ 上, 而且该作用为 $G$-等变作用 (甚至为中心作用). 这是因为, 由定义, $$ Z = \operatorname{Aut}(\mathrm{id}_{\mathbf{B}G}) $$ 作用于 $\mathrm{id}_{\mathbf{B}G}$ 上, 故作用于任何函子 $\mathbf{B}G\to\mathcal{C}$ 上.

推而广之, 对任意范畴 $\mathcal{C}$, 其中心 $$ Z(\mathcal{C})=\operatorname{Aut}(\mathrm{id}_{\mathcal{C}}) $$ 中心作用于任何函子 $F\colon\mathcal{C} \to \mathcal{D}$ 上, 也即有群同态 $$ Z(\mathcal{C}) \to Z(\mathsf{Fun}(\mathcal{C},\mathcal{D})) \to Z(\operatorname{End}(F)). $$ 其中第二个箭头为 “取自然变换在 $F$ 上的分量”.

例

1-范畴语境

在 $1$-范畴语境中, 结合代数 $A$ 的中心是与所有元素交换的元素的集合 $$ Z(A) = \{a\in A | \forall b\in A, ab=ba\}. $$

例如 $\mathsf{Set}$ 中的群 (或幺半群) $G$ 的中心即为 $G$ 中与所有元素交换的元素构成的子集.

中心不是子群的例子

生象群 $G$ 的中心不一定是 $G$ 的子群, 即典范映射 $Z(G)\to G$ 不一定是 $(-1)$-截断映射.

考虑 $G = \Omega S^2$, 映射 $$ Z(G) = \Omega_{\mathrm{id}}\operatorname{Aut}(S^2) \to \Omega S^2 $$ 在基点处的纤维为 $\Omega_{\mathrm{id}}\operatorname{Aut}_*(S^2) \simeq \Omega^3 S^2$, 不是 $(-1)$-截断生象.

相关概念

余中心

中心化子