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Eine '''Operade''' ist eine [[algebra]]ische Struktur, die insbesondere in der [[Topologie (Mathematik)|Topologie]] von Bedeutung ist, aber auch in vielen anderen Anwendungen und dort Raum für Deformationen ([[Homotopie]] in der Topologie) der zugrundeliegenden Objekte lässt. Operaden bestehen allgemein aus einer Menge von Operationen (oder Funktionen) mit mehreren Eingängen (Inputs) und einem Ausgang und betrachtet wird die Algebra der Hintereinanderausführung dieser Operationen. Die Schachtelung der Hintereinanderausführung von Operationen wird dabei häufig geometrisch in Form von [[Baum (Graphentheorie)|Bäumen]] dargestellt.

Sie wurden zuerst in der [[Algebraische Topologie|algebraischen Topologie]] Anfang der 1970er Jahre durch [[J.&nbsp;Michael Boardman]] und [[Rainer Vogt]]<ref>J. M. Boardman, R. M. Vogt: ''Homotopy Invariant Algebraic Structures on Topological Spaces.'' Lecture Notes in Mathematics 347, Springer, 1973.</ref> sowie von [[J.&nbsp;Peter May]]<ref>J. Peter May: ''The Geometry of Iterated Loop Spaces.'' Lecture Notes in Mathematics 271, Springer, 1972.</ref> eingeführt, um die Homotopie höherer [[Schleifenraum|Schleifenräume]] zu verstehen. May prägte auch den Begriff aus Operation und Monade. Einen Aufschwung erlebte die Theorie der Operaden in den 1990er Jahren, als [[Maxim Kontsevich]], [[Mikhail Kapranov]] und [[Victor Ginzburg]] zeigten, dass einige Dualitäten in der rationalen Homotopietheorie als [[Koszul-Dualität]]en von Operaden erklärt werden konnten.<ref>Victor Ginzburg, Mikhail Kapranov: ''Koszul duality for operads.'' Duke Mathematical Journal, Band 76, 1994, S.&nbsp;203–272.</ref> Sie dienen in der Homotopietheorie der Beschreibung der Hierarchien höherer Homotopien und fanden auch Anwendung zum Beispiel in der mathematischen Physik und Graphentheorie.

== Definition ==
Eine nichtsymmetrische Operade besteht aus der Folge der Mengen <math>P(n)</math> von Operationen auf n Variablen einschließlich der Identitätsoperation. Es wird folgende Verknüpfung <math>f \circ_i g</math> einer Funktion <math>f \in P(n)</math> auf <math>n</math> Variablen mit einer Operation <math>g \in P(m)</math> auf <math>m</math> Variablen betrachtet:

:<math>f \circ_i g = f(x_1, \dotsc, x_{i-1}, g(y_1, \dotsc, y_m), x_{i+1}, \dotsc, x_n),</math>

wobei die <math>i</math>-te Stelle <math>x_i</math> durch <math>g</math> ersetzt wurde. Das ist eine Abbildung von <math>P(m) \times P(n) \to P(m+n-1)</math>. Graphisch lässt sich das als Komposition von Bäumen darstellen.

[[Datei:Greffe operades.png|650px|zentriert|Graphische Darstellung der Kompositionsoperation]]

Die Identität <math>I</math> operiert wie üblich auf <math>f \in P(n)\colon</math>

:<math>I \circ_1 f = f \circ_k I = f</math> für alle <math>1 \leq k \leq n</math>.

Für die Komposition gilt folgendes Assoziativgesetz:

:<math>(f \circ_1 g) \circ_1 h = f \circ_1 (g \circ_1 h),</math>

wenn man nur die Komposition bezüglich der ersten Variable betrachtet. Allgemein gelten komplexere Gesetze: Seien <math>f \in P(n), g \in P(m)</math> und <math>h \in P(l)</math>, dann gilt:

:<math>(f \circ_i g) \circ_j h = (f \circ _j h) \circ_{i+l-1} g</math> für <math>1 \leq j <i</math>
:<math>(f \circ_i g) \circ_j h = f \circ_i (g \circ_{j-i+1} h)</math> für <math>i \leq j \leq m+i-1</math>
:<math>(f \circ_i g) \circ_j h = (f \circ_{j-m+1} h) \circ_i g</math> für <math>j \geq i+m</math>

Diese Kompositionsregeln konstituieren auch die Definition nichtsymmetrischer Operaden. In vielen Anwendungsfällen liegt Symmetrie bezüglich der Permutation der Input-Variablen vor. Man definiert dann symmetrische Operaden, bei denen nach Wirkung der [[Permutationsgruppe]] die beiden Definitionsregeln für die Kompositionen erhalten bleiben (Wirkung der Identitätsoperation und die obigen Assoziativitätsregeln) und zusätzlich Equivarianzregeln:

Sei <math>S_n</math> die [[symmetrische Gruppe]] von <math>n</math> Elementen, die auf <math>P(n)</math> wirke, also für <math>f \in P(n), \sigma \in S_n, g \in P(m), \tau \in P(m)</math>

:<math>\sigma f \circ_i \tau g = (\sigma \circ_i \tau) \, (f \circ_i g)</math>

für <math>1 \leq i \leq n</math> und <math>\sigma \circ_i \tau</math> der Blockpermutation, in der das <math>i</math>-te Element von <math>\sigma</math> durch <math>\tau</math> ersetzt wird. Häufig werden symmetrische Operaden einfach als Operaden bezeichnet.

Man kann sich dafür zum Beispiel für die Elemente von <math>P(n)</math> Funktionen <math>P\colon V^n \to V</math> auf einem reellen Vektorraum <math>V^n</math> vorstellen, die Elemente <math>P(n)</math> können aber auch als Abbildungen auf topologischen Räumen, Kettenkomplexen, Polytopen (wie Associahedren) oder ganz anderen Objekten definiert sein, für die eine Komposition von Operatoren wie oben Sinn macht. Man sagt auch, eine symmetrische Operade wäre in jeder symmetrischen monoidalen Kategorie definierbar.

== Beispiele ==
Ein einfaches Beispiel für eine nichtsymmetrische Operade besteht aus der Addition&nbsp;<math>(A)</math> und Multiplikation&nbsp;<math>(M)</math> zweier Zahlen. Die Operationen sind Elemente von <math>P(2)</math>. Die Komposition von <math>A)</math> und <math>M</math> ist ein Element von <math>P(3)</math>, explizit:

:<math>(A \circ_1 M)(x,y,z) = x \cdot y + z</math>
:<math>(A \circ_2 M)(x,y,z) = y \cdot z + x</math>
:<math>(A \circ_1 A)(x,y,z) = (A \circ_2 A)(x,y,z) = x + y + z</math>
:<math>(M \circ_1 M)(x,y,z) = (M \circ_2 M)(x,y,z) = x \cdot y \cdot z</math>
:<math>(M \circ_1 A)(x,y,z) = (x + y) \cdot z = x \cdot z + y \cdot z</math>
:<math>(M \circ_2 A)(x,y,z) = (y + z) \cdot x = y \cdot x + z \cdot x</math>

Nicht enthalten sind <math>x \cdot z + y</math> und <math>(x + z) \cdot y = x \cdot y + z \cdot y</math>, sie sind aber enthalten, falls man Permutationen der Inputs zulässt (symmetrische Operade).

Ein wichtiges Beispiel ist die ''Operade kleiner Scheiben'' (little disk operade). Man betrachtet dabei <math>n</math> verschiedene nicht überlappende Kreise in einem großen Kreis, die alle nummeriert sind. Sie bilden das Element <math>P(n)</math> Die Komposition <math>P(n) \circ_i P(k)</math> von <math>P(n)</math> und <math>P(k)</math> besteht darin, dass <math>P(k)</math> in <math>P(n)</math> an Stelle der <math>i</math>-ten Scheibe eingefügt wird und dann eine Umnummerierung erfolgt. Besteht zum Beispiel <math>P(2)</math> aus den Scheiben 1, 2 und wird in <math>P(3)</math> (bestehend aus den Scheiben <math>(1, 2, 3) = (a, b, c)</math>) an zweiter Stelle eingefügt (<math>P(3) \circ_2 P(2)</math>), so besteht die neue Figur aus den Scheiben <math>(a, 1, 2, c),</math> die in neuer Nummerierung <math>(1,2,3,4)</math> heißen. Da die kleinen Scheiben permutiert werden können, ist es auch eine symmetrische Operade. Statt kleinen Scheiben werden manchmal auch Kuben betrachtet.

== Endomorphismen-Operade und Algebra von Operaden ==
Ein wichtiges Beispiel ist die Operade der [[Endomorphismus|Endomorphismen]] <math>\operatorname{End}_V (n)</math>, der Menge aller multilinearen Abbildungen <math>V^n \to V</math> (<math>V</math> sei ein Vektorraum). Die Komposition ist gegeben durch <math>f \circ_i g</math> mit <math>f \in \operatorname{End}_V (n)</math>, <math>g \in \operatorname{End}_V (m)</math>, die <math>V^{n+m-1}</math> nach <math>V</math> abbildet, indem der Output von <math>g</math> als <math>i</math>-ter Input von <math>f</math> genommen wird. Durch die Wirkung der symmetrischen Gruppe wird der Input permutiert. Die Endomorphismen-Operade wird häufig für die Darstellung abstrakter Operaden genommen. Man spricht dann von einer <math>P</math>-Algebra einer Operade <math>P</math>. Algebren von Operaden stehen in derselben Beziehung zu Operaden wie Darstellungen von Gruppen bei Gruppen.

== Anwendungen in der Topologie ==
Ursprünglich wurden Operaden eingeführt für eine homotopieinvariante Charakterisierung von Schleifenräumen (loop spaces). Für Schleifen mit fester Basis ist die zugehörige Operade durch Polytope gegeben, die sogenannten Assoziahedrone. Zum Beispiel besteht bei vier Schleifen <math>(a, b, c, d)</math> das Assoziahedron <math>K_4</math> aus einem Pentagon, wobei die Ecken den Schleifenkombinationen <math>(ab)(cd), ((ab)c)d), (a(bc))d, a((bc)d)</math> und <math>a(b(cd))</math> entsprechen.

Ein <math>A_\infty</math>-Raum ist ein topologischer Raum <math>Y</math> mit einer homotopiekohärenten Menge von Abbildungen

:<math>f_n\colon K_n \times Y^n \to Y,</math>

sodass <math>Y</math> eine Algebra über der (nichtsymmetrischen) Operade <math>K = \{K_n\}</math> ist. Das <math>A</math> steht dabei für assoziativ und <math>\infty</math> dafür, dass die Menge der Abbildungen, oben mit dem Parameter <math>n</math> versehen, beliebig hoch ist. Dann gilt der Satz:

:Ein zusammenhängender Raum vom [[Homotopietyp]] eines [[CW-Komplex]]es hat den Homotopietyp eines Schleifenraums <math>\Omega X</math> für einen Raum <math>X</math> genau dann, wenn <math>Y</math> ein <math>A_\infty</math>-Raum ist.

== Anwendungen in der mathematischen Physik ==
Operaden haben in den 1990er Jahren und danach Anwendungen in der mathematischen Physik gefunden, zum Beispiel in [[Topologische Quantenfeldtheorie|topologischen Quantenfeldtheorien]] und der [[Stringtheorie]]. Dort spielen Riemannsche Flächen mit Punktierungen und Markierungen eine Rolle und die Anwendung der ''kleine-Scheiben''-Operade führt zu modularen Operaden. In der Stringfeldtheorie offener Strings spielt das Analogon von <math>A_\infty</math>-Räumen für Kettenkomplexe eine Rolle, die <math>A_\infty</math>-Algebra, bei geschlossenen Strings und der Deformationsquantisierung die <math>L_\infty</math>-Algebra, wo <math>L</math> für Liegruppen steht.

Eine weitere Anwendung ist der Beweis von Maxim Kontsevich, dass jedes klassische mechanische System in ein quantenmechanisches deformiert werden kann (Deformationsquantisierung von [[Poisson-Mannigfaltigkeit]]en). Genauer wird die Multiplikation auf den zugehörigen Observablen deformiert.

Einerseits wird die ''kleine-Scheiben''-Operade statt auf topologischen Räumen auf Kettenkomplexen betrachtet. Die neue Operade sei <math>C</math>. Andererseits betrachtet man Hochschild-Ko-Ketten auf der Menge der Observablen <math>O</math>. Das ergibt die Operade <math>H</math> der Hochschild-Ko-Ketten auf <math>O</math>, das heißt der Funktionen mit <math>n</math> Observablen als Input und einer Observable als Output. Sie sind linear im Input. Eine Vermutung von [[Pierre Deligne]] besagt, dass <math>H</math> eine Algebra über der Operade <math>C</math> ist. Das wurde von Kontsevich und anderen inzwischen bewiesen,<ref>M. Kontsevich, Y. Soibelman: ''Deformations of algebras over operads and the Deligne conjecture.'' Conference Moshe Flato, 1999, Band 1, Kluwer, 2000, S.&nbsp;255–307.</ref> wobei auch der Satz von Kontsevich über die Existenz der quantenmechanischen Deformation klassischer Systeme folgte.

== Literatur ==
* Martin Markl, Steve Shnider, [[James Stasheff]]: ''Operads in Algebra, Topology and Physics.'' Providence, American Mathematical Society, 2002.
* J. P. May: ''The Geometry of Iterated Loop Spaces.'' Springer-Verlag, Berlin 1972.
* [[Jean-Louis Loday]], Bruno Vallette: ''Algebraic Operads.'' [[Grundlehren der mathematischen Wissenschaften]] 346, Springer, 2012.
* Jim Stasheff: ''What Is … an Operad?'' Notices of the American Mathematical Society, Band 51, Juni/Juli 2004, S.&nbsp;630–631, [https://www.ams.org/notices/200406/what-is.pdf PDF].
* Jean-Louis Loday: ''La renaissance des opérades.'' Séminaire Bourbaki 792, 1994/95, [https://www.numdam.org/item/SB_1994-1995__37__47_0/ Numdam.org.]
* Bruno Vallette: ''Algebra + Homotopy = Operad.'' [https://arxiv.org/abs/1202.3245 Arxiv 2012.]

== Weblinks ==
* Ulrich Krähmer: [https://publications.mfo.de/handle/mfo/444 ''From computer algorithms to quantum field theory: an introduction to operads.''] Oberwolfach, Snapshots in modern mathematics.
* [https://ncatlab.org/nlab/show/operad ''Operad.''] In: ''ncatlab.org.''
* ''What is an Operad?'' [https://www.math3ma.com/blog/what-is-an-operad-part-1 ''Teil 1,''] [https://www.math3ma.com/blog/what-is-an-operad-part-2 ''Teil 2.''] In: ''math3ma.com.''

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Algebra]]