Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В математике , и особенно в дифференциальной геометрии , форма связи - это способ организации данных соединения с использованием языка движущихся систем отсчета и дифференциальных форм .

Исторически сложилось так, что формы связи были введены Эли Картаном в первой половине 20-го века как часть и одна из главных мотиваций его метода движущихся систем отсчета. Форма соединения обычно зависит от выбора системы координат и не является тензорным объектом. После первых работ Картана были сформулированы различные обобщения и переосмысления формы связи. В частности, на главном расслоении , A Принципиальные схему соединения является естественной реинтерпретацией формы соединения в виде тензорный объекта. С другой стороны, форма связности имеет то преимущество, что она является дифференциальной формой, определенной на дифференцируемом многообразии, а не на абстрактном главном связке над ним. Следовательно, несмотря на отсутствие тензорности, формы соединения продолжают использоваться из-за относительной простоты выполнения с ними вычислений. [1] В физике формы связи также широко используются в контексте калибровочной теории через калибровочную ковариантную производную .

Форма соединения сопоставляет каждую основу о наличии векторного расслоения на матрицу дифференциальных форм. Форма соединение не тензориальная потому , что при изменении базиса , форма связности преобразуется таким образом , что предполагает внешнюю производную из переходных функций , во многом таким же образом , как и символы Кристоффеля для связности Леви-Чивита . Основным тензорным инвариантом формы соединения является форма кривизны . При наличии формы припоя, отождествляющей векторный пучок с касательным пучком, существует дополнительный инвариант - торсионная форма . Во многих случаях формы связности рассматриваются на векторных расслоениях с дополнительной структурой: расслоения со структурной группой .

Наборы векторных изображений [ править ]

Рамки на векторном пучке [ править ]

Пусть E будет векторное расслоение размерности волокна к над дифференцируемой многообразия M . Локальная рамка для E представляет собой упорядоченный базис из местных участков в E . Всегда можно построить локальный фрейм, так как векторные расслоения всегда определяются в терминах локальной тривиализации , по аналогии с атласом многообразия. То есть, для любой точки х на многообразие базовых М существует открытую окрестность UM из йдля которого векторное расслоение над U изоморфно пространству U × R k : это локальная тривиализация. Таким образом, структура векторного пространства на R k может быть расширена до всей локальной тривиализации, а также может быть расширен базис на R k ; это определяет локальный фрейм. (Здесь R означает действительные числа, хотя большая часть разработок здесь может быть распространена на модули над кольцами в целом и на векторные пространства над комплексными числами в частности.)

Пусть е = ( е & alpha ; ) & alpha ; = 1,2, ..., K быть локальный кадр на E . Этот кадр может быть использован , чтобы выразить локально любое сечение Е . Например, предположим, что ξ - это локальная секция, определенная на том же открытом множестве, что и каркас e . потом

где £ , & alpha ; ( е ) обозначает компоненты из £ , в кадре е . В виде матричного уравнения это читается как

В общей теории относительности такие поля системы отсчета называются тетрадами . Тетрада конкретно связывает локальную систему отсчета с явной системой координат на базовом многообразии M (система координат на M устанавливается атласом).

Внешние соединения [ править ]

Соединение в Е представляет собой тип дифференциального оператора

где Γ обозначает пучок локальных сечений векторного расслоения и Ω 1 М представляет собой пучок дифференциальных 1-форм на М . Чтобы D было связью, она должна быть правильно связана с внешней производной . В частности, если v - локальное сечение E , а f - гладкая функция, то

где df - внешняя производная f .

Иногда удобно распространить определение D на произвольные E -значные формы , таким образом рассматривая его как дифференциальный оператор на тензорном произведении E с полной внешней алгеброй дифференциальных форм. Для внешней связи D, удовлетворяющей этому свойству совместимости, существует единственное расширение D :

такой, что

где v однородна степени deg v . Другими словами, D является дифференцированием на пучке градуированных модулей Γ ( E ⊗ Ω * M ).

Формы подключения [ править ]

Форма соединения возникает при применении внешнего соединения к конкретной раме e . После применения внешней связности к e α , это единственная k × k- матрица ( ω α β ) одноформ на M такая, что

В терминах формы соединения теперь можно выразить внешнее соединение любого участка E. Например, предположим, что ξ = Σ α e α ξ α . потом

Взяв компоненты с обеих сторон,

где подразумевается, что d и ω относятся к покомпонентной производной по реперу e и матрице 1-форм, соответственно, действующей на компоненты ξ . С другой стороны , матрица 1-форма ω является априори достаточно , чтобы полностью определить соединение локально на открытом множестве , над которой основа секции е определена.

Смена кадра [ править ]

Для того чтобы расширить ω для подходящего глобального объекта, необходимо изучить , как он ведет себя , когда другой выбор основных разделов Е выбран. Напишите ω α β = ω α β ( e ), чтобы указать зависимость от выбора e .

Предположим, что e ′ - другой выбор локального базиса. Тогда существует обратимая k × k- матрица функций g такая, что

Применение внешней связи к обеим сторонам дает закон преобразования для ω :

Отметим, в частности, что ω не может преобразовываться тензорным образом, поскольку правило перехода от одного кадра к другому включает производные матрицы перехода g .

Формы глобального подключения [ править ]

Если { U р } является открытым покрытием М , а каждый U р оснащен тривиализацией х р из Е , то можно определить глобальную форму соединения с точкой зрения латания данных между местными формами соединений на перекрытиях регионы. Более подробно, форма связи на M - это система матриц ω ( e p ) 1-форм, определенных на каждом U p, которые удовлетворяют следующему условию совместимости

Это условие совместимости гарантирует, в частности, что внешняя связь секции E , рассматриваемая абстрактно как секция E ⊗ Ω 1 M , не зависит от выбора базовой секции, используемой для определения связи.

Кривизна [ править ]

Кривизны два-форма из формы связности в Е определяются

В отличие от формы соединения, кривизна ведет себя тензорно при смене рамки, что можно проверить напрямую с помощью леммы Пуанкаре . В частности, если ee g - это смена кадра, то две формы кривизны преобразуются на

Одна интерпретация этого закона преобразования заключается в следующем. Пусть e * - дуальный базис, соответствующий шкале e . Тогда 2-форма

не зависит от выбора рамы. В частности, Ω является векторной двумерной формой на M со значениями в кольце эндоморфизмов Hom ( E , E ). Символично,

В терминах внешней связности D эндоморфизм кривизны задается формулой

для обE . Таким образом, кривизна измеряет нарушение последовательности

быть цепным комплексом (в смысле когомологий де Рама ).

Пайка и кручение [ править ]

Предположим , что размерность волокна к из Е равна размерности многообразия M . В этом случае векторный пучок E иногда помимо соединения снабжен дополнительным элементом данных: формой припоя . Форма припоя является глобально определенный вектор-один-форма θ ∈ Q , 1 ( M , E ) таким образом, что отображение

линейный изоморфизм для всех хM . Если задана форма пайки, то можно определить кручение соединения (с точки зрения внешнего соединения) как

Кручения Θ является Е -значными 2-формой на М .

Форма припоя и связанные с ним торсионными оба могут быть описаны в терминах локального фрейма е из Е . Если θ - припой, то он разлагается на компоненты каркаса

Тогда компоненты кручения равны

Как и кривизна, можно показать, что Θ ведет себя как контравариантный тензор при изменении системы отсчета:

Кручение, не зависящее от кадра, также можно восстановить из компонентов каркаса:

Личности Бьянки [ править ]

В тождестве Бьянки относится кручение к кривизне. Первая идентичность Бьянки утверждает, что

в то время как вторая идентичность Бьянки утверждает, что

Пример: связь Леви-Чивита [ править ]

В качестве примера предположим, что M имеет риманову метрику . Если имеется векторное расслоение E над M , то метрика может быть расширена на все векторное расслоение как метрика расслоения . Затем можно определить соединение, совместимое с этой метрикой пакета, это метрическое соединение . В частном случае, когда E является касательным расслоением TM , метрическая связность называется римановой связностью . Учитывая риманову связность, всегда можно найти уникальную эквивалентную связь без кручения . Это связь Леви-Чивитана касательном расслоении ТМ в М . [2] [3]

Локальный фрейм на касательном расслоении - это упорядоченный список векторных полей e = ( e i | i = 1,2, ..., n = dim M ), определенных на открытом подмножестве M , которые линейно независимы в каждой точке их домен. Символы Кристоффеля определяют связь Леви-Чивита следующим образом:

Если θ = {θ i | I = 1,2, ..., п}, обозначает двойную основу из кокасательного расслоения , таким образом, что θ я ( е J ) = δ я J (The Кронекера ), то форма соединения является

В терминах формы связи внешняя связность на векторном поле v = Σ i e i v i задается формулой

Из этого можно восстановить связь Леви-Чивита в обычном смысле, заключив контракт с e i :

Кривизна [ править ]

2-форма кривизны связности Леви-Чивиты - это матрица (Ω i j ), заданная формулой

Для простоты предположим , что кадр е является голономным , так что dθ я = 0. [4] Затем, используя теперь соглашение о суммировании повторяющихся индексов,

где R - тензор кривизны Римана .

Кручение [ править ]

Связность Леви-Чивиты характеризуется как единственная метрическая связность в касательном расслоении с нулевым кручением. Для описания кручения отметим, что векторное расслоение E является касательным расслоением. Это несет каноническую форму припоя (иногда называемую канонической одной формой , особенно в контексте классической механики ), которая представляет собой сечение θ Hom (T M , T M ) = T M ⊗ T M, соответствующее тождественному эндоморфизму касательные пространства. В рамке e форма припоя имеет вид θ = Σ i e iθ i, где снова θ i - дуальный базис.

Кручение соединения задается формулой Θ = D θ , или в терминах компонентов каркаса формы припоя формулой

Если снова для простоты предположить, что е голономно, это выражение сводится к

,

которая обращается в нуль тогда и только тогда, когда Γ i kj симметрична по своим нижним индексам.

Учитывая метрическую связь с кручением, один раз всегда можно найти единственную, уникальную связь, не имеющую кручения, это связность Леви-Чивита. Разница между римановой связностью и связанной с ней связностью Леви-Чивиты - это тензор конторсии .

Структурные группы [ править ]

Более конкретный тип формы соединения может быть построен, когда векторное расслоение E несет структурную группу . Это равносильно предпочтительный класс кадров е на Е , которые связаны с помощью группы Ли G . Например, при наличии метрики в E можно работать с фреймами, которые образуют ортонормированный базис в каждой точке. Структурная группа тогда является ортогональной группой , поскольку эта группа сохраняет ортонормированность реперов. Другие примеры включают:

  • Обычные кадры, рассмотренные в предыдущем параграфе, имеют структурную группу GL ( K ) , где K является размером волокон E .
  • Голоморфное касательное расслоение комплексного многообразия (или почти комплексного многообразия ). [5] Здесь структурная группа GL n ( C ) ⊂ GL 2n ( R ). [6] Если дана эрмитова метрика , то структурная группа сводится к унитарной группе, действующей на унитарных шкалах. [5]
  • Спиноры на многообразии со спиновой структурой . Кадры унитарны по отношению к инвариантному внутреннему произведению в пространстве спинов, и группа сводится к группе спинов .
  • Голоморфные касательные расслоения на CR-многообразиях . [7]

В общем, пусть E - данное векторное расслоение слоистой размерности k, а G ⊂ GL ( k ) - данная подгруппа Ли общей линейной группы R k . Если ( e α ) является локальным фреймом E , то матричнозначная функция ( g i j ): MG может воздействовать на e α, чтобы создать новый фрейм

Два таких рамы G о связанных . Неформально векторный набор E имеет структуру G- расслоения, если указан предпочтительный класс кадров, все из которых локально G- связаны друг с другом. Формально E - это расслоение со структурной группой G , типичным слоем которой является R k с естественным действием G как подгруппы в GL ( k ).

Совместимые соединения [ править ]

Соединение совместимо со структурой G- связки на E при условии, что связанные параллельные транспортные карты всегда отправляют один G- кадр другому. Формально вдоль кривой γ локально (т. Е. При достаточно малых t ) должно выполняться следующее :

для некоторой матрицы g α β (которая также может зависеть от t ). Дифференцирование при t = 0 дает

где коэффициенты omega ; & alpha ; & beta ; находятся в алгебре Ли г группы Ли G .

С учетом этого наблюдения форма связности ω α β, определяемая формулой

это совместимо со структурой , если матрица из одного-форма со & alpha ; & beta ; ( е ) принимает значения в г .

Более того, форма кривизны совместимого соединения является двухформой со значением g .

Смена кадра [ править ]

Под сменой кадра

где g - G -значная функция, определенная на открытом подмножестве M , форма связи преобразуется через

Или, используя матричные произведения:

Чтобы интерпретировать каждый из этих терминов, напомним, что g  : MG - G -значная (локально определенная) функция. Имея это в виду,

где ω g - форма Маурера-Картана для группы G , здесь подтянутая к M по функции g , а Ad - присоединенное представление группы G на ее алгебре Ли.

Основные пакеты [ править ]

Форма соединения, представленная до сих пор, зависит от конкретного выбора рамы. В первом определении рама - это просто локальная основа секций. Каждому кадру дается форма связи с законом преобразования для перехода от одного кадра к другому. Во втором определении сами фреймы несут некоторую дополнительную структуру, предоставляемую группой Ли, и изменения фрейма ограничиваются теми, которые принимают в нем свои значения. Язык основных связок, изобретенный Чарльзом Эресманномв 1940-х годах предлагает способ организации этих многочисленных форм связи и законов преобразования, связывающих их в единую внутреннюю форму с единым правилом преобразования. Недостатком этого подхода является то, что формы больше не определены на самом многообразии, а скорее на более крупном основном связке.

Основное соединение для формы соединения [ править ]

Предположим , что EM является векторное расслоение со структурной группой G . Пусть { U } открытое покрытие из М , вместе с G -реперное на каждом U , обозначим через е U . Они связаны на пересечении перекрывающихся открытых множеств

для некоторого G -значной функции ч UV , определенный на ¯u П V .

Пусть F G E множество всех G реперы берется по каждой точке М . Это является главным G расслоением над M . Подробно, используя тот факт, что все G- кадры связаны с G , F G E может быть реализовано в терминах склейки данных между наборами открытой крышки:

где отношение эквивалентности определяется формулой

На F G E определите основную G -связь следующим образом, задав однозначную g -форму для каждого произведения U × G , которая соблюдает отношение эквивалентности в областях перекрытия. Сначала позвольте

- карты проекции. Теперь для точки ( x , g ) ∈ U × G положим

1-формы ω построена таким образом , отношениях переходы между перекрывающимися наборами, и , следовательно , опускается , чтобы дать глобально определенную 1-форму на главном расслоении Р О Е . Можно показать , что ω является главной связью в том смысле , что он воспроизводит генераторы правого G действия на F G E и эквивариантно переплетается правильное действие на Т (F G E ) с присоединенным представлением G .

Формы подключения, связанные с основным подключением [ править ]

С другой стороны , главная G -связность ω в главном G -расслоений PM приводит к набору соединительных форм на М . Пусть е  : MP является локальным сечением Р . Тогда подъём ω вдоль e определяет g -значную однозначную форму на M :

Изменяя фреймы с помощью G- значной функции g , можно увидеть, что ω ( e ) преобразуется требуемым образом с помощью правила Лейбница и присоединения:

где X - вектор на M , а d означает прямой ход .

См. Также [ править ]

  • Связь Ehresmann
  • Картановое соединение
  • Аффинная связь
  • Форма кривизны

Примечания [ править ]

  1. Перейти ↑ Griffiths & Harris (1978) , Wells (1980) , Spivak (1999)
  2. См. Йост (2011) , глава 4, для полного описания связи Леви-Чивита с этой точки зрения.
  3. ^ См. Спивак (1999) , II.7 для полного описания связи Леви-Чивита с этой точки зрения.
  4. ^ В неголономной системе отсчета выражение кривизны дополнительно усложняется тем фактом, что необходимо учитывать производные dθ i .
  5. ^ а б Уэллс (1973).
  6. ^ См., Например, Кобаяси и Номидзу, Том II.
  7. ^ См. Черна и Мозера.

Ссылки [ править ]

  • Черн С.-С., Темы дифференциальной геометрии , Институт перспективных исследований, записанные на мимеографе конспекты лекций, 1951.
  • Черн СС; Мозер, Дж. К. (1974), "Вещественные гиперповерхности в комплексных многообразиях", Acta Math. , 133 : 219-271, DOI : 10.1007 / BF02392146
  • Гриффитс, Филипп ; Харрис, Джозеф (1978), принципы алгебраической геометрии , Джон Вили и сыновья, ISBN 0-471-05059-8
  • Йост, Юрген (2011), Риманова геометрия и геометрический анализ (PDF) , Universitext (шестое изд.), Springer, Heidelberg, DOI : 10.1007 / 978-3-642-21298-7 , ISBN 978-3-642-21297-0, MR  2829653
  • Кобаяси, Шошичи; Номидзу, Кацуми (1996), Основы дифференциальной геометрии, т. 1 (Новое издание), Wiley-Interscience, ISBN 0-471-15733-3
  • Кобаяси, Шошичи; Номидзу, Кацуми (1996), Основы дифференциальной геометрии, т. 2 (Новое издание), Wiley-Interscience, ISBN 0-471-15732-5
  • Спивак, Майкл (1999), Комплексное введение в дифференциальную геометрию (Том 2) , Publish or Perish, ISBN 0-914098-71-3
  • Спивак, Майкл (1999), Комплексное введение в дифференциальную геометрию (Том 3) , Publish or Perish, ISBN 0-914098-72-1
  • Уэллс, РО (1973), Дифференциальный анализ на комплексных многообразиях , Springer-Verlag, ISBN 0-387-90419-0
  • Уэллс Р.О. (1980), Дифференциальный анализ на комплексных многообразиях , Прентис – Холл.