Formulář připojení - Connection form - Wikipedia
v matematika a konkrétně diferenciální geometrie, a formulář připojení je způsob organizace dat a spojení pomocí jazyka pohyblivé rámečky a diferenciální formy.
Historicky byly formy připojení zavedeny Élie Cartan v první polovině 20. století jako součást a jedna z hlavních motivací pro jeho metodu pohybu rámů. Forma připojení obecně závisí na výběru a souřadnicový rám, a tak tomu není tenzorový objekt. Po Cartanově počátečním díle byly formulovány různé zobecnění a reinterpretace formuláře spojení. Zejména na a hlavní balíček, a hlavní připojení je přirozená reinterpretace formy spojení jako tenzorového objektu. Na druhou stranu má forma připojení tu výhodu, že se jedná o diferenciální formu definovanou na diferencovatelné potrubí, spíše než na abstraktním hlavním svazku nad ním. Proto, navzdory jejich nedostatečné tenzorialitě, se formy připojení stále používají kvůli relativní snadnosti provádění výpočtů s nimi.[1] v fyzika, formy připojení se také široce používají v kontextu teorie měřidel, skrz měřidlo kovarianční derivace.
Ke každému je přidružen formulář připojení základ a vektorový svazek A matice různých forem. Formulář připojení není tenzorový, protože pod a změna základny se forma připojení transformuje způsobem, který zahrnuje vnější derivace z přechodové funkce, v podstatě stejným způsobem jako Christoffel symboly pro Připojení Levi-Civita. Hlavní tenzorový invariant formy připojení je jeho zakřivená forma. V přítomnosti a pájecí forma identifikace vektorového svazku s tečný svazek existuje další invariant: torzní forma. V mnoha případech jsou formy připojení považovány za vektorové svazky s další strukturou: a svazek vláken s strukturní skupina.
Vektorové svazky
Rámečky na vektorovém svazku
Nechat E být vektorový svazek rozměr vlákna k přes diferencovatelné potrubí M. A místní rám pro E je objednaný základ z místní sekce z E. Vždy je možné sestavit místní rámec, protože vektorové svazky jsou vždy definovány z hlediska místní trivializace, analogicky k atlas potrubí. To znamená, s ohledem na jakýkoli bod X na základním potrubí M, existuje otevřené sousedství U ⊂ M z X u kterého vektorový svazek skončil U je izomorfní s prostorem U × Rk: toto je místní bagatelizace. Struktura vektorového prostoru zapnuta Rk tím lze rozšířit na celou lokální bagatelizaci a základ na Rk lze také prodloužit; toto definuje místní rámec. (Tady, R má znamenat reálná čísla ℝ, i když velkou část vývoje lze rozšířit na moduly nad prsteny obecně a zejména na vektorové prostory nad komplexními čísly).)
Nechat E = (Eα)α=1,2,...,k být lokálním rámcem E. Tento rámec lze použít k místnímu vyjádření libovolné části E. Předpokládejme například, že ξ je místní řez definovaný ve stejné otevřené sadě jako rám E. Pak
kde ξα(E) označuje komponenty z ξ v rámu E. Jako maticová rovnice to zní
v obecná relativita, jsou taková pole rámce označována jako tetrady. Tetrad specificky spojuje místní rámec s explicitním souřadným systémem na základním potrubí M (souřadnicový systém zapnut M zavádí atlas).
Vnější připojení
A spojení v E je typ operátor diferenciálu
kde Γ označuje snop místních sekce vektorového svazku a Ω1M je balíček různých 1 forem na M. Pro D aby bylo připojení, musí být správně připojeno k vnější derivace. Konkrétně pokud proti je místní část E, a F je tedy plynulá funkce
kde df je vnější derivát F.
Někdy je vhodné rozšířit definici D na libovolné E- hodnotné formuláře, což jej považuje za diferenciálního operátora tenzorového součinu E s plným vnější algebra různých forem. Vzhledem k externímu připojení D splňující tuto vlastnost kompatibility, existuje jedinečné rozšíření D:
takhle
kde proti je homogenní se stupněm deg proti. Jinými slovy, D je derivace na svazku odstupňovaných modulů Γ (E ⊗ Ω*M).
Formuláře připojení
The formulář připojení vzniká při aplikaci vnějšího spojení na konkrétní rám E. Při použití vnějšího připojení k Eα, je to jedinečný k × k matice (ωαβ) z jednoformátové na M takhle
Pokud jde o formu připojení, vnější připojení kterékoli části E nyní lze vyjádřit. Předpokládejme například, že ξ = Σα Eαξα. Pak
Vezmeme komponenty na obou stranách,
pokud se to rozumí d a ω odkazují na komponentní derivaci s ohledem na rámec E, a matice 1-forem, respektive, působících na složky ξ. Naopak matice 1-forem ω je a priori dostačující k úplnému určení spojení lokálně na otevřené množině, na které je základem sekcí E je definováno.
Změna rámu
Za účelem prodloužení ω do vhodného globálního objektu, je nutné prozkoumat, jak se chová, když se liší výběr základních sekcí E je vybrán. Psát si ωαβ = ωαβ(E) k označení závislosti na výběru E.
Předpokládejme to E′ Je jiná volba místního základu. Pak je tu invertible k × k matice funkcí G takhle
Použití vnějšího spojení na obě strany dává zákon transformace pro ω:
Všimněte si zejména toho ω se nepodaří transformovat do a tenzorový způsobem, protože pravidlo pro přechod z jednoho snímku do druhého zahrnuje derivace přechodové matice G.
Globální formy připojení
Pokud {Ustr} je otevřený obal Ma každý Ustr je vybaven bagatelizací Estr z E, pak je možné definovat globální formulář připojení, pokud jde o data opravy mezi formuláři místního připojení v překrývajících se oblastech. Podrobně, a formulář připojení na M je systém matic ω(Estr) 1-forem definovaných na každé z nich Ustr které splňují následující podmínku kompatibility
Tento podmínka kompatibility zejména zajišťuje, že vnější spojení části E, jsou-li považovány abstraktně za část E ⊗ Ω1M, nezávisí na výběru základního úseku použitého k definování připojení.
Zakřivení
The zakřivení dvou tvarů formuláře připojení v E je definováno
Na rozdíl od formy připojení se zakřivení chová tenzoricky při změně rámce, který lze zkontrolovat přímo pomocí Poincaré lemma. Konkrétně pokud E → E G je změna rámce, pak se zakřivení dvou forem transformuje o
Jedna interpretace tohoto transformačního zákona je následující. Nechat E* být dvojí základ odpovídající rámečku E. Pak 2-forma
je nezávislá na výběru rámu. Zejména je Ω dvouhodnotová vektorová hodnota M s hodnotami v endomorfismus prsten Hom (E,E). Symbolicky,
Pokud jde o vnější připojení D, endomorfismus zakřivení je dán vztahem
pro proti ∈ E. Zakřivení tedy měří selhání sekvence
být a řetězový komplex (ve smyslu de Rhamova kohomologie ).
Pájení a kroucení
Předpokládejme, že rozměr vlákna k z E se rovná dimenzi potrubí M. V tomto případě vektorový svazek E je někdy kromě připojení vybaveno dalšími údaji: a pájecí forma. A pájecí forma je globálně definovaný vektorová hodnota jedné formy θ ∈ Ω1(M,E) takové, že mapování
je lineární izomorfismus pro všechny X ∈ M. Pokud je uveden pájecí formulář, je možné definovat kroucení připojení (z hlediska vnějšího připojení) jako
Torze Θ je E-hodnota 2-forma na M.
Pájecí forma a související torze mohou být popsány v podmínkách lokálního rámu E z E. Pokud je θ pájecí forma, rozloží se na komponenty rámu
Složky torze jsou tedy
Stejně jako zakřivení lze ukázat, že Θ se chová jako a kontravariantní tenzor pod změnou rámu:
Torze nezávislá na rámu může být také obnovena z komponent rámu:
Bianchi identity
The Bianchi identity vztahují torzi k zakřivení. První identita Bianchi to říká
zatímco druhá identita Bianchi to říká
Příklad: připojení Levi-Civita
Předpokládejme například, že M nese a Riemannova metrika. Pokud má někdo vektorový svazek E přes M, pak lze metriku rozšířit na celý vektorový svazek, jako metrika svazku. Jeden pak může definovat připojení, které je kompatibilní s touto metrikou balíčku, to je metrické připojení. Pro zvláštní případ E být tečný svazek TM, metrické připojení se nazývá Riemannovo spojení. Vzhledem k Riemannovu spojení lze vždy najít jedinečné ekvivalentní spojení bez kroucení. To je Připojení Levi-Civita na tangenciálním svazku TM z M.[2][3]
Místní rámec na svazku tangenty je uspořádaný seznam vektorových polí E = (Ei | i = 1,2, ..., n = dim M) definované na otevřené podmnožině M které jsou lineárně nezávislé v každém bodě jejich domény. Symboly Christoffel definují spojení Levi-Civita podle
Pokud θ = {θi | i = 1,2, ..., n}, označuje dvojí základ z kotangenský svazek, takže θi(Ej) = δij (dále jen Kroneckerova delta ), pak je formulář připojení
Pokud jde o formu připojení, vnější spojení na vektorovém poli proti = ΣiEiprotii darováno
Jeden může obnovit spojení Levi-Civita, v obvyklém smyslu, z toho smlouvou s Ei:
Zakřivení
Zakřivení 2-formy spojení Levi-Civita je matice (Ωij) dána
Pro jednoduchost předpokládejme, že rám E je holonomický, takže dθi=0.[4] Poté, nyní zaměstnává konvence součtu na opakovaných indexech,
kde R je Riemannův tenzor zakřivení.
Kroucení
Spojení Levi-Civita je charakterizováno jako jedinečné metrické připojení v tangenciálním svazku s nulovou torzí. Chcete-li popsat kroucení, všimněte si, že vektorový svazek E je tangenta svazek. To nese kanonickou pájecí formu (někdy nazývanou kanonický jeden formulář, zejména v kontextu klasická mechanika ), což je řez θ Hom (TM, TM) = T∗M ⊗ TM odpovídající endomorfismu identity tečných prostorů. V rámu E, pájecí forma je θ = Σi Ei ⊗ θi, kde znovu θi je dvojí základ.
Torze spojení je dána vztahem Θ = D θ, nebo pokud jde o rámové komponenty pájecí formy od
Předpokládejme znovu pro jednoduchost E je holonomický, tento výraz se redukuje na
- ,
který zmizí právě tehdy, když Γikj je symetrický na svých nižších indexech.
Vzhledem k metrickému spojení s torzí lze vždy najít jediné jedinečné spojení bez torze, toto je spojení Levi-Civita. Rozdíl mezi riemannovským spojením a přidruženým spojením Levi-Civita je tenzor kontorze.
Skupiny struktur
Konkrétnější typ formuláře připojení lze sestavit, když je vektorový svazek E nese a strukturní skupina. To představuje preferovanou třídu rámců E na E, které souvisejí s a Lež skupina G. Například v přítomnosti a metrický v E, jeden pracuje s rámy, které tvoří ortonormální základ v každém bodě. Skupinou struktury je pak ortogonální skupina, protože tato skupina zachovává ortonální formu rámců. Mezi další příklady patří:
- Obvyklé rámy, uvažované v předchozí části, mají konstrukční skupinu GL (k) kde k je rozměr vlákna E.
- Holomorfní tangentní svazek a komplexní potrubí (nebo téměř složité potrubí ).[5] Zde je skupina struktur GLn(C) ⊂ GL2n(R).[6] V případě a poustevnická metrika je uveden, pak se skupina struktury redukuje na unitární skupina působící na jednotné rámy.[5]
- Spinors na potrubí vybaveném a spinová struktura. Rámečky jsou jednotné s ohledem na neměnný vnitřní produkt v prostoru rotace a skupina se redukuje na spinová skupina.
- Holomorfní tangentní svazky na CR rozdělovače.[7]
Obecně řečeno E být daným vektorovým svazkem vláken k a G ⊂ GL (k) daná Lieova podskupina obecné lineární skupiny Rk. Pokud (Eα) je místní rámec E, pak funkce s hodnotou matice (Gij): M → G může jednat o Eα k výrobě nového rámu
Dva takové rámy jsou G-příbuzný. Neformálně vektorový svazek E má struktura a G- svazek pokud je zadána preferovaná třída rámců, všechny jsou lokálně G- vzájemně související. Formálně E je svazek vláken se strukturní skupinou G jehož typické vlákno je Rk s přirozeným působením G jako podskupina GL (k).
Kompatibilní připojení
Spojení je kompatibilní se strukturou a G-bundle on E za předpokladu, že přidružené paralelní doprava mapy vždy pošlou jednu G-rám do jiného. Formálně musí podél křivky γ lokálně platit následující (tj. Pro dostatečně malé hodnoty t):
pro nějakou matici Gαβ (což může také záviset na t). Diferenciace v t= 0 dává
kde koeficienty ωαβ jsou v Lež algebra G skupiny Lie G.
S tímto pozorováním forma spojení ωαβ definován
je kompatibilní se strukturou jestliže matice jednoformátů ωαβ(E) bere své hodnoty dovnitř G.
Forma zakřivení kompatibilního spojení je navíc a G-hodnota dvou forem.
Změna rámu
Pod změnou rámu
kde G je G-hodnotová funkce definovaná na otevřené podmnožině M, forma připojení se transformuje pomocí
Nebo pomocí maticových produktů:
Chcete-li interpretovat každý z těchto výrazů, připomeňte si to G : M → G je G-hodnotená (místně definovaná) funkce. S ohledem na to
kde ωG je Maurer-Cartanův formulář pro skupinu G, tady stáhl na M podél funkce Ga Ad je adjunkční reprezentace z G na jeho Lieově algebře.
Hlavní balíčky
Forma připojení, jak byla dosud zavedena, závisí na konkrétní volbě rámce. V první definici je rámec pouze lokálním základem řezů. Každému rámci je dán formulář připojení s transformačním zákonem pro přechod z jednoho snímku do druhého. Ve druhé definici samotné rámy nesou nějakou další strukturu poskytnutou Lieovou skupinou a změny rámce jsou omezeny na ty, které v ní mají své hodnoty. Jazyk hlavních svazků, který propagoval Charles Ehresmann ve čtyřicátých letech 20. století poskytuje způsob organizace těchto mnoha forem spojení a transformačních zákonů, které je spojují do jediné vnitřní formy s jediným pravidlem pro transformaci. Nevýhodou tohoto přístupu je, že formy již nejsou definovány na samotném potrubí, ale spíše na větším hlavním svazku.
Hlavní připojení pro formulář připojení
Předpokládejme to E → M je vektorový svazek se strukturní skupinou G. Nechť {U} být otevřenou obálkou M, spolu s G-rámce na každém U, označeno EU. Ty souvisejí na křižovatkách překrývajících se otevřených množin o
pro některé G-hodnotená funkce hUV definováno dne U ∩ PROTI.
Ať FGE být množinou všeho G- snímky převzaté z každého bodu M. Toto je jistina G-bundle přes M. Podrobně s využitím skutečnosti, že G-rámce jsou všechny G- související, FGE lze realizovat z hlediska lepení dat mezi sadami otevřeného krytu:
Kde vztah ekvivalence je definováno
Na FGE, definujte a ředitel školy G-spojení následovně zadáním a G-hodnota jednoho formuláře na každém produktu U × G, který respektuje vztah ekvivalence na překrývajících se regionech. Nejprve nechte
být projekční mapy. Nyní, pro bod (X,G) ∈ U × G, nastavit
Takto vytvořená 1 forma ω respektuje přechody mezi překrývajícími se množinami, a proto sestupuje, aby poskytla globálně definovanou 1 formu na hlavním svazku FGE. Je možné ukázat, že ω je hlavní spojení v tom smyslu, že reprodukuje generátory pravice G akce na FGEa ekvivariantně prolíná správnou akci na T (F.GE) s adjoint reprezentací G.
Formuláře připojení přidružené k hlavnímu připojení
Naopak, jistina G-pojení ω v jistině G- svazek P→M vytváří sbírku formulářů připojení na M. Předpokládejme to E : M → P je místní část P. Pak je zpětná vazba ω E definuje a G-hodnota jednoho formuláře na M:
Změna snímků o a G-hodnotená funkce G, jeden vidí, že ω (E) se transformuje požadovaným způsobem pomocí Leibnizova pravidla a přídavku:
kde X je vektor na M, a d označuje tlačit kupředu.
Viz také
Poznámky
- ^ Griffiths & Harris (1978), Wells (1980), Spivak (1999)
- ^ Vidět Jost (2011), kapitola 4, pro úplný popis spojení Levi-Civita z tohoto pohledu.
- ^ Vidět Spivak (1999) , II.7 pro úplný popis spojení Levi-Civita z tohoto pohledu.
- ^ V ne-holonomickém rámci je výraz zakřivení dále komplikován skutečností, že deriváty dθi je třeba vzít v úvahu.
- ^ A b Wells (1973).
- ^ Viz například Kobayashi a Nomizu, díl II.
- ^ Viz Chern a Moser.
Reference
- Chern, S.-S., Témata v diferenciální geometrii, Institute for Advanced Study, mimeographed lecture notes, 1951.
- Chern S. S .; Moser, J.K. (1974), „Skutečné hyperplochy ve složitých varietách“, Acta Math., 133: 219–271, doi:10.1007 / BF02392146
- Griffiths, Phillip; Harris, Joseph (1978), Principy algebraické geometrieJohn Wiley a synové, ISBN 0-471-05059-8
- Jost, Jürgen (2011), Riemannova geometrie a geometrická analýza (PDF)Universitext (šesté vydání), Springer, Heidelberg, doi:10.1007/978-3-642-21298-7, ISBN 978-3-642-21297-0, PAN 2829653
- Kobayashi, Shoshichi; Nomizu, Katsumi (1996), Základy diferenciální geometrie, sv. 1 (New ed.), Wiley-Interscience, ISBN 0-471-15733-3
- Kobayashi, Shoshichi; Nomizu, Katsumi (1996), Základy diferenciální geometrie, sv. 2 (New ed.), Wiley-Interscience, ISBN 0-471-15732-5
- Spivak, Michael (1999), Komplexní úvod do diferenciální geometrie (svazek 2), Publikovat nebo zahynout, ISBN 0-914098-71-3
- Spivak, Michael (1999), Komplexní úvod do diferenciální geometrie (svazek 3), Publikovat nebo zahynout, ISBN 0-914098-72-1
- Wells, R.O. (1973), Diferenciální analýza složitých potrubí, Springer-Verlag, ISBN 0-387-90419-0
- Wells, R.O. (1980), Diferenciální analýza složitých potrubí, Prentice – Hall