Difomorfismus - Diffeomorphism
Algebraická struktura → Skupinová teorie Skupinová teorie |
---|
![]() |
Nekonečná dimenzionální Lieova skupina
|
Lež skupiny |
---|
![]() |
|
v matematika, a difeomorfismus je izomorfismus z hladké potrubí. Je to invertibilní funkce který mapuje jeden diferencovatelné potrubí do jiné takové, že jak funkce, tak její inverzní jsou hladký.

Definice
Vzhledem k tomu dva rozdělovače a , a rozlišitelný mapa se nazývá a difeomorfismus pokud je to bijekce a jeho inverzní je také rozlišitelný. Pokud jsou tyto funkce krát průběžně diferencovatelné, se nazývá a -difomorfismus.
Dvě potrubí a jsou difeomorfní (obvykle označeno ) pokud existuje difeomorfismus z na . Oni jsou -difeomorfní pokud existuje časy průběžně diferencovatelné bijektivní mapy mezi nimi, jejichž inverzní je také časy průběžně diferencovatelné.
Difeomorfismy podmnožin potrubí
Vzhledem k tomu, podmnožina X potrubí M a podmnožina Y potrubí N, funkce F : X → Y je řekl, aby byl hladký, pokud pro všechny p v X tady je sousedství U ⊆ M z p a plynulá funkce G : U → N takové, že omezení souhlasit: (Všimněte si, že G je příponou F). Funkce F je považován za difeomorfismus, pokud je bijektivní, hladký a jeho inverzní je hladký.
Místní popis
Li U, PROTI jsou připojeno otevřené podmnožiny z Rn takhle PROTI je jednoduše připojeno, a rozlišitelný mapa F : U → PROTI je difeomorfismus Pokud to je správně a pokud rozdíl DfX : Rn → Rn je bijektivní (a tedy a lineární izomorfismus ) v každém bodě X v U.
- První poznámka
Je to nezbytné pro PROTI být jednoduše připojeno pro funkci F být globálně invertibilní (pod jedinou podmínkou, že jeho derivátem bude bijektivní mapa v každém bodě). Zvažte například „realizaci“ komplex čtvercová funkce
Pak F je surjektivní a to uspokojuje
Tak tedy DfX je v každém bodě bijektivní, F není invertibilní, protože tomu tak není injekční (např. F(1, 0) = (1, 0) = F(−1, 0).
- Druhá poznámka
Protože rozdíl v bodě (pro diferencovatelnou funkci)
je lineární mapa, má dobře definovanou inverzi právě tehdy DfX je bijekce. The matice zastoupení DfX je n × n matice prvního řádu částečné derivace jehož vstup do i-tá řada a j-tý sloupec je . Tento tzv Jacobian matrix se často používá pro explicitní výpočty.
- Třetí poznámka
Difeomorfismy jsou nutně mezi stejnými potrubími dimenze. Představte si F jít z dimenze n dimenzovat k. Li n < k pak DfX nikdy nemůže být surjektivní, a pokud n > k pak DfX nikdy nemohl být injekční. V obou případech tedy DfX není bijekce.
- Čtvrtá poznámka
Li DfX je bijekce na X pak F se říká, že je místní difeomorfismus (protože kontinuitou Dfy bude také bijektivní pro všechny y dostatečně blízko X).
- Pátá poznámka
Vzhledem k plynulé mapě z dimenze n dimenzovat k, pokud Df (nebo místně DfX) je surjektivní, F se říká, že je ponoření (nebo lokálně „místní ponoření“); a pokud Df (nebo místně DfX) je injekční, F se říká, že je ponoření (nebo lokálně „místní ponoření“).
- Šestá poznámka
Rozlišitelná bijekce je ne nutně difeomorfismus. F(X) = X3například není difeomorfismus od R pro sebe, protože jeho derivát mizí v 0 (a proto jeho inverze není diferencovatelná v 0). Toto je příklad a homeomorfismus to není difeomorfismus.
- Sedmá poznámka
Když F je mapa mezi rozlišitelný různá potrubí, difeomorfní F je silnější stav než homeomorfní F. Pro difeomorfismus F a jeho inverzní musí být rozlišitelný; pro homeomorfismus, F a jeho inverzní pouze musí být kontinuální. Každý difeomorfismus je homeomorfismus, ale ne každý homeomorfismus je difeomorfismus.
F : M → N se nazývá a difeomorfismus pokud, v souřadnicové grafy, splňuje výše uvedenou definici. Přesněji: Vyberte libovolnou obálku M kompatibilní souřadnicové grafy a udělat to samé pro N. Nechť φ a ψ jsou grafy na M a N, s U a PROTI jako obrázky φ a ψ. Mapa ψFφ−1 : U → PROTI je potom difeomorfismus jako ve výše uvedené definici, kdykoli F(φ−1(U)) ⊆ ψ−1(PROTI).
Příklady
Protože libovolné potrubí lze lokálně parametrizovat, můžeme uvažovat o některých explicitních mapách z R2 do R2.
- Nechat
- Můžeme vypočítat Jacobovu matici:
- Jacobská matice má nulu určující kdyby a jen kdyby xy = 0. Vidíme to F mohl být pouze difeomorfismem od X- osa a y-osa. Nicméně, F není bijective protože F(X, y) = F(-X, y), a tak to nemůže být difeomorfismus.
- Nechat
- Kde a jsou libovolné reálná čísla, a vynechané termíny mají stupeň alespoň dva palce X a y. Můžeme vypočítat jakobiánskou matici na 0:
- Vidíme to G je místní difeomorfismus v 0 pokud, a pouze pokud,
- tj. lineární členy ve složkách G jsou lineárně nezávislé tak jako polynomy.
- Nechat
- Můžeme vypočítat Jacobovu matici:
- Jakobiánská matice má všude nulový determinant! Ve skutečnosti vidíme ten obraz h je jednotkový kruh.
Povrchové deformace
v mechanika, transformace vyvolaná stresem se nazývá a deformace a může být popsán diffeomorfismem F : U → PROTI mezi dvěma povrchy U a PROTI má jakobiánskou matici Df to je invertibilní matice. Ve skutečnosti je to nutné pro p v U, tady je sousedství z p ve kterém Jacobian Df zůstává ne singulární. Protože Jacobian je skutečná matice 2 × 2, Df lze číst jako jeden ze tří typů komplexního čísla: obyčejný komplex, rozdělit komplexní číslo nebo dvojí číslo. Předpokládejme, že v grafu povrchu
The celkový rozdíl z u je
- a podobně pro proti.
Pak obrázek je lineární transformace, kterým se stanoví počátek a je vyjádřitelná jako akce komplexního čísla určitého typu. Když (dx, dy) je také interpretován jako tento typ komplexního čísla, jedná se o komplexní násobení v příslušné rovině komplexního čísla. Jako takový existuje typ úhlu (Euklidovský, hyperbolický nebo sklon ), který je zachován v takovém násobení. Kvůli Df protože je invertibilní, je typ komplexního čísla na povrchu jednotný. V důsledku toho má povrchová deformace nebo difeomorfismus povrchů konformní vlastnost zachování (vhodného typu) úhlů.
Skupina difomomorfismu
Nechat M být diferencovatelné potrubí, které je druhý spočetný a Hausdorff. The skupina difeomorfismu z M je skupina ze všech Cr difeomorfismy z M sama o sobě, označená Diffr(M) nebo, když r rozumí se, Diff (M). Toto je „velká“ skupina v tom smyslu, že - za předpokladu M není nulový rozměr - není místně kompaktní.
Topologie
Skupina difeomorfismu má dvě přirozené topologie: slabý a silný (Hirsch 1997 ). Když je potrubí kompaktní, tyto dvě topologie souhlasí. Slabá topologie je vždy měřitelný. Když potrubí není kompaktní, silná topologie zachycuje chování funkcí „v nekonečnu“ a nelze jej měřit. Je to však stále Baire.
Upevnění a Riemannova metrika na M, slabá topologie je topologie indukovaná rodinou metrik
tak jako K. se liší u kompaktních podskupin M. Opravdu, protože M je σ-kompaktní, existuje řada kompaktních podmnožin K.n jehož svaz je M. Pak:
Skupina diffeomorfismu vybavená slabou topologií je místně homeomorfní s prostorem Cr vektorová pole (Leslie 1967 ). Přes kompaktní podmnožinu M, následuje oprava Riemannovy metriky M a pomocí exponenciální mapa pro tuto metriku. Li r je konečný a potrubí je kompaktní, prostor vektorových polí je a Banachův prostor. Kromě toho jsou mapy přechodu z jednoho grafu tohoto atlasu do jiného plynulé, čímž se skupina diffeomorfismu stává a Banachovo potrubí s plynulými pravými překlady; levé překlady a inverze jsou pouze spojité. Li r = ∞, prostor vektorových polí je a Fréchetový prostor. Kromě toho jsou mapy přechodů plynulé, čímž se skupina difeomorfismů stává a Fréchet potrubí a dokonce do pravidelná skupina Fréchet Lie. Je-li potrubí σ-kompaktní a není kompaktní, plná skupina difeomorfismu není lokálně kontrakční pro žádnou ze dvou topologií. Jeden musí omezit skupinu kontrolou odchylky od identity blízko nekonečna, aby získal skupinu difeomorfismu, která je rozmanitá; viz (Michor & Mumford 2013 ).
Lež algebra
The Lež algebra skupiny difeomorfismu z M skládá se ze všeho vektorová pole na M vybavené Ležácká závorka vektorových polí. Trochu formálně je to vidět malou změnou souřadnic v každém bodě vesmíru:
takže infinitezimální generátory jsou vektorová pole
Příklady
- Když M = G je Lež skupina, existuje přirozené zahrnutí G ve své vlastní skupině difeomorfismů pomocí levého překladu. Let Diff (G) označuje skupinu difeomorfismu z G, pak existuje rozdělovací rozdíl (G) ≃ G × Rozdíl (G, E), kde Diff (G, E) je podskupina rozdílu (G), který opravuje prvek identity skupiny.
- Skupina difeomorfismu euklidovského prostoru Rn sestává ze dvou složek, které se skládají z difeomorfismů zachovávajících a orientujících se na obrácení. Ve skutečnosti obecná lineární skupina je zatažení deformace podskupiny Diff (Rn, 0) difeomorfismů fixujících počátek pod mapou F(X) ↦ F(tx) / t, t ∈ (0,1]. Obecná lineární skupina je zejména deformačním zatažením celé skupiny difeomorfismů.
- Na konec soubor bodů je skupina diffeomorfismu jednoduše symetrická skupina. Podobně, pokud M existuje nějaké potrubí existuje rozšíření skupiny 0 → Rozdíl0(M) → Rozdíl (M) → Σ (π0(M)). Tady Diff0(M) je podskupinou Diff (M), který zachovává všechny komponenty Ma Σ (π0(M)) je permutační skupina množiny π0(M) (součásti M). Navíc obrázek mapy Diff (M) → Σ (π0(M)) jsou bijekce π0(M), které zachovávají třídy difeomorfismu.
Přechodnost
Pro připojené potrubí M, skupina difeomorfismu činy přechodně na M. Obecněji řečeno, skupina diffeomorfismu působí přechodně na konfigurační prostor CkM. Li M je alespoň dvourozměrný, skupina difeomorfismu působí přechodně na konfigurační prostor FkM a akce na M je znásobit tranzitivní (Banyaga 1997, str. 29).
Rozšíření difeomorfismů
V roce 1926 Tibor Radó zeptal se, zda harmonické rozšíření jakéhokoli homeomorfismu nebo difeomorfismu jednotkového kruhu k jednotka disku poskytuje na otevřeném disku difeomorfismus. Krátce nato poskytl elegantní důkaz Hellmuth Kneser. V roce 1945 Gustave Choquet, zjevně nevědomý tohoto výsledku, předložil úplně jiný důkaz.
Skupina difeomorfismu (zachovávající orientaci) kruhu je spojena s cestou. To lze vidět poznamenáním, že jakýkoli takový difeomorfismus lze pozvednout na difeomorfismus F skutečností uspokojujících [F(X + 1) = F(X) + 1]; tento prostor je konvexní a tudíž spojený s cestou. Hladká, případně konstantní cesta k identitě dává druhý elementárnější způsob rozšíření difeomorfismu z kruhu na disk s otevřenou jednotkou (speciální případ Alexander trik ). Skupina difeomorfismu kruhu má navíc homotopický typ ortogonální skupina O (2).
Odpovídající problém rozšíření pro difeomorfismy sféry vyšších dimenzí Sn−1 byl hodně studován v padesátých a šedesátých letech, s významnými příspěvky od René Thom, John Milnor a Stephen Smale. Překážka těmto rozšířením je dána konečným abelianská skupina Γn„skupina zkroucených koulí ", definováno jako kvocient abelian skupina komponent skupiny difeomorfismů podskupinou tříd sahající až k difeomorfismům koule Bn.
Propojenost
U potrubí není skupina difeomorfismu obvykle spojena. Jeho skupina komponent se nazývá skupina tříd mapování. V dimenzi 2 (tj. povrchy ), skupina tříd mapování je a konečně představená skupina generováno uživatelem Dehn se zvrtne (Dehn, Lickorish, Líhně ).[Citace je zapotřebí ] Max Dehn a Jakob Nielsen ukázal, že jej lze identifikovat pomocí vnější skupina automorfismu z základní skupina povrchu.
William Thurston upřesnil tuto analýzu klasifikační prvky skupiny tříd mapování do tří typů: ekvivalentní a periodicky difeomorfismus; ty, které jsou ekvivalentní difeomorfismu, takže jednoduchá uzavřená křivka je neměnná; a rovnocenné pseudo-anosovské diffeomorfismy. V případě torus S1 × S1 = R2/Z2, skupina tříd mapování je prostě modulární skupina SL (2,Z) a klasifikace se stává klasickou, pokud jde o eliptický, parabolický a hyperbolický matice. Thurston dosáhl své klasifikace pozorováním, že skupina tříd mapování působila přirozeně na a zhutnění z Teichmüllerův prostor; protože tento zvětšený prostor byl homeomorfní pro uzavřený míč, Brouwerova věta o pevném bodě stal použitelným. Smale domnělý to když M je orientované hladké uzavřené potrubí, složka identity skupiny difeomorfismů zachovávající orientaci je jednoduchý. To pro produkt kruhů poprvé prokázal Michel Herman; to bylo v plné obecnosti prokázáno Thurstonem.
Homotopické typy
- Skupina difeomorfismu z S2 má homotopický typ podskupiny O (3). To dokázal Steve Smale.[3]
- Skupina difeomorfismu torusu má homotopický typ lineární automorfismy: S1 × S1 × GL (2, Z).
- Skupiny difeomorfismu orientovatelných povrchů rod G > 1 mají typ homotopy svých skupin tříd mapování (tj. Komponenty jsou kontraktovatelné).
- Homotopický typ skupin difeomorfismu 3-variet je docela dobře pochopen prostřednictvím práce Ivanova, Hatchera, Gabai a Rubinsteina, i když existuje několik vynikajících otevřených případů (primárně 3-variace s konečnými základní skupiny ).
- Homotopický typ skupin difeomorfismu n- rozdělovače pro n > 3 jsou špatně pochopeny. Například jde o otevřený problém bez ohledu na to, zda Diff (S4) má více než dvě složky. Přes Milnor, Kahn a Antonelli je však známo, že za předpokladu n > 6, Rozdíl (Sn) nemá homotopický typ konečné CW-komplex.
Homeomorphism a diffeomorphism
Na rozdíl od nedifeomorfních homeomorfismů je poměrně obtížné najít pár homeomorfní potrubí, která nejsou difeomorfní. V dimenzích 1, 2 a 3 je každá dvojice homeomorfních hladkých potrubí diffeomorfní. V dimenzi 4 nebo vyšší byly nalezeny příklady homeomorfních, ale ne difeomorfních párů. První takový příklad vytvořil John Milnor v dimenzi 7. Zkonstruoval hladké 7-dimenzionální potrubí (nyní nazývané Milnorova sféra ), který je homeomorfní se standardní 7 sférou, ale není pro ni diffeomorfní. Ve skutečnosti existuje 28 tříd difeomorfismu orientovaných na různá potrubí homeomorfní pro 7 sféry (každá z nich je celkový prostor svazek vláken přes 4-kouli s 3 koule jako vlákno).
Objevují se neobvyklejší jevy 4 rozdělovače. Na začátku 80. let byla výsledkem kombinace výsledků Simon Donaldson a Michael Freedman vedlo k objevu exotický R4s: existují nespočetně mnoho párové nedifeomorfní otevřené podmnožiny R4 z nichž každý je homeomorfní R4, a také existuje nespočetně mnoho párových nedifeomorfních diferencovatelných variet, které jsou homeomorfní R4 to ne vložte hladce v R4.
Viz také
Poznámky
- ^ Giuseppe De Marco; Gianluca Gorni; Gaetano Zampieri (1994). "Globální inverze funkcí: úvod". NoDEA. 1: 229–248. arXiv:1410.7902. Bibcode:2014arXiv1410.7902D.
- ^ Steven G. Krantz; Harold R. Parks (2013). Věta o implicitní funkci: historie, teorie a aplikace. p. Věta 6.2.4. ISBN 978-1-4614-5980-4.
- ^ Smale (1959). „Difeomorfismy 2-sféry“. Proc. Amer. Matematika. Soc. 10 (4): 621–626. doi:10.1090 / s0002-9939-1959-0112149-8.
Reference
- Krantz, Steven G .; Parks, Harold R. (2013). Věta o implicitní funkci: historie, teorie a aplikace. Moderní Birkhäuserova klasika. Boston. ISBN 978-1-4614-5980-4.
- Chaudhuri, Shyamoli; Kawai, Hikaru; Tye, S.-H. Henry (1987-08-15). "Cesta-integrální formulace uzavřených řetězců" (PDF). Fyzický přehled D. 36 (4): 1148–1168. Bibcode:1987PhRvD..36.1148C. doi:10.1103 / fyzrevd.36.1148. ISSN 0556-2821. PMID 9958280.
- Banyaga, Augustin (1997), Struktura skupin klasického difeomorfismu, Matematika a její aplikace, 400Kluwer Academic, ISBN 0-7923-4475-8
- Duren, Peter L. (2004), Harmonické zobrazení v rovině, Cambridge matematické trakty, 156, Cambridge University Press, ISBN 0-521-64121-7
- „Difomorfismus“, Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS, 2001 [1994]
- Hirsch, Morris (1997), Diferenciální topologie, Berlín, New York: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-90148-0
- Kriegl, Andreas; Michor, Peter (1997), Pohodlné nastavení globální analýzyMatematické průzkumy a monografie 53Americká matematická společnost, ISBN 0-8218-0780-3
- Leslie, J. A. (1967), „O diferenciální struktuře pro skupinu diffeomorfismů“, Topologie, 6 (2): 263–271, doi:10.1016/0040-9383(67)90038-9, ISSN 0040-9383, PAN 0210147
- Michor, Peter W .; Mumford, David (2013), „Zoo of diffeomorphism groups on Rn.", Annals of Global Analysis and Geometry, 44 (4): 529–540, arXiv:1211.5704, doi:10.1007 / s10455-013-9380-2
- Milnor, John W. (2007), Collected Works Vol. III, Diferenciální topologieAmerická matematická společnost, ISBN 978-0-8218-4230-0
- Omori, Hideki (1997), Nekonečno-dimenzionální Lieovy skupinyPřeklady matematických monografií, 158Americká matematická společnost, ISBN 0-8218-4575-6
- Kneser, Hellmuth (1926), „Lösung der Aufgabe 41.“, Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung (v němčině), 35 (2): 123