Jump to content

Форма подключения

(Перенаправлено из единой формы Connection )

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

Исторически формы связи были введены Эли Картаном в первой половине 20-го века как часть и одна из основных мотиваций его метода перемещения кадров. Форма связи обычно зависит от выбора системы координат и поэтому не является тензорным объектом. После первоначальной работы Картана были сформулированы различные обобщения и реинтерпретации формы связи. В частности, на главном расслоении главное соединение представляет собой естественную реинтерпретацию формы соединения как тензорного объекта. С другой стороны, форма связности имеет то преимущество, что она является дифференциальной формой, определенной на дифференцируемом многообразии , а не на абстрактном главном расслоении над ним. Следовательно, несмотря на отсутствие тензорности, формы связи продолжают использоваться из-за относительной простоты выполнения с их помощью вычислений. [1] В физике формы связи также широко используются в контексте калибровочной теории через калибровочную ковариантную производную .

Форма связности сопоставляет каждому базису векторного расслоения матрицу . дифференциальных форм Форма связи не является тензорной, поскольку при изменении базиса форма связи трансформируется таким образом, что включает в себя внешнюю производную функций перехода , во многом так же, как символы Кристоффеля для связи Леви-Чивита . Основным тензорным инвариантом формы связности является ее форма кривизны . При наличии формы спая, отождествляющей векторное расслоение с касательным , существует дополнительный инвариант: форма кручения . Во многих случаях формы связности рассматриваются на векторных расслоениях с дополнительной структурой: расслоения со структурной группой .

Векторные пучки

[ редактировать ]

Кадры на векторном расслоении

[ редактировать ]

Позволять быть векторным расслоением размерности слоя над дифференцируемым многообразием . Локальная рамка для собой упорядоченную основу локальных разделов представляет . Всегда можно построить локальный фрейм, поскольку векторные расслоения всегда определяются в терминах локальных тривиализаций по аналогии с атласом многообразия. То есть, учитывая любую точку на базовом коллекторе , существует открытая окрестность из для которого векторное расслоение над локально тривиален, то есть изоморфен проецируя на . Структура векторного пространства на таким образом может быть распространено на всю локальную тривиализацию и базис на также может быть продлен; это определяет локальный фрейм. (Здесь используются действительные числа, хотя большая часть разработки может быть распространена на модули над кольцами в целом и на векторные пространства над комплексными числами. в частности.)

Позволять быть локальным фреймом на . Этот фрейм можно использовать для локального выражения любого раздела . Например, предположим, что — это локальный раздел, определенный в том же открытом множестве, что и фрейм. . Затем

где обозначает компоненты в кадре . В виде матричного уравнения это выглядит так:

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

Внешние соединения

[ редактировать ]

Связность . в E — это разновидность дифференциального оператора

где Γ обозначает пучок локальных сечений векторного расслоения, а Ω 1 M — расслоение дифференциальных 1-форм на M . Чтобы D было связным, оно должно быть правильно связано 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 , рассматривая его, таким образом, как дифференциальный оператор на тензорном произведении E с полной внешней алгеброй дифференциальных форм. Учитывая внешнее соединение D , удовлетворяющее этому свойству совместимости, существует уникальное расширение D :

такой, что

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

Формы подключения

[ редактировать ]

Форма связи возникает при применении внешней связи к конкретному кадру е . При применении внешней связи к e α это единственная матрица k × k ( ω α б ) одноформ на M таких, что

В терминах формы соединения внешнюю связь любого участка Е. теперь можно выразить Например, предположим, что ξ = Σ α e α ξ а . Затем

Взяв компоненты с обеих сторон,

где подразумевается, что d и ω относятся к покомпонентной производной по системе отсчета e и матрице 1-форм соответственно, действующим на компоненты ξ . Наоборот, матрица 1-форм ω априори достаточна базис сечений e для того, чтобы полностью определить связность локально на открытом множестве, над которым определен .

Смена кадра

[ редактировать ]

Чтобы распространить ω на подходящий глобальный объект, необходимо изучить, как он ведет себя при другого выбора основных сечений E. выборе Напишите ω α б = ох а б ( e ) для указания зависимости от выбора e .

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

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

Обратите внимание, в частности, что ω не преобразуется тензорным образом, поскольку правило перехода от одной системы отсчета к другой включает в себя производные матрицы перехода g .

Глобальные формы подключения

[ редактировать ]

Если { U p является открытым покрытием M и каждое U p снабжено тривиализацией e p E } , то можно определить глобальную форму соединения в терминах данных исправления между локальными формами соединения на перекрытии. регионы. Более подробно, форма связности 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 связность сечения E , если рассматривать его абстрактно как сечение E ⊗ Ω 1 M , не зависит от выбора раздела базиса, используемого для определения соединения.

Кривизна

[ редактировать ]

формы Двусторонняя форма кривизны связности в E определяется формулой

В отличие от формы связности, кривизна при смене системы отсчета ведет себя тензорно, что можно проверить непосредственно с помощью леммы Пуанкаре . В частности, если e eg посредством является сменой системы отсчета, то двухформа кривизны преобразуется

Одна из интерпретаций этого закона трансформации состоит в следующем. Пусть е * двойственный базис, соответствующий фрейму e . Тогда 2-форма

не зависит от выбора кадра. В частности, Ω — векторнозначная двуформа на M со значениями в кольце эндоморфизмов Hom( E , E ). Символически,

В терминах внешней связи D эндоморфизм кривизны определяется выражением

для v E . Таким образом, кривизна измеряет несостоятельность последовательности

быть цепным комплексом (в смысле когомологий де Рама ).

Пайка и кручение

[ редактировать ]

что размерность слоя k пространства E равна размерности многообразия M. Предположим , В этом случае векторный пучок E иногда помимо своего соединения снабжается дополнительным элементом данных: формой пайки . Форма припоя — это глобально определенная векторная однозначная форма θ ∈ Ω. 1 ( M , E ) такие, что отображение

линейным изоморфизмом для всех x M. является можно определить Если задана форма пайки, то кручение соединения (по внешнему соединению) как

Кручение Θ является E -значной 2-формой на M .

Форма припоя и связанное с ней кручение могут быть описаны в терминах локальной e из E. рамки Если θ — паяная форма, то она распадается на составляющие каркаса

Тогда компоненты кручения будут

Как и в случае с кривизной, можно показать, что Θ ведет себя как контравариантный тензор при изменении системы отсчета:

Независимое от рамы кручение также можно восстановить из компонентов рамы:

Личности Бьянки

[ редактировать ]

Тождества Бьянки связывают кручение с кривизной. Первое тождество Бьянки гласит, что

в то время как второе тождество Бьянки утверждает, что

Пример: связь Леви-Чивита.

[ редактировать ]

В качестве примера предположим, что M несет риманову метрику . Если у кого-то есть 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 связность без кручения . Это связность Леви-Чивита на касательном расслоении TM к M . [2] [3]

Локальный фрейм на касательном расслоении — это упорядоченный список векторных полей e = ( e i | i = 1, 2, ..., n ) , где n = dim M , определенных на открытом подмножестве M , которые линейно независимы. в каждой точке своей территории. Символы Кристоффеля определяют связь Леви-Чивита посредством

Если θ = { θ я | i = 1, 2, ..., n } обозначает двойственный базис кокасательного расслоения такой, что θ я ( е j ) знак равно δ я j ( дельта Кронекера ), то форма связи имеет вид

С точки зрения формы связности внешняя связность на векторном поле v = Σ i e i v я дается

Отсюда можно восстановить связь Леви-Чивита в обычном смысле, сжав ее ei с :

Кривизна

[ редактировать ]

Кривизной 2-формой связности Леви-Чивита является матрица (Ω i дж ) предоставлено

Для простоты предположим, что система e голономна , так что я = 0 . [4] Затем, используя теперь соглашение о суммировании по повторяющимся индексам,

где R тензор кривизны Римана .

Связность Леви-Чивита характеризуется как единственная метрическая связность в касательном расслоении с нулевым кручением. Чтобы описать кручение, заметим, что векторное расслоение E является касательным расслоением. Это имеет каноническую форму пайки (иногда называемую канонической одной формой , особенно в контексте классической механики ), которая представляет собой сечение θ Hom (TM , TM ) = T M TM, соответствующий тождественному эндоморфизму касательных пространств. В кадре e форма припоя — {{{1}}} , где снова θ я является двойственной основой.

Кручение соединения определяется соотношением Θ = или в терминах каркасных компонентов формы припоя выражением

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

,

которое обращается в нуль тогда и только тогда, когда Γ я kj симметричен по нижним индексам.

Учитывая метрическую связь с кручением, всегда можно найти единственное уникальное соединение без кручения, это соединение Леви-Чивита. Разница между римановой связью и связанной с ней связью Леви-Чивита заключается в тензоре искривления .

Структурные группы

[ редактировать ]

Более конкретный тип формы связи может быть построен, когда векторное расслоение E несет в себе структурную группу . Это составляет предпочтительный класс фреймов на E , которые связаны группой Ли G. e Например, при наличии метрики в E работают с кадрами, образующими ортонормированный базис в каждой точке . Структурная группа тогда является ортогональной группой , поскольку эта группа сохраняет ортонормированность кадров. Другие примеры включают в себя:

В общем, пусть E — заданное векторное расслоение размерности слоя k , а G ⊂ GL( k ) — заданная подгруппа Ли общей линейной группы R. к . Если ( e α ) является локальной системой отсчета E , то матрица-функция ( g i дж ): M G может воздействовать на e α , создавая новый кадр.

Два таких кадра G -связаны . Неформально векторное расслоение 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 которого является R к с естественным действием G как подгруппы GL( k ).

Совместимые соединения

[ редактировать ]

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

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

где коэффициенты ω α б находятся в алгебре Ли g группы Ли G .

С учетом этого наблюдения форма связи ω α б определяется

совместима со структурой , если матрица одноформ ω α б ( e ) принимает свои значения в g .

При этом форма кривизны совместимой связности является g -значной двуформой.

Смена кадра

[ редактировать ]

Под сменой кадра

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

Или, используя матричные продукты:

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

где ωg форма Маурера-Картана для группы G , здесь возвращенная к M вдоль функции g , а Ad — присоединенное представление группы G на ее алгебре Ли.

Основные пакеты

[ редактировать ]

Форма соединения, представленная до сих пор, зависит от конкретного выбора кадра. В первом определении фрейм — это просто локальная основа разделов. Каждому кадру задана форма связи с законом преобразования для перехода от одного кадра к другому. Во втором определении сами фреймы несут некоторую дополнительную структуру, обеспечиваемую группой Ли, и изменения фрейма ограничиваются теми, которые принимают в нем свои значения. Язык главных связок, впервые предложенный Чарльзом Эресманном в 1940-х годах, обеспечивает способ организации этих многочисленных форм связи и законы трансформации, соединяющие их в единую внутреннюю форму с единым правилом трансформации. Недостатком этого подхода является то, что формы больше не определяются на самом многообразии, а скорее на более крупном главном расслоении.

Основное соединение для формы соединения

[ редактировать ]

Предположим, что M векторное расслоение со структурной группой G. E { U } — открытое покрытие M вместе с G -шкалами на каждом U , обозначаемыми eU Пусть . Они связаны на пересечениях перекрывающихся открытых множеств соотношением

для некоторой G -значной функции h UV, определенной на U V .

Пусть F G E — множество всех G взятых по каждой точке М. -фреймов , Это главное G расслоение над M. - Подробно, используя тот факт, что G все -кадры G -связаны, F G E можно реализовать в терминах склейки данных между множествами открытой крышки:

где отношение эквивалентности определяется

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

быть проекционными картами. Теперь для точки ( x , g ) ∈ U × G положим

1-форма ω, построенная таким образом, учитывает переходы между перекрывающимися множествами и, следовательно, спускается, давая глобально определенную 1-форму на главном расслоении F G E . Можно показать, что со является главной связностью в том смысле, что она воспроизводит образующие правого действия G на F G E и эквивариантно переплетает правое действие на T(F G E ) с присоединенным представлением G .

Формы соединения, связанные с основным соединением

[ редактировать ]

И наоборот, главная G -связность ω в главном G -расслоении P M порождает набор форм связности на M . Предположим, что : M P локальное сечение P. e Тогда обратный образ ω вдоль e определяет g -значную однозначную форму на M :

Заменяя кадры G -значной функцией g , можно увидеть, что ω( e ) преобразуется требуемым образом с помощью правила Лейбница и присоединения:

где X — вектор на M , а d обозначает движение вперед .

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Гриффитс и Харрис (1978) , Уэллс (1980) , Спивак (1999a)
  2. ^ См. Йост (2011) , глава 4, для полного описания связи Леви-Чивита с этой точки зрения.
  3. ^ См. Спивак (1999a) , II.7 для полного описания связи Леви-Чивита с этой точки зрения.
  4. ^ В неголономной системе отсчета выражение кривизны еще больше усложняется тем фактом, что производные dθ я необходимо принять во внимание.
  5. ^ Jump up to: а б Уэллс (1973).
  6. ^ См., например, Кобаяши и Номидзу, Том II.
  7. ^ См. Черн и Мозер.
  • Черн, С.-С., Темы дифференциальной геометрии , Институт перспективных исследований, конспекты лекций, отпечатанные на мимеографе, 1951.
  • Чернь СС; Мозер, Дж. К. (1974), "Реальные гиперповерхности в комплексных многообразиях", Acta Math. , 133 : 219–271, doi : 10.1007/BF02392146
  • Гриффитс, Филипп ; Харрис, Джозеф (1978), Принципы алгебраической геометрии , Джон Уайли и сыновья, ISBN  0-471-05059-8
  • Йост, Юрген (2011), Риманова геометрия и геометрический анализ (PDF) , Universitext (Шестое изд.), Springer, Гейдельберг, doi : 10.1007/978-3-642-21298-7 , ISBN  978-3-642-21297-0 , МР   2829653
  • Кобаяши, Шошичи; Номидзу, Кацуми (1996), Основы дифференциальной геометрии, Том. 1 (Новое издание), Wiley-Interscience, ISBN  0-471-15733-3
  • Кобаяши, Шошичи; Номидзу, Кацуми (1996), Основы дифференциальной геометрии, Том. 2 (Новое издание), Wiley-Interscience, ISBN  0-471-15732-5
  • Спивак, Майкл (1999a), Всестороннее введение в дифференциальную геометрию (Том 2) , Опубликуй или погибни, ISBN  0-914098-71-3
  • Спивак, Майкл (1999b), Всестороннее введение в дифференциальную геометрию (Том 3) , Опубликуй или погибни, ISBN  0-914098-72-1
  • Уэллс, Р.О. (1973), Дифференциальный анализ комплексных многообразий , Springer-Verlag, ISBN  0-387-90419-0
  • Уэллс, Р.О. (1980), Дифференциальный анализ комплексных многообразий , Прентис – Холл
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6f9d69ff6102cc6264f37ca5410a9c13__1720887300
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/6f/13/6f9d69ff6102cc6264f37ca5410a9c13.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Connection form - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)