Форма подключения
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 dθ я = 0 . [4] Затем, используя теперь соглашение о суммировании по повторяющимся индексам,
где R — тензор кривизны Римана .
Торсион
[ редактировать ]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 = Dθ 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:
- Обычные фреймы, рассмотренные в предыдущем разделе, имеют структурную группу GL( k ), где — размерность волокна E. k
- Голоморфное касательное расслоение комплексного многообразия (или почти комплексного многообразия ). [5] Здесь структурная группа равна GL n ( C ) ⊂ GL 2n ( R ). [6] Если эрмитова метрика задана , то структурная группа сводится к унитарной группе, действующей на унитарные фреймы. [5]
- Спиноры на многообразии, снабженном спиновой структурой . Фреймы унитарны относительно инвариантного скалярного произведения в спиновом пространстве, и группа сводится к спиновой группе .
- Голоморфные касательные расслоения на CR-многообразиях . [7]
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 ]- ^ Гриффитс и Харрис (1978) , Уэллс (1980) , Спивак (1999a)
- ^ См. Йост (2011) , глава 4, для полного описания связи Леви-Чивита с этой точки зрения.
- ^ См. Спивак (1999a) , II.7 для полного описания связи Леви-Чивита с этой точки зрения.
- ^ В неголономной системе отсчета выражение кривизны еще больше усложняется тем фактом, что производные dθ я необходимо принять во внимание.
- ^ Jump up to: а б Уэллс (1973).
- ^ См., например, Кобаяши и Номидзу, Том II.
- ^ См. Черн и Мозер.
Ссылки
[ редактировать ]- 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