Теория Ходжа
В математике , теория Ходжа , названная в честь У.В.Д. Ходжа представляет собой метод изучения групп когомологий M гладкого многообразия с использованием уравнений в частных производных . Ключевое наблюдение состоит в том, что для римановой метрики на M каждый класс когомологий имеет канонического представителя , дифференциальную форму , которая обращается в нуль под действием оператора Лапласа метрики. Такие формы называются гармоническими .
Теория была разработана Ходжем в 1930-х годах для изучения алгебраической геометрии и основывалась на работах Жоржа де Рама о когомологиях де Рама . Он имеет основные применения в двух случаях: римановых многообразиях и кэлеровых многообразиях . Основная мотивация Ходжа — изучение сложных проективных многообразий — связана с последним случаем. Теория Ходжа стала важным инструментом в алгебраической геометрии, особенно благодаря ее связи с изучением алгебраических циклов .
Хотя теория Ходжа по своей сути зависит от действительных и комплексных чисел , ее можно применять к вопросам теории чисел . В арифметических ситуациях инструменты p -адической теории Ходжа дали альтернативные доказательства или результаты, аналогичные классической теории Ходжа.
История
[ редактировать ]В 1920-х годах область алгебраической топологии еще зарождалась. В нем еще не было развито понятие когомологий , а взаимодействие между дифференциальными формами и топологией было плохо изучено. В 1928 году Эли Картан опубликовал заметку Sur les nombres de Betti des espaces de groupes clos , в которой он предположил — но не доказал — что дифференциальные формы и топология должны быть связаны. Прочитав ее, Жорж де Рам, тогда еще студент, был вдохновлен. В своей диссертации 1931 года он доказал результат, который теперь называется теоремой де Рама . По теореме Стокса интегрирование дифференциальных форм по сингулярным цепям индуцирует для любого компактного гладкого многообразия M билинейное спаривание
Как первоначально было заявлено, [ 1 ] Теорема де Рама утверждает, что это идеальное спаривание и, следовательно, каждый из членов в левой части является двойственным друг другу в векторном пространстве. На современном языке теорему де Рама чаще формулируют как утверждение о том, что сингулярные когомологии с действительными коэффициентами изоморфны когомологиям де Рама:
Тогда исходное утверждение Де Рама является следствием того факта, что над вещественными числами сингулярные когомологии двойственны сингулярным гомологиям.
Отдельно в статье Соломона Лефшеца 1927 года топологические методы использовались для доказательства теорем Римана . [ 2 ] Говоря современным языком, если ω 1 и ω 2 — голоморфные дифференциалы на алгебраической кривой C , то их клиновое произведение обязательно равно нулю, поскольку C имеет только одно комплексное измерение; следовательно, чашечное произведение их классов когомологий равно нулю, и когда это было ясно указано, это дало Лефшецу новое доказательство соотношений Римана . Кроме того, если ω — ненулевой голоморфный дифференциал, то — форма положительного объема, из которой Лефшец смог заново вывести неравенства Римана. В 1929 году WVD Ходж узнал о статье Лефшеца. Он сразу заметил, что аналогичные принципы применимы и к алгебраическим поверхностям. Точнее, если ω — ненулевая голоморфная форма на алгебраической поверхности, то положительно, поэтому произведение чаши и должно быть ненулевым. Отсюда следует, что сама ω должна представлять ненулевой класс когомологий, поэтому все ее периоды не могут быть равны нулю. Это решило вопрос Севери. [ 3 ]
Ходж считал, что эти методы должны быть применимы и к многомерным многообразиям. Его коллега Питер Фрейзер рекомендовал ему диссертацию де Рама. Читая диссертацию де Рама, Ходж понял, что действительная и мнимая части голоморфной 1-формы на римановой поверхности в некотором смысле двойственны друг другу. Он подозревал, что подобная двойственность должна существовать и в более высоких измерениях; эта двойственность теперь известна как звездный оператор Ходжа . Далее он предположил, что каждый класс когомологий должен иметь выдающегося представителя, обладающего свойством, что и он, и его двойственный класс исчезают под действием внешнего оператора производной; теперь они называются гармоническими формами. Этой проблеме Ходж посвятил большую часть 1930-х годов. Его самая ранняя опубликованная попытка доказательства появилась в 1933 году, но он считал ее «крайне грубой». Герман Вейль , один из самых блестящих математиков той эпохи, оказался не в состоянии определить, правильно ли доказательство Ходжа или нет. В 1936 году Ходж опубликовал новое доказательство. Хотя Ходж считал новое доказательство гораздо более совершенным, Боненблюст обнаружил серьезный недостаток. Независимо Герман Вейль и Кунихико Кодайра изменил доказательство Ходжа, чтобы исправить ошибку. Это установило искомый Ходжем изоморфизм между гармоническими формами и классами когомологий.
Оглядываясь назад, становится ясно, что технические трудности, связанные с теоремой существования, на самом деле не требовали каких-либо существенных новых идей, а лишь тщательного расширения классических методов. Настоящая новинка, которая стала главным вкладом Ходжа, заключалась в концепции гармонических интегралов и их значении для алгебраической геометрии. Этот триумф концепции над техникой напоминает аналогичный эпизод в творчестве великого предшественника Ходжа Бернхарда Римана.
- М. Ф. Атья , Уильям Валланс Дуглас Ходж, 17 июня 1903 г. - 7 июля 1975 г., Биографические мемуары членов Королевского общества , том. 22, 1976, стр. 169–192.
Теория Ходжа для реальных многообразий
[ редактировать ]Когомологии Де Рама
[ редактировать ]Теория Ходжа ссылается на комплекс де Рама . Пусть M — гладкое многообразие . Для неотрицательного целого числа k пусть Ω к ( M ) — векторное пространство гладких дифференциальных форм степени k на M. действительное Комплекс де Рама — это последовательность дифференциальных операторов
где d k обозначает внешнюю производную на Ω к ( М ). Это коцепной комплекс в том смысле, что d k +1 ∘ d k = 0 (также пишется d 2 = 0 ). Теорема Де Рама гласит, что сингулярные когомологии M с действительными коэффициентами вычисляются с помощью комплекса де Рама:
Операторы в теории Ходжа
[ редактировать ]Выберите риманову метрику g на M и напомните, что:
Метрика дает внутренний продукт на каждом волокне. путем расширения (см. матрицу Грама ) скалярного произведения, индуцированного g из каждого кокасательного слоя своему внешний продукт : . тогда внутренний продукт определяется как интеграл поточечного внутреннего продукта данной пары k -форм над M относительно формы объема с г. связанный Явно, учитывая некоторые у нас есть
Естественно, указанное выше скалярное произведение индуцирует норму, если эта норма конечна на некоторой фиксированной k -форме:
тогда подынтегральная функция представляет собой вещественнозначную, интегрируемую с квадратом функцию на M , вычисляемую в данной точке через ее поточечные нормы,
Рассмотрим сопряженный оператор d : относительно этих скалярных произведений
Тогда лапласиан на формах определяется формулой
Это линейный дифференциальный оператор второго порядка, обобщающий лапласиан для функций на R н . По определению форма на M является гармонической, если ее лапласиан равен нулю:
Лапласиан впервые появился в математической физике . В частности, уравнения Максвелла говорят, что электромагнитное поле в вакууме, то есть при отсутствии каких-либо зарядов, представлено 2-формой F такой, что Δ F = 0 в пространстве-времени, рассматриваемом как пространство Минковского размерности 4.
Любая гармоническая форма α на замкнутом римановом многообразии замкнута , т. е. dα = 0 . В результате существует каноническое отображение . Теорема Ходжа утверждает, что является изоморфизмом векторных пространств. [ 4 ] Другими словами, каждый действительный класс когомологий на M имеет единственного гармонического представителя. Конкретно, гармонический представитель — это единственная замкнутая форма минимума L 2 норма, представляющая данный класс когомологий. Теорема Ходжа была доказана с использованием теории эллиптических уравнений в частных производных, а первоначальные аргументы Ходжа были завершены Кодайрой и другими в 1940-х годах.
Например, из теоремы Ходжа следует, что группы когомологий с вещественными коэффициентами замкнутого многообразия конечномерны . (Правда, есть и другие способы доказать это.) Действительно, операторы ∆ эллиптические, и ядро эллиптического оператора на замкнутом многообразии всегда представляет собой конечномерное векторное пространство. Другое следствие теоремы Ходжа состоит в том, что риманова метрика на замкнутом многообразии M определяет вещественный скалярный продукт на целых когомологиях M по модулю кручения . Отсюда следует, например, что образ группы изометрий M в общей линейной группе GL( H ∗ ( M , Z )) конечна (поскольку группа изометрий решетки конечна ).
Вариантом теоремы Ходжа является разложение Ходжа . Это говорит о том, что существует единственное разложение любой дифференциальной формы ω на замкнутом римановом многообразии в сумму трех частей в виде
в котором γ является гармоническим: Δ γ = 0 . [ 5 ] С точки зрения Л 2 в ортогональную прямую сумму метрика на дифференциальных формах, это дает разложение :
Разложение Ходжа является обобщением разложения Гельмгольца для комплекса де Рама.
Теория Ходжа эллиптических комплексов
[ редактировать ]Атья и Ботт определили эллиптические комплексы как обобщение комплекса де Рама. Теорема Ходжа распространяется на этот случай следующим образом. Позволять — векторные расслоения , снабженные метрикой, на замкнутом гладком многообразии M с формой объема dV . Предположим, что
— линейные дифференциальные операторы, действующие на C ∞ сечения этих векторных расслоений и что индуцированная последовательность
представляет собой эллиптический комплекс. Введем прямые суммы:
и пусть Л ∗ быть сопряженным к L . Определим эллиптический оператор ∆ = LL ∗ + Л ∗ Л. Как и в случае де Рама, это дает векторное пространство гармонических сечений
Позволять — ортогональный проектор, и пусть G — оператор Грина для ∆. Теорема Ходжа тогда утверждает следующее: [ 6 ]
- H и G четко определены.
- Id = Ч + Δ G = Ч + G Δ
- LG = GL , L ∗ Г = ГЛ ∗
- Когомологии комплекса канонически изоморфны пространству гармонических сечений: в том смысле, что каждый класс когомологий имеет уникального гармонического представителя.
В этой ситуации также имеет место разложение Ходжа, обобщающее приведенное выше утверждение для комплекса де Рама.
Теория Ходжа для комплексных проективных многообразий
[ редактировать ]Пусть X — гладкое комплексное проективное многообразие, т. е. X — замкнутое комплексное подмногообразие некоторого комплексного проективного пространства CP. Н . По теореме Чоу комплексные проективные многообразия автоматически являются алгебраическими: они определяются обращением в нуль однородных полиномиальных уравнений на CP. Н . Стандартная риманова метрика на CP Н индуцирует риманову метрику на X , которая имеет сильную совместимость с комплексной структурой, что делает X кэлеровым многообразием .
Для комплексного многообразия X и натурального числа r каждое C ∞ r -форма на X (с комплексными коэффициентами) может быть записана однозначно как сумма форм типа ( p , q ) с p + q = r , то есть формы, которые локально могут быть записаны как конечная сумма термов, с каждым термином принимая форму
с фа C ∞ функция и z s и w s голоморфные функции . На кэлеровом многообразии компоненты ( p , q ) гармонической формы снова гармоничны. Следовательно, для любого компактного кэлерова многообразия X теорема Ходжа дает разложение когомологий X с комплексными коэффициентами в прямую сумму комплексных векторных пространств: [ 7 ]
Фактически это разложение не зависит от выбора кэлеровой метрики (но для общего компактного комплексного многообразия аналогичного разложения не существует). С другой стороны, разложение Ходжа действительно зависит от структуры X как комплексного многообразия, тогда как группа H р ( X , C ) зависит только от основного пространства X топологического .
Взятие клиновых произведений этих гармонических представителей соответствует произведению чашки в когомологиях, поэтому произведение чашки с комплексными коэффициентами совместимо с разложением Ходжа:
Кусок Н п , д ( X ) разложения Ходжа можно отождествить с группой когерентных пучков когомологий , которая зависит только от X как комплексного многообразия (а не от выбора кэлеровой метрики): [ 8 ]
где Ом п обозначает пучок голоморфных p на X. - форм Например, Х п , 0 ( X пространство голоморфных p -форм на X. ) — (Если X проективно, теоремы Серра GAGA из следует, что голоморфная p -форма на всем X фактически является алгебраической.)
С другой стороны, интеграл можно записать как шапочное произведение класса гомологии Z [ нужны разъяснения ] и класс когомологий, представленный . Согласно двойственности Пуанкаре , класс гомологий Z двойственен классу когомологий, который мы будем называть [ ] , и произведение шапки можно вычислить, взяв чашечное произведение [ Z ] и α и увенчав его фундаментальным классом X. Z
Поскольку [ Z ] — класс когомологий, он имеет разложение Ходжа. Согласно вычислениям, которые мы провели выше, если мы объединим этот класс с любым классом типа , то мы получим ноль. Потому что , мы заключаем, что [ Z ] должно лежать в .
Число Ходжа h п , д ( X ) означает размерность комплексного векторного пространства H п . д ( Х ). Это важные инварианты гладкого комплексного проективного многообразия; они не меняются, когда комплексная структура X непрерывно меняется, и все же они, вообще говоря, не являются топологическими инвариантами. Среди свойств чисел Ходжа — симметрия Ходжа h п , д = час д , п (потому что Х п , д ( X ) является комплексно- сопряженным H д , п ( X )) и час п , д = час п - п , п - q (по двойственности Серра ).
Числа Ходжа гладкого комплексного проективного многообразия (или компактного кэлерова многообразия) можно перечислить в ромбе Ходжа (показано в случае комплексной размерности 2):
час 2,2 | ||||
час 2,1 | час 1,2 | |||
час 2,0 | час 1,1 | час 0,2 | ||
час 1,0 | час 0,1 | |||
час 0,0 |
Например, каждая гладкая проективная кривая рода g . имеет ромб Ходжа
1 | ||
г | г | |
1 |
Другой пример: каждая поверхность K3 имеет ромб Ходжа.
1 | ||||
0 | 0 | |||
1 | 20 | 1 | ||
0 | 0 | |||
1 |
Числа Бетти X представляют собой сумму чисел Ходжа в данной строке. Основное применение теории Ходжа состоит в том, что нечетные числа Бетти b 2 a +1 гладкого комплексного проективного многообразия (или компактного кэлерова многообразия) четны в силу симметрии Ходжа. неверно для компактных комплексных многообразий вообще, как показано на примере поверхности Хопфа , диффеоморфной S Это 1 × С 3 и, следовательно, имеет b 1 = 1 .
«Пакет Кэлера» представляет собой мощный набор ограничений на когомологии гладких комплексных проективных многообразий (или компактных кэлеровых многообразий), основанный на теории Ходжа. Результаты включают в себя теорему Лефшеца о гиперплоскости , жесткую теорему Лефшеца и билинейные отношения Ходжа-Римана . [ 9 ] Многие из этих результатов следуют из фундаментальных технических инструментов, которые могут быть доказаны для компактных кэлеровых многообразий с использованием теории Ходжа, включая тождества Кэлера и тождества Кэлера. -лемма .
Теория Ходжа и ее расширения, такие как неабелева теория Ходжа, также дают сильные ограничения на возможные фундаментальные группы компактных кэлеровых многообразий.
Алгебраические циклы и гипотеза Ходжа
[ редактировать ]Позволять быть гладким комплексным проективным многообразием. Сложная подразновидность в коразмерности определяет элемент группы когомологий . Более того, полученный класс обладает особым свойством: его образом в комплексных когомологиях лежит в средней части разложения Ходжа, . Гипотеза Ходжа предсказывает обратное: каждый элемент образ которого в комплексных когомологиях лежит в подпространстве должно иметь положительное целое кратное, которое является -линейное сочетание классов сложных подмногообразий . (Такая линейная комбинация называется алгебраическим циклом на .)
Важным моментом является то, что разложение Ходжа — это разложение когомологий с комплексными коэффициентами, которое обычно не возникает из разложения когомологий с целыми (или рациональными) коэффициентами. В результате пересечение
может быть намного меньше, чем вся группа , даже если число Ходжа большой. Короче говоря, гипотеза Ходжа предсказывает, что возможные «формы» сложных подмногообразий (как описано когомологиями) определяются Ходжа структурой (сочетание целочисленных когомологий с разложением Ходжа комплексных когомологий).
Теорема Лефшеца (1,1) утверждает, что гипотеза Ходжа верна для (даже целочисленно, то есть без необходимости целого положительного кратного в высказывании).
Структура Ходжа разновидности описывает интегралы от алгебраических дифференциальных форм на над гомологии в классами . В этом смысле теория Ходжа связана с основной проблемой исчисления : вообще не существует «формулы» для интеграла алгебраической функции . В частности, определенные интегралы от алгебраических функций, известные как периоды могут быть трансцендентными числами . Сложность гипотезы Ходжа отражает отсутствие понимания таких интегралов в целом.
Пример: для гладкой комплексной проективной поверхности K3. , группа изоморфен , и изоморфен . Их пересечение может иметь ранг от 1 до 20; этот ранг называется Пикара числом . Пространство модулей всех проективных поверхностей К3 имеет счетное множество компонент, каждая из которых имеет комплексную размерность 19. Подпространство поверхностей К3 с числом Пикара имеет размерность . [ 10 ] (Таким образом, для большинства проективных поверхностей К3 пересечение с изоморфен , но для «специальных» поверхностей К3 пересечение может быть больше.)
Этот пример предполагает несколько различных ролей, которые теория Ходжа играет в сложной алгебраической геометрии. Во-первых, теория Ходжа дает ограничения на то, какие топологические пространства могут иметь структуру гладкого комплексного проективного многообразия. Во-вторых, теория Ходжа дает информацию о пространстве модулей гладких комплексных проективных многообразий заданного топологического типа. Наилучший случай — когда справедлива теорема Торелли , означающая, что многообразие определяется с точностью до изоморфизма своей структурой Ходжа. Наконец, теория Ходжа дает информацию о группе Чоу алгебраических циклов на данном многообразии. Гипотеза Ходжа касается образа отображения цикла из групп Чоу в обычные когомологии, но теория Ходжа также дает информацию о ядре отображения цикла, например, с использованием промежуточных якобианов , построенных на основе структуры Ходжа.
Обобщения
[ редактировать ]Смешанная теория Ходжа , разработанная Пьером Делинем , распространяет теорию Ходжа на все комплексные алгебраические многообразия, не обязательно гладкие или компактные. А именно, когомологии любого комплексного алгебраического многообразия имеют более общий тип разложения — смешанную структуру Ходжа .
Другое обобщение теории Ходжа на сингулярные многообразия обеспечивается гомологиями пересечений . А именно, Морихико Сайто показал, что гомологии пересечений любого комплексного проективного многообразия (не обязательно гладкого) имеют чистую структуру Ходжа, как и в гладком случае. Фактически, весь пакет Кэлера распространяется на гомологию пересечений.
Фундаментальный аспект комплексной геометрии состоит в том, что существуют непрерывные семейства неизоморфных комплексных многообразий (которые все диффеоморфны как вещественные многообразия). Филлипа Гриффитса Идея о вариации структуры Ходжа описывает, как структура Ходжа гладкого комплексного проективного многообразия меняется, когда варьируется. В геометрических терминах это равносильно изучению отображения периодов, связанного с семейством многообразий. Теория модулей Ходжа Сайто является обобщением. Грубо говоря, смешанный модуль Ходжа на многообразии представляет собой пучок смешанных структур Ходжа над , как это могло бы возникнуть из семейства многообразий, которые не обязательно должны быть гладкими или компактными.
См. также
[ редактировать ]- Потенциальная теория
- Двойственность Серра
- Разложение Гельмгольца
- Теорема о локальном инвариантном цикле
- Arakelov theory
- Теория Ходжа-Аракелова
- Лемма о ддбаре — ключевое следствие теории Ходжа для компактных кэлеровых многообразий.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Чаттерджи, Шришти; Оянгурен, Мануэль (2010), Взгляд на эпоху де Рама (PDF) , рабочий документ, EPFL , заархивировано из оригинала (PDF) 04 декабря 2023 г. , получено 15 октября 2018 г.
- ^ Лефшец, Соломон (1927). «Соответствия между алгебраическими кривыми». Энн. математики. (2) . 28 (1): 342–354. дои : 10.2307/1968379 . JSTOR 1968379 .
- ^ Майкл Атья , Уильям Валланс Дуглас Ходж, 17 июня 1903 г. - 7 июля 1975 г. , Биогр. Память Fellows R. Soc., 1976, вып. 22, стр. 169–192.
- ^ Уорнер (1983), Теорема 6.11.
- ^ Уорнер (1983), Теорема 6.8.
- ^ Уэллс (2008), Теорема IV.5.2.
- ^ Хайбрехтс (2005), Следствие 3.2.12.
- ^ Хайбрехтс (2005), Следствие 2.6.21.
- ^ Хайбрехтс (2005), разделы 3.3 и 5.2; Гриффитс и Харрис (1994), разделы 0.7 и 1.2; Вуазен (2007), т. 1, гл. 6 и т. 2, гл. 1.
- ^ Гриффитс и Харрис (1994), с. 594.
Ссылки
[ редактировать ]- Арапура, Дону, Вычисление некоторых чисел Ходжа (PDF)
- Гриффитс, Филипп ; Харрис, Джозеф (1994) [1978]. Основы алгебраической геометрии . Библиотека классической литературы Уайли. Уайли Интерсайенс. ISBN 0-471-05059-8 . МР 0507725 .
- Ходж, WVD (1941), Теория и приложения гармонических интегралов , Cambridge University Press , ISBN 978-0-521-35881-1 , МР 0003947
- Хайбрехтс, Дэниел (2005), Сложная геометрия: введение , Springer , ISBN 3-540-21290-6 , МР 2093043
- Вуазен, Клэр (2007) [2002], Теория Ходжа и комплексная алгебраическая геометрия (2 тома) , Cambridge University Press , doi : 10.1017/CBO9780511615344 , ISBN 978-0-521-71801-1 , МР : 1967689
- Уорнер, Франк (1983) [1971], Основы дифференцируемых многообразий и групп Ли , Springer , ISBN 0-387-90894-3 , МР 0722297
- Уэллс-младший, Раймонд О. (2008) [1973], Дифференциальный анализ сложных многообразий , Тексты для аспирантов по математике, том. 65 (3-е изд.), Springer , doi : 10.1007/978-0-387-73892-5 , hdl : 10338.dmlcz/141778 , ISBN 978-0-387-73891-8 , МР 2359489