Распределение (дифференциальная геометрия)
В дифференциальной геометрии (дисциплине математики ) распределение на многообразии. это задание векторных подпространств, удовлетворяющих определенным свойствам. В наиболее распространенных ситуациях распределение должно быть векторным подрасслоением касательного расслоения. .
Распределения, удовлетворяющие дополнительному условию интегрируемости, приводят к слоениям , т.е. разбиениям многообразия на меньшие подмногообразия. Эти понятия имеют несколько приложений во многих областях математики, включая интегрируемые системы , геометрию Пуассона , некоммутативную геометрию , субриманову геометрию , дифференциальную топологию .
Несмотря на то, что у них одно и то же имя, дистрибутивы, представленные в этой статье, не имеют ничего общего с дистрибутивами в смысле анализа.
Определение
[ редактировать ]Позволять быть гладким многообразием; распределение (гладкое) назначается в любую точку векторное подпространство плавным образом. Точнее, состоит из коллекции векторных подпространств со следующим свойством: Вокруг любого существует район и коллекция векторных полей такое, что для любой точки , охватывать
Набор гладких векторных полей также называется локальным базисом . Они не обязательно должны быть линейно независимыми в каждой точке и поэтому формально не являются базисом векторного пространства в каждой точке; таким образом, термин «локальная генераторная установка» может быть более подходящим. Обозначения используется для обозначения как присвоения и подмножество .
Регулярные раздачи
[ редактировать ]Учитывая целое число , плавное распределение на называется регулярным ранга если все подпространства иметь одинаковый размер . На местном уровне это означает, что каждый локальный базис задается выражением линейно независимые векторные поля.
Более компактно, регулярное распределение представляет собой векторное подрасслоение. ранга (на самом деле это наиболее часто используемое определение). Ранг распространение иногда называют -плоское распределение, и когда , говорят о гиперплоских распределениях.
Специальные классы распределений
[ редактировать ]Если не указано иное, под «распределением» мы подразумеваем гладкое регулярное распределение (в смысле, объясненном выше).
Инволютивные распределения
[ редактировать ]Учитывая распределение , его сечения состоят из векторных полей на образуя векторное подпространство пространства всех векторных полей на . (Обозначение: пространство сечений – это ) Распределение называется инволютивным, если также является подалгеброй Ли : другими словами, для любых двух векторных полей , скобка Лия принадлежит .
Локально это условие означает, что для каждой точки существует локальная база распределения в окрестностях г. такой, что для всех , скобка Лия находится в промежутке , то есть представляет линейную комбинацию собой
Инволютивные распределения являются фундаментальным компонентом в изучении интегрируемых систем . Близкая идея возникает в гамильтоновой механике : две функции и на симплектическом многообразии называются взаимно инволюционными, если их скобка Пуассона обращается в нуль.
Интегрируемые распределения и слоения
[ редактировать ]Целое многообразие ранга распределение является подмногообразием размера такой, что для каждого . Распределение называется интегрируемым, если через любую точку существует целое многообразие. Базовые пространства расслоения таким образом, являются непересекающимися, максимальными , связными целочисленными многообразиями, также называемыми листьями ; то есть, определяет n- слоение мерное .
Локально интегрируемость означает, что для каждой точки существует локальная карта такой, что для каждого , пространство натянут координатными векторами . Другими словами, каждая точка допускает карту слоения, т. е. распределение касается листьев слоения. Более того, эта локальная характеризация совпадает с определением интегрируемости для -структуры , когда – группа вещественных обратимых верхнетреугольных блочных матриц (с и -блоки).
Легко видеть, что любое интегрируемое распределение автоматически инволютивно. Обратное утверждение менее тривиально, но выполняется по теореме Фробениуса .
Слабо регулярные распределения
[ редактировать ]При любом распределении , соответствующий флаг Ли представляет собой оценку, определяемую как
где , и . Другими словами, обозначает набор векторных полей, охватываемых -итерированные скобки Ли элементов в . Некоторые авторы используют для определения отрицательную понижающую градацию.
Затем называется слабо регулярной (или просто регулярной некоторыми авторами), если существует последовательность вложенных векторных подрасслоений таких, что (следовательно ). [1] Обратите внимание, что в таком случае соответствующий флаг Ли стабилизируется в определенной точке. , поскольку в ряды ограничены сверху . Строка целых чисел тогда называется роста вектором .
Любому слабо регулярному распределению соответствует градуированное векторное расслоение. Более того, скобка Ли векторных полей опускается при любом , к -линейный морфизм расслоений , называемый - кривизна . В частности, -кривизна тождественно равна нулю тогда и только тогда, когда распределение инволютивно.
Соединяя кривизны, получаем морфизм , также называемая скобкой Леви , которая делает в расслоение нильпотентных алгебр Ли; по этой причине, называется нильпотентизацией также . [1]
Пакет , однако, вообще говоря, не является локально тривиальным, поскольку алгебры Ли не изоморфны при изменении точки . В этом случае слабо регулярное распределение называется также регулярным (или некоторыми авторами сильно регулярным). [ нужны разъяснения ] Заметим, что используемые здесь названия (сильно или слабо) регулярные совершенно не связаны с обсуждавшимся выше понятием регулярности (которое всегда предполагается), т. е. с размерностью пространств будучи постоянным.
Распределения, генерирующие скобки
[ редактировать ]Распределение называется порождающим скобки (или неголономным , или говорят, что он удовлетворяет условию Хёрмандера ), если берется конечное число скобок Ли элементов из достаточно для генерации всего пространства векторных полей на . С учетом введенных выше обозначений такое условие можно записать в виде наверняка ; тогда говорят также, что является порождающим скобки в шаги или имеет глубину .
Очевидно, что соответствующий флаг Ли распределения, порождающего скобки, стабилизируется в точке . Несмотря на то, что слабо регулярность и способность генерировать скобки — два независимых свойства (см. примеры ниже), когда распределение удовлетворяет обоим из них, целое число из двух определений одно и то же.
Благодаря теореме Чоу-Рашевского , при заданном распределении, порождающем скобки на связном многообразии любые две точки из могут быть соединены путем, касательным к распределению. [2] [3]
Примеры регулярных раздач
[ редактировать ]Интегрируемые распределения
[ редактировать ]- Любое векторное поле на определяет распределение ранга 1, устанавливая , который автоматически интегрируется: образ любой интегральной кривой является целым многообразием.
- Тривиальное распределение рангов на генерируется первым координатные векторные поля . Оно автоматически интегрируемо, а интегральные многообразия определяются уравнениями , для любых констант .
- В общем, любое инволютивное/интегрируемое распределение является слабо регулярным (с для каждого ), но он никогда не генерирует скобки.
Неинтегрируемые распределения
[ редактировать ]- Мартине Распределение на дается , для ; эквивалентно, он генерируется векторными полями и . Он порождает скобки, поскольку , но оно не является слабо регулярным: имеет ранг 3 везде, кроме поверхности .
- Распределение контактов по дается , для ; эквивалентно, он генерируется векторными полями и , для . Он слабо регулярный, с вектором роста. , и создание скобок, с . Можно также определить абстрактные контактные структуры на многообразии. как гиперплоское распределение, которое максимально неинтегрируемо, т. е. насколько возможно далеко от инволютивности. Аналог теоремы Дарбу показывает, что такая структура имеет единственную локальную модель, описанную выше.
- Распределение Энгеля на дается , для и ; эквивалентно, он генерируется векторными полями и . Он слабо регулярный, с вектором роста. и создание скобок. Можно также определить абстрактную структуру Энгеля на многообразии. как слабо регулярное распределение ранга 2 такой, что имеет ранг 3 и имеет ранг 4; Энгель доказал, что такая структура имеет описанную выше единственную локальную модель. [4]
- В общем случае структура Гурса на многообразии представляет собой распределение ранга 2, которое является слабо регулярным и порождающим скобки, с вектором роста . Для и восстанавливаются соответственно контактные распределения на трехмерных многообразиях и распределения Энгеля. Структуры Гурса локально диффеоморфны распределению Картана струйных расслоений. .
Сингулярные распределения
[ редактировать ]Сингулярное распределение , обобщенное распределение или распределение Стефана-Суссмана — это гладкое распределение, которое не является регулярным. Это означает, что подпространства могут иметь разные размерности, и, следовательно, подмножество больше не является гладким подрасслоением.
В частности, количество элементов в локальном базисе, охватывающем изменится с , и эти векторные поля больше не будут повсюду линейно независимыми. Нетрудно видеть, что размерность полунепрерывна снизу , так что в особых точках размерность меньше, чем в соседних точках.
Интегрируемость и сингулярные слоения
[ редактировать ]Приведенные выше определения интегральных многообразий и интегрируемости применимы и к особому случаю (снятие требования фиксированной размерности). Однако теорема Фробениуса в этом контексте не выполняется, и инволютивности, как правило, недостаточно для интегрируемости (существуют контрпримеры в малых размерностях).
После нескольких частичных результатов, [5] проблема интегрируемости сингулярных распределений была полностью решена с помощью теоремы, независимо доказанной Стефаном [6] [7] и Суссманн. [8] [9] Он утверждает, что сингулярное распределение интегрируема тогда и только тогда, когда выполняются следующие два свойства:
- создается семьей векторных полей;
- инвариантен относительно любого , то есть , где это поток , и .
Как и в обычном случае, интегрируемое сингулярное распределение определяет сингулярное слоение , которое интуитивно состоит из разбиения на подмногообразия (максимальные целочисленные многообразия ) разных размеров.
Определение особого слоения можно уточнить несколькими эквивалентными способами. На самом деле, в литературе существует множество вариаций, переформулировок и обобщений теоремы Стефана-Сассмана, использующих различное понятие сингулярных слоений, в зависимости от того, какие приложения имеются в виду, например, геометрия Пуассона. [10] [11] или некоммутативная геометрия . [12] [13]
Примеры
[ редактировать ]- Учитывая групповое действие группы Ли на многообразии , его бесконечно малые генераторы охватывают сингулярное распределение, которое всегда интегрируемо; листья ассоциированного особого слоения являются в точности орбитами действия группы. Распределение/слоение регулярно тогда и только тогда, когда действие свободно.
- Учитывая многообразие Пуассона , образ — сингулярное распределение, которое всегда интегрируемо; листья соответствующего особого слоения являются в точности симплектическими слоями . Распределение/слоение регулярно тогда и только тогда, когда многообразие Пуассона регулярно.
- В более общем плане изображение якорной карты любого алгеброида Ли определяет сингулярное распределение, которое автоматически интегрируется, а листья соответствующего сингулярного слоения являются в точности листьями алгеброида Ли. Распределение/слоение регулярно тогда и только тогда, когда имеет постоянный ранг, т. е. алгеброид Ли регулярен. Учитывая соответственно действие алгеброида Ли и котангенс алгеброида Ли , можно восстановить два приведенных выше примера.
- В динамических системах сингулярное распределение возникает из набора векторных полей, коммутирующих с данным.
- Есть также примеры и приложения в теории управления , где обобщенное распределение представляет бесконечно малые ограничения системы.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Танака, Нобору (1 января 1970 г.). «О дифференциальных системах, градуированных алгебрах Ли и псевдогруппах» . Киотский математический журнал . 10 (1). дои : 10.1215/kjm/1250523814 . ISSN 2156-2261 .
- ^ Чоу, Вэй Лян (1 декабря 1940 г.). «О системах линейных уравнений в частных производных первого порядка» . Математические анналы (на немецком языке). 117 (1): 98–105. дои : 10.1007/BF01450011 . ISSN 1432-1807 . S2CID 121523670 .
- ^ Рашевский, П.К. (1938). «Любые две точки вполне неголономного пространства могут быть соединены допустимой линией». Уч. Зап. Пед. Инст. Я. Либкнехта, сер. Физ. Математика. (на русском языке). 2 : 83–94.
- ^ Энгель, Фридрих (1889). «К теории инвариантов систем уравнений Пфаффа». Лейпциг. Бер. (на немецком языке). 41 : 157-176.
- ^ Лавау, Сильвен (01 декабря 2018 г.). «Краткое руководство по теоремам интегрирования обобщенных распределений» . Дифференциальная геометрия и ее приложения . 61 : 42–58. arXiv : 1710.01627 . дои : 10.1016/j.difgeo.2018.07.005 . ISSN 0926-2245 . S2CID 119669163 .
- ^ Стефан, П. (1974). «Доступность и слоения с особенностями» . Бюллетень Американского математического общества . 80 (6): 1142–1145. дои : 10.1090/S0002-9904-1974-13648-7 . ISSN 0002-9904 .
- ^ Стефан, П. (1974). «Доступные множества, орбиты и слоения с особенностями» . Труды Лондонского математического общества . с3-29 (4): 699–713. дои : 10.1112/plms/s3-29.4.699 . ISSN 1460-244X .
- ^ Суссманн, Гектор Дж. (1973). «Орбиты семейств векторных полей и интегрируемость систем с особенностями» . Бюллетень Американского математического общества . 79 (1): 197–199. дои : 10.1090/S0002-9904-1973-13152-0 . ISSN 0002-9904 .
- ^ Суссманн, Гектор Дж. (1973). «Орбиты семейств векторных полей и интегрируемость распределений» . Труды Американского математического общества . 180 : 171–188. дои : 10.1090/S0002-9947-1973-0321133-2 . ISSN 0002-9947 .
- ^ Андрулидакис, Яковос; Замбон, Марко (28 апреля 2016 г.). «Особые слоения Стефана – Суссмана, особые субалгеброиды и связанные с ними пучки» . Международный журнал геометрических методов в современной физике . 13 (Приложение 1): 1641001–1641267. Бибкод : 2016IJGMM..1341001A . дои : 10.1142/S0219887816410012 . ISSN 0219-8878 .
- ^ Лоран-Жангу, Камилла; Лавау, Сильвен; Штробль, Томас (2020). «Универсальный ∞-алгеброид лжи сингулярного слоения» . ELibM – Док. Математика . 25 (2020): 1571–1652. дои : 10.25537/dm.2020v25.1571-1652 .
- ^ Дебор, Клэр (1 июля 2001 г.). «Группоиды голономии особых слоений» . Журнал дифференциальной геометрии . 58 (3). дои : 10.4310/jdg/1090348356 . ISSN 0022-040X . S2CID 54714044 .
- ^ Андрулидакис, Яковос; Скандалис, Жорж (1 января 2009 г.). «Группоид голономии особого слоения» . Журнал чистой и прикладной математики (Crelle's Journal) . 2009 (626): 1–37. arXiv : математика/0612370 . дои : 10.1515/CRELLE.2009.001 . ISSN 1435-5345 . S2CID 14450917 .
Книги, конспекты лекций и внешние ссылки
[ редактировать ]- Уильям М. Бутби. Раздел IV. 8 в «Введении в дифференцируемые многообразия и риманову геометрию» , Academic Press, Сан-Диего, Калифорния, 2003.
- Джон М. Ли, глава 19 книги « Введение в гладкие многообразия» , тексты для аспирантов по математике, Springer-Verlag, 2003.
- Ричард Монтгомери, главы 2, 4 и 6 в книге «Экскурсия по субримановым геометриям, их геодезическим и приложениям» . Математические обзоры и монографии 91 . амер. Математика. Soc., Провиденс, Род-Айленд, 2002.
- Альваро дель Пино, Топологические аспекты изучения касательных распределений. Тексты по математике. Серия Б , 48 . Университет Коимбры, 2019.
- «Инволютивное распределение» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
В эту статью включены материалы из источника Distribution на PlanetMath , который распространяется по лицензии Creative Commons Attribution/Share-Alike License .