крест и радуга [entries|friends|calendar]
Rodion Déev

[ userinfo | livejournal userinfo ]
[ calendar | livejournal calendar ]

О формуле Кошуля [13 Aug 2019|04:51pm]
[ mood | awake ]

Самый прямолинейный способ доказать существование связности Леви-Чивиты -- написать её явной формулой (впрочем, проверка того, что то, что получится, будет связностью, конечно, достаточно уныла). Но зато делается это непосредственно из определений: ортогональная связность без кручения. В самом деле, пусть связность \nabla ортогональна. Тогда имеем

<\nabla_x(y), z> + <y, \nabla_x(z)> = L_x <y, z>

(уголками я обозначаю скалярное произведение при помощи метрического тензора g, чтобы не загромождать нотацию.) Если же вдобавок кручение связности \nabla обнуляется, имеем право написать \nabla_x(z) = \nabla_z(x) - [z, x], что вкупе с предыдущей формулой даёт

<\nabla_x(y), z> + <y, \nabla_z(x)> = L_x <y, z> + <y, [z, x]>.

Циклическими сдвигами переменных получаются две аналогичные формулы:

<\nabla_y(z), x> + <z, \nabla_x(y)> = L_y <z, x> + <z, [x, y]>
<\nabla_z(x), y> + <x, \nabla_y(z)> = L_z <x, y> + <x, [y, z]>

Пользуясь симметричностью метрики, имеем право сложить первые две формулы, вычесть из них третью, и поделить пополам. Тогда останется

<\nabla_x(y), z> = \frac{1}{2}(L_x <y, z> + L_y <z, x> - L_z <x, y> + <y, [z, x]> + <z, [x, y]> - <x, [y, z]>)

Эта формула называется формулой Кошуля. Она, как видно, очень громоздкая, без никакого порядка в знаках, как ни переставляй буквы, пользуясь симметричностью метрики и кососимметричностью скобки Ли. Поэтому всякий раз, как хочется ей воспользоваться, это прямое вычисление мне приходилось проделывать заново.

Однако давайте рассмотрим помимо векторного поля y двойственную по метрике 1-форму \eta. Тогда формула Кошуля приобретает вид:

(\nabla_x\eta)(z) = \frac{1}{2}(L_x{\eta(z)} - L_z{\eta(x)} - \eta([x,z]) + L_y <z, x> - <z, L_y{x}> - <x, L_y{z}>)

(не напутал ли я с дуализацией левой части? вроде нет.) Я перегруппировал отдельно слагаемые, выражающиеся через \eta, и отдельно через y. В них легко видеть значения внешней 2-формы d\eta и симметричной 2-формы L_y{g} на паре полей x, z. Стало быть, формулу Кошуля можно записать гораздо короче:

\nabla^{g}(\eta) = \frac{1}{2}(d\eta + L_{\eta^\sharp}g).

Эти слагаемые суть кососимметрическая и симметрическая часть 2-формы \nabla\eta (и из такого определения, наверное, можно нехитро вывести, что эта связность ортогональна и без кручения, не прибегая к выкладкам). В частности, 1-форма параллельна относительно связности Леви-Чивиты тогда и только тогда, когда она замкнута, а двойственное ей по метрике векторное поле киллингово.

2 comments|post comment

Об одном открытии проф. Лодея [03 Jun 2019|02:54pm]
[ mood | happy ]

Вчера ходил весь день кругами по Москве и даже устал, в том числе от меланхолических мыслей, зато вечером имел счастье чрезвычайно плодотворно провести время с одним представленцем. А от усталости до сих пор приятно болит спина, как после плавания в море с проф. Буфетовым. Завидую самому себе. Всем бы так!

А уже сегодня видел в Независимом университете М. Я. П., и сперва не узнал. Когда-то у него были усы, от которых он выглядел как простой советский инженер типа сочинителя Быкова, а теперь он их сбрил, и оделся в пиджак с галстухом, и нацепил на лацкан какой-то значок, содержащий в себе российский триколор. Не иначе, как сделался на своих северах чем-то вроде министра. Я к нему было подошёл, сказав 'Ба, М. Я., это вы, а я вас и не узнал'. Он меня тоже не узнал -- но напомнить о себе я ему не успел, потому что его отвлёк известный в Москве деятель весомости тоже в общем-то министерской, и повёл за удалённый столик есть простую советскую еду и обсуждать свои министерские материи. Говорили что-то про 2020-й год, и может быть про 2022-й. Не завидую совершенно.

Зато придумал вот что. Пусть имеется многообразие X и на нём форма объёма \nu. Тогда по форме предпоследней степени можно соорудить векторное поле, назовём эту операцию ^\sharp. Тогда скобка [\alpha, \beta] = Lie_{(d\alpha)^\sharp}\beta, определённая на формах костепени два, удовлетворяет тождеству Лейбница (слева). Это открыл Лодей. Например, если X -- поверхность, то форма \nu есть симплектическая форма, и эта скобка есть её скобка Пуассона, определённая на функциях. В большей размерности эта скобка не является кососимметричной, стало быть, задаёт на формах структуру только лишь лейбницевой алгебры.

Диффеоморфизмы многообразия, сохраняющие форму объёма, действуют на формах, сохраняя эту скобку. Стало быть, несжимающие векторные поля действуют деривациями этой скобки. Но на лейбницевых алгебрах помимо дериваций имеется также понятие антидеривации. Именно, отображение D из левой лейбницевой алгебры в себя называется антидеривацией, если D[a,b] = [a,Db] - [b,Da]. Например, если L -- левая лейбницева алгебра, и x \in L -- какой-то элемент, то отображение ad_x : a \mapsto [x,a] есть деривация (по определению), а отображение Ad_x : a \mapsto -[a,x] является антидеривацией (также по определению).

Деривации и антидеривации обыкновенно ходят парами. Именно, пара (d, D) называется бидеривацией, если выполнено странное тождество [da,b] = [Da,b]. Например, (ad_x, Ad_x) -- бидеривация (как ни странно, по определению). Логичный вопрос: продолжаются ли деривации, получающиеся из несжимающих векторных полей, каким-нибудь естественным способом до бидериваций? Казалось бы, для поля, получающегося из формы, ответ очень прост: если v = (d\eta)^\sharp, то Lie_v \alpha = [\eta, \alpha], и стало быть соответствующая антидеривация должна задаваться как -[\alpha, \eta] = Lie_{(d\alpha)^\sharp}\eta. Однако поле v зависит только от дифференциала d\eta! Стало быть, для разных выборов потенциала антидеривации будут различны -- хотя и отличаться на точную форму.

Ну давайте поделимся по точным формам, от определения не убудет. Заметим, однако, что [\alpha,\alpha] = Lie_{(d\alpha)^\sharp}\alpha = d\iota_{(d\alpha)^\sharp}\alpha + \iota_{(d\alpha)^\sharp}d\alpha = d\iota_{(d\alpha)^\sharp}\alpha + \iota_{(d\alpha)^\sharp}\iota_{(d\alpha)^\sharp}\nu = d\iota_{(d\alpha)^\sharp}\alpha. Значит, если мы поделимся по точным формам, то квадраты заведомо уйдут, а значит получится честная алгебра Ли. Более того, формулу для скобки тогда можно будет переписать как [\alpha, \beta] = Lie_{(d\alpha)^\sharp}\beta = \iota_{(d\alpha)^\sharp}\iota_{(d\beta)^\sharp}\nu + d(...). Стирая это d, получаем знакомую формулу для скобки Пуассона. Действительно, форма объёма определяет на пространстве, параметризующем подмногообразия коразмерности два, симплектическую структуру, а формы костепени два определяют функции на таком пространстве (притом функция, строящаяся по форме, тождественно нулевая тогда и только тогда, когда форма точна). Итак, получившаяся алгебра Ли будет просто подалгеброй в пуассоновой алгебре функций на бесконечномерном симплектическом многообразии. Задаваться вопросом о геометрическом смысле алгебры Лейбница, которая имелась до факторизации, видимо, не вполне осмысленно: стандартные геометрические операции, как мы видели, совершенно не уважают алгебраические структуры, свойственные именно лейбницевой скобке.

2 comments|post comment

[18 May 2019|05:35pm]
[ music | Игорь Молотов -- Как мы строили будущее России ]

Пусть E \to X -- расслоение с плоской связностью D с ковариантно постоянным скалярным произведением. Если имеется евклидово расслоение F \to X с ортогональной, но не обязательно плоской связностью \nabla, то её можно реализовать при помощи отображения \alpha \colon F \to E, которое является изометрией на образ, как \nabla_us = \pi(D_u\alpha(s)), где \pi -- ортогональная проекция на образ \alpha, если ранг E достаточно велик. Не знаю, как доказывать это утверждение, и хотя бы верно ли оно; для случая, когда многообразие X компактно, F -- его касательное расслоение, а \nabla есть связность Леви-Чивиты, это утверждение следует из теоремы Нэша о вложении. Мы, однако, ищем не вложения в евклидово пространство, а лишь отображения расслоений; быть может, этот результат можно доказать совсем элементарно.

Для связностей в касательном расслоении, реализованных таким образом, тензор кручения очень просто описать. Именно, в таком разе \alpha можно воспринять как дифференциальную форму с коэффициентами в сечениях E, и плоская связность D позволяет распространить дифференциал де Рама на такие формы. Тогда кручение есть просто проекция \pi(d\alpha). Это, разумеется, следует из стандартного определения кручения как дифференциала от тождественного оператора, рассмотренного как 1-форма с коэффициентами в векторных полях. Но в таком виде это позволяет понять, что всё, что я написал (pdf, 204 kB), к сожалению, не может быть верно.

Вообще очень обидно, что придумываются только тавтологии.

2 comments|post comment

Связность Гаусса-Манина [11 Jul 2018|04:42pm]
Геометрия отличается от топологии тем, что в ней достаточно когомологий де Рама, а теорему о том, что сингулярные когомологии с коэффициентами в поле им изоморфны, можно не использовать вообще (если принять какие-то наглядные факты как очевидную данность). Вообще, когда думаешь про когомологии с целочисленными коэффициентами, всегда есть вероятность, что забыл какой-нибудь \Ext или \Tor или какой-нибудь ещё гомологический трихобезоар, не имеющий никакого геометрического смысла. В общем, одна нервотрёпка. Это, кстати, не касается физики, где целочисленная структура на когомологиях существенна, например, для дираковского доказательства того, что магнитный заряд, буде он в действительности, пропорционален некому элементарному количеству магнитного заряду (то есть факта о том, что классы Черна линейных расслоений целочисленны). Неудивительно, физика вообще сложнее геометрии, потому что не имеет без неё смысла (как впрочем и топология).

Есть, однако, чисто геометрическое место, в котором целочисленная структура на когомологиях де Рама выскакивает как чёртик из табакерки, -- это связность Гаусса-Манина. Я всегда от этого страдал, но, кажется, придумал, как описывать связность Гаусса-Манина в терминах дифференциальных форм.

Рассмотрим гладкое расслоение X \to B, и пусть имеется сечение расслоения k-тых когомологий. Его можно представить как дифференциальную k-форму на тотальном пространстве, определённую только вдоль слоёв, замкнутую в ограничении на каждый слой. Чтобы получить по ней честную k-форму на тотальном пространстве, выберем какую-нибудь связность Эресманна, и положим, что \iota_{v}\alpha = \iota_{p(v)}\alpha, где p -- проекция векторов на X на вертикальные вектора вдоль ядра связности Эресманна. Положим тогда \nabla_x [\alpha] = [\Lie_{\widetilde x } \alpha], где x -- векторное поле на базе, а \widetilde x -- его горизонтальное относительно выбранной связности Эресманна поднятие.

Корректность такого определения неочевидна: конечно, прибавление к форме \alpha чего-то точного результирует в прибавлении к производной Ли точной формы, но неочевидно, почему произвольная форма, точная на каждом слое и нулевая на горизонтальных векторах, будет сама точна. Это можно проверить, но мне лень и не хочется. Зато очевидно, что при таком определении получится на самом деле связность: проверка тождества Лейбница ничего не стоит, а по полю это образование линейно, потому что по формуле Картана [\Lie_{fX} \alpha] = [d\iota_{fX}\alpha + \iota_{fX}d\alpha] = f[\iota_X d\alpha] = f[\Lie_X \alpha].

Независимость этой связности от выбора связности Эресманна тоже составляет какое-то вычисление, грубо говоря, сводящееся к тому, что поток вертикального векторного поля сохраняет классы когомологий, так что замена связности Эресманна выльется некий диффеоморфизм, изотопный тождественному. Но можно сразу сказать, что это буквально связность Гаусса-Манина и будет: в самом деле, это достаточно проверить на классах когомологий, интегрирующихся по какому-то циклу единицей, а по другим циклам из базиса в целочисленных гомологиях нулём; сдвигая этот цикл при помощи связности Эресманна в соседние слои и ограничивая форму на то, что им заметается, можно считать, что наша форма, про которую мы доказываем -- форма старшей степени на каждом слою. Ну тогда нам нужно доказать, что если по каждому слою она интегрируется единицей, то её производная вдоль базового поля точна. Это следует из того, что базовое поле отождествляет слои своим потоком диффеоморфизмов, а если есть варьирующаяся форма объёма на многообразии, которой полная масса всегда одна и та же, то её производная имеет нулевую полную массу, и, следовательно, она точна (во всяком случае, если многообразие связно).

В общем, проверок тут довольно много, и не все из них разумны, но проверка изоморфизма между когомологиями де Рама и сингулярными когомологиями ещё более технична и муторна, и разводить целую науку топологию только для существования связности Гаусса-Манина кажется мне чрезмерным.
15 comments|post comment

Гессиан [29 Oct 2017|10:39am]
[ mood | awake ]
[ music | Ди Курцман -- Череповец ]

Когда говорят по гессиан, то часто упоминают, что он зависит от выбора координат, а потому каноническим не является -- в отличие-де от комплексного гессиана dd^c, который в силу неких мистических причин определён инвариантно. А может, и не говорят, но я запомнил именно так. На самом деле это неправда.

Для гессиана никаких координат не нужно -- если есть связность \nabla в кокасательном расслоении, то гессиан f -- это просто форма \nabla(df). Это 1-форма с коэффициентами в 1-формах, то есть 2-форма. В силу правила Лейбница (\nabla_u(df))v + \nabla_u(df(v)) = df(\nabla_uv) имеем такое тождество: (\Hess f)(u, v) - (\Hess f)(v, u) = df(\nabla_u(v) - \nabla_v(u)) - \Lie_u\Lie_v(f) + \Lie_v\Lie_u(f) = df(\nabla_u(v) - \nabla_v(u) - [u,v]) = \Lie_{\Tors(u,v)}(f). В частности, если связность без кручения, то гессиан является симметрической 2-формой.

Положительная определённость гессиана \Hess f означает, что для любого ненулевого векторного поля u величина (\Hess f)(u, u) = \Lie_u\Lie_u(f) - \Lie_{\nabla_u(u)} положительна. Значение гессиана в данной точке определяется касательным вектором, а любой вектор в окрестности можно продолжить до киллингова поля. Поэтому из этой формулы следует, что гессиан функции положительно определён тогда и только тогда, когда она выпукла в ограничении на любую геодезическую.

Можно было бы помыслить такие связности и функции, у которых гессиан является кососимметрической 2-формой. Но на самом деле это не очень интересно -- эта функция должна быть аффинной в ограничении на каждую геодезическую, а сама 2-форма получалась бы подстановкой кручения в дифференциал этой формы. Однако, может быть, локально конформно симплектические многообразия, универсальные накрытия которых имеют такой вид, могут быть небезынтересны.

А существование инвариантного комплексного гессиана наверняка происходит из существования (0,1)-связности \bar{\partial}. Не буквально, конечно (иначе бы dd^c была симметрической формой), но думать, как именно, мне лень.

8 comments|post comment

Задача [13 May 2017|01:00pm]
[ mood | calm ]
[ music | Под деревцем развесистым задумчив бур сидел ]

Профессор Д. Х. Пхонг в начале года дал мне читать записки Ю.-Т. Сиу, где многое оставлено без доказательства, а доказательства не всегда полные. Иногда это хорошо -- можно решать самому и чему-то учиться. Следующую нехитрую задачку я решал весь год, и вот наконец-то решил. Запишу сюда, чтобы не забыть.

Задача. Доказать, что на кэлеровом многообразии (X, \omega) имеет место тождество \Delta f = \gamma \Lambda(dd^c f), где \gamma -- некоторая чисто мнимая константа, зависящая только от размерности.

Решение. Раз мы работаем с точностью до умножения на константу, будем для простоты считать, что форма объёма есть \omega^n. Зададимся областью U \subseteq X в многоогразии X. Формула Грина утверждает, что \int_U \Delta f \omega^n = \int_{\6 U} \star(df). Заметим, что для любой 2-формы \alpha имеет место тождество \Lambda(\alpha)\omega^n = \alpha \wedge \star\omega. По известной формуле (я не умею её доказывать без координат или на неплоском многообразии X, но ясно, что она проще исходного утверждения), \star \omega = n\omega^{n-1}. Значит, \int_U \Lambda(dd^c f)\omega^n = \int_U (dd^c f) \wedge n\omega^{n-1} = \int_U d(d^c f \wedge n \omega^{n-1}), поскольку в силу кэлеровости многообразия X форма \omega замкнута. Нам нужно доказать равенство форм \star(df) и n d^c f \wegde \omega^{n-1}. Из определения звёздочки Ходжа видно, что \star(df) = \iota_{\grad f}(\omega^n). По правилу Лейбница, имеем \star(df) = -n\iota_{\grad f}\omega \wedge \omega^{n-1}. Значит, исходное утверждение следует из тождества -\omega(\grad f, u) = (d^c f)(u) = -\sqrt{-1} (df)(Iu) = -\sqrt{-1} g(\grad f, Iu) для любого векторного поля u -- то есть из определения \omega(u,v) = g(Iu,v). Значит, мы доказали, что функции \Delta f и \Lambda(dd^c f) интегрируются одинаково по любой области -- а значит, они равны и поточечно.

Если рассуждение чуть-чуть почистить, то будет видно, что эта константа есть -\sqrt{-1}. Из рассуждения ещё сразу ясно, и почему нам нужна именно эрмитова форма (а не любая симплектическая форма того же объёма), и где оно ломается для почти кэлеровых метрик.

5 comments|post comment

navigation
[ viewing | most recent entries ]