Differentsial manifold - Differentiable manifold

Globuslar uchun ajratib bo'lmaydigan atlas. Hisoblash natijalari jadvallar o'rtasida mos kelmasligi mumkin, agar atlas farqlanmasa. Markaziy va o'ng jadvallarda Saraton tropikasi silliq egri chiziq, chap tomondagi diagrammada esa u keskin burchakka ega. Differentsial manifold tushunchasi diagrammalar orasidagi o'zgaruvchan funktsiyalarni differentsial bo'lishini talab qilib, manifold tushunchasini yaxshilaydi.

Matematikada a farqlanadigan manifold (shuningdek differentsial manifold) ning bir turi ko'p qirrali bu mahalliy darajada a ga o'xshash chiziqli bo'shliq qilishiga ruxsat berish hisob-kitob. Har qanday manifoldni an deb nomlanuvchi diagrammalar to'plami bilan tavsiflash mumkin atlas. Shaxsiy jadvallarda ishlash paytida hisoblash g'oyalarini qo'llash mumkin, chunki har bir jadval hisoblashning odatiy qoidalari qo'llaniladigan chiziqli maydonda joylashgan. Agar jadvallar mos keladigan bo'lsa (ya'ni bitta jadvaldan boshqasiga o'tish) farqlanadigan ), keyin bitta jadvalda qilingan hisob-kitoblar har qanday farqlanadigan jadvalda amal qiladi.

Rasmiy ma'noda, a farqlanadigan manifold a topologik manifold global miqyosda belgilangan differentsial tuzilish. Har qanday topologik manifoldga differentsial tuzilish berilishi mumkin mahalliy yordamida gomeomorfizmlar uning atlasida va chiziqli fazoda standart differentsial tuzilishida. Gomomorfizmlar tomonidan qo'zg'atilgan mahalliy koordinatalar tizimlarida global differentsial tuzilishni yaratish uchun, ularning tarkibi atlasdagi diagramma kesishmalarida tegishli chiziqli bo'shliqda farqlanadigan funktsiyalar bo'lishi kerak. Boshqacha qilib aytganda, diagrammalarning domenlari bir-biriga to'g'ri keladigan bo'lsa, har bir diagramma tomonidan belgilangan koordinatalarning atlasdagi har bir diagramma tomonidan belgilangan koordinatalarga nisbatan farqlanishi talab qilinadi. Turli jadvallar bilan belgilangan koordinatalarni bir-biriga bog'laydigan xaritalar deyiladi o'tish xaritalari.

Differentsiallik deganda har xil kontekstda turli xil narsalar tushuniladi, jumladan: doimiy ravishda farqlanadigan, k marta farqlanadigan, silliq va holomorfik. Bundan tashqari, mavhum bo'shliqda bunday differentsial tuzilmani keltirib chiqarish qobiliyati global koordinatalar tizimisiz bo'shliqlarga farqlanishning ta'rifini kengaytirishga imkon beradi. Differentsial tuzilma global miqyosda farqlanadigan narsani aniqlashga imkon beradi teginsli bo'shliq, farqlanadigan funktsiyalar va farqlanadigan tensor va vektor dalalar. Differentsial manifoldlar juda muhimdir fizika. Differentsial manifoldlarning maxsus turlari fizik nazariyalar uchun asos bo'lib xizmat qiladi klassik mexanika, umumiy nisbiylik va Yang-Mills nazariyasi. Differentsiallanadigan manifoldlar uchun hisobni ishlab chiqish mumkin. Bu kabi matematik mexanizmlarga olib keladi tashqi hisob-kitob. Diferensiyalanadigan manifoldlarda hisob-kitoblarni o'rganish quyidagicha ma'lum differentsial geometriya.

Tarix

Differentsial geometriyaning alohida intizom sifatida paydo bo'lishi odatda hisobga olinadi Karl Fridrix Gauss va Bernxard Riman. Riemann birinchi marta o'zining mashhur qismida manifoldlarni tasvirlab bergan habilitatsiya fakultet oldida ma'ruza Göttingen.^[1] U kollektor g'oyasini ma'lum bir ob'ektni yangi yo'nalishda o'zgartirish intuitiv jarayoni bilan qo'zg'atdi va koordinatali tizimlar va diagrammalarning keyingi rasmiy rivojlanishdagi rolini oldindan bilgan holda tasvirlab berdi:

N o'lchovlarning ko'p qirraliligi tushunchasini tuzib, uning haqiqiy xarakteri undagi pozitsiyani aniqlash n kattalikning aniqlanishiga kamaytirilishi mumkin bo'lgan xususiyatdan iborat ekanligini aniqladi ... - B. Riman

Kabi fiziklarning asarlari Jeyms Klerk Maksvell,^[2] va matematiklar Gregorio Ricci-Curbastro va Tullio Levi-Civita^[3] rivojlanishiga olib keldi tensor tahlili va tushunchasi kovaryans, bu ichki geometrik xususiyatni nisbatan o'zgarmas xususiyat sifatida belgilaydi koordinatali transformatsiyalar. Ushbu g'oyalar asosiy dasturni topdi Albert Eynshteyn nazariyasi umumiy nisbiylik va uning asosida yotadi ekvivalentlik printsipi. 2 o'lchovli manifoldning zamonaviy ta'rifi berilgan Herman Veyl uning 1913 yilgi kitobida Riemann sirtlari.^[4] An jihatidan manifoldning keng tarqalgan umumiy ta'rifi atlas tufayli Xassler Uitni.^[5]

Ta'rif

Atlaslar

Ruxsat bering M bo'lishi a topologik makon. A jadval (U, φ) kuni M ochiq pastki qismdan iborat U ning Mva a gomeomorfizm φ dan U ba'zilarining ochiq pastki qismiga Evklid fazosi ℝⁿ. Biroz norasmiy ravishda, jadvalga murojaat qilish mumkin φ: U → ℝⁿ, degan ma'noni anglatadi φ ning ochiq pastki qismi ℝⁿva bu φ bu uning tasviriga gomomorfizmdir; ba'zi mualliflarning ishlatilishida bu buning ma'nosini anglatishi mumkin φ: U → ℝⁿ o'zi gomeomorfizmdir.

Diagrammaning mavjudligi buni amalga oshirish imkoniyatini ko'rsatadi differentsial hisob kuni M; masalan, funktsiya berilgan bo'lsa siz : M → ℝ va diagramma (U, φ) kuni M, kompozitsiyani ko'rib chiqish mumkin siz ∘ φ⁻¹, bu aniq qiymatga ega funktsiya bo'lib, uning domeni Evklid makonining ochiq to'plamidir; Shunday qilib, agar uni farqlash mumkin bo'lsa, uni ko'rib chiqish mumkin qisman hosilalar.

Ushbu holat quyidagi sababga ko'ra to'liq qoniqtirmaydi. Ikkinchi jadvalni ko'rib chiqing (V, ψ) kuni Mva, deylik U va V umumiy ba'zi fikrlarni o'z ichiga oladi. Ikkala mos keladigan funktsiyalar siz ∘ φ⁻¹ va siz ∘ ψ⁻¹ bir-biriga qayta parametrlanishi mumkinligi ma'nosida bog'langan:

${ displaystyle u circ varphi ^ {- 1} = { big (} u circ psi ^ {- 1} { big)} circ { big (} psi circ varphi ^ {- 1} { big)},}$

mavjudotning tabiiy sohasi φ (U ∩ V). Beri φ va ψ gomeomorfizmlar, bundan kelib chiqadiki ψ ∘ φ⁻¹ dan olingan gomomorfizmdir φ (U ∩ V) ga ψ (U ∩ V). Binobarin, ikkala funktsiya bo'lsa ham siz ∘ φ⁻¹ va siz ∘ ψ⁻¹ farqlanadigan, ularning differentsial xususiyatlari bir-biri bilan chambarchas bog'liq bo'lishi shart emas ψ ∘ φ⁻¹ uchun etarli darajada farqlanishi shart emas zanjir qoidasi tegishli bo'lishi. Agar uning o'rniga funktsiyalarni ko'rib chiqsa, xuddi shu muammo topiladi v : ℝ → M; ulardan biri reparametrizatsiya formulasiga olib keladi

${ displaystyle varphi circ c = { big (} varphi circ psi ^ {- 1} { big)} circ { big (} psi circ c { big)},}$

qaysi nuqtada avvalgidek kuzatish mumkin.

Bu diagrammalar to'plamini belgilaydigan "farqlanadigan atlas" ni kiritish orqali hal qilinadi M buning uchun o'tish xaritalari ψ ∘ φ⁻¹ barchasi farqlanadi. Bu vaziyatni juda toza qiladi: agar siz ∘ φ⁻¹ differentsiallanadi, keyin reparametrizatsiya formulasi tufayli xarita siz ∘ ψ⁻¹ mintaqada ham farqlanadi ψ (U ∩ V). Bundan tashqari, ushbu ikkita xaritaning hosilalari zanjir qoidasi bilan bir-biriga bog'langan. Berilgan atlasga nisbatan bu domen yoki diapazon bo'lgan farqlanadigan xaritalash tushunchasini osonlashtiradi M, shuningdek, bunday xaritalarning lotin tushunchasi.

Rasmiy ravishda, "farqlanadigan" so'zi bir muncha noaniq, chunki u turli mualliflar tomonidan turli xil narsalarni anglatadi; ba'zan bu birinchi hosilalar mavjudligini, ba'zan uzluksiz birinchi hosilalarning mavjudligini, ba'zan esa cheksiz ko'p hosilalarning mavjudligini anglatadi. Quyida "farqlanadigan atlas" ning turli xil (noaniq) ma'nolariga rasmiy ta'rif berilgan. Umuman olganda, "farqlash mumkin" so'zi, ushbu imkoniyatlarning barchasini o'z ichiga olgan barcha so'zlar sifatida ishlatiladi k ≥ 1.

${ displaystyle M}$

${ displaystyle U _ { alfa}}$

${ displaystyle U _ { beta}}$

${ displaystyle varphi _ { alpha}}$

${ displaystyle varphi _ { beta}}$

${ displaystyle varphi _ { beta alpha}}$

${ displaystyle varphi _ { alpha beta}}$

${ displaystyle mathbf {R} ^ {n}}$

${ displaystyle mathbf {R} ^ {n}}$

Ikki jadvalning o'tish xaritasi. φ_aβ bildiradi φ_a ∘ φ⁻¹
_β va φ_gha bildiradi φ_β ∘ φ⁻¹
_a

Har bir real-analitik xarita silliq va har qanday silliq xarita C^k har qanday kishi uchun k, har qanday analitik atlasni ham tekis atlas sifatida ko'rish mumkinligini va har qanday silliq atlasni C^k atlas. Ushbu zanjir holomorfik atlaslarni o'z ichiga olgan holda kengaytirilishi mumkin, bunda ochiq pastki to'plamlar orasidagi har qanday holomorfik xarita ℂⁿ ning ochiq kichik to'plamlari orasidagi real-analitik xarita sifatida qaralishi mumkin ℝ²ⁿ.

Topologik bo'shliqda farqlanadigan atlas berilgan bo'lsa, diagramma shunday deyiladi farqli ravishda mos keladi atlas bilan yoki farqlanadigan berilgan atlasga nisbatan, agar diagrammani berilgan differentsial atlasni o'z ichiga olgan jadvallar to'plamiga kiritish natijasida farqlanadigan atlas paydo bo'lsa. Differentsial atlas a ni aniqlaydi maksimal darajada farqlanadigan atlas, berilgan atlas bilan har xil darajada mos keladigan barcha jadvallardan iborat. Maksimal atlas har doim juda katta. Masalan, maksimal atlasdagi har qanday diagrammani hisobga olgan holda, uning domenining o'zboshimchalik bilan ochiq qismiga cheklanishi ham maksimal atlasda mavjud bo'ladi. Maksimal silliq atlas a nomi bilan ham tanilgan silliq tuzilish; maksimal holomorfik atlas a nomi bilan ham tanilgan murakkab tuzilish.

Maksimal atlaslarning to'g'ridan-to'g'ri ishlatilishidan qochib, muqobil, ammo ekvivalent ta'rifi, ajratiladigan atlaslarning ekvivalentlik sinflarini ko'rib chiqishdir, agar ikkita atlasning har bir diagrammasi boshqasiga mos keladigan bo'lsa, ikkita ajralib turadigan atlas teng deb hisoblanadi. Norasmiy ravishda, shuni anglatadiki, silliq ko'p qirrali bilan ishlashda bir nechta diagrammalardan tashkil topgan bitta differentsial atlas bilan ishlash mumkin, bunda boshqa ko'plab diagrammalar va farqlanadigan atlaslar bir xil darajada qonuniydir.

Ga ko'ra domenning o'zgarmasligi, farqlanadigan atlasga ega bo'lgan topologik makonning har bir bog'langan komponenti aniq belgilangan o'lchovga ega n. Bu holomorfik atlas holatida kichik noaniqlikni keltirib chiqaradi, chunki mos o'lcham analitik, silliq yoki ko'rib chiqilganda uning o'lchamlari qiymatining yarmiga teng bo'ladi C^k atlas. Shu sababli, bir kishi holomorfik atlas bilan topologik makonning "haqiqiy" va "murakkab" o'lchamlariga alohida murojaat qiladi.

Manifoldlar

A farqlanadigan manifold a Hausdorff va ikkinchi hisoblanadigan topologik makon M, maksimal darajada farqlanadigan atlas bilan birga M. Asosiy nazariyaning aksariyat qismi Hausdorff va ikkinchi hisoblanadigan sharoitlarga ehtiyoj sezmasdan ishlab chiqilishi mumkin, garchi ular ilgari nazariyaning aksariyati uchun hayotiy ahamiyatga ega. Ular mohiyatan umumiy mavjudligiga tengdir zarba funktsiyalari va birlik birliklari, ikkalasi ham hamma joyda ishlatiladi.

A tushunchasi C⁰ manifold a bilan bir xil topologik manifold. Biroq, e'tiborga loyiq bir farq bor. Topologik makonni hisobga olgan holda, bu topologik ko'p qirrali yoki yo'qligini so'rash juda muhimdir. Aksincha, berilgan topologik makon (masalan) silliq manifoldmi yoki yo'qligini so'rashning o'zi ahamiyatli emas, chunki silliq manifold tushunchasi qo'shimcha tuzilish bo'lgan silliq atlasni aniqlashtirishni talab qiladi. Biroq, ma'lum bir topologik makonga silliq ko'p qirrali tuzilmani berish mumkin emas, deyish mazmunli bo'lishi mumkin. Bunday nomutanosiblik bo'lmasligi uchun ta'riflarni qayta tuzish mumkin; to'plamdan boshlash mumkin M (topologik makon o'rniga M), topologik bo'shliqning tuzilishini aniqlash uchun ushbu parametrdagi silliq atlasning tabiiy analogidan foydalaniladi M.

Kollektor hosil qilish uchun Evklid qismlarini bir-biriga yopishtirish

Manifoldlar qurilishida bitta nuqtai nazarni olish uchun yuqoridagi ta'riflarni teskari muhandislik qilish mumkin. Maqsad grafikalar va o'tish xaritalari tasvirlaridan boshlash va ko'p qirrali ma'lumotlarni faqat shu ma'lumotlardan qurishdir. Yuqoridagi munozarada bo'lgani kabi, biz ham "silliq" kontekstdan foydalanamiz, ammo hamma narsa boshqa sozlamalarda ham yaxshi ishlaydi.

Indekslash to'plami berilgan ${ displaystyle A,}$ ruxsat bering ${ displaystyle V _ { alpha}}$ ning ochiq pastki to'plamlari to'plami bo'lishi mumkin ${ displaystyle mathbb {R} ^ {n}}$ va har biri uchun ${ displaystyle alfa, beta in A}$ ruxsat bering ${ displaystyle V _ { alpha beta}}$ ning ochiq (ehtimol bo'sh) kichik to'plami bo'ling ${ displaystyle V _ { beta}}$ va ruxsat bering ${ displaystyle varphi _ { alpha beta}: V _ { alpha beta} to V _ { beta alpha}}$ silliq xarita bo'ling. Aytaylik ${ displaystyle varphi _ { alpha alpha}}$ identifikatsiya xaritasi, ya'ni ${ displaystyle varphi _ { alpha beta} circ varphi _ { beta alpha}}$ identifikatsiya xaritasi va bu ${ displaystyle varphi _ { alpha beta} circ varphi _ { beta gamma} circ varphi _ { gamma alpha}}$ hisobga olish xaritasi. Keyin disjunit birlashmasidagi ekvivalentlik munosabatini aniqlang ${ displaystyle textstyle { bigsqcup _ { alpha in A} V _ { alpha}}}$ deklaratsiya bilan ${ displaystyle p in V _ { alpha beta}}$ ga tenglashmoq ${_ displaystyle varphi _ { alpha beta} (p) in V _ { beta alpha}.}$ Ba'zi bir texnik ishlar bilan ekvivalentlik sinflari to'plamiga tabiiy ravishda topologik tuzilish berilishi mumkinligi va bunda qo'llanilgan jadvallar silliq atlas hosil bo'lishini ko'rsatish mumkin.

Differentsial funktsiyalar

Haqiqiy qadrlangan funktsiya f bo'yicha n- o'lchovli farqlanadigan ko'p qirrali M deyiladi farqlanadigan bir nuqtada p ∈ M agar u har qanday koordinatali diagrammada farqlanadigan bo'lsa p. Aniqroq aytganda, agar ${ displaystyle (U, varphi)}$ bu erda farqlanadigan jadval ${ displaystyle U}$ bu ochiq to'plam ${ displaystyle M}$ o'z ichiga olgan p va ${ displaystyle varphi: U dan { mathbf {R}} ^ {n}}$ bu xaritani belgilaydigan xarita, keyin f da farqlanadi p agar va faqat agar

${ displaystyle f circ varphi ^ {- 1} colon varphi (U) subset { mathbf {R}} ^ {n} to { mathbf {R}}}$

da farqlanadi ${ displaystyle varphi (p)}$, anavi f ochiq to'plamdan farqlanadigan funktsiya ${ displaystyle varphi (U)}$, ning pastki qismi sifatida qaraladi ${ displaystyle { mathbf {R}} ^ {n}}$, ga ${ displaystyle mathbf {R}}$. Umuman olganda, ko'plab mavjud grafikalar mavjud bo'ladi; ammo, differentsiallikning ta'rifi diagramma tanlashga bog'liq emas p. Dan kelib chiqadi zanjir qoidasi bitta diagramma va boshqasi orasidagi o'tish funktsiyalariga qo'llaniladi, agar shunday bo'lsa f har qanday ma'lum bir jadvalda farqlanadi p, keyin u barcha jadvallarda farqlanadi p. Shunga o'xshash mulohazalar belgilashda qo'llaniladi C^k funktsiyalar, silliq funktsiyalar va analitik funktsiyalar.

Funktsiyalarni farqlash

Ni aniqlashning turli usullari mavjud lotin differentsial manifolddagi funktsiyalarning eng asosiysi bu yo'naltirilgan lotin. Yo'naltiruvchi lotin ta'rifi ko'p qirrali mos keladigan narsaning etishmasligi bilan murakkablashadi afine aniqlanadigan tuzilma vektorlar. Shuning uchun, yo'naltirilgan lotin vektor o'rniga manifolddagi egri chiziqlarga qaraydi.

Yo'nalishni farqlash

Haqiqiy qadrlangan funktsiya berilgan f bo'yicha n o'lchovli farqlanadigan ko'p qirrali M, ning yo'naltirilgan hosilasi f bir nuqtada p yilda M quyidagicha ta'riflanadi. Deb faraz qilaylik γ (t) bu egri chiziq M bilan γ(0) = p, bu farqlanadigan har qanday jadval bilan uning tarkibi a bo'lgan ma'noda farqlanadigan egri chiziq yilda Rⁿ. Keyin yo'naltirilgan lotin ning f da p along bo'yicha

${ displaystyle chap. { frac {d} {dt}} f ( gamma (t)) right | _ {t = 0}.}$

Agar γ₁ va γ₂ ikkita egri chiziq γ₁(0) = γ₂(0) = pva har qanday koordinata jadvalida φ,

${ displaystyle chap. { frac {d} {dt}} varphi circ gamma _ {1} (t) right | _ {t = 0} = chap. { frac {d} {dt }} varphi circ gamma _ {2} (t) right | _ {t = 0}}$

keyin zanjir qoidasiga ko'ra, f da bir xil yo'naltiruvchi hosilaga ega p birga γ₁ bilan birga γ₂. Bu shuni anglatadiki, yo'naltiruvchi hosila faqat ga bog'liq teginuvchi vektor egri chiziq p. Shunday qilib, differentsial manifoldlar holatiga moslashtirilgan yo'naltirilgan differentsiatsiyaning mavhum ta'rifi, oxir-oqibat, affin fazosida yo'naltirilgan farqlanishning intuitiv xususiyatlarini qamrab oladi.

Tangens vektor va differentsial

A teginuvchi vektor da p ∈ M bu ekvivalentlik sinfi farqlanadigan egri chiziqlar γ bilan γ(0) = p, modul birinchi darajali ekvivalentlik munosabati aloqa egri chiziqlar orasidagi. Shuning uchun,

${ displaystyle gamma _ {1} equiv gamma _ {2} iff left. { frac {d} {dt}} varphi circ gamma _ {1} (t) right | _ { t = 0} = chap. { frac {d} {dt}} varphi circ gamma _ {2} (t) right | _ {t = 0}}$

har bir koordinata jadvalida φ. Shuning uchun ekvivalentlik sinflari egri chiziqlardir p belgilangan bilan tezlik vektori da p. Barcha teginuvchi vektorlarning to'plami p shakllantiradi a vektor maydoni: the teginsli bo'shliq ga M da p, belgilangan T_pM.

Agar X tangensli vektor p va f yaqinda aniqlangan farqlanadigan funktsiya p, keyin farqlash f ekvivalentlik sinfini belgilaydigan har qanday egri chiziq bo'ylab X bilan birga aniq belgilangan yo'nalish hosilasini beradi X:

${ displaystyle Xf (p): = chap. { frac {d} {dt}} f ( gamma (t)) right | _ {t = 0}.}$

Yana bir bor zanjir qoidasi, bu ekvivalentlik sinfidan $ p $ ni tanlash erkinligidan mustaqil ekanligini aniqlaydi, chunki bir xil birinchi darajali kontaktga ega bo'lgan har qanday egri chiziq bir xil yo'naltirilgan lotin hosil qiladi.

Agar funktsiya bo'lsa f aniqlanadi, keyin xaritalash

${ displaystyle X mapsto Xf (p)}$

a chiziqli funktsional teginish maydonida. Ushbu chiziqli funktsional ko'pincha tomonidan belgilanadi df(p) va deyiladi differentsial ning f da p:

${ displaystyle df (p) colon T_ {p} M to { mathbf {R}}.}$

Tangensli bo'shliqning ta'rifi va lokal koordinatalarda farqlanish

Ruxsat bering ${ displaystyle M}$ topologik bo'ling ${ displaystyle n}$- silliq atlas bilan ko'p qavatli ${ displaystyle {(U _ { alpha}, varphi _ { alpha}) } _ { alfa A} da.}$ Berilgan ${ displaystyle p in M}$ ruxsat bering ${ displaystyle A_ {p}}$ belgilash ${ displaystyle { alpha in A: p in U _ { alpha} }.}$ "Teginuvchi vektor ${ displaystyle p in M}$"bu xaritalashdir ${ displaystyle v: A_ {p} to mathbb {R} ^ {n},}$ bu erda ko'rsatilgan ${ displaystyle alpha mapsto v _ { alpha},}$ shu kabi

${ displaystyle v _ { alpha} = D { Big |} _ { varphi _ { beta} (p)} ( varphi _ { alpha} circ varphi _ { beta} ^ {- 1} ) (v _ { beta})}$

Barcha uchun $A {p} da { displaystyle alfa, beta .}$ Tangens vektorlar to'plami at ${ displaystyle p}$ bilan belgilanadi ${ displaystyle T_ {p} M.}$ Yumshoq funktsiya berilgan ${ displaystyle f: M to mathbb {R}}$, aniqlang ${ displaystyle df_ {p}: T_ {p} M to mathbb {R}}$ teginuvchi vektor yuborish orqali ${ displaystyle v: A_ {p} to mathbb {R} ^ {n}}$ tomonidan berilgan raqamga

${ displaystyle D { Big |} _ { varphi _ { alpha} (p)} (f circ varphi _ { alpha} ^ {- 1}) (v _ { alpha}),}$

tangensli vektor ta'rifidagi zanjir qoidasi va cheklovi tufayli tanlashga bog'liq emas $A_ {p} da { displaystyle alpha .}$

Buni tekshirish mumkin ${ displaystyle T_ {p} M}$ tabiiy ravishda a tuzilishga ega ${ displaystyle n}$- o'lchovli haqiqiy vektor maydoni va bu struktura bilan ${ displaystyle df_ {p}}$ chiziqli xarita. Asosiy kuzatuv shundan iboratki, tangens vektorning ta'rifida paydo bo'ladigan cheklov tufayli, ning qiymati ${ displaystyle v _ { beta}}$ bitta element uchun ${ displaystyle beta}$ ning ${ displaystyle A_ {p}}$ avtomatik ravishda belgilaydi ${ displaystyle v _ { alpha}}$ Barcha uchun ${ displaystyle alpha in A.}$

Yuqoridagi rasmiy ta'riflar darsliklarda, xususan, tez-tez uchraydigan norasmiy yozuvlarga to'liq mos keladi

${ displaystyle v ^ {i} = { widetilde {v}} ^ {j} { frac { qismli x ^ {i}} { kısalt { widetilde {x}} ^ {j}}}}$ va ${ displaystyle df_ {p} (v) = { frac { qismli f} { qisman x ^ {i}}} v ^ {i}.}$

Rasmiy ta'riflar g'oyasi bilan ushbu stenografiya yozuvlari ko'p maqsadlarda ishlashni ancha osonlashtiradi.

Birlik bo'linmalari

Differentsiallanadigan manifolddagi differentsial funktsiyalar to'plamining topologik xususiyatlaridan biri bu uning tan olishidir birlik birliklari. Bu kollektordagi differentsial tuzilishni umuman birlik bo'lmaydigan kuchli tuzilmalardan (analitik va holomorfik tuzilmalar kabi) ajratib turadi.

Aytaylik M sinfning ko'p qirrali qismidir C^k, qayerda 0 ≤ k ≤ ∞. Ruxsat bering {U_a} ning ochiq qoplamasi bo'lishi kerak M. Keyin a birlikning bo'linishi qopqoqqa bo'ysunuvchi {U_a} bu haqiqiy baholanganlar to'plamidir C^k funktsiyalari φ_men kuni M quyidagi shartlarni qondirish:

• The qo'llab-quvvatlaydi ning φ_men bor ixcham va mahalliy cheklangan;
• Qo'llab-quvvatlash φ_men tarkibida to'liq mavjud U_a kimdir uchun a;
• The φ_men har bir nuqtada bittadan yig'iladi M:

${ displaystyle sum _ {i} varphi _ {i} (x) = 1.}$

(Shuni esda tutingki, bu oxirgi shart har bir nuqtada cheklangan yig'indidir, chunki qo'llab-quvvatlovchilarning mahalliy cheklanganligi φ_men.)

A-ning har bir ochiq qoplamasi C^k ko'p qirrali M bor C^k birlikning bo'linishi. Topologiyasidan ma'lum konstruktsiyalarga imkon beradi C^k funktsiyalar yoqilgan Rⁿ farqlanadigan manifoldlar toifasiga o'tkazilishi kerak. Xususan, ma'lum bir koordinat atlasiga bo'ysunadigan birlik qismini tanlash va har bir jadvalda integratsiyani amalga oshirish orqali integratsiyani muhokama qilish mumkin. Rⁿ. Shuning uchun birlik birliklari ba'zi boshqa turlarga imkon beradi funktsiya bo'shliqlari ko'rib chiqilishi kerak: masalan L^p bo'shliqlar, Sobolev bo'shliqlari va integratsiyani talab qiladigan boshqa bo'shliqlar.

Kollektorlar orasidagi xaritalashning differentsialligi

Aytaylik M va N o'lchamlari bilan ajralib turadigan ikkita manifold m va nnavbati bilan va f dan funktsiya M ga N. Differentsial manifoldlar topologik bo'shliq bo'lganligi sababli biz uning ma'nosini bilamiz f uzluksiz bo'lish Lekin nima qiladi "f bu C^k(M, N)"degani k ≥ 1? Buning qachonligini anglatishini bilamiz f Evklid bo'shliqlari orasidagi funktsiyadir, shuning uchun biz tuzadigan bo'lsak f ning diagrammasi bilan M va diagrammasi N shunday qilib biz Evklid kosmosidan to xaritasini olamiz M ga N Evklid kosmosiga biz ushbu xarita nimani anglatishini bilamiz C^k(R^m, Rⁿ). Biz belgilaymiz "f bu C^k(M, N)"bu kabi barcha kompozitsiyalar degani f jadvallar bilan C^k(R^m, Rⁿ). Yana bir bor zanjir qoidasi, differentsiallik g'oyasi atlaslarning qaysi jadvallarida joylashganligiga bog'liq emasligini kafolatlaydi M va N tanlangan. Biroq, lotinni o'zi belgilash yanada nozikroq. Agar M yoki N o'zi allaqachon evklidlar makonidir, shuning uchun biz uni bir-biriga moslashtirish uchun diagramma kerak emas.

Paketlar

Tangens to'plami

The teginsli bo'shliq nuqta shu nuqtadagi mumkin bo'lgan yo'naltiruvchi hosilalardan iborat va bir xil bo'ladi o'lchov n kollektor kabi. (Yagona bo'lmagan) koordinatalar to'plami uchun x_k nuqtaga mahalliy, koordinata hosilalari ${ displaystyle kısalt _ {k} = { frac { qismli} { qismli x_ {k}}}}$ a ni aniqlang holonomik asos teggan bo'shliqning Tegishli bo'shliqlarning barcha nuqtalar to'plami, o'z navbatida, kollektorga aylanishi mumkin teginish to'plami, uning o'lchamlari 2 ga tengn. Tangens to'plami qaerda tangens vektorlar yolg'on va o'zi farqlanadigan ko'p qirrali narsadir. The Lagrangian teginish to'plamidagi funktsiya. Tangens to'plamini 1- to'plami sifatida ham aniqlash mumkinsamolyotlar dan R (the haqiqiy chiziq ) ga M.

Tegishli to'plam uchun atlasni grafikalar asosida tuzish mumkin U_a × Rⁿ, qayerda U_a uchun atlasdagi jadvallardan birini bildiradi M. Ushbu yangi diagrammalarning har biri bu jadvallar uchun tangens to'plamidir U_a. Ushbu atlasdagi o'tish xaritalari dastlabki manifolddagi o'tish xaritalaridan aniqlanadi va asl farqlash sinfini saqlab qoladi.

Kotangens to'plami

The er-xotin bo'sh joy vektor fazosi - bu vektor fazosidagi haqiqiy qiymatli chiziqli funktsiyalar to'plami. The kotangensli bo'shliq bir nuqtada shu nuqtadagi tangens fazoning duali va kotangens to'plami barcha kotangensli bo'shliqlarning to'plamidir.

Tangens to'plami singari, kotangens to'plami yana farqlanadigan ko'p qirrali. The Hamiltoniyalik kotangens to'plamidagi skalar. The umumiy joy kotangens to'plami a tuzilishiga ega simpektik manifold. Kotangens vektorlari ba'zan chaqiriladi kovektorlar. Kotangens to'plamini 1- to'plami sifatida ham aniqlash mumkinsamolyotlar dan funktsiyalar M ga R.

Kotangens fazasining elementlari deb o'ylash mumkin cheksiz siljishlar: agar f har bir nuqtada aniqlay oladigan farqlanadigan funktsiya p kotangens vektor df_p, bu teginish vektorini yuboradi X_p ning hosilasiga f bilan bog'liq X_p. Biroq, har bir kovektor maydonini bu tarzda ifodalash mumkin emas. Ular deb atash mumkin aniq differentsiallar. Berilgan mahalliy koordinatalar to'plami uchun x^k, differentsiallar dx^k
_p at kotangens makonining asosini tashkil qiladi p.

Tensor to'plami

Tensor to'plami to'g'ridan-to'g'ri summa hammasidan tensor mahsulotlari tangens to'plami va kotangens to'plami. To'plamning har bir elementi a tensor maydoni kabi harakat qilishi mumkin ko'p chiziqli operator vektor maydonlarida yoki boshqa tensor maydonlarida.

Tensor to'plami an'anaviy ma'noda farqlanadigan ko'p qirrali emas, chunki u cheksiz o'lchovlidir. Ammo bu algebra skalar funktsiyalari rishtasi ustida. Har bir tensor o'z qatorlari bilan tavsiflanadi, bu uning qancha tanjen va kotangens omillarga ega ekanligini ko'rsatadi. Ba'zan bu darajalar deb nomlanadi kovariant va qarama-qarshi navbati bilan tegang va kotangens darajalarini bildiradi.

Kadrlar to'plami

Kadr (yoki aniqroq aytganda, teginchli ramka) ma'lum teginish makonining tartiblangan asosidir. Xuddi shunday, tangensli ramka ham ning chiziqli izomorfizmi Rⁿ bu teginish makoniga. Harakatlanuvchi ramka - bu o'z domenining har bir nuqtasida asos beradigan vektor maydonlarining tartiblangan ro'yxati. Shuningdek, harakatlanuvchi freymni ramka to'plami F (M), a GL (n, R) asosiy to'plam barcha ramkalar to'plamidan tashkil topgan M. Kadrlar to'plami foydalidir, chunki tenzor maydonlari yoqilgan M deb hisoblash mumkin ekvariant vektorli funktsiyalar F (M).

Jet to'plamlari

Etarli darajada silliq bo'lgan kollektorda har xil turdagi reaktiv to'plamlar ham ko'rib chiqilishi mumkin. Kollektorning (birinchi tartibli) tangens to'plami bu birinchi darajali ekvivalentlik munosabatlaridagi manifold modulidagi egri chiziqlar to'plamidir. aloqa. Shunga o'xshash k- tartibli tangens to'plami - bu modulning egri chiziqlar yig'indisi k- buyurtma bo'yicha aloqa. Xuddi shu tarzda, kotangens to'plami - bu manifolddagi funktsiyalarning 1-jet to'plami: k-jetli to'plam - bu ularning to'plami k- samolyotlar. Reaktiv to'plamlarning umumiy g'oyasining ushbu va boshqa misollari o'rganishda muhim rol o'ynaydi differentsial operatorlar manifoldlarda.

Kadr tushunchasi, shuningdek, yuqori darajadagi reaktivlar uchun ham umumlashtiriladi. A ni aniqlang kbo'lishi kerak bo'lgan uchinchi tartib k-jet of a diffeomorfizm dan Rⁿ ga M.^[6] Barchaning to'plami k- buyurtma ramkalari, F^k(M), asosiy hisoblanadi G^k to'plami tugadi M, qayerda G^k bo'ladi guruhi k- samolyotlar; ya'ni, tuzilgan guruh k- samolyotlar ning diffeomorfizmlari Rⁿ kelib chiqishini aniqlaydigan. Yozib oling GL (n, R) tabiiy ravishda izomorfikdir G¹va har bir kichik guruh G^k, k ≥ 2. Xususan, F²(M) a ning tarkibiy qismlarini beradi ulanish kuni M. Shunday qilib, to'plam to'plami F²(M) / GL (n, R) to'plami nosimmetrik chiziqli ulanishlar tugadi M.

Kollektorlarda hisoblash

Ko'plab texnikalar ko'p o'zgaruvchan hisoblash shuningdek murojaat qiling, mutatis mutandis, farqlanadigan manifoldlarga. Masalan, tangensli vektor bo'yicha differentsial funktsiyani manifoldga yo'naltirilgan hosilasini aniqlash mumkin, masalan, va bu umumlashtirish vositasiga olib keladi jami lotin funktsiya: differentsial. Hisoblash nuqtai nazaridan, kollektorda funktsiya hosilasi hech bo'lmaganda Evklid fazosida aniqlangan funktsiyaning oddiy hosilasi bilan bir xilda harakat qiladi. mahalliy. Masalan, ning versiyalari mavjud yashirin va teskari funktsiya teoremalari bunday funktsiyalar uchun.

Biroq, vektor maydonlarini hisoblashda muhim farqlar mavjud (va umuman tensor maydonlari). Qisqacha aytganda, vektor maydonining yo'naltirilgan hosilasi yaxshi aniqlanmagan yoki hech bo'lmaganda to'g'ridan-to'g'ri aniqlanmagan. Vektorli maydon (yoki tenzor maydoni) hosilasining bir nechta umumlashtirilishi mavjud va Evklid bo'shliqlarida differentsiatsiyaning ma'lum rasmiy xususiyatlarini aks ettiradi. Bular orasida boshliq:

• The Yolg'on lotin, bu differentsial tuzilish bilan noyob tarzda aniqlanadi, ammo yo'naltirilgan differentsiatsiyaning odatdagi ba'zi xususiyatlarini qondira olmaydi.
• An affine ulanish, bu o'ziga xos tarzda aniqlanmagan, ammo odatiy yo'naltirilgan farqlash xususiyatlarini yanada to'liqroq umumlashtirgan. Affine aloqasi noyob bo'lmaganligi sababli, bu manifoldda ko'rsatilishi kerak bo'lgan qo'shimcha ma'lumotlar qismidir.

Fikrlar integral hisob shuningdek, differentsial kollektorlarga o'tkazing. Bular tabiiy ravishda tilida ifodalangan tashqi hisob-kitob va differentsial shakllar. Bir nechta o'zgaruvchilardagi integral hisoblashning asosiy teoremalari, ya'ni Yashil teorema, divergensiya teoremasi va Stoks teoremasi - bilan bog'liq teoremani (shuningdek Stoks teoremasi deb ataladi) umumlashtiring tashqi hosila va integratsiya tugadi submanifoldlar.

Funksiyalarning differentsial hisobi

Muvofiq tushunchalarni shakllantirish uchun ikkita manifold o'rtasidagi farqlanadigan funktsiyalar zarur submanifoldlar va boshqa tegishli tushunchalar. Agar f : M → N farqlanadigan manifolddan farqlanadigan funktsiya M o'lchov m boshqa farqlanadigan manifoldga N o'lchov n, keyin differentsial ning f xaritalashdir df : TM → TN. Shuningdek, u bilan belgilanadi Tf va chaqirdi teginans xaritasi. Ning har bir nuqtasida M, bu bitta teginish fazosidan boshqasiga chiziqli o'zgarish:

${ displaystyle df (p) colon T_ {p} M to T_ {f (p)} N.}$

The daraja ning f da p bo'ladi daraja bu chiziqli o'zgarish.

Odatda funktsiya darajasi darajali xususiyatdir. Ammo, agar funktsiya maksimal darajaga ega bo'lsa, unda nuqta yaqinida daraja doimiy bo'lib qoladi. Differentsial funktsiya "odatda" tomonidan berilgan aniq ma'noda maksimal darajaga ega Sard teoremasi. Nuqtadagi maksimal darajadagi funktsiyalar deyiladi suvga cho'mish va suv osti suvlari:

• Agar m ≤ nva f : M → N darajaga ega m da p ∈ M, keyin f deyiladi suvga cho'mish da p. Agar f ning barcha nuqtalarida cho'milishdir M va a gomeomorfizm uning tasviriga, keyin f bu ko'mish. O'rnatish tushunchasini rasmiylashtiradi M bo'lish a submanifold ning N. Umuman olganda, ko'mish - bu o'zaro kesishmalarsiz va boshqa mahalliy bo'lmagan topologik qoidabuzarliklarsiz immersiya.
• Agar m ≥ nva f : M → N darajaga ega n da p ∈ M, keyin f deyiladi a suvga botish da p. Yashirin funktsiya teoremasi, agar shunday bo'lsa, deyiladi f suv ostiga tushishdir p, keyin M mahalliy mahsulotidir N va R^m−n yaqin p. Rasmiy ma'noda koordinatalar mavjud (y₁, ..., y_n) mahallasida f(p) ichida Nva m − n funktsiyalari x₁, ..., x_m−n ning mahallasida aniqlangan p yilda M shu kabi

${ displaystyle (y_ {1} circ f, dotsc, y_ {n} circ f, x_ {1}, dotsc, x_ {m-n})}$

ning mahalliy koordinatalar tizimidir M mahallasida p. Submersions nazariyasining asosini tashkil etadi fibratsiyalar va tolalar to'plamlari.

Yolg'on lotin

A Yolg'on lotin nomi bilan nomlangan Sofus yolg'on, a hosil qilish ustida algebra ning tensor maydonlari ustidan ko'p qirrali M. The vektor maydoni barcha Lie lotinlari bo'yicha M cheksiz o'lchovli shakllantiradi Yolg'on algebra ga nisbatan Yolg'on qavs tomonidan belgilanadi

${ displaystyle [A, B]: = { mathcal {L}} _ {A} B = - { mathcal {L}} _ {B} A.}$

Lie lotinlari quyidagicha ifodalanadi vektor maydonlari, kabi cheksiz kichik generatorlar oqimlar (faol diffeomorfizmlar ) ustida M. Bunga teskari qarab, guruh ning diffeomorfizmlari M Lie lotin algebra tuzilishi bilan to'g'ridan-to'g'ri o'xshash tarzda Yolg'on guruh nazariya.

Tashqi hisob-kitob

Tashqi hisob-kitobi umumlashtirishga imkon beradi gradient, kelishmovchilik va burish operatorlar.

To'plami differentsial shakllar, har bir nuqtada butunlay iborat antisimetrik ko'p chiziqli shu nuqtadagi teginish fazosidagi xaritalar. Bu tabiiy ravishda bo'linadi n- har biri uchun shakl n ko'pi bilan manifold o'lchamiga teng; an n-form n-zgaruvchan shakli, daraja shakli deb ham yuritiladi n. 1-shakllar kotangens vektorlar, 0-shakllar esa shunchaki skalar funktsiyalardir. Umuman olganda, an n-form kotangens darajasiga ega tenzordir n va tangens daraja 0. Ammo har bir bunday tensor shakl emas, chunki shakl antisimetrik bo'lishi kerak.

Tashqi lotin

Skalyarlardan kvektorlarga qadar xarita mavjud tashqi hosila

${ displaystyle mathrm {d} colon { mathcal {C}} (M) to mathrm {T} ^ {*} (M): f mapsto mathrm {d} f}$

shu kabi

${ displaystyle mathrm {d} f colon mathrm {T} (M) to { mathcal {C}} (M): V mapsto V (f).}$

Ushbu xarita, yuqorida aytib o'tilgan kvektorlarni cheksiz kichik siljishlar bilan bog'laydi; ba'zi kvektorlar skalar funktsiyalarining tashqi hosilalari. U xaritada umumlashtirilishi mumkin n-ga shakllanadi (n+1) - shakllar. Ushbu lotinni ikki marta qo'llash nolga teng bo'ladi. Nol hosilaga ega bo'lgan shakllar yopiq shakllar deb ataladi, o'zlari tashqi hosilalar bo'lgan shakllar aniq shakllar deb nomlanadi.

Diferensial shakllarning bir nuqtadagi fazosi an ning arxetipik misoli tashqi algebra; Shunday qilib, u xanjar mahsulotiga ega bo'lib, xaritalash a k-form va l- shaklga keltiring (k + l)-form. Tashqi hosila ushbu algebraga qadar cho'zilib, ning versiyasini qondiradi mahsulot qoidasi:

${ displaystyle mathrm {d} ( omega wedge eta) = mathrm {d} omega wedge eta + (- 1) ^ {{ rm {deg ,}} omega} ( omega wedge mathrm {d} eta).}$

Differentsial shakllar va tashqi hosiladan quyidagilarni aniqlash mumkin de Rham kohomologiyasi ko'p qirrali. Daraja n kohomologiya guruhi kvant guruhi yopiq shakllarning aniq shakllari bilan.

Differentsial manifoldlarning topologiyasi

Topologik manifoldlar bilan aloqasi

Aytaylik ${ displaystyle M}$ topologik hisoblanadi ${ displaystyle n}$- ko'p marta.

Agar biron bir silliq atlas berilsa ${ displaystyle {(U _ { alpha}, varphi _ { alpha}) } _ { alfa in A}}$, boshqacha silliq manifold tuzilishini belgilaydigan silliq atlasni topish oson ${ displaystyle M;}$ homemorfizmni ko'rib chiqing ${ displaystyle Phi: M dan M} gacha$ berilgan atlasga nisbatan silliq bo'lmagan; Masalan, identifikatsiya xaritasini lokalizatsiya qilingan silliq bo'lmagan zarbani o'zgartirish mumkin. Keyin yangi atlasni ko'rib chiqing ${ displaystyle {( Phi ^ {- 1} (U _ { alfa}), varphi _ { alpha} circ Phi) } _ { alfa in A},}$ silliq atlas sifatida osongina tasdiqlanadi. Biroq, yangi atlasdagi jadvallar eski atlasdagi jadvallarga mos kelmaydi, chunki buning uchun ${ displaystyle varphi _ { alpha} circ Phi circ varphi _ { beta} ^ {- 1}}$ va ${ displaystyle varphi _ { alpha} circ Phi ^ {- 1} circ varphi _ { beta} ^ {- 1}}$ har qanday kishi uchun silliqdir ${ displaystyle alpha}$ va ${ displaystyle beta,}$ ushbu shartlar ikkalasining ham aniq ta'rifi bilan ${ displaystyle Phi}$ va ${ displaystyle Phi ^ {- 1}}$ silliq, qanday qilib zid ${ displaystyle Phi}$ tanlandi.

Ushbu kuzatuvni motivatsiya sifatida silliq atlas maydonidagi ekvivalentlik munosabatini aniqlash mumkin ${ displaystyle M}$ bu silliq atlaslarni e'lon qilish orqali ${ displaystyle {(U _ { alpha}, varphi _ { alpha}) } _ { alfa in A}}$ va ${ displaystyle {(V _ { beta}, psi _ { beta}) } _ { beta in B}}$ gomomorfizm mavjud bo'lsa, tengdir ${ displaystyle Phi: M dan M} gacha$ shu kabi ${ displaystyle {( Phi ^ {- 1} (U _ { alfa}), varphi _ { alpha} circ Phi) } _ { alfa in A}}$ bilan silliq mos keladi ${ displaystyle {(V _ { beta}, psi _ { beta}) } _ { beta in B},}$ va shunday ${ displaystyle {( Phi (V _ { beta}), psi _ { beta} circ Phi ^ {- 1}) } _ { beta in B}}$ bilan silliq mos keladi ${ displaystyle {(U _ { alpha}, varphi _ { alpha}) } _ { alfa A} da.}$

Qisqacha aytganda, agar diffeomorfizm mavjud bo'lsa, ikkita silliq atlas tengdir ${ displaystyle M dan M gacha,}$ unda domen uchun bitta silliq atlas, diapazon uchun esa boshqa silliq atlas olinadi.

Shuni e'tiborga olingki, bu ekvivalentlik munosabati - bu ravon ko'p qirrali tuzilmani belgilaydigan ekvivalentlik munosabatlarini takomillashtirish, chunki har qanday ikkita mos keladigan atlas ham hozirgi ma'noda mos keladi; olishi mumkin ${ displaystyle Phi}$ identifikatsiya xaritasi bo'lish.

Agar o'lchamlari ${ displaystyle M}$ 1, 2 yoki 3 bo'lsa, unda silliq tuzilish mavjud ${ displaystyle M}$va barcha aniq silliq tuzilmalar yuqoridagi ma'noda tengdir. Vaziyat yuqori o'lchamlarda ancha murakkab, garchi u to'liq tushunilmagan bo'lsa ham.

• Dastlab a bilan ko'rsatilganidek, ba'zi topologik manifoldlar silliq tuzilmalarni tan olmaydi o'n o'lchovli misol tomonidan Kervaire (1960). A asosiy dastur ning qisman differentsial tenglamalar tufayli differentsial geometriyada Simon Donaldson, natijalari bilan birgalikda Maykl Fridman, ko'pgina sodda bog'langan ixcham topologik 4-manifoldlar silliq tuzilmalarni qabul qilmasligini ko'rsatadi. Taniqli ma'lum bir misol E₈ ko'p qirrali.
• Ba'zi topologik manifoldlar yuqorida keltirilgan ma'noda teng bo'lmagan ko'plab silliq tuzilmalarni tan olishadi. Bu dastlab tomonidan kashf etilgan Jon Milnor shaklida ekzotik 7-sharlar.^[7]

Tasnifi

Har bir o'lchovli bog'langan silliq kollektor ikkalasiga ham diffeomorfdir ${ displaystyle mathbb {R}}$ yoki ${ displaystyle S ^ {1},}$ ularning har biri standart silliq tuzilmalari bilan.

Silliq 2-manifoldlarning tasnifi uchun qarang sirt. Xususan natija shundan iboratki, har ikki o'lchovli ulangan ixcham silliq manifold quyidagilardan biriga diffeomorfdir: ${ displaystyle S ^ {2},}$ yoki ${ displaystyle (S ^ {1} times S ^ {1}) sharp cdots sharp (S ^ {1} times S ^ {1}),}$ yoki ${ displaystyle mathbb {RP} ^ {2} sharp cdots sharp mathbb {RP} ^ {2}.}$ Vaziyat noan'anaviyroq silliq tuzilish o'rniga murakkab-differentsial tuzilishni ko'rib chiqsa.

Uch o'lchovdagi vaziyat biroz murakkabroq va ma'lum natijalar bilvosita. 2002 yilda usullar bilan isbotlangan ajoyib natija qisman differentsial tenglamalar, bo'ladi geometriya gipotezasi, har qanday ixcham silliq 3-manifoldni har xil qismlarga ajratish mumkinligi haqida erkin gapirib, ularning har biri juda ko'p simmetriyaga ega bo'lgan Riemen metrikalarini qabul qiladi. Kabi geometrik 3-manifoldlar uchun turli xil "tanib olish natijalari" mavjud Qattiqlikni ta'minlang va giperbolik guruhlar uchun izomorfizm masalasi uchun Selaning algoritmi.^[8]

Ning tasnifi n- uchun koeffitsientlar n uchtadan kattaroq, hatto imkonsiz ekanligi ma'lum homotopiya ekvivalenti. Har qanday cheklangan holda berilgan taqdim etildi guruhi, ushbu guruhni asosiy guruhga ega bo'lgan yopiq 4-manifoldni qurish mumkin. Hech qanday algoritm yo'qligi sababli qaror qiling the isomorphism problem for finitely presented groups, there is no algorithm to decide whether two 4-manifolds have the same fundamental group. Since the previously described construction results in a class of 4-manifolds that are homeomorphic if and only if their groups are isomorphic, the homeomorphism problem for 4-manifolds is hal qilib bo'lmaydigan. In addition, since even recognizing the trivial group is undecidable, it is not even possible in general to decide whether a manifold has trivial fundamental group, i.e. is oddiygina ulangan.

Sodda ulangan 4-manifoldlar have been classified up to homeomorphism by Fridman yordamida kesishish shakli va Kirby – Siebenmann o'zgarmasdir. Smooth 4-manifold theory is known to be much more complicated, as the ekzotik silliq tuzilmalar kuni R⁴ namoyish qilmoq.

However, the situation becomes more tractable for simply connected smooth manifolds of dimension ≥ 5, where the h-kobordizm teoremasi can be used to reduce the classification to a classification up to homotopy equivalence, and jarrohlik nazariyasi qo'llanilishi mumkin.^[9] This has been carried out to provide an explicit classification of simply connected 5-manifoldlar by Dennis Barden.

Structures on smooth manifolds

(Pseudo-)Riemannian manifolds

A Riemann manifoldu consists of a smooth manifold together with a positive-definite ichki mahsulot on each of the individual tangent spaces. This collection of inner products is called the Riemann metrikasi, and is naturally a symmetric 2-tensor field. This "metric" identifies a natural vector space isomorphism ${displaystyle T_{p}M o T_{p}^{ast }M}$ har biriga ${ displaystyle p in M.}$ On a Riemannian manifold one can define notions of length, volume, and angle. Any smooth manifold can be given many different Riemannian metrics.

A psevdo-Riemann manifoldu is a generalization of the notion of Riemann manifoldu where the inner products are allowed to have an muddatsiz imzo, as opposed to being ijobiy-aniq; they are still required to be non-degenerate. Every smooth pseudo-Riemannian and Riemmannian manifold defines a number of associated tensor fields, such as the Riemann egriligi tensori. Pseudo-Riemannian manifolds of signature (3, 1) are fundamental in umumiy nisbiylik. Not every smooth manifold can be given a (non-Riemannian) pseudo-Riemannian structure; there are topological restrictions on doing so.

A Finsler kollektori is a different generalization of a Riemannian manifold, in which the inner product is replaced with a vektor normasi; as such, this allows the definition of length, but not angle.

Simpektik manifoldlar

A simpektik manifold is a manifold equipped with a yopiq, noaniq 2-shakl. This condition forces symplectic manifolds to be even-dimensional, due to the fact that skew-symmetric ${displaystyle (2n+1) imes (2n+1)}$ matrices all have zero determinant. There are two basic examples:

• Cotangent bundles, which arise as phase spaces in Hamilton mexanikasi, are a motivating example, since they admit a natural symplectic form.
• All oriented two-dimensional Riemannian manifolds ${ displaystyle (M, g)}$ are, in a natural way, symplectic, by defining the form ${displaystyle omega (u,v)=g(u,J(v))}$ where, for any ${displaystyle vin T_{p}M,}$ ${displaystyle J(v)}$ denotes the vector such that ${displaystyle v,J(v)}$ yo'naltirilgan ${displaystyle g_{p}}$-orthonormal basis of ${ displaystyle T_ {p} M.}$

Yolg'on guruhlar

A Yolg'on guruh dan iborat C^∞ ko'p qirrali ${ displaystyle G}$ bilan birga guruh structure on ${ displaystyle G}$ such that the product and inversion maps ${displaystyle m:G imes G o G}$ va ${displaystyle i:G o G}$ are smooth as maps of manifolds. These objects often arise naturally in describing (continuous) symmetries, and they form an important source of examples of smooth manifolds.

Many otherwise familiar examples of smooth manifolds, however, cannot be given a Lie group structure, since given a Lie group ${ displaystyle G}$ va har qanday ${ displaystyle g in G}$, one could consider the map ${displaystyle m(g,cdot ):G o G}$ which sends the identity element ${ displaystyle e}$ ga ${ displaystyle g}$ and hence, by considering the differential ${displaystyle T_{e}G o T_{g}G,}$ gives a natural identification between any two tangent spaces of a Lie group. In particular, by considering an arbitrary nonzero vector in ${displaystyle T_{e}G,}$ one can use these identifications to give a smooth non-vanishing vector field on ${ displaystyle G.}$ This shows, for instance, that no even-dimensional sphere can support a Lie group structure. The same argument shows, more generally, that every Lie group must be parallel.

Muqobil ta'riflar

Pseudogroups

A tushunchasi yolg'on guruh^[10] provides a flexible generalization of atlases in order to allow a variety of different structures to be defined on manifolds in a uniform way. A yolg'on guruh consists of a topological space S and a collection Γ consisting of homeomorphisms from open subsets of S to other open subsets of S shu kabi

1. Agar f ∈ Γva U is an open subset of the domain of f, keyin cheklash f|_U is also in Γ.
2. Agar f is a homeomorphism from a union of open subsets of S, ${displaystyle cup _{i},U_{i}}$, to an open subset of S, keyin f ∈ Γ taqdim etilgan ${displaystyle f|_{U_{i}}in Gamma }$ har bir kishi uchun men.
3. For every open U ⊂ S, the identity transformation of U is in Γ.
4. Agar f ∈ Γ, keyin f⁻¹ ∈ Γ.
5. The composition of two elements of Γ is in Γ.

These last three conditions are analogous to the definition of a guruh. Note that Γ need not be a group, however, since the functions are not globally defined on S. For example, the collection of all local C^k diffeomorfizmlar kuni Rⁿ form a pseudogroup. Hammasi biholomorfizmlar between open sets in Cⁿ form a pseudogroup. More examples include: orientation preserving maps of Rⁿ, simpektomorfizmlar, Mobiusning o'zgarishi, afinaviy transformatsiyalar, va hokazo. Thus, a wide variety of function classes determine pseudogroups.

An atlas (U_men, φ_men) of homeomorphisms φ_men dan U_men ⊂ M to open subsets of a topological space S deb aytilgan mos with a pseudogroup Γ provided that the transition functions φ_j ∘ φ_men⁻¹ : φ_men(U_men ∩ U_j) → φ_j(U_men ∩ U_j) are all in Γ.

A differentiable manifold is then an atlas compatible with the pseudogroup of C^k funktsiyalar yoqilgan Rⁿ. A complex manifold is an atlas compatible with the biholomorphic functions on open sets in Cⁿ. Va hokazo. Thus, pseudogroups provide a single framework in which to describe many structures on manifolds of importance to differential geometry and topology.

Tarkibiy qatlam

Sometimes, it can be useful to use an alternative approach to endow a manifold with a C^k-tuzilma. Bu yerda k = 1, 2, ..., ∞, or ω for real analytic manifolds. Instead of considering coordinate charts, it is possible to start with functions defined on the manifold itself. The tuzilish pog'onasi ning M, belgilangan C^k, bir xil funktsiya that defines, for each open set U ⊂ M, algebra C^k(U) of continuous functions U → R. A structure sheaf C^k is said to give M the structure of a C^k o'lchov manifoldu n provided that, for any p ∈ M, u erda mahalla mavjud U ning p va n funktsiyalari x¹, ..., xⁿ ∈ C^k(U) xarita shunday f = (x¹, ..., xⁿ) : U → Rⁿ is a homeomorphism onto an open set in Rⁿva shunga o'xshash C^k|_U bo'ladi orqaga tortish of the sheaf of k-times continuously differentiable functions on Rⁿ.^[11]

In particular, this latter condition means that any function h yilda C^k(V), uchun V, can be written uniquely as h(x) = H(x¹(x), ..., xⁿ(x)), qayerda H a k-times differentiable function on f(V) (an open set in Rⁿ). Thus, the sheaf-theoretic viewpoint is that the functions on a differentiable manifold can be expressed in local coordinates as differentiable functions on Rⁿva fortiori this is sufficient to characterize the differential structure on the manifold.

Sheaves of local rings

A similar, but more technical, approach to defining differentiable manifolds can be formulated using the notion of a bo'sh joy. This approach is strongly influenced by the theory of sxemalar yilda algebraik geometriya, lekin foydalanadi mahalliy halqalar ning mikroblar of differentiable functions. It is especially popular in the context of murakkab manifoldlar.

We begin by describing the basic structure sheaf on Rⁿ. Agar U bu ochiq to'plam Rⁿ, ruxsat bering

O(U) = C^k(U, R)

consist of all real-valued k-times continuously differentiable functions on U. Sifatida U varies, this determines a sheaf of rings on Rⁿ. Sopi O_p uchun p ∈ Rⁿ dan iborat mikroblar of functions near p, and is an algebra over R. In particular, this is a mahalliy halqa whose unique maksimal ideal consists of those functions that vanish at p. Juftlik (Rⁿ, O) a misolidir mahalliy qo'ng'iroq qilingan bo'shliq: it is a topological space equipped with a sheaf whose stalks are each local rings.

A differentiable manifold (of class C^k) consists of a pair (M, O_M) qayerda M a ikkinchi hisoblanadigan Hausdorff maydoni va O_M is a sheaf of local R-algebras defined on M, such that the locally ringed space (M, O_M) is locally isomorphic to (Rⁿ, O). In this way, differentiable manifolds can be thought of as sxemalar modellashtirilgan Rⁿ. Bu shuni anglatadiki ^[12] for each point p ∈ M, mahalla bor U ning p, and a pair of functions (f, f^#), qayerda

1. f : U → f(U) ⊂ Rⁿ is a homeomorphism onto an open set in Rⁿ.
2. f^#: O|_f(U) → f_∗ (O_M|_U) is an isomorphism of sheaves.
3. The localization of f^# is an isomorphism of local rings

f^#_f(p) : O_f(p) → O_M,p.

There are a number of important motivations for studying differentiable manifolds within this abstract framework. First, there is no apriori reason that the model space needs to be Rⁿ. For example, (in particular in algebraik geometriya ), one could take this to be the space of complex numbers Cⁿ equipped with the sheaf of holomorfik funktsiyalar (thus arriving at the spaces of complex analytic geometry ), or the sheaf of polinomlar (thus arriving at the spaces of interest in complex algebraik geometry). In broader terms, this concept can be adapted for any suitable notion of a scheme (see topos nazariyasi ). Second, coordinates are no longer explicitly necessary to the construction. The analog of a coordinate system is the pair (f, f^#), but these merely quantify the idea of local isomorphism rather than being central to the discussion (as in the case of charts and atlases). Third, the sheaf O_M is not manifestly a sheaf of functions at all. Rather, it emerges as a sheaf of functions as a oqibat of the construction (via the quotients of local rings by their maximal ideals). Hence, it is a more primitive definition of the structure (see sintetik differentsial geometriya ).

A final advantage of this approach is that it allows for natural direct descriptions of many of the fundamental objects of study to differential geometry and topology.

• The kotangensli bo'shliq at a point is Men_p/Men_p², qayerda Men_p is the maximal ideal of the stalk O_M,p.
• In general, the entire kotangens to'plami can be obtained by a related technique (see kotangens to'plami tafsilotlar uchun).
• Teylor seriyasi (va samolyotlar ) can be approached in a coordinate-independent manner using the Men_p-adic filtration kuni O_M,p.
• The teginish to'plami (or more precisely its sheaf of sections) can be identified with the sheaf of morphisms of O_M into the ring of juft raqamlar.

Umumlashtirish

The toifasi of smooth manifolds with smooth maps lacks certain desirable properties, and people have tried to generalize smooth manifolds in order to rectify this. Diffeological spaces use a different notion of chart known as a "plot". Frölyher bo'shliqlari va orbifoldlar are other attempts.

A rectifiable set generalizes the idea of a piece-wise smooth or tuzatiladigan egri chiziq to higher dimensions; ammo, to'g'rilanadigan to'plamlar umumiy manifoldlarda emas.

Banach manifoldlari va Frechet manifoldlari, jumladan manifolds of mappings are infinite dimensional differentiable manifolds.

Kommutativ bo'lmagan geometriya

A C^k ko'p qirrali M, o'rnatilgan of real-valued C^k functions on the manifold forms an algebra under pointwise addition and multiplication, called the algebra of scalar fields yoki shunchaki algebra of scalars. This algebra has the constant function 1 as the multiplicative identity, and is a differentiable analog of the ring of muntazam funktsiyalar algebraik geometriyada.

It is possible to reconstruct a manifold from its algebra of scalars, first as a set, but also as a topological space – this is an application of the Banax-Tosh teoremasi, and is more formally known as the C * algebra spektri. First, there is a one-to-one correspondence between the points of M and the algebra homomorphisms φ: C^k(M) → R, as such a homomorphism φ corresponds to a codimension one ideal in C^k(M) (namely the kernel of φ), which is necessarily a maximal ideal. On the converse, every maximal ideal in this algebra is an ideal of functions vanishing at a single point, which demonstrates that MSpec (the Max Spec) of C^k(M) recovers M as a point set, though in fact it recovers M as a topological space.

One can define various geometric structures algebraically in terms of the algebra of scalars, and these definitions often generalize to algebraic geometry (interpreting rings geometrically) and operator nazariyasi (interpreting Banach spaces geometrically). For example, the tangent bundle to M can be defined as the derivations of the algebra of smooth functions on M.

This "algebraization" of a manifold (replacing a geometric object with an algebra) leads to the notion of a C * - algebra – a commutative C*-algebra being precisely the ring of scalars of a manifold, by Banach–Stone, and allows one to consider bo'lmagancommutative C*-algebras as non-commutative generalizations of manifolds. This is the basis of the field of noaniq geometriya.

Ushbu bo'lim kengayishga muhtoj. Siz yordam berishingiz mumkin unga qo'shilish. (2008 yil iyun)

Shuningdek qarang

Izohlar

Adabiyotlar

Bibliografiya