stringtranslate.com

Лемма Пуанкаре

В математике лемма Пуанкаре дает достаточное условие для того, чтобы замкнутая дифференциальная форма была точной (в то время как точная форма обязательно замкнута). А именно, она утверждает, что каждая замкнутая p -форма на открытом шаре в R n точна для p с 1 ≤ pn . [1] Лемма была введена Анри Пуанкаре в 1886 году. [2] [3]

Особенно в исчислении , лемма Пуанкаре также утверждает, что каждая замкнутая 1-форма на односвязном открытом подмножестве в является точной.

На языке когомологий лемма Пуанкаре утверждает, что kгруппа когомологий де Рама стягиваемого открытого подмножества многообразия M (например, ) обращается в нуль для . В частности, это означает, что комплекс де Рама даёт разрешение постоянного пучка на M . Сингулярные когомологии стягиваемого пространства обращаются в нуль в положительной степени, но лемма Пуанкаре из этого не следует , поскольку тот факт, что сингулярные когомологии многообразия могут быть вычислены как его когомологии де Рама, то есть теорема де Рама , опирается на лемму Пуанкаре. Однако это означает, что достаточно доказать лемму Пуанкаре для открытых шаров; версия для стягиваемых многообразий затем следует из топологического рассмотрения.

Лемма Пуанкаре также является частным случаем гомотопической инвариантности когомологий де Рама ; на самом деле, лемму обычно устанавливают, показывая гомотопическую инвариантность или, по крайней мере, ее версию.

Доказательства

Стандартное доказательство леммы Пуанкаре использует формулу гомотопической инвариантности (см. доказательства ниже, а также Интеграция по волокнам#Пример ). [4] [5] [6] [7] Локальная форма оператора гомотопии описана в Edelen (2005), а связь леммы с формой Маурера-Картана объяснена в Sharpe (1997). [8] [9]

Прямое доказательство

Лемму Пуанкаре можно доказать посредством интегрирования по волокнам . [10] [11] (Этот подход является простым обобщением построения примитивной функции посредством интегрирования в исчислении.)

Мы докажем лемму для открытого подмножества , которое имеет форму звезды или конуса над ; т. е. если находится в , то находится в для . Этот случай, в частности, охватывает случай открытого шара, поскольку открытый шар можно считать центрированным в начале координат без потери общности.

Хитрость заключается в том, чтобы рассмотреть дифференциальные формы на (мы используем для координаты на ). Сначала определим оператор (называемый интегрированием по волокнам ) для k -форм на с помощью

где , и аналогично для и . Теперь для , поскольку , используя дифференцирование под знаком интеграла , имеем:

где обозначают ограничения на гиперплоскости и они равны нулю, поскольку там равен нулю. Если , то аналогичное вычисление дает

.

Таким образом, приведенная выше формула справедлива для любой -формы на . Наконец, пусть и затем положим . Тогда, с обозначением , получаем: для любой -формы на ,

формула, известная как формула гомотопии. Оператор называется оператором гомотопии (также называется цепной гомотопией ). Теперь, если замкнуто, . С другой стороны, и . Следовательно,

что доказывает лемму Пуанкаре.

Это же доказательство фактически показывает лемму Пуанкаре для любого стягиваемого открытого подмножества U многообразия. Действительно, при заданном таком U мы имеем гомотопию с тождеством и точкой. Аппроксимируя такое , мы можем предположить, что на самом деле является гладким. Интеграция по слоям также определена для . Следовательно, тот же аргумент проходит.

Доказательство с использованием производных Ли

Магическая формула Картана для производных Ли может быть использована для краткого доказательства леммы Пуанкаре. Формула утверждает, что производная Ли вдоль векторного поля задается как: [12]

где обозначает внутреннее произведение ; т.е. .

Пусть будет гладким семейством гладких отображений для некоторого открытого подмножества U из , таким, что определено для t в некотором замкнутом интервале I и является диффеоморфизмом для t внутри I . Пусть обозначают касательные векторы к кривой ; т.е. . Для фиксированного t внутри I , пусть . Тогда . Таким образом, по определению производной Ли,

.

То есть,

Предположим . Тогда, интегрируя обе части вышеприведенного уравнения, а затем используя формулу Картана и дифференцирование под знаком интеграла , получаем: для ,

где интегрирование означает интегрирование каждого коэффициента в дифференциальной форме. Полагая , тогда имеем:

с обозначением

Теперь предположим, что есть открытый шар с центром ; тогда мы можем взять . Тогда приведенная выше формула становится:

,

что доказывает лемму Пуанкаре, когда замкнуто.

Доказательство в двумерном случае

В двух измерениях лемма Пуанкаре может быть доказана непосредственно для замкнутых 1-форм и 2-форм следующим образом. [13]

Если ω = p dx + q dy — замкнутая 1-форма на ( a , b ) × ( c , d ) , то p y = q x . Если ω = df , то p = f x и q = f y . Положим

так что g x = p . Тогда h = fg должно удовлетворять h x = 0 и h y = qg y . Правая часть здесь не зависит от x , поскольку ее частная производная по x равна 0. Так что

и, следовательно,

Аналогично, если Ω = r dxdy, то Ω = d ( a dx + b dy ) с b xa y = r . Таким образом, решение дается как a = 0 и

Импликация для когомологий де Рама

По определению k -я группа когомологий де Рама открытого подмножества U многообразия M определяется как фактор-векторное пространство

Следовательно, вывод леммы Пуанкаре именно такой для . Теперь дифференциальные формы определяют коцепной комплекс, называемый комплексом де Рама:

где n = размерность M и обозначает пучок дифференциальных k -форм; т. е. состоит из k -форм на U для каждого открытого подмножества U из M. Затем это приводит к комплексу (расширенному комплексу)

где — постоянный пучок со значениями в ; т. е. это пучок локально постоянных вещественных функций и включение.

Ядро равно , поскольку гладкие функции с нулевыми производными локально постоянны. Кроме того, последовательность пучков точна тогда и только тогда, когда она такова локально. Таким образом, лемма Пуанкаре утверждает, что остальная часть последовательности также точна (поскольку многообразие локально диффеоморфно открытому подмножеству , а затем каждая точка имеет открытый шар в качестве окрестности). На языке гомологической алгебры это означает, что комплекс де Рама определяет разрешение постоянного пучка . Это затем влечет теорему де Рама ; т. е. когомологии де Рама многообразия совпадают с его сингулярными когомологиями (короче говоря, потому что сингулярные когомологии можно рассматривать как когомологии пучка.)

Зная теорему де Рама, заключение леммы Пуанкаре может быть получено чисто топологически. Например, оно подразумевает версию леммы Пуанкаре для стягиваемых или односвязных открытых множеств (см. § Односвязный случай).

Просто связанный случай

Особенно в исчислении , лемма Пуанкаре формулируется для односвязного открытого подмножества . В этом случае лемма утверждает, что каждая замкнутая 1-форма на U точна. Эту версию можно увидеть с помощью алгебраической топологии следующим образом. Рациональная теорема Гуревича (или, скорее, ее вещественный аналог) утверждает, что поскольку U односвязно. Поскольку является полем, k -я когомология является двойственным векторным пространством k -й гомологии . В частности, По теореме де Рама (которая следует из леммы Пуанкаре для открытых шаров), совпадает с первой группой когомологий де Рама (см. § Следствие для когомологий де Рама). Следовательно, каждая замкнутая 1-форма на U точна.

Лемма Пуанкаре с компактным носителем

Существует версия леммы Пуанкаре для компактных дифференциальных форм: [14]

Лемма  —  Если — замкнутая -форма с компактным носителем на и если , то существует -форма с компактным носителем на такая, что .

Обратный ход вдоль правильного отображения сохраняет компактные опоры; таким образом, применяется то же доказательство, что и обычное. [15]

Аналог сложной геометрии

На комплексных многообразиях использование операторов Дольбо и для комплексных дифференциальных форм , которые уточняют внешнюю производную по формуле , приводит к понятию -замкнутых и -точных дифференциальных форм. Результат локальной точности для таких замкнутых форм известен как лемма Дольбо–Гротендика (или -лемма Пуанкаре); см. § О полиномиальных дифференциальных формах. Важно отметить, что геометрия области, на которой -замкнутая дифференциальная форма является -точной, более ограничена, чем для леммы Пуанкаре, поскольку доказательство леммы Дольбо–Гротендика справедливо для полидиска (произведения дисков в комплексной плоскости, на котором может быть применена многомерная интегральная формула Коши ) и существуют контрпримеры к лемме даже для стягиваемых областей. [Примечание 1] -лемма Пуанкаре справедлива в более общем виде для псевдовыпуклых областей . [16]

Используя как лемму Пуанкаре, так и лемму -Пуанкаре, можно доказать уточненную локальную лемму -Пуанкаре , которая справедлива в областях, на которых применимы обе вышеупомянутые леммы. Эта лемма утверждает, что -замкнутые комплексные дифференциальные формы на самом деле локально -точны (а не просто или -точны, как следует из приведенных выше лемм).

Относительная лемма Пуанкаре

Относительная лемма Пуанкаре обобщает лемму Пуанкаре с точки на подмногообразие (или некоторое более общее локально замкнутое подмножество ). Она гласит: пусть V — подмногообразие многообразия M , а U — трубчатая окрестность V . Если — замкнутая k -форма на U , k ≥ 1 , которая обращается в нуль на V , то существует ( k -1)-форма на U такая, что и обращается в нуль на V . [17]

Относительная лемма Пуанкаре может быть доказана тем же способом, что и исходная лемма Пуанкаре. Действительно, поскольку U — трубчатая окрестность, существует гладкий сильный деформационный ретракт из U в V ; т. е. существует гладкая гомотопия из проекции в тождество, такое что — тождество на V . Тогда мы имеем формулу гомотопии на U :

где — гомотопический оператор, заданный либо производными Ли , либо интегрированием по волокнам . Теперь, и поэтому . Поскольку и , получаем ; возьмем . То, что обращается в нуль на V , следует из определения J и факта . (Таким образом, доказательство фактически проходит, если U не является трубчатой ​​окрестностью, но если U деформационно втягивается в V с гомотопией относительно V .)

О полиномиальных дифференциальных формах

В нулевой характеристике для полиномиальных дифференциальных форм справедлива следующая лемма Пуанкаре . [18]

Пусть k — поле нулевой характеристики, кольцо многочленов и векторное пространство с базисом, записанным как . Тогда пусть — p -я внешняя степень над . Тогда последовательность векторных пространств

является точным, где дифференциал определяется обычным способом; т.е. линейность и

Эта версия леммы рассматривается с помощью аргумента, похожего на исчисление. Сначала отметим, что , очевидно. Таким образом, нам нужно проверить точность только в . Пусть будет -формой. Тогда мы запишем

где ' не содержат . Определим интеграл в по линейности и

что хорошо определено предположением char zero. Тогда пусть

где интегрирование применяется к каждому коэффициенту в . Очевидно, что фундаментальная теорема исчисления справедлива в нашей формальной постановке, и поэтому мы получаем:

где не включает . Следовательно, не включает . Заменив на , мы можем предположить, что не включает . Из предположения легко следует, что каждый коэффициент в независим от ; т. е. является полиномиальной дифференциальной формой от переменных . Следовательно, мы закончили по индукции.

Замечание: При том же доказательстве те же результаты справедливы, когда есть кольцо формальных степенных рядов или кольцо ростков голоморфных функций . [19] Соответствующим образом модифицированное доказательство также показывает лемму Пуанкаре; а именно, использование основной теоремы исчисления заменяется интегральной формулой Коши . [20]

О сингулярных пространствах

Лемма Пуанкаре обычно неверна для сингулярных пространств. Например, если рассматривать алгебраические дифференциальные формы на комплексном алгебраическом многообразии (в топологии Зарисского), лемма неверна для этих дифференциальных форм. [21] Один из способов решения этой проблемы — использовать формальные формы , и полученные алгебраические когомологии де Рама могут вычислить сингулярную когомологию. [22]

Однако варианты леммы, вероятно, все еще справедливы для некоторых сингулярных пространств (точная формулировка и доказательство зависят от определений таких пространств и негладких дифференциальных форм на них). Например, Концевич и Сойбельман утверждают, что лемма справедлива для определенных вариантов различных форм (называемых PA-формами) на их кусочно-алгебраических пространствах . [23]

Гомотопическая инвариантность не выполняется для когомологий пересечения ; в частности, лемма Пуанкаре не выполняется для таких когомологий.

Сноска

  1. ^ Контрпримеры для стягиваемых областей, имеющих неисчезающие первые когомологии Дольбо, см. в посте https://mathoverflow.net/a/59554.

Примечания

  1. Уорнер 1983, стр. 155–156.
  2. ^ Силиберто, Чиро (2013). «Анри Пуанкаре и алгебраическая геометрия». Буква Математика . 1 (1–2): 23–31. дои : 10.1007/s40329-013-0003-3 . S2CID  122614329.
  3. ^ Пуанкаре, Х. (1886). «Sur les Résidus des Integrales Double». Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences . 102 : 202–204.
  4. ^ Ли (2012), Ту (2011) и Ботт и Ту (1982).
  5. ^ Ли, Джон М. (2012). Введение в гладкие многообразия (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-1-4419-9982-5. OCLC  808682771.
  6. ^ Ту, Лоринг В. (2011). Введение в многообразия (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-1-4419-7400-6. OCLC  682907530.
  7. ^ Ботт, Рауль; Ту, Лоринг В. (1982). Дифференциальные формы в алгебраической топологии. Graduate Texts in Mathematics. Том 82. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer New York. doi :10.1007/978-1-4757-3951-0. ISBN 978-1-4419-2815-3.
  8. ^ Эделен, Доминик ГБ (2005). Прикладное внешнее исчисление (ред.). Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 0-486-43871-6. OCLC  56347718.
  9. ^ Шарп, Р. В. (1997). Дифференциальная геометрия: обобщение Картаном программы Клейна в Эрлангене. Нью-Йорк: Springer. ISBN 0-387-94732-9. OCLC  34356972.
  10. ^ Конлон 2001, § 8.3.
  11. ^ https://www.math.brown.edu/reschwar/M114/notes7.pdf
  12. Уорнер 1983, стр. 69–72.
  13. ^ Напье и Рамачандран 2011, стр. 443–444
  14. ^ Конлон 2001, Следствие 8.3.17.
  15. ^ Конлон 2001, Упражнение 8.3.19.
  16. ^ Aeppli, A. (1965). «О структуре когомологий многообразий Штейна». Труды конференции по комплексному анализу . С. 58–70. doi :10.1007/978-3-642-48016-4_7. ISBN 978-3-642-48018-8.
  17. ^ Domitrz, W.; Janeczko, S.; Zhitomirskii, M. (2004). "Относительная лемма Пуанкаре, стягиваемость, квазиоднородность и векторные поля, касающиеся особого многообразия § 2. Относительная лемма Пуанкаре и стягиваемость". Illinois Journal of Mathematics . 48 (3). doi : 10.1215/IJM/1258131054 . S2CID  51762845.
  18. ^ Хартсхорн 1975, Гл. II., Предложение 7.1.
  19. ^ Хартсхорн 1975, Гл. II., Замечание после предложения 7.1.
  20. Теорема 2.3.3. в Hörmander, Lars (1990) [1966], Введение в комплексный анализ нескольких переменных (3-е изд.), Северная Голландия, ISBN 978-1-493-30273-4
  21. ^ Иллюзия 2012, § 1.
  22. ^ Хартсхорн 1975, Гл. IV., Теорема 1.1.
  23. ^ Концевич, Максим; Сойбельман, Ян (2000). «Деформации алгебр над операдами и гипотеза Делиня». Conférence Moshé Flato 1999: Quantization, Deformations, and Symmetries I. pp. 255–307. arXiv : math/0001151 . ISBN 9780792365402.

Ссылки

Дальнейшее чтение