stringtranslate.com

Теорема униформизации

В математике теорема об униформизации утверждает, что каждая односвязная риманова поверхность конформно эквивалентна одной из трех римановых поверхностей: открытому единичному кругу , комплексной плоскости или сфере Римана . Теорема является обобщением теоремы об отображении Римана с односвязных открытых подмножеств плоскости на произвольные односвязные римановы поверхности.

Поскольку каждая риманова поверхность имеет универсальное покрытие , которое является односвязной римановой поверхностью, теорема об униформизации приводит к классификации римановых поверхностей на три типа: те, которые имеют сферу Римана в качестве универсального покрытия («эллиптические»), те, которые имеют плоскость в качестве универсального покрытия («параболические») и те, которые имеют единичный круг в качестве универсального покрытия («гиперболические»). Далее следует, что каждая риманова поверхность допускает риманову метрику постоянной кривизны , где кривизну можно принять равной 1 в эллиптическом, 0 в параболическом и -1 в гиперболическом случае.

Теорема об униформизации также дает похожую классификацию замкнутых ориентируемых римановых 2-многообразий в эллиптических/параболических/гиперболических случаях. Каждое такое многообразие имеет конформно эквивалентную риманову метрику с постоянной кривизной, где кривизна может быть принята равной 1 в эллиптическом, 0 в параболическом и -1 в гиперболическом случае.

История

Феликс Клейн  (1883) и Анри Пуанкаре  (1882) выдвинули гипотезу о теореме униформизации для (римановых поверхностей) алгебраических кривых. Анри Пуанкаре (1883) распространил ее на произвольные многозначные аналитические функции и привел неформальные аргументы в ее пользу. Первые строгие доказательства общей теоремы униформизации были даны Пуанкаре  (1907) и Полем Кёбе  (1907a, 1907b, 1907c). Позднее Пол Кёбе дал еще несколько доказательств и обобщений. История описана в Gray (1994); полный отчет об униформизации вплоть до статей Кёбе и Пуанкаре 1907 года дан с подробными доказательствами в de Saint-Gervais (2016) ( псевдоним типа Бурбаки группы из пятнадцати математиков, которые совместно подготовили эту публикацию).

Классификация связных римановых поверхностей

Каждая риманова поверхность является фактором свободного, собственного и голоморфного действия дискретной группы на ее универсальном накрытии, и это универсальное накрытие, будучи односвязной римановой поверхностью, голоморфно изоморфно (также говорят: «конформно эквивалентно» или «биголоморфно») одному из следующих:

  1. сфера Римана
  2. комплексная плоскость
  3. единичный круг в комплексной плоскости.

Для компактных римановых поверхностей, поверхности с универсальным покрытием единичного круга — это в точности гиперболические поверхности рода больше 1, все с неабелевой фундаментальной группой; поверхности с универсальным покрытием комплексной плоскости — это римановы поверхности рода 1, а именно комплексные торы или эллиптические кривые с фундаментальной группой Z2 ; а поверхности с универсальным покрытием сферы Римана это поверхности рода нуль, а именно сама сфера Римана, с тривиальной фундаментальной группой.

Классификация замкнутых ориентированных римановых 2-многообразий

На ориентированном 2-многообразии риманова метрика индуцирует сложную структуру, используя переход к изотермическим координатам . Если риманова метрика задана локально как

тогда в комплексной координате z = x + i y она принимает вид

где

так что λ и μ являются гладкими с λ > 0 и | μ | < 1. В изотермических координатах ( u , v ) метрика должна иметь вид

с ρ > 0 гладкий. Комплексная координата w = u + i v удовлетворяет

так что координаты ( u , v ) будут изотермическими локально при условии выполнения уравнения Бельтрами

имеет локально диффеоморфное решение, т.е. решение с ненулевым якобианом.

Эти условия можно эквивалентно сформулировать в терминах внешней производной и оператора звезды Ходжа . [1] u и v будут изотермическими координатами, если du = dv , где определяется на дифференциалах как ∗( p dx + q dy ) = − q dx + p dy . Пусть ∆ = ∗ dd — оператор Лапласа–Бельтрами . Согласно стандартной эллиптической теории u можно выбрать гармоническим вблизи заданной точки, т. е. Δ u = 0 , при этом du не обращается в нуль. По лемме Пуанкаре dv = ∗ du имеет локальное решение v точно тогда, когда d (∗ du ) = 0 . Это условие эквивалентно Δ u = 0 , поэтому всегда может быть решено локально. Поскольку du не равен нулю, а квадрат оператора звезды Ходжа равен −1 на 1-формах, du и dv должны быть линейно независимы, так что u и v задают локальные изотермические координаты.

Существование изотермических координат можно доказать другими методами, например, с использованием общей теории уравнения Бельтрами , как в работе Альфорса (2006), или прямыми элементарными методами, как в работах Черна (1955) и Йоста (2006).

Из этого соответствия с компактными римановыми поверхностями следует классификация замкнутых ориентируемых римановых 2-многообразий. Каждое такое многообразие конформно эквивалентно единственному замкнутому 2-многообразию постоянной кривизны , поэтому фактор одного из следующих по свободному действию дискретной подгруппы группы изометрий :

  1. сфера ( кривизна +1)
  2. Евклидова плоскость (кривизна 0)
  3. гиперболическая плоскость (кривизна −1).

Первый случай дает 2-сферу, единственное 2-многообразие с постоянной положительной кривизной и, следовательно, положительной эйлеровой характеристикой (равной 2). Второй случай дает все плоские 2-многообразия, т. е. торы , которые имеют эйлерову характеристику 0. Третий случай охватывает все 2-многообразия постоянной отрицательной кривизны, т. е. гиперболические 2-многообразия, все из которых имеют отрицательную эйлерову характеристику. Классификация согласуется с теоремой Гаусса–Бонне , которая подразумевает, что для замкнутой поверхности с постоянной кривизной знак этой кривизны должен совпадать со знаком эйлеровой характеристики. Эйлерова характеристика равна 2 – 2 g , где g — род 2-многообразия, т. е. число «дырок».

Методы доказательства

Многие классические доказательства теоремы об униформизации опираются на построение действительной гармонической функции на односвязной римановой поверхности, возможно, с особенностью в одной или двух точках и часто соответствующей форме функции Грина . Широко используются четыре метода построения гармонической функции: метод Перрона ; альтернирующий метод Шварца ; принцип Дирихле ; и метод ортогональной проекции Вейля . В контексте замкнутых римановых 2-многообразий несколько современных доказательств привлекают нелинейные дифференциальные уравнения на пространстве конформно эквивалентных метрик. К ним относятся уравнение Бельтрами из теории Тейхмюллера и эквивалентная формулировка в терминах гармонических отображений ; уравнение Лиувилля , уже изученное Пуанкаре; и поток Риччи вместе с другими нелинейными потоками.

Теорема Радо показывает, что каждая риманова поверхность автоматически является вторично-счетной . Хотя теорема Радо часто используется в доказательствах теоремы униформизации, некоторые доказательства были сформулированы так, что теорема Радо становится следствием. Вторичная счетность является автоматической для компактных римановых поверхностей.

Методы Гильбертова пространства

В 1913 году Герман Вейль опубликовал свой классический учебник «Die Idee der Riemannschen Fläche», основанный на его лекциях в Геттингене с 1911 по 1912 год. Это была первая книга, в которой теория римановых поверхностей была представлена ​​в современном контексте, и на протяжении трех ее изданий она оставалась влиятельной. Посвященное Феликсу Клейну , первое издание включало трактовку Гильбертом задачи Дирихле с использованием методов гильбертова пространства ; вклад Брауэра в топологию; и доказательство Кёбе теоремы униформизации и ее последующие улучшения. Гораздо позже Вейль (1940) разработал свой метод ортогональной проекции, который дал рационализированный подход к задаче Дирихле, также основанный на гильбертовом пространстве; эта теория, которая включала лемму Вейля об эллиптической регулярности , была связана с теорией гармонических интегралов Ходжа ; и обе теории были включены в современную теорию эллиптических операторов и L 2 пространств Соболева . В третьем издании своей книги от 1955 года, переведенной на английский язык в Weyl (1964), Вейль принял современное определение дифференциального многообразия, предпочтя его триангуляциям , но решил не использовать свой метод ортогональной проекции. Springer (1957) последовал описанию Вейлем теоремы об униформизации, но использовал метод ортогональной проекции для решения задачи Дирихле. Kodaira (2007) описывает подход в книге Вейля, а также то, как сократить его с помощью метода ортогональной проекции. Соответствующее описание можно найти в Donaldson (2011).

Нелинейные потоки

Ричард С. Гамильтон показал, что нормализованный поток Риччи на замкнутой поверхности униформизирует метрику (т. е. поток сходится к метрике постоянной кривизны). Однако его доказательство опиралось на теорему об униформизации. Недостающий шаг включал поток Риччи на 2-сфере: метод, позволяющий избежать апелляции к теореме об униформизации (для рода 0), был предоставлен Ченом, Лу и Тянем (2006); [2] краткое автономное описание потока Риччи на 2-сфере было дано в работе Эндрюса и Брайана (2010).

Обобщения

Кёбе доказал общую теорему об униформизации , согласно которой если риманова поверхность гомеоморфна открытому подмножеству комплексной сферы (или, что эквивалентно, если каждая жорданова кривая разделяет ее), то она конформно эквивалентна открытому подмножеству комплексной сферы.

В 3 измерениях существует 8 геометрий, называемых восемью геометриями Терстона . Не каждое 3-многообразие допускает геометрию, но гипотеза геометризации Терстона, доказанная Григорием Перельманом, утверждает, что каждое 3-многообразие можно разрезать на геометризуемые части.

Теорема Липмана - Берса об одновременной униформизации показывает, что можно одновременно униформизировать две компактные римановы поверхности одного и того же рода >1 с одной и той же квазифуксовой группой .

Теорема об измеримом отображении Римана показывает в более общем смысле, что отображение на открытое подмножество комплексной сферы в теореме об униформизации может быть выбрано как квазиконформное отображение с любым заданным ограниченным измеримым коэффициентом Бельтрами.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ДеТурк и Каздан 1981; Тейлор 1996a, стр. 377–378.
  2. ^ Брендл 2010

Ссылки

Исторические справки

Исторические обзоры

Гармонические функции

Метод Перрона

Альтернативный метод Шварца

принцип Дирихле

Метод ортогональной проекции Вейля

Операторы Сарио

Нелинейные дифференциальные уравнения

Уравнение Бельтрами

Гармонические карты

Уравнение Лиувилля

Потоки в римановых метриках

Общие ссылки

Внешние ссылки