Симплектические многообразия возникают из классической механики ; в частности, они являются обобщением фазового пространства замкнутой системы. [1] Точно так же, как уравнения Гамильтона позволяют вывести временную эволюцию системы из набора дифференциальных уравнений , симплектическая форма должна позволять получить векторное поле, описывающее поток системы из дифференциала гамильтоновой функции . [2] Поэтому нам требуется линейное отображение из касательного многообразия в кокасательное многообразие или, что эквивалентно, элемент из . Обозначив сечение , требование невырожденности гарантирует, что для каждого дифференциала существует уникальное соответствующее векторное поле такое, что . Поскольку требуется, чтобы гамильтониан был постоянным вдоль линий потока, следует иметь , что подразумевает, что является знакопеременным и, следовательно, 2-формой. Наконец, предъявляется требование, что не должно меняться под линиями потока, т. е. что производная Ли вдоль равна нулю. Применяя формулу Картана , это равносильно (здесь представлено внутреннее произведение ):
так что, повторяя это рассуждение для различных гладких функций, таких, что соответствующее охватывает касательное пространство в каждой точке, к которой применяется рассуждение, мы видим, что требование равенства нулю производной Ли вдоль потоков, соответствующих произвольной гладкости, эквивалентно требованию замкнутости ω .
Определение
Симплектическая форма на гладком многообразии является замкнутой невырожденной дифференциальной 2-формой . [3] [4] Здесь невырожденность означает, что для каждой точки кососимметричное спаривание на касательном пространстве, определяемое с помощью , является невырожденным. То есть, если существует такое , что для всех , то . Поскольку в нечетных размерностях кососимметричные матрицы всегда являются сингулярными, требование невырожденности подразумевает, что имеет четную размерность. [3] [4] Замкнутость означает, что внешняя производная обращается в нуль. Симплектическое многообразие является парой , где является гладким многообразием, а является симплектической формой. Назначение симплектической формы называется заданием симплектической структуры .
Примеры
Симплектические векторные пространства
Пусть будет базисом для Определим нашу симплектическую форму ω на этой основе следующим образом:
Пусть — гладкое многообразие размерности . Тогда полное пространство кокасательного расслоения имеет естественную симплектическую форму, называемую двумерной формой Пуанкаре или канонической симплектической формой
Здесь все локальные координаты на и являются послойными координатами относительно котангенсивных векторов . Котангенсивные расслоения являются естественными фазовыми пространствами классической механики. Смысл различения верхних и нижних индексов обусловлен случаем многообразия, имеющего метрический тензор , как в случае римановых многообразий . Верхние и нижние индексы преобразуются контра и ковариантно при смене систем координат. Фраза «распушить координаты относительно котангенсивных векторов» призвана передать, что импульсы « спаяны » со скоростями . Спаяние является выражением идеи о том, что скорость и импульс коллинеарны, в том смысле, что обе движутся в одном направлении и отличаются масштабным коэффициентом.
Существует несколько естественных геометрических понятий подмногообразия симплектического многообразия :
Симплектические подмногообразия ( потенциально любой четной размерности) — это подмногообразия такие, что — симплектическая форма на .
Изотропные подмногообразия — это подмногообразия, где симплектическая форма ограничивается нулем, т. е. каждое касательное пространство является изотропным подпространством касательного пространства окружающего многообразия. Аналогично, если каждое касательное подпространство к подмногообразию является коизотропным (двойственным изотропному подпространству), подмногообразие называется коизотропным .
Лагранжевы подмногообразия симплектического многообразия — это подмногообразия, в которых ограничение симплектической формы на равно нулю, т.е. и . Лагранжевы подмногообразия — это максимальные изотропные подмногообразия.
Одним из основных примеров является то, что график симплектоморфизма в симплектическом многообразии произведения ( M × M , ω × − ω ) является лагранжевым. Их пересечения демонстрируют свойства жесткости, которыми не обладают гладкие многообразия; гипотеза Арнольда дает сумму чисел Бетти подмногообразия в качестве нижней границы для числа самопересечений гладкого лагранжева подмногообразия, а не эйлерову характеристику в гладком случае.
Примеры
Пусть глобальные координаты обозначены . Тогда мы можем оснастить канонической симплектической формой
Существует стандартное лагранжево подмногообразие, заданное . Форма исчезает на , поскольку для любой пары касательных векторов мы имеем, что Для пояснения рассмотрим случай . Тогда и . Обратите внимание, что когда мы расширяем это
у обоих членов есть множитель, который по определению равен 0.
Пример: котангенсное расслоение
Кокасательное расслоение многообразия локально моделируется на пространстве, подобном первому примеру. Можно показать, что мы можем склеить эти аффинные симплектические формы, следовательно, это расслоение образует симплектическое многообразие. Менее тривиальным примером лагранжева подмногообразия является нулевое сечение кокасательного расслоения многообразия. Например, пусть
Тогда мы можем представить как
где мы рассматриваем символы как координаты . Мы можем рассмотреть подмножество, где координаты и , что дает нам нулевое сечение. Этот пример можно повторить для любого многообразия, определяемого исчезающим локусом гладких функций и их дифференциалов .
Пример: Параметрическое подмногообразие
Рассмотрим каноническое пространство с координатами . Параметрическое подмногообразие — это такое, которое параметризовано координатами такими, что
Это многообразие является лагранжевым подмногообразием, если скобка Лагранжа обращается в нуль для всех . То есть, оно является лагранжевым, если
для всех . Это можно увидеть, развернув
в условии для лагранжева подмногообразия . Это то, что симплектическая форма должна исчезать на касательном многообразии ; то есть она должна исчезать для всех касательных векторов:
для всех . Упростим результат, используя каноническую симплектическую форму на :
и все остальные исчезают.
Поскольку локальные карты на симплектическом многообразии принимают каноническую форму, этот пример предполагает, что лагранжевы подмногообразия относительно не ограничены. Классификация симплектических многообразий выполняется с помощью гомологии Флоера — это приложение теории Морса к функционалу действия для отображений между лагранжевыми подмногообразиями. В физике действие описывает временную эволюцию физической системы; здесь его можно рассматривать как описание динамики бран.
Пример: теория Морзе
Другой полезный класс лагранжевых подмногообразий встречается в теории Морса . Если задана функция Морса и для достаточно малого можно построить лагранжево подмногообразие, заданное локусом исчезновения . Для общей функции Морса мы имеем лагранжево пересечение, заданное .
Специальные лагранжевы подмногообразия
В случае кэлеровых многообразий (или многообразий Калаби–Яу ) мы можем сделать выбор на как голоморфную n-форму, где — действительная часть, а мнимая. Лагранжево подмногообразие называется специальным , если в дополнение к указанному выше условию Лагранжа ограничение на равно нулю. Другими словами, действительная часть, ограниченная на , приводит к форме объема на . Следующие примеры известны как специальные лагранжевы подмногообразия,
неподвижные точки действительной структуры многообразий Калаби–Яу.
Гипотеза SYZ касается изучения специальных лагранжевых подмногообразий в зеркальной симметрии ; см. (Hitchin 1999).
Гипотеза Томаса–Яу предсказывает, что существование специального лагранжева подмногообразия на многообразиях Калаби–Яу в гамильтоновых изотопических классах лагранжианов эквивалентно устойчивости относительно условия устойчивости на категории Фукая многообразия.
Лагранжево расслоение
Лагранжево расслоение симплектического многообразия M — это расслоение , в котором все слои являются лагранжевыми подмногообразиями. Поскольку M четномерно, мы можем взять локальные координаты ( p 1 ,..., p n , q 1 ,..., q n ), и по теореме Дарбу симплектическая форма ω может быть, по крайней мере локально, записана как ω = ∑ d p k ∧ d q k , где d обозначает внешнюю производную , а ∧ обозначает внешнее произведение . Эта форма называется двумерной формой Пуанкаре или канонической двумерной формой. Используя эту настройку, мы можем локально думать о M как о кокасательном расслоении , а о лагранжевом расслоении как о тривиальном расслоении. Это каноническая картина.
Лагранжево отображение
Пусть L — лагранжево подмногообразие симплектического многообразия ( K ,ω), заданное погружением i : L ↪ K ( i называется лагранжевым погружением ). Пусть π : K ↠ B задаёт лагранжево расслоение K . Композиция ( π ∘ i ) : L ↪ K ↠ B является лагранжевым отображением . Множество критических значений π ∘ i называется каустикой .
Два лагранжевых отображения ( π 1 ∘ i 1 ) : L 1 ↪ K 1 ↠ B 1 и ( π 2 ∘ i 2 ) : L 2 ↪ K 2 ↠ B 2 называются лагранжево эквивалентными , если существуют диффеоморфизмы σ , τ и ν такие, что обе стороны диаграммы, заданной справа, коммутируют , а τ сохраняет симплектическую форму. [4] Символически:
Симплектическое многообразие является точным, если симплектическая форма является точной . Например, кокасательное расслоение гладкого многообразия является точным симплектическим многообразием. Каноническая симплектическая форма является точной.
Мультисимплектическое многообразие степени k — это многообразие, снабженное замкнутой невырожденной k -формой. [5]
Полисимплектическое многообразие — это расслоение Лежандра, снабженное полисимплектической касательнозначной -формой; оно используется в гамильтоновой теории поля . [6]
Почти симплектическое многообразие – дифференцируемое многообразие, снабженное невырожденной (но не обязательно замкнутой) 2-формойPages displaying wikidata descriptions as a fallback
Контактное многообразие — раздел геометрии Pages displaying short descriptions of redirect targets— нечетномерный аналог симплектического многообразия.
Ковариантная гамильтонова теория поля – Формализм в классической теории поля, основанный на гамильтоновой механикеPages displaying short descriptions of redirect targets
Многообразие Федосова – симплектическое многообразие, снабженное связностью без крученияPages displaying wikidata descriptions as a fallback
Тавтологическая одна форма – каноническая дифференциальная форма, определенная на кокасательном расслоении гладкого многообразияPages displaying wikidata descriptions as a fallback
^ Cantrijn, F.; Ibort, LA; de León, M. (1999). «О геометрии мультисимплектических многообразий». J. Austral. Math. Soc . Ser. A. 66 (3): 303–330. doi : 10.1017/S1446788700036636 .
^ Giachetta, G.; Mangiarotti, L.; Sardanashvily, G. (1999). «Ковариантные гамильтоновы уравнения для теории поля». Journal of Physics . A32 (38): 6629–6642. arXiv : hep-th/9904062 . Bibcode : 1999JPhA...32.6629G. doi : 10.1088/0305-4470/32/38/302. S2CID 204899025.
Общие и цитируемые ссылки
Макдафф, Дьюса ; Саламон, Д. (1998). Введение в симплектическую топологию . Oxford Mathematical Monographs. ISBN 0-19-850451-9.
Алан Вайнштейн (1971). «Симплектические многообразия и их лагранжевы подмногообразия». Успехи в математике . 6 (3): 329–46. doi : 10.1016/0001-8708(71)90020-X .
Арнольд, VI (1990). "Гл. 1, Симплектическая геометрия". Особенности каустик и волновых фронтов. Математика и ее приложения. Т. 62. Дордрехт: Springer Netherlands. doi :10.1007/978-94-011-3330-2. ISBN 978-1-4020-0333-2. OCLC 22509804.
Дальнейшее чтение
Дунин-Барковский, Петр (2022). «Симплектическая двойственность для топологической рекурсии». arXiv : 2206.14792 [math-ph].
"Как найти лагранжевы подмногообразия". Stack Exchange . 17 декабря 2014 г.