stringtranslate.com

Симплектическое многообразие

В дифференциальной геометрии , предмете математики , симплектическое многообразие — это гладкое многообразие , снабженное замкнутой невырожденной дифференциальной 2-формой , называемой симплектической формой. Изучение симплектических многообразий называется симплектической геометрией или симплектической топологией . Симплектические многообразия естественным образом возникают в абстрактных формулировках классической механики и аналитической механики как кокасательные расслоения многообразий. Например, в гамильтоновой формулировке классической механики, которая обеспечивает одну из основных мотиваций для этой области, набор всех возможных конфигураций системы моделируется как многообразие, и кокасательное расслоение этого многообразия описывает фазовое пространство системы.

Мотивация

Симплектические многообразия возникают из классической механики ; в частности, они являются обобщением фазового пространства замкнутой системы. [1] Точно так же, как уравнения Гамильтона позволяют вывести эволюцию системы во времени из набора дифференциальных уравнений , симплектическая форма должна позволить получить векторное поле , описывающее поток системы, из дифференциала гамильтониана функция . [2] Итак, нам требуется линейное отображение касательного многообразия в кокасательное многообразие или, что то же самое, элемент из . Обозначая часть , требование невырожденности гарантирует, что для каждого дифференциала существует уникальное соответствующее векторное поле такое, что . Поскольку желательно, чтобы гамильтониан был постоянным вдоль линий тока, необходимо иметь , что означает, что он является знакопеременным и, следовательно, является 2-формой. Наконец, выдвигается требование, которое не должно меняться под линиями тока, т.е. чтобы производная Ли от вдоль обращалась в нуль. Применяя формулу Картана , это составляет (вот внутреннее произведение ):

так что, повторяя это рассуждение для различных гладких функций, таких что соответствующий охват касательного пространства в каждой точке, к которой применяется аргумент, мы видим, что требование исчезновения производной Ли вдоль потоков, соответствующих произвольной гладкости, эквивалентно требованию что ω должна быть замкнутой .

Определение

Симплектическая форма на гладком многообразии — это замкнутая невырожденная дифференциальная 2-форма . [3] [4] Здесь невырожденность означает, что для каждой точки кососимметричное спаривание в касательном пространстве , определенное как, является невырожденным. То есть, если существует такое, что для всех , то . Поскольку в нечетных измерениях кососимметричные матрицы всегда сингулярны, из требования невырожденности следует, что они имеют четную размерность. [3] [4] Условие замкнутости означает, что внешняя производная обращается в нуль. Симплектическое многообразие — это пара , где — гладкое многообразие, а — симплектическая форма. Присвоение симплектической формы называется приданием симплектической структуры .

Примеры

Симплектические векторные пространства

Пусть – базис для. Определим нашу симплектическую форму ω на этом базисе следующим образом:

В этом случае симплектическая форма сводится к простой квадратичной форме . Если I n обозначает единичную матрицу размера n × n , то матрица Ω этой квадратичной формы представляет собой блочную матрицу размером 2 n × 2 n :

Котангенсные расслоения

Пусть – гладкое многообразие размерности . Тогда все пространство кокасательного расслоения имеет естественную симплектическую форму, называемую двуформой Пуанкаре или канонической симплектической формой.

Здесь — любые локальные координаты на и — послойные координаты относительно кокасательных векторов . Кокасательные расслоения — это естественные фазовые пространства классической механики. Точка различения верхних и нижних индексов обусловлена ​​случаем, когда многообразие имеет метрический тензор , как это имеет место для римановых многообразий . Верхние и нижние индексы преобразуются контра и ковариантно при смене систем координат. Фраза «послойные координаты относительно котангенсов» призвана передать, что импульсы « припаяны » к скоростям . Пайка является выражением идеи о том, что скорость и импульс коллинеарны, поскольку оба движутся в одном направлении и различаются масштабным коэффициентом.

Кэлеровые многообразия

Кэлерово многообразие — это симплектическое многообразие, снабженное совместимой интегрируемой комплексной структурой. Они образуют особый класс комплексных многообразий . Большой класс примеров взят из сложной алгебраической геометрии . Любое гладкое комплексное проективное многообразие имеет симплектическую форму, являющуюся ограничением формы Фубини — Стьюди на проективное пространство .

Почти комплексные многообразия

Римановы многообразия с -совместимой почти комплексной структурой называются почти комплексными многообразиями . Они обобщают кэлеровы многообразия, поскольку они не обязательно должны быть интегрируемыми . То есть они не обязательно возникают в результате сложной структуры многообразия.

Лагранжиан и другие подмногообразия

Существует несколько естественных геометрических понятий подмногообразия симплектического многообразия :

Одним из основных примеров является то, что график симплектоморфизма в произведении симплектического многообразия ( M × M , ω × − ω ) является лагранжевым. Их пересечения проявляют свойства жесткости, которыми не обладают гладкие многообразия; гипотеза Арнольда дает сумму чисел Бетти подмногообразия как нижнюю границу числа самопересечений гладкого лагранжева подмногообразия, а не эйлерову характеристику в гладком случае.

Примеры

Пусть глобальные координаты обозначены . Тогда мы можем снабдить канонической симплектической формой

Существует стандартное лагранжево подмногообразие, заданное формулой . Форма исчезает, потому что для любой пары касательных векторов мы имеем это. Чтобы прояснить это, рассмотрим случай . Тогда и . Обратите внимание: когда мы расширяем это

оба слагаемых имеют коэффициент, равный 0 по определению.

Пример: расслоение котангенсов.

Кокасательное расслоение многообразия локально моделируется в пространстве, аналогичном первому примеру. Можно показать, что мы можем склеить эти аффинные симплектические формы, следовательно, это расслоение образует симплектическое многообразие. Менее тривиальный пример лагранжева подмногообразия — 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 нулевым местом гладких функций и их дифференциалов .

Пример: параметрическое подмногообразие

Рассмотрим каноническое пространство с координатами . Параметрическим подмногообразием является то, которое параметризовано координатами так, что

Это многообразие является лагранжевым подмногообразием, если скобка Лагранжа равна нулю для всех . То есть оно лагранжево, если

для всех . В этом можно убедиться, развернув

в условии лагранжева подмногообразия . Это значит, что симплектическая форма должна исчезать на касательном многообразии ; то есть он должен исчезнуть для всех касательных векторов:

для всех . Упростите 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 неограничены. Классификация симплектических многообразий осуществляется с помощью гомологий Флоера — это приложение теории Морса к функционалу действия для отображений между лагранжевыми подмногообразиями. В физике действие описывает эволюцию физической системы во времени; здесь его можно понимать как описание динамики бран.

Пример: теория Морса

Другой полезный класс лагранжевых подмногообразий встречается в теории Морса . Учитывая функцию Морса и достаточно малую, можно построить лагранжево подмногообразие, заданное исчезающим геометрическим числом . Для общей функции Морса у нас есть лагранжево пересечение, заданное формулой .

Специальные лагранжевы подмногообразия

В случае кэлерова многообразия (или многообразия Калаби–Яу ) мы можем сделать выбор в качестве голоморфной n-формы, где – действительная часть и мнимая. Лагранжево подмногообразие называется специальным , если в дополнение к указанному выше условию Лагранжа ограничение на обращается в нуль. Другими словами, действительная часть, ограниченная на, приводит к форме объема на . Следующие примеры известны как специальные лагранжевы подмногообразия:

  1. комплексные лагранжевы подмногообразия гиперкелеровых многообразий ,
  2. неподвижные точки вещественной структуры многообразий Калаби–Яу.

Гипотеза SYZ касается изучения специальных лагранжевых подмногообразий зеркальной симметрии ; см. (Хитчин 1999).

Гипотеза Томаса–Яу предсказывает, что существование специальных лагранжевых подмногообразий на многообразиях Калаби–Яу в гамильтоновых изотопических классах лагранжианов эквивалентно устойчивости относительно условия устойчивости категории Фукая многообразия.

Лагранжево расслоение

Лагранжево расслоение симплектического многообразия M — это расслоение , все слои которого 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 двуформой Пуанкаре или канонической двуформой. Используя эту схему, мы можем локально думать о M как о кокасательном расслоении , а о лагранжевом расслоении как о тривиальном слоении. Это каноническая картина.

Лагранжево отображение

Пусть L — лагранжево подмногообразие симплектического многообразия ( K ,ω), заданное погружением i  : LK ( i называется лагранжевым погружением ). Пусть π  : KB задаёт лагранжево расслоение K. Композиция ( π∘i ) : LK B является лагранжевым отображением . Набор критических значений πi называется каустикой .

Два лагранжевых отображения ( π 1i 1 ) : L 1K 1B 1 и ( π 2i 2 ) : L 2K 2B 2 называются лагранжево эквивалентными , если существуют диффеоморфизмы σ , τ и ν такие , что что обе части диаграммы, заданной справа , коммутируют и τ сохраняет симплектическую форму. [4] Символически:

где τ ω2 обозначает обратный ход ω2 на τ . _ _

Особые случаи и обобщения

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ Вебстер, Бен (9 января 2012 г.). «Что такое симплектическое многообразие на самом деле?».
  2. ^ Кон, Генри. «Почему симплектическая геометрия является естественной основой классической механики».
  3. ^ Аб де Госсон, Морис (2006). Симплектическая геометрия и квантовая механика . Базель: Birkhäuser Verlag. п. 10. ISBN 3-7643-7574-4.
  4. ^ abc Арнольд, VI ; Варченко А.Н. ; Гусейн-Заде, С.М. (1985). Классификация критических точек, каустик и волновых фронтов: особенности дифференцируемых отображений, Том 1 . Биркхойзер. ISBN 0-8176-3187-9.
  5. ^ Кантрейн, Ф.; Иборт, Луизиана; де Леон, М. (1999). «О геометрии мультисимплектических многообразий». Дж. Аустрал. Математика. Соц . Сер. А. 66 (3): 303–330. дои : 10.1017/S1446788700036636 .
  6. ^ Джачетта, Г.; Манджаротти, Л.; Сарданашвили, Г. (1999). «Ковариантные гамильтоновы уравнения теории поля». Журнал физики . А32 (38): 6629–6642. arXiv : hep-th/9904062 . Бибкод : 1999JPhA...32.6629G. дои : 10.1088/0305-4470/32/38/302. S2CID  204899025.

Общие и цитируемые ссылки

дальнейшее чтение