stringtranslate.com

Теория Ходжа

В математике теория Ходжа , названная в честь В.В.Д. Ходжа , представляет собой метод изучения групп когомологий гладкого многообразия M с использованием уравнений в частных производных . Ключевое наблюдение состоит в том, что для римановой метрики на M каждый класс когомологий имеет канонического представителя , дифференциальную форму , которая обращается в нуль под действием оператора Лапласа метрики. Такие формы называются гармоническими .

Теория была разработана Ходжем в 1930-х годах для изучения алгебраической геометрии и основывалась на работах Жоржа де Рама о когомологиях де Рама . Он имеет основные применения в двух случаях: римановых многообразиях и кэлеровых многообразиях . Основная мотивация Ходжа — изучение сложных проективных многообразий — связана с последним случаем. Теория Ходжа стала важным инструментом в алгебраической геометрии, особенно благодаря ее связи с изучением алгебраических циклов .

Хотя теория Ходжа по своей сути зависит от действительных и комплексных чисел , ее можно применять к вопросам теории чисел . В арифметических ситуациях инструменты p -адической теории Ходжа дали альтернативные доказательства или результаты, аналогичные классической теории Ходжа.

История

В 1920-х годах область алгебраической топологии еще зарождалась. В нем еще не было развито понятие когомологий , а взаимодействие между дифференциальными формами и топологией было плохо изучено. В 1928 году Эли Картан опубликовал заметку « Sur les nombres de Betti des espaces de groupes clos» , в которой он предположил — но не доказал — что дифференциальные формы и топология должны быть связаны. Прочитав ее, Жорж де Рам, тогда еще студент, был вдохновлен. В своей диссертации 1931 года он доказал результат, который теперь называется теоремой де Рама . По теореме Стокса интегрирование дифференциальных форм по сингулярным цепям индуцирует для любого компактного гладкого многообразия M билинейное спаривание

Как первоначально утверждалось, [1] теорема де Рама утверждает, что это идеальное спаривание , и что, следовательно, каждый из терминов в левой части является двойственным друг другу в векторном пространстве. На современном языке теорему де Рама чаще формулируют как утверждение о том, что сингулярные когомологии с действительными коэффициентами изоморфны когомологиям де Рама:

Тогда исходное утверждение Де Рама является следствием того факта, что над вещественными числами сингулярные когомологии двойственны сингулярным гомологиям.

Отдельно в статье Соломона Лефшеца 1927 года топологические методы использовались для доказательства теорем Римана . [2] Говоря современным языком, если ω 1 и ω 2 являются голоморфными дифференциалами на алгебраической кривой C , то их клиновое произведение обязательно равно нулю, поскольку C имеет только одно комплексное измерение; следовательно, чашечное произведение их классов когомологий равно нулю, и когда это было ясно указано, это дало Лефшецу новое доказательство соотношений Римана . Кроме того, если ω — ненулевой голоморфный дифференциал, то это форма положительного объема, из которой Лефшец смог перевывести неравенства Римана. В 1929 году WVD Ходж узнал о статье Лефшеца. Он сразу заметил, что аналогичные принципы применимы и к алгебраическим поверхностям. Точнее, если ω — ненулевая голоморфная форма на алгебраической поверхности, то она положительна, поэтому чашечное произведение и должно быть ненулевым. Отсюда следует, что сама ω должна представлять ненулевой класс когомологий, поэтому все ее периоды не могут быть равны нулю. Это решило вопрос Севери. [3]

Ходж считал, что эти методы должны быть применимы и к многомерным многообразиям. Его коллега Питер Фрейзер рекомендовал ему диссертацию де Рама. Читая диссертацию де Рама, Ходж понял, что действительная и мнимая части голоморфной 1-формы на римановой поверхности в некотором смысле двойственны друг другу. Он подозревал, что подобная двойственность должна существовать и в более высоких измерениях; эта двойственность теперь известна как звездный оператор Ходжа . Далее он предположил, что каждый класс когомологий должен иметь выдающегося представителя, обладающего свойством, что и он, и его двойственный класс исчезают под действием внешнего оператора производной; теперь они называются гармоническими формами. Этой проблеме Ходж посвятил большую часть 1930-х годов. Его самая ранняя опубликованная попытка доказательства появилась в 1933 году, но он считал ее «крайне грубой». Герман Вейль , один из самых блестящих математиков той эпохи, оказался не в состоянии определить, правильно ли доказательство Ходжа или нет. В 1936 году Ходж опубликовал новое доказательство. Хотя Ходж считал новое доказательство гораздо более совершенным, Боненблюст обнаружил серьезный недостаток. Независимо Герман Вейль и Кунихико Кодайра изменили доказательство Ходжа, чтобы исправить ошибку. Это установило искомый Ходжем изоморфизм между гармоническими формами и классами когомологий.

Оглядываясь назад, становится ясно, что технические трудности, связанные с теоремой существования, на самом деле не требовали каких-либо существенных новых идей, а лишь тщательного расширения классических методов. Настоящая новинка, которая стала главным вкладом Ходжа, заключалась в концепции гармонических интегралов и их значении для алгебраической геометрии. Этот триумф концепции над техникой напоминает аналогичный эпизод в творчестве великого предшественника Ходжа Бернхарда Римана.

- М. Ф. Атья , Уильям Валланс Дуглас Ходж, 17 июня 1903 г. - 7 июля 1975 г., Биографические мемуары членов Королевского общества , том. 22, 1976, стр. 169–192.

Теория Ходжа для реальных многообразий

Когомологии Де Рама

Теория Ходжа ссылается на комплекс де Рама . Пусть Mгладкое многообразие . Для неотрицательного целого числа k пусть Ω k ( M ) будет вещественным векторным пространством гладких дифференциальных форм степени k на M . Комплекс де Рама — это последовательность дифференциальных операторов

где dk обозначает внешнюю производную на Ωk ( M ) . Это коцепной комплекс в том смысле, что d k +1d k = 0 (также пишется d 2 = 0 ). Теорема Де Рама гласит, что сингулярные когомологии M с действительными коэффициентами вычисляются с помощью комплекса де Рама:

Операторы в теории Ходжа

Выберите риманову метрику g на M и напомните, что:

Метрика дает внутренний продукт на каждом слое путем расширения (см. матрицу Грама ) внутреннего продукта, индуцированного g от каждого кокасательного слоя, до его внешнего продукта : . Внутренний продукт затем определяется как интеграл поточечного внутреннего продукта данной пары k -форм над M относительно формы объема, связанной с g . Явно, учитывая некоторые из имеющихся у нас

Естественно, указанное выше скалярное произведение индуцирует норму, если эта норма конечна на некоторой фиксированной k -форме:

тогда подынтегральная функция представляет собой вещественнозначную, интегрируемую с квадратом функцию на M , вычисляемую в данной точке через ее поточечные нормы,

Рассмотрим сопряженный оператор d относительно этих скалярных произведений :

Тогда лапласиан на формах определяется формулой

Это линейный дифференциальный оператор второго порядка, обобщающий лапласиан для функций на Rn . По определению форма на M является гармонической , если ее лапласиан равен нулю:

Лапласиан впервые появился в математической физике . В частности, уравнения Максвелла говорят, что электромагнитное поле в вакууме, то есть при отсутствии каких-либо зарядов, представлено 2-формой F такой, что Δ F = 0 в пространстве-времени, рассматриваемом как пространство Минковского размерности 4.

Любая гармоническая форма α на замкнутом римановом многообразии замкнута , т. е. = 0 . В результате имеется каноническое отображение . Теорема Ходжа утверждает, что это изоморфизм векторных пространств. [4] Другими словами, каждый действительный класс когомологий на M имеет уникального гармонического представителя. Конкретно , гармонический представитель — это единственная замкнутая форма минимальной нормы L2 , которая представляет данный класс когомологий. Теорема Ходжа была доказана с использованием теории эллиптических уравнений в частных производных, а первоначальные аргументы Ходжа были завершены Кодайрой и другими в 1940-х годах.

Например, из теоремы Ходжа следует, что группы когомологий с вещественными коэффициентами замкнутого многообразия конечномерны . (Правда, есть и другие способы доказать это.) Действительно, операторы ∆ эллиптические, и ядро ​​эллиптического оператора на замкнутом многообразии всегда является конечномерным векторным пространством. Другое следствие теоремы Ходжа состоит в том, что риманова метрика на замкнутом многообразии M определяет вещественнозначный скалярный продукт на целых когомологиях M по модулю кручения . Отсюда, например, следует, что образ группы изометрий M в общей линейной группе GL ( H ( M , Z )) конечен (поскольку группа изометрий решетки конечна ).

Вариантом теоремы Ходжа является разложение Ходжа . Это говорит о том, что существует единственное разложение любой дифференциальной формы ω на замкнутом римановом многообразии в сумму трех частей в виде

в котором γ является гармоническим: Δ γ = 0 . [5] С точки зрения метрики L 2 на дифференциальных формах это дает разложение в ортогональную прямую сумму :

Разложение Ходжа является обобщением разложения Гельмгольца для комплекса де Рама.

Теория Ходжа эллиптических комплексов

Атья и Ботт определили эллиптические комплексы как обобщение комплекса де Рама. Теорема Ходжа распространяется на этот случай следующим образом. Пусть – векторные расслоения , снабженные метрикой, на замкнутом гладком многообразии M с формой объема  dV . Предположим, что

являются линейными дифференциальными операторами , действующими на сечениях C ∞ этих векторных расслоений, и что индуцированная последовательность

представляет собой эллиптический комплекс. Введем прямые суммы:

и пусть L — сопряженный к L . Определим эллиптический оператор ∆ = LL + L L . Как и в случае де Рама, это дает векторное пространство гармонических сечений

Пусть – ортогональный проектор, а Gоператор Грина для ∆. Тогда теорема Ходжа утверждает следующее: [6]

  1. H и G четко определены.
  2. Id = Ч + Δ G = Ч + G Δ
  3. LG = GL , L * G = GL *
  4. Когомологии комплекса канонически изоморфны пространству гармонических сечений в том смысле, что каждый класс когомологий имеет единственного гармонического представителя.

В этой ситуации также имеет место разложение Ходжа, обобщающее приведенное выше утверждение для комплекса де Рама.

Теория Ходжа для комплексных проективных многообразий

Пусть Xгладкое комплексное проективное многообразие, т. е. X — замкнутое комплексное подмногообразие некоторого комплексного проективного пространства CP N . По теореме Чоу комплексные проективные многообразия автоматически являются алгебраическими : они определяются обращением в нуль однородных полиномиальных уравнений на CP N. Стандартная риманова метрика на CP N индуцирует риманову метрику на X , которая имеет сильную совместимость с комплексной структурой, что делает X кэлеровым многообразием .

Для комплексного многообразия X и натурального числа r каждая C ∞ r -форма на X (с комплексными коэффициентами) может быть записана однозначно как сумма форм типа ( p , q ) с p + q = r , то есть форм, которые локально может быть записано как конечная сумма членов, причем каждый член принимает вид

с функцией f a C ∞ и голоморфными функциями z s и w . На кэлеровом многообразии компоненты ( p , q ) гармонической формы снова гармоничны. Следовательно, для любого компактного кэлерова многообразия X теорема Ходжа дает разложение когомологий X с комплексными коэффициентами в прямую сумму комплексных векторных пространств: [7]

Фактически это разложение не зависит от выбора кэлеровой метрики (но для общего компактного комплексного многообразия аналогичного разложения не существует). С другой стороны, разложение Ходжа действительно зависит от структуры X как комплексного многообразия, тогда как группа H r ( X , C ) зависит только от основного топологического пространства X.

Взятие клиновых произведений этих гармонических представителей соответствует произведению чашки в когомологиях, поэтому произведение чашки с комплексными коэффициентами совместимо с разложением Ходжа:

Кусок H p , q ( X ) разложения Ходжа можно отождествить с группой когерентных пучков когомологий , которая зависит только от X как комплексного многообразия (а не от выбора кэлеровой метрики): [8]

где Ω p обозначает пучок голоморфных p -форм на X . Например, Hp , 0 ( X ) — пространство голоморфных p - форм на X. (Если X проективно, из теоремы Серра GAGA следует, что голоморфная p -форма на всем X фактически является алгебраической.)

С другой стороны, интеграл можно записать как верхнее произведение класса гомологии Z и класса когомологий, представленного . В соответствии с двойственностью Пуанкаре класс гомологии Z двойственен классу когомологий, который мы назовем [ Z ], и произведение шапки можно вычислить, взяв чашечное произведение [ Z ] и α и закрыв его фундаментальным классом X .

Поскольку [ Z ] — класс когомологий, он имеет разложение Ходжа. Согласно вычислениям, которые мы провели выше, если мы объединим этот класс с любым классом типа , мы получим ноль. Потому что мы заключаем, что [ Z ] должно лежать в .

Число Ходжа hp , q ( X ) означает размерность комплексного векторного пространства Hp . q ( ​​Икс ). Это важные инварианты гладкого комплексного проективного многообразия; они не меняются, когда комплексная структура X непрерывно меняется, и все же они, вообще говоря, не являются топологическими инвариантами. Среди свойств чисел Ходжа — симметрия Ходжа h p , q = h q , p (поскольку H p , q ( X ) является комплексно-сопряженным числом H q , p ( X ) ) и h p , q = h n - p , nq (по двойственности Серра ).

Числа Ходжа гладкого комплексного проективного многообразия (или компактного кэлерова многообразия) можно перечислить в ромбе Ходжа (показано в случае комплексной размерности 2):

Например, каждая гладкая проективная кривая рода g имеет ромб Ходжа .

Другой пример: каждая поверхность K3 имеет ромб Ходжа.

Числа Бетти X представляют собой сумму чисел Ходжа в данной строке . Основное применение теории Ходжа состоит в том, что нечетные числа Бетти b 2 a +1 гладкого комплексного проективного многообразия (или компактного кэлерова многообразия) четны в силу симметрии Ходжа. Это неверно для компактных комплексных многообразий вообще, как показано на примере поверхности Хопфа , которая диффеоморфна S1 × S3 и, следовательно , имеет b1 = 1 .

«Пакет Кэлера» представляет собой мощный набор ограничений на когомологии гладких комплексных проективных многообразий (или компактных кэлеровых многообразий), основанный на теории Ходжа. Результаты включают в себя теорему Лефшеца о гиперплоскости , жесткую теорему Лефшеца и билинейные отношения Ходжа-Римана . [9] Многие из этих результатов следуют из фундаментальных технических инструментов, которые могут быть доказаны для компактных кэлеровых многообразий с использованием теории Ходжа, включая тождества Кэлера и -лемму .

Теория Ходжа и ее расширения, такие как неабелева теория Ходжа, также дают сильные ограничения на возможные фундаментальные группы компактных кэлеровых многообразий.

Алгебраические циклы и гипотеза Ходжа

Пусть X — гладкое комплексное проективное многообразие. Комплексное подмногообразие Y в X коразмерности p определяет элемент группы когомологий . Более того, полученный класс обладает особым свойством: его образ в комплексных когомологиях лежит в средней части разложения Ходжа . Гипотеза Ходжа предсказывает обратное: каждый элемент, образ которого в комплексных когомологиях лежит в подпространстве, должен иметь положительное целое кратное, которое представляет собой -линейную комбинацию классов комплексных подмногообразий X . (Такая линейная комбинация называется алгебраическим циклом на X. )

Важным моментом является то, что разложение Ходжа — это разложение когомологий с комплексными коэффициентами, которое обычно не получается из разложения когомологий с целыми (или рациональными) коэффициентами. В результате пересечение

может быть намного меньше, чем кручение всей группы , даже если число Ходжа велико. Короче говоря, гипотеза Ходжа предсказывает, что возможные «формы» комплексных подмногообразий X ( как описывается когомологиями) определяются структурой Ходжа X (комбинацией целых когомологий с разложением Ходжа комплексных когомологий).

Теорема Лефшеца (1,1) утверждает, что гипотеза Ходжа верна при p = 1 (даже в целом, то есть без необходимости использования положительного целого кратного в формулировке).

Структура Ходжа многообразия X описывает интегралы от алгебраических дифференциальных форм на X по классам гомологии в X . В этом смысле теория Ходжа связана с основной проблемой исчисления : вообще не существует «формулы» для интеграла алгебраической функции . В частности, трансцендентными числами могут быть определенные интегралы от алгебраических функций, известные как периоды . Сложность гипотезы Ходжа отражает непонимание таких интегралов в целом.

Пример: Для гладкой комплексной проективной поверхности K3 X группа H 2 ( X , Z ) изоморфна Z 22 , а H 1,1 ( X ) изоморфна C 20 . Их пересечение может иметь ранг от 1 до 20; этот ранг называется числом Пикара X . Пространство модулей всех проективных поверхностей K3 имеет счетное множество компонент, каждая из которых имеет комплексную размерность 19. Подпространство поверхностей K3 с числом Пикара a имеет размерность 20− a . [10] (Таким образом, для большинства проективных поверхностей K3 пересечение H 2 ( X , Z ) с H 1,1 ( X ) изоморфно Z , но для «специальных» поверхностей K3 пересечение может быть больше.)

Этот пример предполагает несколько различных ролей, которые теория Ходжа играет в сложной алгебраической геометрии. Во-первых, теория Ходжа дает ограничения на то, какие топологические пространства могут иметь структуру гладкого комплексного проективного многообразия. Во-вторых, теория Ходжа дает информацию о пространстве модулей гладких комплексных проективных многообразий заданного топологического типа. Наилучший случай — когда справедлива теорема Торелли , означающая, что многообразие определяется с точностью до изоморфизма своей структурой Ходжа. Наконец, теория Ходжа дает информацию о группе Чоу алгебраических циклов на данном многообразии. Гипотеза Ходжа касается образа отображения цикла из групп Чоу в обычные когомологии, но теория Ходжа также дает информацию о ядре отображения цикла, например, с использованием промежуточных якобианов , построенных на основе структуры Ходжа.

Обобщения

Смешанная теория Ходжа , разработанная Пьером Делинем , распространяет теорию Ходжа на все комплексные алгебраические многообразия, не обязательно гладкие или компактные. А именно, когомологии любого комплексного алгебраического многообразия имеют более общий тип разложения — смешанную структуру Ходжа .

Другое обобщение теории Ходжа на сингулярные многообразия обеспечивается гомологиями пересечений . А именно, Морихико Сайто показал, что гомологии пересечений любого комплексного проективного многообразия (не обязательно гладкого) имеют чистую структуру Ходжа, как и в гладком случае. Фактически, весь пакет Кэлера распространяется на гомологию пересечений.

Фундаментальный аспект комплексной геометрии состоит в том, что существуют непрерывные семейства неизоморфных комплексных многообразий (которые все диффеоморфны как вещественные многообразия). Идея Филлипа Гриффитса о вариации структуры Ходжа описывает, как структура Ходжа гладкого комплексного проективного многообразия X меняется при изменении X. В геометрических терминах это равносильно изучению отображения периодов , связанного с семейством многообразий. Теория модулей Ходжа Сайто является обобщением. Грубо говоря, смешанный модуль Ходжа на многообразии X — это пучок смешанных структур Ходжа над X , возникающий из семейства многообразий, которые не обязательно должны быть гладкими или компактными.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Чаттерджи, Сришти; Оянгурен, Мануэль (2010), Взгляд на эпоху де Рама (PDF) , рабочий документ, EPFL
  2. ^ Лефшец, Соломон (1927). «Соответствия между алгебраическими кривыми». Анна. математики. (2) . 28 (1): 342–354.
  3. ^ Майкл Атья , Уильям Валланс Дуглас Ходж, 17 июня 1903 г. - 7 июля 1975 г. , Биогр. Память Fellows R. Soc., 1976, вып. 22, стр. 169–192.
  4. ^ Уорнер (1983), Теорема 6.11.
  5. ^ Уорнер (1983), Теорема 6.8.
  6. ^ Уэллс (2008), Теорема IV.5.2.
  7. ^ Хайбрехтс (2005), Следствие 3.2.12.
  8. ^ Хайбрехтс (2005), Следствие 2.6.21.
  9. ^ Хайбрехтс (2005), разделы 3.3 и 5.2; Гриффитс и Харрис (1994), разделы 0.7 и 1.2; Вуазен (2007), т. 1, гл. 6 и т. 2, гл. 1.
  10. ^ Гриффитс и Харрис (1994), с. 594.

Рекомендации