stringtranslate.com

Экзотическая сфера

В области математики, называемой дифференциальной топологией , экзотическая сфера представляет собой дифференцируемое многообразие M , которое гомеоморфно , но не диффеоморфно стандартной евклидовой n -сфере . То есть М является сферой с точки зрения всех своих топологических свойств, но несущей не привычную гладкую структуру (отсюда и название «экзотическая»).

Первые экзотические сферы были построены Джоном Милнором  (1956) в размерности как - расслоения над . Он показал, что на 7-сфере имеется по крайней мере 7 дифференцируемых структур. В любом измерении Милнор (1959) показал, что классы диффеоморфизма ориентированных экзотических сфер образуют нетривиальные элементы абелева моноида относительно связной суммы, который является конечной абелевой группой , если размерность не равна 4. Классификация экзотических сфер Мишелем Кервер и Милнор (1963) показали, что ориентированные экзотические 7-сферы являются нетривиальными элементами циклической группы порядка 28 при операции связной суммы .

В частности, это означает, что элементы этой группы (n ≠ 4) являются классами эквивалентности гладких структур на Sn , где две структуры считаются эквивалентными, если существует сохраняющий ориентацию диффеоморфизм, переносящий одну структуру на другую . Групповая операция определяется формулой [x] + [y] = [x + y], где x и y — произвольные представители своих классов эквивалентности, а «x + y» обозначает гладкую структуру на гладком S n , которая является связная сумма x и y. Необходимо показать, что такое определение не зависит от сделанного выбора; действительно, это можно показать.

Введение

Единичная n -сфера, , представляет собой набор всех ( n +1)-кортежей действительных чисел, таких, что сумма . Например, — круг, а — поверхность обычного шара радиуса один в трёх измерениях. Топологи считают пространство X n - сферой, если между ними существует гомеоморфизм , т. е. каждая точка в X может быть сопоставлена ​​ровно одной точке единичной n -сферы с помощью непрерывной биекции с непрерывным обратным. Например, точку x на n -сфере радиуса r можно гомеоморфно сопоставить с точкой на единичной n -сфере, умножив ее расстояние от начала координат на . Аналогично, n -куб любого радиуса гомеоморфен n -сфере.

В дифференциальной топологии два гладких многообразия считаются гладко эквивалентными, если существует диффеоморфизм одного в другое, который является гомеоморфизмом между ними, с дополнительным условием того, что оно гладко , т. е. должно иметь производные всех порядков во всех случаях. его точки — и его обратный гомеоморфизм также должен быть гладким. Чтобы вычислить производные, необходимо иметь локальные системы координат, согласованно определенные в X. Математики (включая самого Милнора) были удивлены в 1956 году, когда Милнор показал, что согласованные локальные системы координат могут быть установлены на 7-сфере двумя разными способами, которые были эквивалентны в непрерывном смысле, но не в дифференцируемом смысле. Милнор и другие попытались выяснить, сколько таких экзотических сфер может существовать в каждом измерении, и понять, как они связаны друг с другом. Никакие экзотические структуры невозможны на 1-, 2-, 3-, 5-, 6-, 12-, 56- или 61-сферах. [1] Некоторые сферы более высоких измерений имеют только две возможные дифференцируемые структуры, другие - тысячи. Существуют ли экзотические 4-сферы, и если да, то сколько – это нерешенная проблема .

Классификация

Моноид гладких структур на n -сферах — это совокупность ориентированных гладких n -многообразий, гомеоморфных n -сфере , приведенных к диффеоморфизму, сохраняющему ориентацию. Моноидная операция — это связная сумма . При условии , что этот моноид является группой и изоморфен группе классов h -кобордизмов ориентированных гомотопических n -сфер , которая конечна и абелева. В измерении 4 о моноиде гладких сфер почти ничего не известно, кроме фактов, что он конечен или счетно бесконечен и абелев, хотя предполагается, что он бесконечен; см. раздел о поворотах Глюка. Все гомотопические n -сферы гомеоморфны n - сфере согласно обобщенной гипотезе Пуанкаре , доказанной Стивеном Смейлом в размерностях больше 4, Майклом Фридманом в размерности 4 и Григорием Перельманом в размерности 3. В размерности 3 Эдвин Э. Мойс доказал что каждое топологическое многообразие имеет по существу единственную гладкую структуру (см. теорему Мойза ), поэтому моноид гладких структур на 3-сфере тривиален.

Параллелизуемые многообразия

В группе есть циклическая подгруппа

представлено n -сферами, ограничивающими распараллеливаемые многообразия . Структуры и частное

описаны отдельно в статье ( Kervaire & Milnor  1963), оказавшей влияние на развитие теории хирургии . Фактически, эти расчеты можно сформулировать на современном языке в терминах точной последовательности операций , как указано здесь .

Группа является циклической группой и является тривиальной или имеет порядок 2, за исключением случая , в этом случае она может быть большой, а ее порядок связан с числами Бернулли . Это тривиально, если n четно. Если n равно 1 по модулю 4, он имеет порядок 1 или 2; в частности, он имеет порядок 1, если n равен 1, 5, 13, 29 или 61, а Уильям Браудер  (1969) доказал, что он имеет порядок 2, если mod 4 не имеет вида . Из теперь почти полностью решенной проблемы инварианта Кервера следует , что она имеет порядок 2 для всех n, больших 126; дело все еще открыто. Порядок for :

где B — числитель и — число Бернулли . (Формула в топологической литературе немного отличается, поскольку топологи используют другое соглашение для обозначения чисел Бернулли; в этой статье используется соглашение теоретиков чисел.)

Карта между частными

Факторгруппа имеет описание в терминах стабильных гомотопических групп сфер по модулю образа J-гомоморфизма ; оно либо равно фактору, либо индексу 2. Точнее, существует инъективное отображение

где – n- я стабильная гомотопическая группа сфер, а J – образ J -гомоморфизма. Как и в случае , образ J является циклической группой и является тривиальным или имеет порядок 2, за исключением случая , когда он может быть большим, а его порядок связан с числами Бернулли . Факторгруппа является «жесткой» частью стабильных гомотопических групп сфер и, соответственно, является жесткой частью экзотических сфер, но почти полностью сводится к вычислению гомотопических групп сфер. Отображение является либо изоморфизмом (образ — вся группа), либо инъективным отображением с индексом 2. Последнее имеет место тогда и только тогда, когда существует n -мерное оснащенное многообразие с инвариантом Кервера 1, известное как Инвариантная задача Кервера . Таким образом, коэффициент 2 при классификации экзотических сфер зависит от инвариантной задачи Кервера.

По состоянию на 2012 год проблема инварианта Кервера почти полностью решена, остался открытым только случай ; подробности см. в этой статье. Это прежде всего работа Браудера (1969), который доказал, что такие многообразия существуют только в размерности , и Хилла, Хопкинса и Равенела (2016), которые доказали, что таких многообразий не существует для размерности и выше. Многообразия с инвариантом Кервера 1 были построены в размерностях 2, 6, 14, 30 и 62, но размерность 126 открыта, и ни одно многообразие не было ни построено, ни опровергнуто.

Порядок Θ n

Порядок группы указан в этой таблице (последовательность A001676 в OEIS ) из (Kervaire & Milnor 1963) (за исключением того, что запись для в их статье ошибочна в 2 раза; см. исправление в томе III, стр. 97). собрания сочинений Милнора).

Обратите внимание, что для dim то есть , , , и . Дальнейшие записи в этой таблице можно рассчитать на основе приведенной выше информации вместе с таблицей стабильных гомотопических групп сфер .

Путем вычислений стабильных гомотопических групп сфер Ван и Сюй (2017) доказывают, что сфера S 61 имеет уникальную гладкую структуру и что это последняя нечетномерная сфера с этим свойством - единственными являются S 1 , S 3 , S 5 и S 61 .

Явные примеры экзотических сфер

Когда я наткнулся на такой пример в середине 50-х годов, я был очень озадачен и не знал, что с этим делать. Сначала я думал, что нашел контрпример к обобщенной гипотезе Пуанкаре в седьмом измерении. Но тщательное исследование показало, что многообразие действительно гомеоморфно . Таким образом, существует дифференцируемая структура, не диффеоморфная стандартной.

Джон Милнор (2009, стр.12)

Строительство Милнора

Одним из первых примеров экзотической сферы, обнаруженной Милнором (1956, раздел 3), был следующий. Пусть – единичный шар в , и пусть – его граница — 3-сфера, которую мы отождествляем с группой единичных кватернионов . Теперь возьмите две копии , каждая с границей , и склейте их вместе, отождествив первую границу со второй границей. Полученное многообразие имеет естественную гладкую структуру и гомеоморфно , но не диффеоморфно . Милнор показал, что оно не является границей какого-либо гладкого 8-многообразия с нулевым 4-м числом Бетти и не имеет диффеоморфизма, меняющего ориентацию самого себя; любое из этих свойств подразумевает, что это не стандартная 7-сфера. Милнор показал, что это многообразие имеет функцию Морса всего с двумя критическими точками , обе невырожденные, что означает, что топологически оно является сферой.

Брискорнские сферы

Как показал Эгберт Брискорн  (1966, 1966b) (см. также (Hirzebruch & Mayer 1968)) пересечение комплексного многообразия точек при выполнении условия

с небольшой сферой вокруг начала координат дает все 28 возможных гладких структур на ориентированной 7-сфере. Подобные многообразия называются сферами Брискорна .

Скрученные сферы

Учитывая (сохраняющий ориентацию) диффеоморфизм , склеивание границ двух копий стандартного диска вместе с помощью f дает многообразие, называемое скрученной сферойзакручиванием f ). Это гомотопически эквивалентно стандартной n -сфере, поскольку отображение склейки гомотопно единице (являясь диффеоморфизмом, сохраняющим ориентацию, следовательно, степень 1), но, вообще говоря, не диффеоморфно стандартной сфере. (Милнор 1959b) Если принять за группу скрученных n -сфер (при сумме соединений), то получим точную последовательность

Для каждая экзотическая n -сфера диффеоморфна скрученной сфере, результат, доказанный Стивеном Смейлом , который можно рассматривать как следствие теоремы h -кобордизма . (Напротив, в кусочно-линейной постановке самое левое отображение попадает через радиальное расширение : каждая кусочно-линейно-скрученная сфера является стандартной.) Группа скрученных сфер всегда изоморфна группе . Обозначения разные, потому что сначала не было известно, что они одинаковы для или 4; например, случай эквивалентен гипотезе Пуанкаре .

В 1970 году Жан Серф доказал теорему о псевдоизотопии , из которой следует, что тривиальная группа предоставлена ​​и, следовательно, предоставлена .

Приложения

Если Mкусочно-линейное многообразие , то проблема нахождения совместимых гладких структур на M зависит от знания групп Γ k = Θ k . Точнее, препятствия к существованию любой гладкой структуры лежат в группах H k+1 ( M , Γ k ) для различных значений k , а если такая гладкая структура существует, то все такие гладкие структуры можно классифицировать с помощью групп ЧАС ( M , Γ k ) . В частности, группы Γ k исчезают, если k < 7 , поэтому все PL-многообразия размерности не более 7 имеют гладкую структуру, которая по существу уникальна, если многообразие имеет размерность не более 6.

Следующие конечные абелевы группы по существу одинаковы:

4-мерные экзотические сферы и повороты Глюка

В 4-х измерениях неизвестно, есть ли на 4-сфере какие-либо экзотические гладкие структуры. Утверждение о том, что они не существуют, известно как «гладкая гипотеза Пуанкаре» и обсуждается Майклом Фридманом , Робертом Гомпфом и Скоттом Моррисоном и др. (2010), которые утверждают, что это считается ложью.

Некоторыми кандидатами, предложенными для экзотических 4-сфер, являются сферы Каппелла-Шейнсона ( Сильвен Каппелл и Джулиус Шейнсон  (1976)) и сферы, полученные с помощью скручиваний Глюка (Gluck 1962). Сферы глюка твиста строятся путем вырезания трубчатой ​​окрестности 2-сферы S в S 4 и склеивания ее обратно с использованием диффеоморфизма ее границы S 2 × S 1 . Результат всегда гомеоморфен S 4 . Многие случаи на протяжении многих лет были исключены как возможные контрпримеры к гладкой четырехмерной гипотезе Пуанкаре. Например, Кэмерон Гордон  (1976), Хосе Монтесинос (1983), Стивен П. Плотник (1984), Гомпф (1991), Хабиро, Марумото и Ямада (2000), Селман Акбулут  (2010), Гомпф (2010), Ким и Ямада (2017).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Беренс, М.; Хилл, М.; Хопкинс, MJ; Маховальд, М. (2020). «Обнаружение экзотических сфер в низких измерениях с помощью коксования J». Журнал Лондонского математического общества . 101 (3): 1173–1218. arXiv : 1708.06854 . дои : 10.1112/jlms.12301. ISSN  1469-7750. S2CID  119170255.

Внешние ссылки