В математике систолическая геометрия — это изучение систолических инвариантов многообразий и многогранников , первоначально задуманных Чарльзом Левнером и развитых Михаилом Громовым , Майклом Фридманом , Питером Сарнаком , Михаилом Кацем , Ларри Гутом и другими, в ее арифметических , эргодических и топологические проявления. См. также Введение в систолическую геометрию .
Систола компактного метрического пространства X — это метрический инвариант X , определяемый как наименьшая длина несжимаемой петли в X ( т. е. петли, которую нельзя стянуть до точки в окружающем пространстве X ) . Говоря более техническим языком, мы минимизируем длину свободных циклов , представляющих нетривиальные классы сопряженности в фундаментальной группе X. Когда X является графом , инвариант обычно называют обхватом , начиная со статьи 1947 года об обхвате У.Т. Тутте . [1] Возможно, вдохновленный статьей Тутте, Лёвнер начал задумываться о систолических вопросах на поверхностях в конце 1940-х годов, что привело к написанию в 1950 году диссертации его ученика Пао Мин Пу . Сам термин «систола» был придуман лишь четверть века спустя Марселем Бергером .
Дальнейший толчок этому направлению исследований, по-видимому, дало замечание Рене Тома в беседе с Бергером в библиотеке Страсбургского университета в 1961/62 учебном году, вскоре после публикации статей Р. Акколы и К. Блаттер. Говоря об этом систолическом неравенстве, Том, как сообщается, воскликнул: « Mais c'estfoundal!» [Эти результаты имеют фундаментальное значение!]
Впоследствии Бергер популяризировал эту тему в серии статей и книг, последняя из которых — в мартовском выпуске «Извещений Американского математического общества» за 2008 год (см. ссылку ниже). Библиография на сайте по систолической геометрии и топологии в настоящее время содержит более 160 статей. Систолическая геометрия — быстро развивающаяся область, имеющая ряд недавних публикаций в ведущих журналах. Недавно (см. статью Каца и Рудяка 2006 г. ниже) появилась связь с категорией Люстерника – Шнирельмана . Существование такой связи можно рассматривать как теорему систолической топологии .
Каждый выпуклый центрально-симметричный многогранник P в R 3 допускает пару противоположных (антиподальных) точек и соединяющий их путь длины L, лежащий на границе ∂ P полиэдра P , удовлетворяющий условию
Альтернативная формулировка заключается в следующем. Любое центрально-симметричное выпуклое тело с площадью поверхности A можно протиснуть в петлю длиной , при этом наиболее плотное прилегание достигается с помощью сферы. Это свойство эквивалентно частному случаю неравенства Пу (см. ниже), одного из самых ранних систолических неравенств.
Чтобы дать предварительное представление о характере поля, можно сделать следующие наблюдения. Основная идея цитированного выше замечания Тома Бергеру заключается в следующем. Всякий раз, когда кто-либо сталкивается с неравенством, связывающим геометрические инварианты, такое явление само по себе интересно; тем более, когда неравенство точное (т.е. оптимальное). Хорошим примером является классическое изопериметрическое неравенство .
В систолических вопросах о поверхностях особенно важную роль играют интегрально-геометрические тождества. Грубо говоря, имеется интегральная область, связывающая тождество, с одной стороны, и среднее значение энергий подходящего семейства петель, с другой. Согласно неравенству Коши – Шварца энергия является верхней границей квадрата длины; отсюда получается неравенство между площадью и площадью систолы. Такой подход работает как для неравенства Лёвнера
для тора , где случай равенства достигается плоским тором, преобразования колоды которого образуют решетку целых чисел Эйзенштейна ,
и для неравенства Пу для вещественной проективной плоскости P 2 ( R ):
с равенством, характеризующим метрику постоянной гауссовой кривизны .
Применение вычислительной формулы для дисперсии фактически дает следующую версию неравенства тора Левнера с изосистолическим дефектом:
где f - конформный фактор метрики по отношению к плоской метрике единичной площади в ее конформном классе. Это неравенство можно рассматривать как аналог неравенства Боннесена с изопериметрическим дефектом, усиление изопериметрического неравенства.
Недавно был обнаружен ряд новых неравенств этого типа, в том числе нижние оценки универсального объема. Более подробная информация появляется при систолах поверхностей .
Самый глубокий результат в этой области — неравенство Громова для гомотопической 1-систолы существенного n - многообразия M :
где Cn — универсальная константа , зависящая только от размерности M. Здесь гомотопическая систола sysπ 1 по определению есть наименьшая длина нестягиваемой петли в M . Многообразие называется существенным , если его фундаментальный класс [М] представляет нетривиальный класс в гомологиях его фундаментальной группы . В доказательстве используется новый инвариант, названный радиусом заполнения , введенный Громовым и определяемый следующим образом.
Обозначим через A кольцо коэффициентов Z или Z 2 в зависимости от того, ориентируемо M или нет. Тогда фундаментальный класс компактного n -мерного многообразия M , обозначаемый [M] , является генератором . Учитывая вложение M в евклидово пространство E , положим
где ιε — гомоморфизм включения, индуцированный включением M в его ε- окрестность UεM в E.
Чтобы определить абсолютный радиус заполнения в ситуации, когда M оснащен римановой метрикой g , Громов поступает следующим образом. Используется вложение К. Куратовского. M вкладывается в банахово пространство L∞ ( M ) ограниченных борелевских функций на M , снабженное нормой sup . А именно, мы отображаем точку x ∈ M в функцию f x ∈ L ∞ ( M ), определенную по формуле f x (y) = d(x,y) для всех y ∈ M , где d — функция расстояния, определенная формулой метрика. По неравенству треугольника мы имеем, и, следовательно, вложение является сильно изометрическим в том точном смысле, что внутреннее расстояние и окружающее расстояние совпадают. Такое сильно изометрическое вложение невозможно, если объемлющее пространство является гильбертовым, даже если M — риманова окружность (расстояние между противоположными точками должно быть π , а не 2!). Затем мы полагаем E = L ∞ ( M ) в приведенной выше формуле и определяем
А именно, Громов доказал резкое неравенство, связывающее систолу и радиус наполнения:
справедливо для всех существенных многообразий M ; а также неравенство
справедливо для всех замкнутых многообразий M .
Краткое изложение доказательства, основанного на недавних результатах С. Венгера в области геометрической теории меры и более ранних работах Л. Амбросио и Б. Кирхгейма, содержится в разделе 12.2 книги «Систолическая геометрия и топология», на которую ссылка ниже. Совершенно иной подход к доказательству неравенства Громова недавно предложил Ларри Гут . [2]
Следует иметь в виду значительную разницу между 1-систолическими инвариантами (определяемыми через длину петель) и высшими, k -систолическими инвариантами (определяемыми через площади циклов и т. д.). Хотя к настоящему времени получен ряд оптимальных систолических неравенств, включающих 1-систолы, практически единственным оптимальным неравенством, включающим исключительно высшие k -систолы, является оптимальное устойчивое 2-систолическое неравенство Громова.
для комплексного проективного пространства , где оптимальная граница достигается с помощью симметричной метрики Фубини–Студи , указывающей на связь с квантовой механикой . Здесь устойчивая 2-систола риманова многообразия M определяется полаганием
где – устойчивая норма, а λ 1 – наименьшая норма ненулевого элемента решетки. Насколько исключительным является устойчивое неравенство Громова, стало ясно лишь недавно. А именно, было обнаружено, что, вопреки ожиданию, симметричная метрика на кватернионной проективной плоскости не является ее систолически оптимальной метрикой, в отличие от 2-систолы в сложном случае. В то время как кватернионная проективная плоскость с ее симметричной метрикой имеет среднемерное стабильное систолическое отношение 10/3, аналогичное соотношение для симметричной метрики комплексного проективного 4-мерного пространства дает значение 6, в то время как наилучшая доступная верхняя граница для такого отношение произвольной метрики в обоих этих пространствах равно 14. Эта верхняя оценка связана со свойствами алгебры Ли E7 . Если существует 8-многообразие с исключительной голономией Spin(7) и 4-м числом Бетти 1, то значение 14 фактически является оптимальным. Многообразия с голономией Spin(7) интенсивно изучались Домиником Джойсом .
Аналогичным образом, чуть ли не единственная нетривиальная нижняя оценка для k -систолы с k = 2 является результатом недавних работ в области калибровочной теории и J-голоморфных кривых . Исследование нижних границ конформной 2-систолы 4-многообразий привело Джейка Соломона к упрощенному доказательству плотности изображения карты периода.
Возможно, одно из самых ярких применений систол - в контексте проблемы Шоттки П. Бузером и П. Сарнаком , которые выделили якобианы римановых поверхностей среди принципиально поляризованных абелевых разновидностей, заложив основу систолической арифметики.
Задание систолических вопросов часто стимулирует вопросы в смежных областях. Таким образом, определено и исследовано понятие систолической категории многообразия, обнаруживающее связь с категорией Люстерника–Шнирельмана (категорией LS). Обратите внимание, что систолическая категория (как и категория LS) по определению является целым числом. Было показано, что эти две категории совпадают как для поверхностей, так и для 3-многообразий. Более того, для ориентируемых 4-многообразий систолическая категория является нижней границей категории LS. Как только связь установлена, влияние становится взаимным: известные результаты по категории LS стимулируют систолические вопросы, и наоборот.
Новый инвариант был введен Кацем и Рудяком (см. ниже). Поскольку инвариант оказался тесно связан с категорией Люстерника-Шнирельмана (категория LS), его назвали систолической категорией .
Систолическая категория многообразия M определяется через различные k -систолы M . Грубо говоря, идея заключается в следующем. Учитывая многообразие M , ищут самое длинное произведение систол, которое дает «без кривизны» нижнюю границу общего объема M (с константой, не зависящей от метрики). В определение естественно включить и систолические инварианты покрытий M. Число факторов в таком «самом длинном произведении» по определению является систолической категорией М.
Например, Громов показал, что существенное n -многообразие допускает нижнюю границу объема в n-й степени гомотопической 1-систолы (см. раздел выше). Отсюда следует, что систолическая категория существенного n -многообразия равна в точности n . Фактически для замкнутых n -многообразий максимальное значение как категории LS, так и систолической категории достигается одновременно.
Еще одним намеком на существование интригующей связи между двумя категориями является связь с инвариантом, называемым длиной чашки. Таким образом, реальная длина чашки оказывается нижней границей для обеих категорий.
Систолическая категория совпадает с категорией LS в ряде случаев, в том числе в случае многообразий размерностей 2 и 3. В размерности 4 недавно было показано, что систолическая категория является нижней оценкой категории LS.
Исследование асимптотического поведения систолы гиперболических поверхностей большого рода g позволяет выявить некоторые интересные константы. Таким образом, поверхности Гурвица Σ g , определенные башней главных конгруэнтных подгрупп группы гиперболических треугольников (2,3,7), удовлетворяют оценке
аналогичная оценка справедлива и для более общих арифметических фуксовых групп . Этот результат 2007 года Каца, Шапса и Вишне [3] обобщает результаты Питера Бузера и Питера Сарнака на случай арифметических групп, определенных над Q , из их основополагающей статьи 1994 года. [4]
Библиография систол в гиперболической геометрии в настоящее время насчитывает сорок статей. Интересные примеры дают поверхность Больца , квартика Клейна , поверхность Макбита , первая тройка Гурвица .
Семейство оптимальных систолических неравенств получается в результате применения методов Бураго и Иванова с использованием подходящих отображений Абеля – Якоби , определяемых следующим образом.
Пусть M — многообразие , π = π 1 ( M ), его фундаментальная группа и f : π → π ab — его абелианизация . Пусть tor — периодическая подгруппа группы π ab . Пусть g : π ab → π ab / tor — фактор кручения. Очевидно, π ab / tor = Z b , где b = b 1 ( M ). Пусть φ: π → Z b — составной гомоморфизм.
Определение: Покрытие многообразия M , соответствующее подгруппе Ker(φ) ⊂ π, называется универсальным (или максимальным) свободным абелевым накрытием.
Теперь предположим, что M имеет риманову метрику . Пусть E — пространство гармонических 1-форм на M , причем двойственное E * канонически отождествляется с H 1 ( M , R ). Интегрируя целочисленную гармоническую 1-форму по путям из базовой точки x0 ∈ M , мы получаем отображение в окружность R / Z = S1 .
Аналогично, чтобы определить отображение M → H 1 ( M , R )/ H 1 ( M , Z ) R без выбора базиса когомологий, мы рассуждаем следующим образом. Пусть x — точка универсального покрытия M . Таким образом, x представляется точкой из M вместе с путем c от x0 до нее. Интегрируя по пути c , мы получаем линейную форму , на E . Таким образом, мы получаем отображение , которое, кроме того, спускается к отображению
где – универсальное свободное абелева накрытие.
Определение: Многообразием Якоби (тор Якоби) M — это тор J 1 ( M ) = H 1 ( M , R )/ H 1 ( M , Z ) R
Определение: Отображение Абеля – Якоби получается из приведенного выше отображения путем перехода к факторам. Отображение Абеля–Якоби уникально с точностью до перевода тора Якоби.
В качестве примера можно привести следующее неравенство, принадлежащее Д. Бураго, С. Иванову и М. Громову .
Пусть M — n -мерное риманово многообразие с первым числом Бетти n такое, что отображение M в его тор Якоби имеет ненулевую степень . Тогда M удовлетворяет оптимальному устойчивому систолическому неравенству
где – классическая постоянная Эрмита .
Было показано, что асимптотические явления систолы поверхностей большого рода связаны с интересными эргодическими явлениями и свойствами подгрупп конгруэнтности арифметических групп .
Неравенство Громова 1983 года для гомотопической систолы подразумевает, в частности, равномерную нижнюю оценку площади асферической поверхности через ее систолу. Такая оценка обобщает неравенства Левнера и Пу, хотя и неоптимальным образом.
Основополагающая статья Громова 1983 года также содержит асимптотические границы, связывающие систолу и площадь, которые улучшают равномерную оценку (действительную во всех измерениях).
Недавно было обнаружено (см. статью Каца и Сабуро ниже), что объемная энтропия h вместе с оптимальным неравенством А. Катока для h является «правильным» посредником в прозрачном доказательстве асимптотической оценки М. Громова для систолического отношения поверхности большого рода.
Классический результат А. Каток утверждает, что каждая метрика на замкнутой поверхности M с отрицательной эйлеровой характеристикой удовлетворяет оптимальному неравенству, связывающему энтропию и площадь.
Оказывается, минимальная энтропия замкнутой поверхности может быть связана с ее оптимальным систолическим соотношением. А именно, существует верхняя граница энтропии систолически экстремальной поверхности через ее систолу. Объединив эту верхнюю оценку с оптимальной нижней оценкой Катока по объему, можно получить более простое альтернативное доказательство асимптотической оценки Громова оптимального систолического отношения поверхностей большого рода. Более того, такой подход дает улучшенную мультипликативную константу в теореме Громова.
В качестве приложения этот метод подразумевает, что каждая метрика на поверхности рода не менее 20 удовлетворяет неравенству тора Лёвнера. Это улучшает лучшую предыдущую оценку 50, которая следовала из оценки Громова.
Гипотеза Громова о области заполнения была доказана в гиперэллиптической ситуации (см. ссылку Бангерта и др. ниже).
Гипотеза о площади заполнения утверждает, что среди всех возможных заполнений риманова окружности длины 2π поверхностью с сильно изометричным свойством круглая полусфера имеет наименьшую площадь. Здесь под римановой окружностью понимается единственное замкнутое одномерное риманово многообразие с полным 1-объемом 2π и римановым диаметром π.
Чтобы объяснить гипотезу, мы начнем с наблюдения, что экваториальная окружность единичной 2-сферы S 2 ⊂ R 3 представляет собой риманову окружность S 1 длины 2π и диаметра π.
Точнее, функция риманова расстояния S 1 представляет собой ограничение окружающего риманова расстояния на сфере. Этому свойству не удовлетворяет стандартное вложение единичного круга в евклидову плоскость, где пара противоположных точек находится на расстоянии 2, а не π.
Мы рассматриваем все заполнения поверхности S 1 такой, что ограниченная метрика, определяемая включением окружности в качестве границы поверхности, является римановой метрикой окружности длины 2π. Включение окружности в качестве границы тогда называется сильно изометрическим вложением окружности.
В 1983 году Громов предположил, что круглая полусфера дает «лучший» способ заполнения круга среди всех заполняющих поверхностей.
Случай односвязных заполнений эквивалентен неравенству Пу . Недавно случай пломб рода -1 также был решен положительно (см. ссылку Bangert et al. ниже). А именно, оказывается, что можно использовать формулу Дж. Герша полувековой давности из интегральной геометрии. А именно, рассмотрим семейство петель восьмерки на футбольном мяче с точкой самопересечения на экваторе (см. рисунок в начале статьи). Формула Херша выражает площадь метрики конформного класса футбольного мяча как среднее значение энергий петель восьмерки из семейства. Применение формулы Херша к гиперэллиптическому фактору римановой поверхности доказывает гипотезу о площади заполнения в этом случае.
Другие систолические разветвления гиперэллиптичности были идентифицированы в роде 2.
К полевым исследованиям относятся опрос М. Бергера (1993 г.), опрос Громова (1996 г.), книга Громова (1999 г.), панорамная книга Бергера (2003 г.), а также книга Каца (2007 г.). Эти ссылки могут помочь новичку войти в эту область. Они также содержат открытые проблемы, над которыми нужно работать.