Симплектическое многообразие - Symplectic manifold

В дифференциальная геометрия, предмет математика, а симплектическое многообразие это гладкое многообразие, ${displaystyle M}$, оборудованный закрыто невырожденный дифференциальная 2-форма ${displaystyle omega }$, называется симплектическая форма. Изучение симплектических многообразий называется симплектическая геометрия или же симплектическая топология. Симплектические многообразия естественным образом возникают в абстрактных формулировках классическая механика и аналитическая механика как котангенсные пучки многообразий. Например, в Гамильтонова формулировка классической механики, которая обеспечивает одну из основных мотиваций для данной области, множество всех возможных конфигураций системы моделируется как многообразие, и это многообразие котангенсный пучок описывает фазовое пространство системы.

Мотивация

Симплектические многообразия возникают из классическая механика; в частности, они являются обобщением фазовое пространство закрытой системы.^[1] Таким же образом Уравнения Гамильтона позволяют получить временную эволюцию системы из набора дифференциальные уравнения, симплектическая форма должна позволять получить векторное поле описывающий течение системы от дифференциала dH гамильтоновой функции ЧАС.^[2] Итак, нам нужна линейная карта TM → Т^∗M, или, что то же самое, элемент Т^∗M ⊗ Т^∗M. Сдача ω обозначить раздел из Т^∗M ⊗ Т^∗M, требование, чтобы ω быть невырожденный гарантирует, что для каждого дифференциала dH существует единственное соответствующее векторное поле V_ЧАС такой, что dH = ω(V_ЧАС, · ). Поскольку нужно, чтобы гамильтониан был постоянным вдоль линий потока, необходимо иметь dH(V_ЧАС) = ω(V_ЧАС, V_ЧАС) = 0, откуда следует, что ω является чередование и, следовательно, 2-форма. Наконец, требуется, чтобы ω не должны изменяться под линиями разнесения, т.е. Производная Ли из ω вдоль V_ЧАС исчезает. Применение Формула Картана, это составляет (здесь ${displaystyle iota _{X}}$ это интерьерный продукт ):

${displaystyle {mathcal {L}}_{V_{H}}(omega )=0;Leftrightarrow ;mathrm {d} (iota _{V_{H}}omega )+iota _{V_{H}}mathrm {d} omega =mathrm {d} (mathrm {d} ,H)+mathrm {d} omega (V_{H})=mathrm {d} omega (V_{H})=0}$

так что, повторяя это рассуждение для разных гладких функций ${displaystyle H}$ такие, что соответствующие ${displaystyle V_{H}}$ покрывая касательное пространство в каждой точке, в которой применяется аргумент, мы видим, что требование об обращении в нуль производной Ли вдоль потоков ${displaystyle V_{H}}$ соответствующие произвольным гладким ${displaystyle H}$ эквивалентно требованию, чтобы ω должно быть закрыто.

Определение

А симплектическая форма на гладком многообразие ${displaystyle M}$ замкнутый невырожденный дифференциал 2-форма ${displaystyle omega }$.^[3][4] Здесь невырожденная означает, что для каждой точки ${displaystyle pin M}$, кососимметричное спаривание на касательное пространство ${displaystyle T_{p}M}$ определяется ${displaystyle omega }$ невырожден. То есть, если существует ${displaystyle Xin T_{p}M}$ такой, что ${displaystyle omega (X,Y)=0}$ для всех ${displaystyle Yin T_{p}M}$, тогда ${displaystyle X=0}$. Поскольку в нечетных размерах кососимметричные матрицы всегда сингулярны, требование, чтобы ${displaystyle omega }$ быть невырожденным означает, что ${displaystyle M}$ имеет четное измерение.^[3][4] Закрытое состояние означает, что внешняя производная из ${displaystyle omega }$ исчезает. А симплектическое многообразие пара ${displaystyle (M,omega )}$ куда ${displaystyle M}$ является гладким многообразием и ${displaystyle omega }$ является симплектической формой. Придание симплектической формы ${displaystyle M}$ называется предоставление ${displaystyle M}$ а симплектическая структура.

Примеры

Симплектические векторные пространства

Позволять ${displaystyle {v_{1},ldots ,v_{2n}}}$ быть основой для ${displaystyle mathbb {R} ^{2n}.}$ Определим нашу симплектическую форму ω исходя из этого:

${displaystyle omega (v_{i},v_{j})={egin{cases}1&j-i=n{ ext{ with }}1leqslant ileqslant n-1&i-j=n{ ext{ with }}1leqslant jleqslant n�&{ ext{otherwise}}end{cases}}}$

В этом случае симплектическая форма сводится к простому квадратичная форма. Если я_п обозначает п × п единичная матрица то матрица Ω этой квадратичной формы задается 2п × 2п блочная матрица:

${displaystyle Omega ={egin{pmatrix}0&I_{n}-I_{n}&0end{pmatrix}}.}$

Котангенсные пучки

Позволять ${displaystyle Q}$ - гладкое многообразие размерности ${displaystyle n}$. Тогда общая площадь котангенсный пучок ${displaystyle T^{*}Q}$ имеет естественную симплектическую форму, называемую двумерной формой Пуанкаре или каноническая симплектическая форма

${displaystyle omega =sum _{i=1}^{n}dp_{i}wedge dq^{i}}$

Здесь ${displaystyle (q^{1},ldots ,q^{n})}$ любые локальные координаты на ${displaystyle Q}$ и ${displaystyle (p_{1},ldots ,p_{n})}$ послойные координаты относительно котангенсных векторов ${displaystyle dq^{1},ldots ,dq^{n}}$. Котангенсные пучки - естественные фазовые пространства классической механики. Различие верхнего и нижнего индексов определяется случаем коллектора, имеющего метрический тензор, как и в случае Римановы многообразия. Верхний и нижний индексы трансформируются против и ковариантно при изменении системы координат. Фраза «послойные координаты относительно котангенсных векторов» означает, что импульсы ${displaystyle p_{i}}$ находятся "припаян "к скоростям ${displaystyle dq^{i}}$. Пайка является выражением идеи о том, что скорость и импульс коллинеарны, поскольку оба движутся в одном направлении и отличаются масштабным коэффициентом.

Кэлеровы многообразия

А Кэлерово многообразие - симплектическое многообразие с согласованной интегрируемой комплексной структурой. Они образуют особый класс комплексные многообразия. Большой класс примеров происходит из сложных алгебраическая геометрия. Любой гладкий комплекс проективное разнообразие ${displaystyle Vsubset mathbb {CP} ^{n}}$ имеет симплектическую форму, которая является ограничением формы Фубини-Штуди на проективное пространство ${displaystyle mathbb {CP} ^{n}}$.

Лагранжиан и другие подмногообразия

Существует несколько естественных геометрических представлений о подмногообразие симплектического многообразия ${displaystyle (M,omega )}$.

• симплектические подмногообразия из ${displaystyle M}$ (потенциально любой четной размерности) являются подмногообразиями ${displaystyle Ssubset M}$ такой, что ${displaystyle omega |_{S}}$ является симплектической формой на ${displaystyle S}$.

• изотропные подмногообразия являются подмногообразиями, у которых симплектическая форма ограничивается нулем, т.е. каждое касательное пространство является изотропным подпространством касательного пространства объемлющего многообразия. Аналогично, если каждое касательное подпространство к подмногообразию коизотропно (двойственное к изотропному подпространству), подмногообразие называется соизотропный.

• Лагранжевы подмногообразия симплектического многообразия ${displaystyle (M,omega )}$ - подмногообразия, в которых ограничение симплектической формы ${displaystyle omega }$ к ${displaystyle Lsubset M}$ исчезает, т.е. ${displaystyle omega |_{L}=0}$ и ${displaystyle { ext{dim }}L={ frac {1}{2}}dim M}$. Лагранжевы подмногообразия - это максимальные изотропные подмногообразия.

Наиболее важным случаем изотропных подмногообразий является случай Лагранжевы подмногообразия. Лагранжево подмногообразие по определению является изотропным подмногообразием максимальной размерности, а именно половиной размерности объемлющего симплектического многообразия. Одним из основных примеров является то, что график симплектоморфизм в симплектическом многообразии произведения (M × M, ω × −ω) лагранжево. Их пересечения демонстрируют свойства жесткости, которыми не обладают гладкие многообразия; то Гипотеза Арнольда дает сумму подмногообразия Бетти числа в качестве оценки снизу числа самопересечений гладкого лагранжевого подмногообразия, а не Эйлерова характеристика в гладком корпусе.

Примеры

Позволять ${displaystyle mathbb {R} _{{ extbf {x}},{ extbf {y}}}^{2n}}$ помечены глобальные координаты ${displaystyle (x_{1},ldots ,x_{n},y_{1},ldots ,y_{n}).}$ Затем мы можем оборудовать ${displaystyle mathbb {R} _{{ extbf {x}},{ extbf {y}}}^{2n}}$ с канонической симплектической формой

${displaystyle omega =mathrm {d} x_{1}wedge mathrm {d} y_{1}+cdots +mathrm {d} x_{n}wedge mathrm {d} y_{n}.}$

Существует стандартное лагранжево подмногообразие: ${displaystyle mathbb {R} _{mathbf {x} }^{n} o mathbb {R} _{mathbf {x} ,mathbf {y} }^{2n}}$. Форма ${displaystyle omega }$ исчезает на ${displaystyle mathbb {R} _{mathbf {x} }^{n}}$ потому что для любой пары касательных векторов ${displaystyle X=f_{i}({ extbf {x}})partial _{x_{i}},Y=g_{i}({ extbf {x}})partial _{x_{i}},}$ у нас есть это ${displaystyle omega (X,Y)=0.}$ Чтобы прояснить, рассмотрим случай ${displaystyle n=1}$. Потом, ${displaystyle X=f(x)partial _{x},Y=g(x)partial _{x},}$ и ${displaystyle omega =mathrm {d} xwedge mathrm {d} y.}$ Обратите внимание, что когда мы расширяем это

${displaystyle omega (X,Y)=omega (f(x)partial _{x},g(x)partial _{x})={frac {1}{2}}f(x)g(x)(mathrm {d} x(partial _{x})mathrm {d} y(partial _{x})-mathrm {d} y(partial _{x})mathrm {d} x(partial _{x}))}$

оба условия у нас есть ${displaystyle mathrm {d} y(partial _{x})}$ коэффициент, равный 0 по определению.

Кокасательное расслоение многообразия локально моделируется на пространстве аналогично первому примеру. Можно показать, что мы можем склеить эти аффинные симплектические формы, следовательно, это расслоение образует симплектическое многообразие. Более нетривиальный пример лагранжевого подмногообразия - нулевое сечение кокасательного расслоения многообразия. Например, пусть

${displaystyle X={(x,y)in mathbb {R} ^{2}:y^{2}-x=0}.}$

Тогда мы можем представить ${displaystyle T^{*}X}$ в качестве

${displaystyle T^{*}X={(x,y,mathrm {d} x,mathrm {d} y)in mathbb {R} ^{4}:y^{2}-x=0,2ymathrm {d} y-mathrm {d} x=0}}$

где мы лечим символы ${displaystyle mathrm {d} x,mathrm {d} y}$ как координаты ${displaystyle mathbb {R} ^{4}=T^{*}mathbb {R} ^{2}.}$ Можно рассмотреть подмножество, в котором координаты ${displaystyle mathrm {d} x=0}$ и ${displaystyle mathrm {d} y=0}$, давая нам нулевое сечение. Этот пример можно повторить для любого многообразия, определяемого множеством исчезающих гладких функций ${displaystyle f_{1},ldots ,f_{k}}$ и их дифференциалы ${displaystyle mathrm {d} f_{1},ldots ,df_{k}}$.

Другой полезный класс лагранжевых подмногообразий можно найти с помощью теории Морса. Учитывая функцию Морса ${displaystyle f:M o mathbb {R} }$ и для достаточно маленького ${displaystyle varepsilon }$ можно построить лагранжево подмногообразие, заданное исчезающим множеством ${displaystyle mathbb {V} (varepsilon cdot mathrm {d} f)subset T^{*}M}$. Для функции Морса общего положения мы имеем лагранжево пересечение, заданное формулой ${displaystyle Mcap mathbb {V} (varepsilon cdot mathrm {d} f)={ ext{Crit}}(f)}$.

Смотрите также: симплектическая категория

Специальные лагранжевы подмногообразия

В случае Кэлеровы многообразия (или же Многообразия Калаби-Яу ) мы можем сделать выбор ${displaystyle Omega =Omega _{1}+mathrm {i} Omega _{2}}$ на ${displaystyle M}$ как голоморфную n-форму, где ${displaystyle Omega _{1}}$ это настоящая часть и ${displaystyle Omega _{2}}$ воображаемый. Лагранжево подмногообразие ${displaystyle L}$ называется специальный если в дополнение к указанному выше условию Лагранжа ограничение ${displaystyle Omega _{2}}$ к ${displaystyle L}$ исчезает. Другими словами, настоящая часть ${displaystyle Omega _{1}}$ ограничено ${displaystyle L}$ ведет объемную форму на ${displaystyle L}$. Следующие примеры известны как специальные лагранжевы подмногообразия:

1. комплексных лагранжевых подмногообразий гиперкелеровы многообразия,
2. неподвижные точки вещественной структуры многообразий Калаби-Яу.

В Гипотеза SYZ доказано для специальных лагранжевых подмногообразий, но в целом оно открыто и вносит большой вклад в изучение зеркальная симметрия. видеть (Хитчин 1999 )

Лагранжево расслоение

А Лагранжево расслоение симплектического многообразия M это расслоение где все волокна являются лагранжевыми подмногообразиями. С M четномерно мы можем взять локальные координаты (п₁,…,п_п, q¹,…,q^п), и по Теорема Дарбу симплектическая форма ω может быть, по крайней мере локально, записано как ω = ∑ dп_k ∧ гq^k, где d обозначает внешняя производная а ∧ обозначает внешний продукт. Эта форма называется Двойная форма Пуанкаре или каноническая двойная форма. Используя эту настройку, мы можем думать о M как быть котангенсный пучок ${displaystyle T^{*}mathbb {R} ^{n},}$ а лагранжево расслоение - как тривиальное расслоение ${displaystyle pi :T^{*}mathbb {R} ^{n} o mathbb {R} ^{n}.}$ Это каноническая картина.

Лагранжево отображение

Позволять L - лагранжево подмногообразие симплектического многообразия (K, ω), заданные погружение я : L ↪ K (я называется Лагранжево погружение). Позволять π : K ↠ B дают лагранжево расслоение K. Составной (π ∘ я) : L ↪ K ↠ B это Лагранжево отображение. В набор критических значений из π ∘ я называется едкий.

Два лагранжевых отображения (π₁ ∘ я₁) : L₁ ↪ K₁ ↠ B₁ и (π₂ ∘ я₂) : L₂ ↪ K₂ ↠ B₂ называются Лагранжев эквивалент если есть диффеоморфизмы σ, τ и ν такие, что обе стороны диаграммы, приведенной справа ездить, и τ сохраняет симплектическую форму.^[4] Символически:

${displaystyle au circ i_{1}=i_{2}circ sigma , u circ pi _{1}=pi _{2}circ au , au ^{*}omega _{2}=omega _{1},,}$

куда τ^∗ω₂ обозначает отступить из ω₂ к τ.

Частные случаи и обобщения

• Симплектическое многообразие ${displaystyle (M,omega )}$ является точный если симплектическая форма ${displaystyle omega }$ является точный. Например, кокасательное расслоение гладкого многообразия является точным симплектическим многообразием. В каноническая симплектическая форма точно.

• Симплектическое многообразие, наделенное метрика то есть совместимый с симплектической формой является почти кэлерово многообразие в том смысле, что касательное расслоение имеет почти сложная структура, но это не обязательно интегрируемый.

• Симплектические многообразия - это частные случаи Пуассоново многообразие. Определение симплектического многообразия требует, чтобы симплектическая форма была невырожденной всюду, но если это условие нарушается, многообразие может оставаться пуассоновым.

• А мультисимплектическое многообразие степени k - многообразие с замкнутым невырожденным k-форма.^[5]

• А полисимплектическое многообразие является лежандровым расслоением с полисимплектическим касательным ${displaystyle (n+2)}$-форма; он используется в гамильтоновой теории поля.^[6]

Смотрите также

• Математический портал

• Почти комплексное многообразие
• Почти симплектическое многообразие
• Контактный коллектор - нечетномерный аналог симплектического многообразия.
• Федосовское многообразие
• Скобка Пуассона
• Симплектическая группа
• Симплектическая матрица
• Симплектическая топология
• Симплектическое векторное пространство
• Симплектоморфизм
• Тавтологическая одноформа
• Неравенство Виртингера (2-формы)
• Ковариантная гамильтонова теория поля

Примечания

1. Вебстер, Бен. "Что такое симплектическое многообразие на самом деле?".
2. Кон, Генри. «Почему симплектическая геометрия - естественная среда для классической механики».
3. де Госсон, Морис (2006). Симплектическая геометрия и квантовая механика. Базель: Birkhäuser Verlag. п. 10. ISBN  3-7643-7574-4.
4. Арнольд, В.И.; Варченко, А.; Гусейн-Заде, С.М. (1985). Классификация критических точек, каустик и волновых фронтов: особенности дифференцируемых отображений, Том 1. Birkhäuser. ISBN  0-8176-3187-9.
5. Cantrijn, F .; Ibort, L.A .; де Леон, М. (1999). «О геометрии мультисимплектических многообразий». J. Austral. Математика. Soc. Сер. А. 66 (3): 303–330. Дои:10.1017 / S1446788700036636.
6. Giachetta, G .; Mangiarotti, L .; Сарданашвили, Г. (1999). «Ковариантные гамильтоновы уравнения теории поля». Журнал физики. A32: 6629–6642. arXiv:hep-th / 9904062. Дои:10.1088/0305-4470/32/38/302.

Рекомендации

• Макдафф, Дуса; Саламон, Д. (1998). Введение в симплектическую топологию. Оксфордские математические монографии. ISBN  0-19-850451-9.
• Ору, Дени. «Семинар по зеркальной симметрии».
• Майнренкен, Экхард. «Симплектическая геометрия» (PDF).
• Авраам, Ральф; Марсден, Джеррольд Э. (1978). Основы механики. Лондон: Бенджамин-Каммингс. См. Раздел 3.2. ISBN  0-8053-0102-X.
• де Госсон, Морис А. (2006). Симплектическая геометрия и квантовая механика. Базель: Birkhäuser Verlag. ISBN  3-7643-7574-4.
• Алан Вайнштейн (1971). «Симплектические многообразия и их лагранжевы подмногообразия». Успехи в математике. 6 (3): 329–46. Дои:10.1016 / 0001-8708 (71) 90020-Х.
• Арнольд В. И. (1990). «Глава 1, Симплектическая геометрия». Особенности каустик и волновых фронтов.. Математика и ее приложения. 62. Дордрехт: Springer, Нидерланды. Дои:10.1007/978-94-011-3330-2. ISBN  978-1-4020-0333-2. OCLC  22509804.

внешняя ссылка

• «Как найти лагранжевы подмногообразия». Обмен стеком. 17 декабря 2014 г.
• Ü. Lumiste (2001) [1994], «Симплектическая структура», Энциклопедия математики, EMS Press
• Сарданашвили, Г. (2009). «Расслоения, струйные многообразия и лагранжева теория». Лекции для теоретиков. arXiv:0908.1886.
• Макдафф, Д. (Ноябрь 1998 г.). «Симплектические структуры - новый подход к геометрии» (PDF). Уведомления AMS.
• «Примеры симплектических многообразий». PlanetMath.
• Хитчин, Найджел (1999). «Лекции о специальных лагранжевых подмногообразиях». arXiv:математика / 9907034.