Diffeomorfizm - Diffeomorphism

İçinde matematik, bir diffeomorfizm bir izomorfizm nın-nin pürüzsüz manifoldlar. O bir ters çevrilebilir işlevi bu birini eşler türevlenebilir manifold diğerine öyle ki hem işlevi hem de ters vardır pürüzsüz.

görüntü kareden kendi üstüne bir diffeomorfizm altında bir kare üzerinde dikdörtgen bir ızgaranın.

Tanım

İki verildi manifoldlar ve , bir ayırt edilebilir harita denir diffeomorfizm eğer bir birebir örten ve tersi aynı zamanda farklılaştırılabilir. Bu işlevler zamanlar sürekli türevlenebilir, denir diffeomorfizm.

İki manifold ve vardır diffeomorfik (genellikle gösterilir ) diffeomorfizm varsa itibaren -e . Onlar -diffeomorfik eğer varsa aralarındaki sürekli türevlenebilir önyargılı haritaların tersi de zamanlar sürekli türevlenebilir.

Manifoldların alt kümelerinin diffeomorfizmleri

Verilen bir alt küme X bir manifoldun M ve bir alt küme Y bir manifoldun N, bir işlev f : X → Y herkes için pürüzsüz olduğu söyleniyor p içinde X var Semt U ⊆ M nın-nin p ve pürüzsüz bir işlev g : U → N öyle ki kısıtlamalar Katılıyorum: (Bunu not et g bir uzantısıdır f). İşlev f önyargılı, pürüzsüz ve tersi düzgünse bir diffeomorfizm olduğu söylenir.

Yerel açıklama

Hadamard-Caccioppoli Teoremi[1][2]

Eğer U, V vardır bağlı alt kümeleri aç nın-nin Rn öyle ki V dır-dir basitçe bağlı, bir ayırt edilebilir harita f : U → V bir diffeomorfizm Öyleyse uygun ve eğer diferansiyel Dfx : Rn → Rn önyargılıdır (ve dolayısıyla doğrusal izomorfizm ) her noktada x içinde U.

İlk söz

İçin gereklidir V olmak basitçe bağlı işlev için f küresel olarak tersine çevrilebilir olmak (türevinin her noktada bir önyargı haritası olması koşuluyla). Örneğin, "gerçekleşme" yi düşünün. karmaşık kare işlevi

Sonra f dır-dir örten ve tatmin ediyor

Böylece Dfx her noktada önyargılıdır, f tersine çevrilemez çünkü başarısız olur enjekte edici (Örneğin. f(1, 0) = (1, 0) = f(−1, 0).

İkinci söz

Bir noktadaki diferansiyelden beri (türevlenebilir bir fonksiyon için)

bir doğrusal harita iyi tanımlanmış bir tersi vardır ancak ve ancak Dfx bir bijection. matris temsili Dfx ... n × n birinci dereceden matris kısmi türevler kimin girişi ben-nci sıra ve j-nci sütun . Bu sözde Jacobian matrisi genellikle açık hesaplamalar için kullanılır.

Üçüncü söz

Diffeomorfizmler zorunlu olarak aynı şeylerin manifoldları arasındadır. boyut. Hayal etmek f boyuttan gitmek n boyutlandırmak k. Eğer n < k sonra Dfx asla örten olamazdı ve eğer n > k sonra Dfx asla enjekte edici olamaz. Bu nedenle her iki durumda da Dfx bir bijeksiyon olamaz.

Dördüncü söz

Eğer Dfx bir eşleşme x sonra f olduğu söyleniyor yerel diffeomorfizm (süreklilikle, Dfy aynı zamanda herkes için önyargılı olacak y yeterince yakın x).

Beşinci açıklama

Boyuttan düzgün bir harita verildiğinde n boyutlandırmak k, Eğer Df (veya yerel olarak, Dfx) örten, f olduğu söyleniyor dalma (veya yerel olarak bir "yerel daldırma"); ve eğer Df (veya yerel olarak, Dfx) enjekte edici, f olduğu söyleniyor daldırma (veya yerel olarak "yerel daldırma").

Altıncı söz

Farklılaştırılabilir bir bijeksiyon değil zorunlu olarak bir diffeomorfizm. f(x) = x3örneğin, bir diffeomorfizm değildir R kendi kendine çünkü türevi 0'da kaybolur (ve dolayısıyla tersi 0'da türevlenemez). Bu bir örnektir homomorfizm bu bir diffeomorfizm değildir.

Yedinci sözler

Ne zaman f arasında bir harita ayırt edilebilir manifoldlar, diffeomorfik f homeomorfikten daha güçlü bir durumdur f. Bir diffeomorfizm için, f ve bunun tersi olması gerekir ayırt edilebilir; bir homeomorfizm için, f ve bunun tersi sadece sürekli. Her diffeomorfizm bir homeomorfizmdir, ancak her homeomorfizm bir diffeomorfizm değildir.

f : M → N denir diffeomorfizm eğer, içinde koordinat çizelgeleri yukarıdaki tanımı karşılar. Daha doğrusu: Herhangi bir kapak seçin M uyumlu olarak koordinat çizelgeleri ve aynısını yap N. Φ ve ψ sırasıyla grafikler olsun, M ve N, ile U ve V sırasıyla φ ve ψ görüntüleri olarak. Harita ψfφ−1 : U → V o zaman yukarıdaki tanımda olduğu gibi bir diffeomorfizmdir. f−1(U)) ⊆ ψ−1(V).

Örnekler

Herhangi bir manifold yerel olarak parametrik hale getirilebildiğinden, bazı açık haritaları dikkate alabiliriz. R2 içine R2.

  • İzin Vermek
Jacobian matrisini hesaplayabiliriz:
Jacobian matrisinde sıfır var belirleyici ancak ve ancak xy = 0. Bunu görüyoruz f sadece bir diffeomorfizm olabilirdi xeksen ve yeksen. Ancak, f beri önyargılı değil f(x, y) = f(-x, y) ve bu nedenle bir diffeomorfizm olamaz.
  • İzin Vermek
nerede ve keyfi gerçek sayılar ve ihmal edilen terimler en az iki derece x ve y. Jacobian matrisini şu şekilde hesaplayabiliriz: 0:
Bunu görüyoruz g yerel bir diffeomorfizmdir 0 ancak ve ancak,
ör. bileşenlerindeki doğrusal terimler g vardır Doğrusal bağımsız gibi polinomlar.
  • İzin Vermek
Jacobian matrisini hesaplayabiliriz:
Jacobian matrisi her yerde sıfır belirleyiciye sahiptir! Aslında görüyoruz ki, h ... birim çember.

Yüzey deformasyonları

İçinde mekanik, stres kaynaklı bir dönüşüme deformasyon ve bir diffeomorfizm ile tanımlanabilir. bir diffeomorfizm f : UV ikisi arasında yüzeyler U ve V Jacobian matrisine sahiptir Df bu bir tersinir matris. Aslında bunun için gerekli p içinde U, var Semt nın-nin p Jacobian'ın Df kalır tekil olmayan. Jacobian 2 × 2 gerçek bir matris olduğundan, Df olarak okunabilir üç tür karmaşık sayıdan biri: sıradan kompleks, karmaşık sayıyı bölmek veya çift ​​numara. Bir yüzey grafiğinde,

toplam diferansiyel nın-nin sen dır-dir

ve benzer şekilde v.

Sonra görüntü bir doğrusal dönüşüm, başlangıç ​​noktasını sabitler ve belirli bir türden karmaşık bir sayının eylemi olarak ifade edilebilir. Ne zaman (dx, dy) bu tür karmaşık sayı olarak da yorumlanır, eylem uygun karmaşık sayı düzleminde karmaşık çarpma işlemidir. Bu nedenle, bir tür açı vardır (Öklid, hiperbolik veya eğim ) böyle bir çarpmada korunur. Nedeniyle Df tersine çevrilebilir olduğundan, karmaşık sayının türü yüzey üzerinde aynıdır. Sonuç olarak, yüzey deformasyonu veya diffeomorfizmi, uyumlu mülkiyet (uygun tip) açıların korunması.

Diffeomorfizm grubu

İzin Vermek M türevlenebilir bir manifold olmak ikinci sayılabilir ve Hausdorff. diffeomorfizm grubu nın-nin M ... grup hepsinden Cr diffeomorfizmleri M kendisine, Diff ile gösterilirr(M) ya da ne zaman r anlaşılır, Diff (M). Bu, şu anlamda "büyük" bir gruptur - M sıfır boyutlu değildir — değildir yerel olarak kompakt.

Topoloji

Diffeomorfizm grubunun iki doğal topolojiler: güçsüz ve kuvvetli (Hirsch 1997 ). Manifold ne zaman kompakt, bu iki topoloji aynı fikirde. Zayıf topoloji her zaman ölçülebilir. Manifold kompakt olmadığında, güçlü topoloji fonksiyonların davranışını "sonsuzda" yakalar ve ölçülebilir değildir. Ancak yine de Baire.

Bir Riemann metriği açık Mzayıf topoloji, ölçüm ailesi tarafından oluşturulan topolojidir

gibi K kompakt alt kümelerine göre değişir M. Nitekim, o zamandan beri M σ-kompakt, bir dizi kompakt alt küme var Kn kimin Birlik dır-dir M. Sonra:

Zayıf topolojisi ile donatılmış diffeomorfizm grubu, yerel olarak Cr vektör alanları (Leslie 1967 ). Kompakt bir alt kümesi üzerinde M, bunu Riemann metriğini sabitleyerek izler M ve kullanarak üstel harita bu metrik için. Eğer r sonludur ve manifold kompakttır, vektör alanlarının uzayı bir Banach alanı. Dahası, bu atlasın bir haritasından diğerine geçiş haritaları pürüzsüzdür ve diffeomorfizm grubunu bir Banach manifoldu düzgün doğru çevirilerle; Sol çeviriler ve ters çevirme yalnızca süreklidir. Eğer r = ∞, vektör alanlarının uzayı bir Fréchet alanı. Dahası, geçiş haritaları pürüzsüzdür ve diffeomorfizm grubunu bir Fréchet manifoldu ve hatta düzenli Fréchet Lie grubu. Manifold σ-kompaktsa ve kompakt değilse, tam diffeomorfizm grubu iki topolojiden herhangi biri için yerel olarak daraltılamaz. Çok yönlü bir diffeomorfizm grubu elde etmek için sonsuza yakın kimlikten sapmayı kontrol ederek grubu sınırlandırmak gerekir; görmek (Michor ve Mumford 2013 ).

Lie cebiri

Lie cebiri diffeomorfizm grubunun M hepsinden oluşur vektör alanları açık M ile donatılmış Vektör alanlarının Lie parantezi. Biraz resmi olarak, bu koordinatta küçük bir değişiklik yaparak görülür uzaydaki her noktada:

yani sonsuz küçük üreteçler vektör alanlarıdır

Örnekler

  • Ne zaman M = G bir Lie grubu doğal olarak dahil edilir G sol çeviri yoluyla kendi diffeomorfizm grubunda. Diff edelim (G) diffeomorfizm grubunu gösterir G, sonra bir bölme Diff (G) ≃ G × Farklı (G, e), Diff (G, e) alt grup Diff (G) kimlik öğesi Grubun.
  • Öklid uzayının diffeomorfizm grubu Rn yönelim koruyan ve yönelim tersine çeviren difeomorfizmlerden oluşan iki bileşenden oluşur. Aslında genel doğrusal grup bir deformasyon geri çekilmesi Diff alt grubunun (Rn, 0) haritanın altındaki orijini belirleyen diffeomorfizmler f(x) ↦ f(tx)/t, t ∈ (0,1] Özellikle, genel doğrusal grup aynı zamanda tam diffeomorfizm grubunun bir deformasyon geri çekmesidir.
  • Sonlu bir Ayarlamak diffeomorfizm grubu basitçe simetrik grup. Benzer şekilde, if M herhangi bir manifold var mı grup uzantısı 0 → Farklı0(M) → Fark (M) → Σ (π0(M)). İşte Diff0(M), Diff'in alt grubudur (M) tüm bileşenlerini koruyan Mve Σ (π0(M)) kümenin permütasyon grubudur π0(M) (bileşenleri M). Dahası, haritanın görüntüsü Diff (M) → Σ (π0(M)) π'nin önyargılarıdır0(M) diffeomorfizm sınıflarını koruyan.

Geçişlilik

Bağlı bir manifold için Mdiffeomorfizm grubu hareketler geçişli olarak açık M. Daha genel olarak, diffeomorfizm grubu geçişli olarak yapılandırma alanı CkM. Eğer M en az iki boyutlu, diffeomorfizm grubu geçişli olarak yapılandırma alanı FkM ve eylem M dır-dir geçişli çarpmak (Banyaga 1997, s. 29).

Diffeomorfizmlerin uzantıları

1926'da, Tibor Radó diye sordu harmonik uzatma birim çemberin herhangi bir homeomorfizmi veya diffeomorfizminin birim disk açık diskte diffeomorfizm verir. Kısa bir süre sonra zarif bir kanıt sağlandı Hellmuth Kneser. 1945'te, Gustave Choquet görünüşe göre bu sonucun farkında olmadığı için tamamen farklı bir kanıt ortaya çıkardı.

Dairenin (oryantasyonu koruyan) difeomorfizm grubu yol yönüne bağlıdır. Bu, böyle bir diffeomorfizmin diffeomorfizme kaldırılabileceğine dikkat çekilerek görülebilir. f tatmin edici gerçeklerden [f(x + 1) = f(x) + 1]; bu boşluk dışbükeydir ve dolayısıyla yola bağlıdır. Kimliğe giden pürüzsüz, nihayetinde sabit bir yol, difeomorfizmi çemberden açık birim diske uzatmanın ikinci ve daha temel bir yolunu verir (özel bir durum İskender numarası ). Dahası, çemberin diffeomorfizm grubu, homotopi tipine sahiptir. ortogonal grup O (2).

Yüksek boyutlu kürelerin diffeomorfizmleri için karşılık gelen genişleme problemi Sn−1 1950'lerde ve 1960'larda çok çalışıldı, René Thom, John Milnor ve Stephen Smale. Bu tür uzantılara bir engel, sonlu değişmeli grup Γn, "bükülmüş küreler grubu "olarak tanımlanır bölüm değişmeli bileşen grubu topun diffeomorfizmlerine kadar uzanan sınıfların alt grubuna göre diffeomorfizm grubunun Bn.

Bağlılık

Manifoldlar için diffeomorfizm grubu genellikle bağlantılı değildir. Bileşen grubuna, eşleme sınıfı grubu. 2. boyutta (yani yüzeyler ), eşleme sınıfı grubu bir sonlu sunulan grup tarafından oluşturuldu Dehn katlanmış (Dehn, Yalama, Kuluçka makinesi ).[kaynak belirtilmeli ] Max Dehn ve Jakob Nielsen ile tanımlanabileceğini gösterdi dış otomorfizm grubu of temel grup yüzeyin.

William Thurston tarafından bu analizi rafine etti eşleme sınıfı grubunun elemanlarını sınıflandırma üç türe ayrılır: a'ya eşdeğer olanlar periyodik diffeomorfizm; basit bir kapalı eğri değişmezi bırakan diffeomorfizme eşdeğer olanlar; ve eşdeğer olanlar sözde Anosov diffeomorfizmleri. Durumunda simit S1 × S1 = R2/Z2, eşleme sınıfı grubu basitçe modüler grup SL (2,Z) ve sınıflandırma açısından klasik hale gelir eliptik, parabolik ve hiperbolik matrisler. Thurston sınıflandırmasını, haritalama sınıfı grubunun bir kompaktlaştırma nın-nin Teichmüller uzayı; bu genişlemiş alan kapalı bir topa homeomorfik olduğundan, Brouwer sabit nokta teoremi uygulanabilir hale geldi. Smale varsayılmış Eğer M bir yönelimli pürüzsüz kapalı manifold, kimlik bileşeni yönelim koruyan diffeomorfizmler grubunun basit. Bu ilk olarak bir çember ürünü için kanıtlanmıştı. Michel Herman; Thurston tarafından tam bir genellik içinde kanıtlanmıştır.

Homotopi türleri

  • Diffeomorfizm grubu S2 O (3) alt grubunun homotopi tipine sahiptir. Bu Steve Smale tarafından kanıtlandı.[3]
  • Simitin diffeomorfizm grubu, doğrusal homotopi tipine sahiptir. otomorfizmler: S1 × S1 × GL (2, Z).
  • Yönlendirilebilir yüzeylerin diffeomorfizm grupları cins g > 1, eşleme sınıfı gruplarının homotopi türüne sahiptir (yani bileşenler daraltılabilir).
  • 3-manifoldlu diffeomorfizm gruplarının homotopi tipi, Ivanov, Hatcher, Gabai ve Rubinstein'ın çalışmasıyla oldukça iyi anlaşılmıştır, ancak birkaç göze çarpan açık durum vardır (öncelikle sonlu 3-manifoldlu temel gruplar ).
  • Homotopi tipi diffeomorfizm grupları n-manifoldlar n > 3 tam olarak anlaşılamamıştır. Örneğin, Diff olsun veya olmasın açık bir sorundur (S4) ikiden fazla bileşene sahiptir. Via Milnor, Kahn ve Antonelli'nin sağlandığı bilinmektedir. n > 6, Fark (Sn) sonlu bir homotopi türüne sahip değildir CW kompleksi.

Homeomorfizm ve diffeomorfizm

Diffeomorfik olmayan homeomorfizmlerin aksine, bir çift homomorfik diffeomorfik olmayan manifoldlar. Boyut 1, 2 ve 3'te, herhangi bir çift homeomorfik pürüzsüz manifold diffeomorfiktir. 4 veya daha büyük boyutta, homeomorfik ancak diffeomorfik olmayan çiftlerin örnekleri bulunmuştur. Bu tür ilk örnek, John Milnor 7. boyutta pürüzsüz 7 boyutlu bir manifold oluşturdu (şimdi Milnor'un küresi ) bu standart 7-küre için homeomorfiktir, ancak ona diffeomorfik değildir. Aslında, 7-küre homeomorfik çok katlı 28 yönelimli diffeomorfizm sınıfı vardır (her biri, bir nesnenin toplam alanıdır). lif demeti ile 4 kürenin üzerinde 3-küre lif olarak).

Daha alışılmadık fenomenler meydana gelir 4-manifoldlar. 1980'lerin başında, sonuçların bir kombinasyonu Simon Donaldson ve Michael Freedman keşfine yol açtı acayip R4s: var sayılamayacak kadar çok ikili diffeomorfik olmayan açık altkümeleri R4 her biri homeomorfiktir R4ve aynı zamanda sayılamayacak kadar çok sayıda çift yönlü diffeomorfik olmayan diferansiyellenebilir manifoldlar vardır. R4 bu değil sorunsuz yerleştir içinde R4.

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Giuseppe De Marco; Gianluca Gorni; Gaetano Zampieri (1994). "Fonksiyonların Küresel Tersine Çevrilmesi: Giriş". NoDEA. 1: 229–248. arXiv:1410.7902. Bibcode:2014arXiv1410.7902D.
  2. ^ Steven G. Krantz; Harold R. Parks (2013). Örtük fonksiyon teoremi: tarih, teori ve uygulamalar. s. Teorem 6.2.4. ISBN  978-1-4614-5980-4.
  3. ^ Smale (1959). "2-kürenin diffeomorfizmleri". Proc. Amer. Matematik. Soc. 10 (4): 621–626. doi:10.1090 / s0002-9939-1959-0112149-8.

Referanslar