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微分几何中,一個微分流形上的联络完整[1](英語:holonomy,又譯和樂),描述向量繞閉圈平行移动一週回到起點後,與原先相異的現象。平聯絡的和樂是一種單值性現象,其於全域有定義。曲聯絡的和樂則有非平凡的局域和全域特點。

流形上任意一種聯絡,都可由其平行移動映射給出相應的和樂。常見的和樂由具有特定對稱的聯絡給出,例如黎曼几何列维-奇维塔联络的和樂(稱為黎曼和樂)。向量丛聯絡的和樂、嘉当联络的和樂,以及主丛聯絡的和樂。在該些例子中,聯絡的和樂可用一個李群描述,稱為和樂群。聯絡的和樂與其曲率密切相關,見安布羅斯-辛格定理

對黎曼和樂的研究導致了若干重要的發現。其最早由Élie Cartan (1926引入,以用於對稱空間英语symmetric space的分類上。然而,很久以後,和樂群才用於更一般的黎曼幾何上。1952年,乔治·德拉姆證明了德拉姆分解定理:若黎曼流形的切丛可分解成局域和樂群作用下不變的子空間,則該流形分解為黎曼流形的笛卡儿积。稍後,於1953年,馬塞爾·伯格英语Marcel Berger 給出所有不可約和樂的分類[2]。黎曼和樂的分解和分類適用於物理和弦論

定义

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向量叢聯絡的和樂

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M光滑流形E 為其上的k向量丛,∇ 為E 上的聯絡。給定M 上一點x 和以x 為基點的分段光滑環圈γ : [0,1] →M, 該聯絡定義了一個平行移动映射Pγ :ExEx. 該映射是可逆線性映射,因此是一般线性群 GL(Ex) 的元素。∇ 以x 為基點的和樂群定義為

Holx()={PγGL(Ex)γ 为 以  x 为 基 点 的 环 圈 }.{\displaystyle \operatorname {Hol} _{x}(\nabla )=\{P_{\gamma }\in \mathrm {GL} (E_{x})\mid \gamma {\text{ 为 以}}\ \ x{\text{ 为 基 点 的 环 圈 }}\}.}

x 為基點的限制和樂群是由可縮英语contractible環圈γ 給出的子群Holx0(){\displaystyle \operatorname {Hol} _{x}^{0}(\nabla )}.

M連通,則不同基點x 的和樂群僅相差 GL(k,R) 的共軛作用。更具體說,若γM 中由xy 的路徑,則

Holy()=PγHolx()Pγ1.{\displaystyle \operatorname {Hol} _{y}(\nabla )=P_{\gamma }\operatorname {Hol} _{x}(\nabla )P_{\gamma }^{-1}.}

選取Ex 的另一組基(即以另一種方式將Ex 視為與Rk 等同)同樣會使和樂群變成 GL(k,R) 中另一個共軛子群。非完全嚴格的討論中(下同),可將基點略去,但倘如此行,則和樂群僅在共軛意義下有良好定義。

和樂群的重要性質包括:

在物理学中,威爾森迴圈是 tr(P)(特徵標理論)。

主叢聯絡的和樂

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主叢聯絡的和樂與向量叢相倣。設G李群P仿緊光滑流形M 上的G。設ωP 上的聯絡。給定M 中一點x, 以x 為基點的分段光滑環圈γ : [0,1] →M, 以及x 纖維上一點p, 該聯絡定義了唯一的水平提升γ~:[0,1]P{\displaystyle {\tilde {\gamma }}:[0,1]\to P} 使得γ~(0)=p.{\displaystyle {\tilde {\gamma }}(0)=p.} 水平提升的終點γ~(1){\displaystyle {\tilde {\gamma }}(1)} 未必是p, 因為其可為x 纖維上的另一點p·g. 若兩點pq 之間有分段光滑的水平提升路徑連接,則稱p ~q. 如此,~ 是P 上的等價關係

ωp 為基點的和樂群定義為

Holp(ω)={gGppg}.{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )=\{g\in G\mid p\sim p\cdot g\}.}

若在定義中僅允許可縮英语contractible環圈γ 的水平提升,則得到以p 為基點的受限和樂群Holp0(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}. 其為和樂群Holp(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )} 的子群。

MP連通,則不同基點p 的和樂群僅在G 互為共軛。更具體說,若q 是另一個基點,則有唯一的gG 使得q ~p·g. 於是,

Holq(ω)=g1Holp(ω)g.{\displaystyle \operatorname {Hol} _{q}(\omega )=g^{-1}\operatorname {Hol} _{p}(\omega )g.}

特別地,

Holpg(ω)=g1Holp(ω)g,{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p\cdot g}(\omega )=g^{-1}\operatorname {Hol} _{p}(\omega )g,}

再者,若p ~q, 則Holp(ω)=Holq(ω).{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )=\operatorname {Hol} _{q}(\omega ).} 因此,有時可省略基點不寫,但須留意這會使得和樂群僅在共軛意義下有良好定義。

和樂群的若干性質包括:

和樂叢

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同上,設M 為連通仿緊流形,P 為其上的主G 叢,ωP 上的聯絡。設pP 為主叢上的任意一點。以H (p) 表示P 中可與p 用水平曲線相連的點的集合。則可證明H (p) 連同其到M 的投影也構成M 上的主叢,且具有結構群Holp(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}(即H (p) 是主Holp(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )} 叢)。 此主叢稱為該聯絡ω 經過p和樂叢ω 限制到H (p) 上也是一個聯絡,因為其平行移動映射保持H (p) 不變。故H (p) 是該聯絡的約化主叢。此外,H (p) 任何真子叢都不被平行移動保持,所以其在該類約化主叢之中為最小。[3]

與和樂群類似,和樂叢在環繞它的主叢P等變。具體說,若qP 是另一個基點,則有gG 使得q ~pg(按假設,M 是路連通的)。故H (q) =H (p)g. 於是,兩者在和樂叢上導出的聯絡是相容的,即:兩個聯絡的平行移動映射恰好相差了群元素g.

單延拓群

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和樂叢H (p) 是主Holp(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )} 叢,因此受限和樂群Holp0(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}(作為全個和樂群的正規子群)也作用在H (p) 上。離散群Holp(ω)/Holp0(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )} 稱為聯絡的單延拓英语Monodromy。其作用在商叢H(p)/Holp0(ω){\displaystyle H(p)/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )} 上。存在滿同態φ:π1Holp(ω)/Holp0(ω),{\displaystyle \varphi :\pi _{1}\to \operatorname {Hol} _{p}(\omega )/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ),} 使得φ(π1(M)){\displaystyle \varphi (\pi _{1}(M))} 作用在H(p)/Holp0(ω){\displaystyle H(p)/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )} 上。基本群的這個群作用稱為基本群的單延拓表示[4]

局域及無窮小和樂

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若 π:PM 為主叢,ω 為P 的聯絡,則 ω 的和樂可限制到M 的開集的纖維上。若UM 的連通開集,則將 ω 限制到U 上可得叢 π−1U 的聯絡。該叢的和樂群記為Holp(ω,U),{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega ,U),} 而受限和樂群則記為Holp0(ω,U),{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,U),} 其中p 為滿足 π(p) ∈U 的點。

UV 為包含 π(p) 的兩個開集,則有包含關係

Holp0(ω,U)Holp0(ω,V).{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,U)\subset \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,V).}

p 點的局域和樂群定義為

Holp(ω)=k=1Holp0(ω,Uk),{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{*}(\omega )=\bigcap _{k=1}^{\infty }\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,U_{k}),}

其中Uk 為任意一族滿足kUk=π(p){\displaystyle \bigcap _{k}U_{k}=\pi (p)} 的遞降(即UkUk+1 k{\displaystyle U_{k}\subset U_{k+1}\ \forall k} )連通開集。

局域和樂群有以下性質:

  1. 其為受限和樂群Holp0(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )} 的連通李子群。
  2. 每點p 都有鄰域V 使得Holp(ω)=Holp0(ω,V).{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{*}(\omega )=\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,V).} 局域和樂群僅取決於p, 而非序列Uk 的選取。
  3. 局域和樂群在結構群G 的作用下等變,即對任意gG,Holpg(ω)=Ad(g1)Holp(ω).{\displaystyle \operatorname {Hol} _{pg}^{*}(\omega )=\operatorname {Ad} (g^{-1})\operatorname {Hol} _{p}^{*}(\omega ).}(注意由性質 1, 局域和樂群是G 的連通李子群,故伴隨 Ad 有定義。

局域和樂群不一定有全域的良好性質,例如流形的不同點上的局域和樂群不一定具有相同的維數。然而,有以下的定理:

詞源

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英文Holonomy與「全純」(Holomorphic)相似,"Holomorphic"一詞由柯西的兩個學生夏爾·布里奧法语Charles Briot(1817–1882)和讓-克勞迪·波桂法语Jean-Claude Bouquet(1819–1895)引入,來自希臘文ὅλοςholos)和μορφήmorphē),意思分別是「全」、「形態」。[5]

"Holonomy"與"holomorphic"的前半(holos)一樣。至於後半:

非常難在網絡上找出holonomic(或holonomy)的詞源。我找到(鳴謝普林斯頓約翰·康威):

我相信潘索(Louis Poinsot)最早在他對剛體運動的分析用到它。這個理論中,若某種意義下,能夠從一個系統的局域資訊得悉其全局資訊,就叫一個和樂的 ("holonomic")系統,所以它的意思「整體法則」("entire-law")很貼切。球在桌上滾動並不和樂,因為沿不同的路徑滾到同一點,可以使球的方向不同。然而,將「和樂」理解成「整體法則」恐怕有點過於簡化。希臘文的"nom"詞根有多層互相交織的意思,可能更多時解「數算」(counting)。它與我們的詞數字"number"來自同一個印歐詞根

——S. Golwala[6]

參見νόμοςnomos)和-nomy

安布羅斯-辛格定理

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安布羅斯-辛格定理(得名自Warren Ambrose and Isadore M. Singer (1953)描述主叢聯絡的和樂與該聯絡的曲率形式之間的關係。為理解此定理,先考慮較熟知的情況,如仿射联络、切叢聯絡(或其特例列維-奇維塔聯絡)。沿無窮小平行四邊形的邊界走一圈,就會感受到曲率。

引入更多細節,若σ:[0,1]×[0,1]M{\displaystyle \sigma :[0,1]\times [0,1]\to M}M{\displaystyle M}中某曲面的坐標表示,則向量V{\displaystyle V}可以沿σ{\displaystyle \sigma }的邊界平行移動,由原點出發,先沿(x,0){\displaystyle (x,0)},再沿(1,y){\displaystyle (1,y)},再(x,1){\displaystyle (x,1)}x{\displaystyle x}反方向,即由1{\displaystyle 1}遞減至0{\displaystyle 0}),最後(0,y){\displaystyle (0,y)},回到原點。此為和樂環圈的特例,因為向量V{\displaystyle V}沿該圈平行移動的結果,相當於σ{\displaystyle \sigma }邊界的提升,對應的和樂群元素,作用在V{\displaystyle V}上。當平行四邊形縮至無窮小時(即沿更小的平行四邊形圈,對應σ{\displaystyle \sigma }坐標中的區域[0,x]×[0,y]{\displaystyle [0,x]\times [0,y]},而x,y{\displaystyle x,y}趨向於0{\displaystyle 0}),就會明確得到曲率。換言之,取平行移動映射於x=y=0{\displaystyle x=y=0}處的導數:

DdxDdyVDdyDdxV=R(σx,σy)V{\displaystyle {\frac {D}{dx}}{\frac {D}{dy}}V-{\frac {D}{dy}}{\frac {D}{dx}}V=R\left({\frac {\partial \sigma }{\partial x}},{\frac {\partial \sigma }{\partial y}}\right)V}

其中R{\displaystyle R}曲率張量[7]所以,粗略而言,曲率給出閉環圈(無窮小平行四邊形)上的無窮小和樂。更嚴格地,曲率是和樂作用於和樂群單位元處的導數。換言之,R(X,Y){\displaystyle R(X,Y)}Holp(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}李代數的元素。

一般來說,考慮結構群為G{\displaystyle G}的主叢PM{\displaystyle P\to M}某聯絡的和樂。以g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}表示G{\displaystyle G}的李代數,則聯絡的曲率形式P{\displaystyle P}上的g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}值2-形式Ω{\displaystyle \Omega }。安布羅斯-辛格定理斷言:[8]

Holp(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}的李代數,是由g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}中所有形如Ωq(X,Y){\displaystyle \Omega _{q}(X,Y)}的元素線性張成,其中q{\displaystyle q}取遍所有可以用水平曲線(qp){\displaystyle (q\sim p)}p{\displaystyle p}連接的點,而X,Y{\displaystyle X,Y}皆是q{\displaystyle q}處的水平切向量。

亦可用和樂叢的說法,複述如下:[9]

Holp(ω){\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}的李代數,是g{\displaystyle {\mathfrak {g}}}中形如Ωq(X,Y){\displaystyle \Omega _{q}(X,Y)}的元素張成的線性子空間,其中q{\displaystyle q}取遍H(p){\displaystyle H(p)}的元素,而X,Y{\displaystyle X,Y}取遍q{\displaystyle q}處的水平向量。

黎曼和樂

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可約和樂與德拉姆分解

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xM{\displaystyle x\in M}為任意一點,則和樂群Hol(M){\displaystyle \mathrm {Hol} (M)}作用在切空間TxM{\displaystyle T_{x}M}上。視之為群的表示,則可能不可約,亦可能可約,即可以將TxM{\displaystyle T_{x}M}分解成正交子空間的直和

TxM=TxMTxM,{\displaystyle T_{x}M=T'_{x}M\oplus T''_{x}M,}

而兩個子空間皆在Hol(M){\displaystyle \mathrm {Hol} (M)}作用下不變。此時亦稱M{\displaystyle M}可約

M{\displaystyle M}為可約流形。上式說明,在每一點x{\displaystyle x}處,切空間可以約化分解成TxM{\displaystyle T'_{x}M}TxM{\displaystyle T''_{x}M},所以當x{\displaystyle x}變動時,就定義出向量叢TM{\displaystyle T'M}TM{\displaystyle T''M},兩者皆光滑分佈,且是弗比尼斯可積。兩個分佈的積分流形英语integral manifold皆為完全測地英语Totally geodesic子流形,換言之,子流形的測地線皆為原流形的測地線。所以局部觀察M{\displaystyle M},是笛卡爾積M×M{\displaystyle M'\times M''}。重複上述分解,直到切空間完全約化,則得到(局部)德拉姆同構:[10]

M{\displaystyle M}單連通黎曼流形,[11]又設在和樂群的作用下,TM=T(0)MT(1)MT(k)M{\displaystyle TM=T^{(0)}M\oplus T^{(1)}M\oplus \cdots \oplus T^{(k)}M}為切叢的完全約化分解,而和樂群在T(0)M{\displaystyle T^{(0)}M}上的作用平凡(恆等映射),則M{\displaystyle M}局部等距同構於乘積

V0×V1××Vk,{\displaystyle V_{0}\times V_{1}\times \cdots \times V_{k},}

其中V0{\displaystyle V_{0}}歐氏開集,而每個Vi{\displaystyle V_{i}}T(i)M{\displaystyle T^{(i)}M}的積分流形。更甚者,Hol(M){\displaystyle \mathrm {Hol} (M)}Hol(Mi){\displaystyle \mathrm {Hol} (M_{i})}的直積(Mi{\displaystyle M_{i}}T(i){\displaystyle T^{(i)}}過某點的極大積分流形)。

若同時假設M{\displaystyle M}測地完備英语geodesically complete(每點每個方向的測地線皆可無限延伸),則定理不僅局部成立,而是全域成立,且各Mi{\displaystyle M_{i}}本身也是測地完備流形。[12]

伯格分类

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1955年,馬塞爾·伯格英语Marcel Berger將不可約(並非局部等同積空間)、非對稱(並非局部地黎曼對稱英语Riemannian symmetric space)、單連通的黎曼流形,可能具有的和樂群,完全分類。伯格分類表如下:

Hol(g){\displaystyle \mathrm {Hol} (g)}dim(M){\displaystyle \mathrm {dim} (M)}流形類型備註
正交群SO(n){\displaystyle SO(n)}n{\displaystyle n}可定向流形
酉群U(n){\displaystyle U(n)}2n{\displaystyle 2n}凯勒流形凱勒
特殊酉群SU(n){\displaystyle SU(n)}2n{\displaystyle 2n}卡拉比–丘流形里奇平、凱勒
辛群Sp(n){\displaystyle \mathrm {Sp} (n)}4n{\displaystyle 4n}超凱勒流形英语Hyperkähler manifold里奇平、凱勒
Sp(n)Sp(1){\displaystyle \mathrm {Sp} (n)\cdot \mathrm {Sp} (1)}4n{\displaystyle 4n}四元數凱勒流形英语Quaternion-Kähler manifold愛因斯坦英语Einstein manifold
例外單李群英语G2 (mathematics)G2{\displaystyle G_{2}}7{\displaystyle 7}G2流形英语G2 manifold里奇平
旋量群Spin(7){\displaystyle \mathrm {Spin} (7)}8{\displaystyle 8}Spin(7)流形英语Spin(7) manifold里奇平

1965年,愛德蒙·博南英语Edmond BonanVivian Yoh Kraines同時研究和樂群為Sp(n)Sp(1){\displaystyle \mathrm {Sp} (n)\cdot \mathrm {Sp} (1)}的流形,構造出其平行4形式。

愛德蒙·博南英语Edmond Bonan於1966年最早引入和樂群為G2{\displaystyle G_{2}}Spin(7){\displaystyle \mathrm {Spin} (7)}的流形,他構造出全部平行形式,並證明該些流形皆為里奇平。

伯格原先的表中,未排除Spin(9){\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}(作為SO(16){\displaystyle SO(16)}的子群)。後來,迪米特里·阿列克謝耶夫斯基(Dmitri V. Alekseevsky)一人,與布朗(Brown)、格雷(Gray)二人,分別證明具此和樂群的黎曼流形必然局部對稱,即與凱萊平面英语Cayley planeF4/Spin(9){\displaystyle F_{4}/\mathrm {Spin} (9)}局部等距同構,或局部平坦,故上表不列。上表列出的各可能,現已確實知道是某黎曼流形的和樂群。末尾兩個例外情況的流形最難發現,見G2{\displaystyle G_{2}}流形英语G2 manifoldSpin(7){\displaystyle \mathrm {Spin} (7)}流形英语Spin(7) manifold

注意Sp(n)SU(2n)U(2n)SO(4n){\displaystyle \mathrm {Sp} (n)\subset SU(2n)\subset U(2n)\subset SO(4n)},故超凱勒流形英语hyperkähler manifold必為卡拉比-丘卡拉比-丘流形必為凱勒,而凯勒流形可定向

以上看似奇怪的列表(伯格定理),可由西蒙斯(Simons)的證明解釋。另有一個簡單幾何證明,由卡洛斯·奧爾莫斯(Carlos E. Olmos)於2005年給出。[13]第一步要證,若黎曼流形並非局部對稱空間英语locally symmetric space,而約化和樂在切空間上的作用不可約,則遞移地作用在單位球面上。但已知有何種李群遞移作用於球面:上表所列各項,以及兩個額外情況,分別是Spin(9){\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}(作用於R16{\displaystyle \mathbb {R} ^{16}}),以及U(1)Sp(m){\displaystyle U(1)\cdot \mathrm {Sp} (m)}(作用於R4m{\displaystyle \mathbb {R} ^{4m}})。最後,要驗證前者只能作為局部對稱空間(局部同構於的凱萊射影平面英语Cayley projective plane)的和樂群,而後者則根本不能作為和樂群出現。

伯格的原分類,尚有涵蓋非正定的偽黎曼度量,其給出非局部對稱和樂的可能列表為:

和樂群度量符號英语Metric signature
SO(p,q){\displaystyle SO(p,q)}(p,q){\displaystyle (p,q)}
U(p,q){\displaystyle U(p,q)}(2p,2q){\displaystyle (2p,2q)}
SU(p,q){\displaystyle SU(p,q)}(2p,2q){\displaystyle (2p,2q)}
Sp(p,q){\displaystyle \mathrm {Sp} (p,q)}(4p,4q){\displaystyle (4p,4q)}
Sp(p,q)Sp(1){\displaystyle \mathrm {Sp} (p,q)\cdot \mathrm {Sp} (1)}(4p,4q){\displaystyle (4p,4q)}
SO(n,C){\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}(n,n){\displaystyle (n,n)}
SO(n,H){\displaystyle SO(n,\mathbb {H} )}(2n,2n){\displaystyle (2n,2n)}
分裂G2{\displaystyle G_{2}}(4,3){\displaystyle (4,3)}
G2(C){\displaystyle G_{2}(\mathbb {C} )}(7,7){\displaystyle (7,7)}
Spin(4,3){\displaystyle \mathrm {Spin} (4,3)}(4,4){\displaystyle (4,4)}
Spin(7,C){\displaystyle \mathrm {Spin} (7,\mathbb {C} )}(7,7){\displaystyle (7,7)}
() Spin(5,4){\displaystyle (*)\ \mathrm {Spin} (5,4)}(8,8){\displaystyle (8,8)}
() Spin(9,C){\displaystyle (*)\ \mathrm {Spin} (9,\mathbb {C} )}(16,16){\displaystyle (16,16)}

但是,標(){\displaystyle (*)}的兩種和樂群(分裂Spin(9){\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}及複化Spin(9){\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}),如同正定的情況,只能在局部對稱空間出現,故應予刪去。至於複化和樂群SO(n,C),G2(C),Spin(7,C){\displaystyle SO(n,\mathbb {C} ),G_{2}(\mathbb {C} ),\mathrm {Spin} (7,\mathbb {C} )}三種,可以將實解析黎曼流形複化得到。而和樂群為SO(n,H){\displaystyle SO(n,\mathbb {H} )}子群的流形,R. McLean證明其為局部平。[14]

對稱黎曼空間,因為局部與齊性空間G/H{\displaystyle G/H}同構,其局部和樂群同構於H{\displaystyle H},經已分類完畢

最後,伯格的論文亦有列舉僅得無撓仿射联络的流形的可能和樂群,見下節

特殊和樂及旋量

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一些流形具特殊的和樂,該性質亦可藉平行旋量是否存在來刻劃(平行旋量即協變導數為零的旋量場),[15]尤其有以下各項命題成立:

么正與特殊么正和樂經常連帶扭量理论[16]殆复流形[15]一同研究。

應用

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弦論

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具特殊和樂的黎曼流形,對弦論緊化很重要。[17]原因是,特殊和樂流形上,存在共變常值(即平行)旋量,於是保一部分超对称。較重要的緊化是在具SU(2){\displaystyle SU(2)}SU(3){\displaystyle SU(3)}和樂的卡拉比–丘流形上,以及G2{\displaystyle G_{2}}流形英语G2 manifold上。

機器學習

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机器学习,尤其流形學習英语manifold learning方面,曾有人提出,藉計算黎曼流形的和樂,得出數據流形的結構。由於和樂群包含數據流形的全域結構,其適用於判斷數據流形可能如何分解成子流形之積。由於取樣有限,無法完全準確計算出和樂群,但利用來自譜圖論的思想(類似向量擴散映射英语Diffusion map),有可能構造出數值近似。所得的算法「幾何流形分量估計量」(英語:Geometric Manifold Component Estimator,簡寫GeoManCEr探地者」),能給出德拉姆分解的數值近似,並應用於現實數據。[18]

仿射和樂

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仿射和樂群(英語:affine holonomy groups),是無撓仿射联络的和樂群;其中一些不能作為(偽)黎曼和樂群出現,稱為非度量和樂群(英語:non-metric holonomy groups)。德拉姆分解定理不適用於仿射和樂群,所以離完成分類尚有很遠,但仍可以將不可約的仿射和樂分類。

伯格在證明黎曼和樂分類定理的過程中,發現對於非局部對稱英语symmetric space的無撓仿射聯絡而言,和樂群的李代數必定符合兩個條件。伯格第一準則(英語:Berger's first criterion)是安布羅斯-辛格定理(即曲率張量生成和樂的李代數,見前節)的後果;而第二準則,來自聯絡非局部對稱的條件。伯格列舉了滿足此兩個準則,且作用不可約的群,可以視之為不可約仿射和樂群的可能情況表。

但伯格的列表,其後證實並未齊全。羅伯特·布萊恩特英语Robert Bryant (mathematician)(1991)和Q. Chi、S. Merkulov、L. Schwachhöfer(1996)找到未在列表的例子,有時稱為「怪和樂」(exotic holonomies)。努力搜索例子之後,最終由Merkulov和Schwachhöfer(1999年)完成不可約仿射和樂群的分類,而反方向的結果則由布萊恩特(2000年)證明,即列表上所有群皆確實能作為仿射和樂群。

觀察到表中的群和埃爾米特對稱空間英语hermitian symmetric space四元數凱勒對稱空間英语quaternion-Kähler symmetric space之間有聯繫之後,Merkulov–Schwachhöfer分類會變得更清晰。此種聯繫在複仿射和樂的情況尤其明確,見於Schwachhöfer(2001)。

V{\displaystyle V}為有限維複向量空間,HAut(V){\displaystyle H\subseteq \mathrm {Aut} (V)}為不可約半單複連通李子群,又設KH{\displaystyle K\subseteq H}為極大緊子群。

  1. 若有不可約埃爾米特對稱空間形如G/(U(1)K){\displaystyle G/(U(1)\cdot K)},則H{\displaystyle H}CH{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}\cdot H}兩者皆為非對稱不可約仿射和樂群,其中V{\displaystyle V}K{\displaystyle K}的切表示。
  2. 若有不可約四元數凱勒對稱空間形如G/(Sp(1)K){\displaystyle G/(\mathrm {Sp} (1)\cdot K)},則H{\displaystyle H}為非對稱不可約仿射和樂群,而當dimV=4{\displaystyle \dim V=4}時,CH{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}\cdot H}亦然。此時,Sp(1)K{\displaystyle \mathrm {Sp} (1)\cdot K}的複化切表示是C2V{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}\otimes V},而H{\displaystyle H}V{\displaystyle V}上某個複辛形式

上述兩族已涵蓋大部分非對稱不可約複仿射和樂群,例外僅有:

Sp(2,C)Sp(2n,C)Aut(C2C2n),G2(C)Aut(C7),Spin(7,C)Aut(C8).{\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Sp} (2,\mathbb {C} )\cdot \mathrm {Sp} (2n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{2}\otimes \mathbb {C} ^{2n}\right),\\G_{2}(\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{7}\right),\\\mathrm {Spin} (7,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{8}\right).\end{aligned}}}

利用埃爾米特對稱空間的分類,第一族的複仿射和樂群有:

ZCSL(m,C)SL(n,C)Aut(CmCn),ZCSL(n,C)Aut(2Cn),ZCSL(n,C)Aut(S2Cn),ZCSO(n,C)Aut(Cn),ZCSpin(10,C)Aut(Δ10+)Aut(C16),ZCE6(C)Aut(C27),{\displaystyle {\begin{aligned}Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(m,\mathbf {C} )\cdot SL(n,\mathbf {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{m}\otimes \mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\wedge ^{2}\mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(S^{2}\mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SO(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot \mathrm {Spin} (10,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\Delta _{10}^{+}\right)\cong \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{16}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot E_{6}(\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{27}\right),\end{aligned}}}

其中ZC{\displaystyle Z_{\mathbb {C} }}可取平凡群,亦可取為C{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}}

同樣,用四元數凱勒對稱空間的分類,第二族複辛和樂群有:

Sp(2,C)SO(n,C)Aut(C2Cn),(ZC)Sp(2n,C)Aut(C2n),ZCSL(2,C)Aut(S3C2),Sp(6,C)Aut(03C6)Aut(C14),SL(6,C)Aut(3C6),Spin(12,C)Aut(Δ12+)Aut(C32),E7(C)Aut(C56).{\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Sp} (2,\mathbb {C} )\cdot SO(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{2}\otimes \mathbb {C} ^{n}\right),\\(Z_{\mathbb {C} }\,\cdot )\,\mathrm {Sp} (2n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{2n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(2,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(S^{3}\mathbb {C} ^{2}\right),\\\mathrm {Sp} (6,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\wedge _{0}^{3}\mathbb {C} ^{6}\right)\cong \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{14}\right),\\SL(6,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\wedge ^{3}\mathbb {C} ^{6}\right),\\\mathrm {Spin} (12,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\Delta _{12}^{+}\right)\cong \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{32}\right),\\E_{7}(\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{56}\right).\\\end{aligned}}}

(第二行中,ZC{\displaystyle Z_{\mathbb {C} }}必須取為平凡群,除非n=2{\displaystyle n=2},此時可取為C{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}}。)

從以上各列表,可以觀察出一個結論,類似西蒙斯斷言黎曼和樂群遞移作用於球面:複和樂表示皆為預齊性向量空間英语prehomogeneous vector space。但是,未知此事實的概念性證明。

不可約實仿射和樂的分類,用「實仿射和樂複化成複仿射和樂」此結論,結合上表,仔細分析便得。

参见

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脚注

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  1. ^holonomy. 樂詞網.國家教育研究院(中文(臺灣)). 
  2. ^Wu, Hongxi.On the de Rham decomposition theorem. DSpace@MIT. [2020-02-18]. (原始内容存档于2020-02-18). 
  3. ^Kobayashi & Nomizu 1963,§II.7
  4. ^Sharpe 1997,§3.7
  5. ^Markushevich, A.I. 2005 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFMarkushevich,_A.I.2005 (幫助)
  6. ^Golwala 2007,第65–66頁
  7. ^Spivak 1999,第241頁
  8. ^Sternberg 1964,Theorem VII.1.2
  9. ^Kobayashi & Nomizu 1963,Volume I, §II.8
  10. ^Kobayashi & Nomizu,§IV.5 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFKobayashiNomizu (幫助)
  11. ^定理亦可推廣至非單連通流形,但敍述更複雜。
  12. ^Kobayashi, Nomizu & §IV.6 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFKobayashiNomizu§IV.6 (幫助)
  13. ^Olmos, Carlos E.A geometric proof of the Berger Holonomy Theorem [伯格和樂定理的幾何證明]. Annals of Mathematics. 2005,161: 579–588.doi:10.4007/annals.2005.161.579(英语). 
  14. ^Bryant, Robert L. Classical, exceptional, and exotic holonomies: a status report. Basse, Arthur L. (编).Actes de la table ronde de Géométrie Différentielle en l'honneur de Marcel Berger. Séminaires & Congrès1. 1996: 93–165 [2021-10-02].ISBN 2-85629-047-7. (原始内容存档于2020-07-31)(英语). 
  15. ^15.015.1Lawson & Michelsohn 1989,§IV.9–10
  16. ^Baum 1991 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFBaum1991 (幫助)
  17. ^Gubser, S., Gubser S.; et al , 编, Special holonomy in string theory and M-theory +Gubser, Steven S., Strings, branes and extra dimensions, TASI 2001. Lectures presented at the 2001 TASI school, Boulder, Colorado, USA, 4–29 June 2001., River Edge, NJ: World Scientific: 197–233, 2004,ISBN 978-981-238-788-2,arXiv:hep-th/0201114可免费查阅 .
  18. ^Pfau, David; Higgins, Irina; Botev, Aleksandar; Racanière, Sébastien, Disentangling by Subspace Diffusion, Advances in Neural Information Processing Systems, 2020,arXiv:2006.12982可免费查阅 

参考文献

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微分几何中定义的曲率的不同概念
曲线的微分几何
曲面的微分几何英语Differential geometry of surfaces
黎曼几何
联络的曲率
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=完整群&oldid=85958155
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