完整群

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微分几何中,一個微分流形上的联络完整[1]Template:Lang-en,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Template:Harvs引入,以用於Template:Link-en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,Template:Link-en 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

向量叢聯絡的和樂

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 }.

x 為基點的限制和樂群是由Template:Link-en環圈 γ 給出的子群Holx0().

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.

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:

  • Hol0() 是 GL(k, R) 的連通李子群
  • Hol0()Hol()Template:Link-en
  • 存在自然的滿群同態 π1(M)Hol()/Hol0(), 其中 π1(M)M 的基本群。該同態將同倫類 [γ] 映到陪集 PγHol0().
  • M 單連通,則 Hol()=Hol0().
  • ∇ 為平(即曲率恆零)当且仅当 Hol0() 為平凡群。

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

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 使得 γ~(0)=p. 水平提升的終點 γ~(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}.

若在定義中僅允許Template:Link-en環圈 γ 的水平提升,則得到以 p 為基點的受限和樂群 Holp0(ω). 其為和樂群Holp(ω) 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.

特別地,

Holpg(ω)=g1Holp(ω)g,

再者,若 p ~ q, 則 Holp(ω)=Holq(ω). 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

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)(即 H (p) 是主 Holp(ω) 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 ~ p g(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

和樂叢 H (p) 是主 Holp(ω) 叢,因此受限和樂群 Holp0(ω)(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) 稱為聯絡的Template:Link-en。其作用在商叢 H(p)/Holp0(ω) 上。存在滿同態φ:π1Holp(ω)/Holp0(ω), 使得 φ(π1(M)) 作用在 H(p)/Holp0(ω) 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

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), 而受限和樂群則記為 Holp0(ω,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).

p 點的局域和樂群定義為

Holp*(ω)=k=1Holp0(ω,Uk),

其中 Uk 為任意一族滿足 kUk=π(p) 的遞降(即 UkUk+1 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) 的連通李子群。
  2. 每點 p 都有鄰域 V 使得 Holp*(ω)=Holp0(ω,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).(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:

  • 若局域和樂群的維數恆定,則局域和樂群與受限和樂群相等,即Holp*(ω)=Holp0(ω).

詞源

英文Template:Lang與「全純」(Template:Lang)相似,"Holomorphic"一詞由柯西的兩個學生Template:Link-fr(1817–1882)和Template:Link-fr(1819–1895)引入,來自希臘文Template:Langholos)和Template:Langmorphē),意思分別是「全」、「形態」。[5]

"Template:Lang"與"Template:Lang"的前半(holos)一樣。至於後半:

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

我相信潘索(Template:Lang)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 ("Template:Lang")系統,所以它的意思「整體法則」("Template:Lang")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」(Template:Lang)。它與我們的詞數字"Template:Lang"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

安布羅斯-辛格定理(得名自Template:Harvs)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]MM中某曲面的坐標表示,則向量V可以沿σ的邊界平行移動,由原點出發,先沿(x,0),再沿(1,y),再(x,1)x反方向,即由1遞減至0),最後(0,y),回到原點。此為和樂環圈的特例,因為向量V沿該圈平行移動的結果,相當於σ邊界的提升,對應的和樂群元素,作用在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坐標中的區域[0,x]×[0,y],而x,y趨向於0),就會明確得到曲率。換言之,取平行移動映射於x=y=0處的導數:

DdxDdyVDdyDdxV=R(σx,σy)V

其中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)Holp(ω)李代數的元素。

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

Holp(ω)

的李代數,是由

𝔤

中所有形如

Ωq(X,Y)

的元素線性張成,其中

q

取遍所有可以用水平曲線

(qp)

p

連接的點,而

X,Y

皆是

q

處的水平切向量。

亦可用和樂叢的說法,複述如下:[9]

Holp(ω)

的李代數,是

𝔤

中形如

Ωq(X,Y)

的元素張成的線性子空間,其中

q

取遍

H(p)

的元素,而

X,Y

取遍

q

處的水平向量。

黎曼和樂

可約和樂與德拉姆分解

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

TxM=T'xMT'xM,

而兩個子空間皆在Hol(M)作用下不變。此時亦稱M可約

M為可約流形。上式說明,在每一點x處,切空間可以約化分解成T'xMT'xM,所以當x變動時,就定義出向量叢TMTM,兩者皆光滑分佈,且是弗比尼斯可積。兩個分佈的Template:Link-en皆為Template:Le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,是笛卡爾積M×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

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

為切叢的完全約化分解,而和樂群在

T(0)M

上的作用平凡(恆等映射),則

M

局部等距同構於乘積

V0×V1××Vk,

其中V0歐氏開集,而每個ViT(i)M的積分流形。更甚者,Hol(M)Hol(Mi)的直積(MiT(i)過某點的極大積分流形)。

若同時假設MTemplate:Link-en(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本身也是測地完備流形。[12]

伯格分类

1955年,Template:Le將不可約(並非局部等同積空間)、非對稱(並非局部地Template:Link-en)、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) dim(M) 流形類型 備註
正交群SO(n) n 可定向流形
酉群U(n) 2n 凯勒流形 凱勒
特殊酉群SU(n) 2n 卡拉比–丘流形 里奇平、凱勒
辛群Sp(n) 4n Template:Link-en 里奇平、凱勒
Sp(n)Sp(1) 4n Template:Link-en Template:Link-en
Template:Link-enG2 7 Template:Link-en 里奇平
旋量群Spin(7) 8 Template:Link-en 里奇平

1965年,Template:Link-enTemplate:Lang同時研究和樂群為Sp(n)Sp(1)的流形,構造出其平行4形式。

Template:Link-en於1966年最早引入和樂群為G2Spin(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)(作為SO(16)的子群)。後來,迪米特里·阿列克謝耶夫斯基(Template:Lang)一人,與布朗(Template:Lang)、格雷(Template:Lang)二人,分別證明具此和樂群的黎曼流形必然局部對稱,即與Template:LeF4/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Template:Link-enTemplate:Link-en

注意Sp(n)SU(2n)U(2n)SO(4n),故Template:Link-en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(Template:Lang)於2005年給出。[13]第一步要證,若黎曼流形並非Template:Link-en,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)(作用於16),以及U(1)Sp(m)(作用於4m)。最後,要驗證前者只能作為局部對稱空間(局部同構於的Template:Link-en)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 Template:Le
SO(p,q) (p,q)
U(p,q) (2p,2q)
SU(p,q) (2p,2q)
Sp(p,q) (4p,4q)
Sp(p,q)Sp(1) (4p,4q)
SO(n,) (n,n)
SO(n,) (2n,2n)
分裂G2 (4,3)
G2() (7,7)
Spin(4,3) (4,4)
Spin(7,) (7,7)
(*) Spin(5,4) (8,8)
(*) Spin(9,) (16,16)

但是,標(*)的兩種和樂群(分裂Spin(9)及複化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,),G2(),Spin(7,)三種,可以將實解析黎曼流形複化得到。而和樂群為SO(n,)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同構,其局部和樂群同構於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

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:

  • Hol(ω)U(n),當且僅當M上存在平行的射影純旋量場。
  • MTemplate:Link-en,則Hol(ω)SU(n),當且僅當M具有至少兩個線性獨立的平行純旋量場。事實上,平行純旋量場足以確定由結構群SU(n)的典範歸約。
  • M是七維旋量流形,則M具有非平凡平行旋量場,當且僅當和樂群是G2的子群。
  • M為八維旋量流形,則M具有非平凡平行旋量場,當且僅當和樂群是Spin(7)的子群。

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

弦論

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)SU(3)和樂的卡拉比–丘流形上,以及Template:Link-en上。

機器學習

机器学习,尤其Template:Le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Template:Le),有可能構造出數值近似。所得的算法「幾何流形分量估計量」(Template:Lang-en,簡寫Template:Smallcaps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

仿射和樂群Template:Lang-en),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Template:Lang-en)。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Template:Link-en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(Template:Lang-en)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。Template:Link-en(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」(Template:Lang)。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Template:Link-enTemplate:Link-en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為有限維複向量空間,HAut(V)為不可約半單複連通李子群,又設KH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),則H*H兩者皆為非對稱不可約仿射和樂群,其中VK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),則H為非對稱不可約仿射和樂群,而當dimV=4時,*H亦然。此時,Sp(1)K的複化切表示是2V,而HV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,)Sp(2n,)Aut(22n),G2()Aut(7),Spin(7,)Aut(8).

利用埃爾米特對稱空間的分類,第一族的複仿射和樂群有:

ZSL(m,𝐂)SL(n,𝐂)Aut(mn),ZSL(n,)Aut(2n),ZSL(n,)Aut(S2n),ZSO(n,)Aut(n),ZSpin(10,)Aut(Δ10+)Aut(16),ZE6()Aut(27),

其中Z可取平凡群,亦可取為*

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,)SO(n,)Aut(2n),(Z)Sp(2n,)Aut(2n),ZSL(2,)Aut(S32),Sp(6,)Aut(036)Aut(14),SL(6,)Aut(36),Spin(12,)Aut(Δ12+)Aut(32),E7()Aut(56).

(第二行中,Z必須取為平凡群,除非n=2,此時可取為*。)

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Template:Link-en。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

脚注

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参考文献

Template:曲率