Материал: Стохастические дифференциальные уравнения и диффузионные процессы

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

§ 4. н е в ы р о ж д е н н ы й д и ф ф у з и и

2G1

Является линейным пространством, образованным всеми полилиней­ ными (мультилипсйными) отображениями и:

Г, (Л/)* х Тх (Л/)* Х

- Х Г Д(М)* X Тх (М) х Т х (М) Х - - - х Т х (М) R

V

ч

собычными правилами сложения и умножения на число*).

Ныбор локальных координат (ж1, х2,

хй

вводит в ТХ(М)

базис

» ( y i) > ••ч

 

J

сопряженный с ним базис обозначается

через (dx') x, (dx2)*,

...,

(dxd x. Через

 

 

 

 

 

 

®

■••® ( - ^

® (dxJl)* ®

•••® (dxl(i)x

 

 

\ дх 1 / х

 

 

\ д х р / х

 

 

 

 

 

обозначим элемент и е

Тx(M)pq такой, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6V6!'1 •••

lq'

 

 

 

 

 

 

 

'1

 

для всяких к,, к2, ...,

Z,, 12,

..., Jtj. Очевидно,

система

 

 

 

 

 

 

® (dx^)* <g>(dx'*).x®

 

 

 

 

Ч» Ч» •••'

/i> /2 »

•••<jq

-, ■■ ' 1 d,

 

(4.1)

образует базис пространства Tx(M)q. С™-тензорное поле типа**)

(р, q)

есть отображение

u:

М э г »

u ( x ) e

Tx(M)q,

компоненты

и г л \ г - - 1у

( х )

которого

относительно базиса (4.1) принадлежат классу

С°° в каждой координатной окрестности.

JV‘2'"JQ

удовлетворяют

обычному

правилу

при

преобразовании координат:

 

 

 

 

дх

1 дх

2

дх*р д х 1

д х '2

19

,<

42)

 

 

 

^ ^ 4 ,

 

~ v * d x

h' dxh*

д х '1' д х д х * ' 1

Ч'2 •'Ч

 

Обратно,

если

система

 

С°°-функций |uJ1V"!''(x)J

определена в

каждой координатной окрестности и удовлетворяет равенству

(4.2),

то существует

единственное (р,

<7 )-тензорпое

поле, координаты ко­

торого

совпадают с

ней.

 

просто векторное поле. (О,

^-тен­

(1,

0)-тензорное

поле — это

зорное поле называется дифференциальной \-формой. Пообще (диф­ ференциальная) р-форма есть (0, р)-тензор, который альтернативен, т. е. компоненты удовлетворяют условию

Ио(»1)а(у...о(1р) И = sgn И u h i2...ip (х)

*)

Тх(.]/)* — дуальное (сопряженное) пространство пространства ТХ(М).

**)

Мы также пазовем ого просто (р, д)-тепзорпъш нолем.

262 ГЛ. V. ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА МНОГООБРАЗИЯХ

для всякой перестановки *) о. Если положить dx1i f\dx^/\- ••/\dx*P =

= -j 2 sSn (CT)

® dxa^*^®

•••<8>dxa^v\

то р-форма и(x) вы-

ражается в виде

 

•••A dxh' =

 

иИ =

 

 

 

= Р-

2

uhh...i

{x)dx^f\dx^f\---f\dxlv.

 

 

il< i2< " < iP

 

Внешним произведением аД р р-формы а

и д-формы [5 является

(р + (7 ) -форма, определенная равенством

 

(“ ЛР) И = “ A 1ft r . . f t p (■») Р»р ы Л р + s . . . f c p A . , И dx't/Xdx'sД ... Д<£г"рН«. (4.3)

Внешней производной da р-формы а является (р + 1)-форма, опре­ деленная равенством

(da) (х) = JL Oi и ..л

(х) dx^dx^ Д ... ДЛрЧ

(4.4)

С/Х 1 -

*

 

Аффинной связностью V мы называем правило, которое каждо­ му Х^Зс(М) ставит в соответствие линейное отображение Vx; Ж(М) Ж(М) со следующими свойствами:

(I)Vxy билинейна по X и У;

(И)

^ ix+ sr — /^лг +

(4.5)

(III)V .,(/r)= /V xy + (X /)F **).

Оператор V* называется ковариантпым дифференцированием относительно X. Система фупкций (Г]Л(,г)) определяется в любой координатной окрестности равенством

Гу (х)

называются компонентами

связности

V. в

любой системе

локальных

координат

V*y можно

выразить

следующим

образом:

 

 

VA-У =

(х) Y* (х) (х) + X i(х) ±

У" (*)] ± ,

(4.6)

где X =

Xх (х) — и Y — Y l(x)— .

Компоненты

связности удов-

 

 

д х 1

д х '

 

 

 

 

*) Такого рода свойство, очевидно, не зависит от выбора координат. Ана­

логично можно определить понятие симметрического тензора.

равенством

**) Для

f e F ( M )

и A s X(Л/)

f X s X ( M )

определяется

(/A )g = JX(g) для всякого g e f ( М).

§ 4. НКВЫРОЖДКНПЫК ДИФФУЗИИ

263

 

летворяют следующему правилу преобразования при замене коор­ динат:

 

 

js ft

<>ХР 0 x q (lx 1* J ,r

(l2X r

t)xh

 

 

(4.7)

 

 

^

ex'- d x 3 <)x’

Vq

d x i d x 1 0 x r

 

 

 

 

 

 

 

Обратно, любая система гладких функций

Г и- (х),

определенная в

каждой координатной окрестности

и удовлетворяющая правилу (4.7),

Определяет аффинную связпость посредством равенства

(4.6).

Для

заданного

тензорного

поля

и (х) — (“ J'j2" Jp(x)J

типа

(р, д)

тензорное

поле

(Ум) (.>:) =

 

(т)|

типа

(р,

q + 1)

определяется равепством

-w+j-

(4 .8 )

где индексы I и т в и занимают соответственно места £« и /». По­ средством правила преобразования (4.7) легко убедиться, что

Уи(х) — тензорное поле; ^и(х) называется ковариантной производ­

ной тензорного поля и(х). Для Х = Х ’ - А е З ? ( М )

(р, д)-тензор-

 

 

дхг

 

пое иоле Vхи, определенное равенством

 

 

lP =

X ku b lr - ] v

 

 

q

3Ui"3q'h

 

называется

ковариантной производной тензорного поля и(х) по на­

правлению X. Заметим, что если

u = Y <s£(M), то

Ули совпадает

С ИСХОДНЫМ VJEF .

 

кривая в М

Пусть*)

с: I э t >-» c(t) е М — (кусочно) гладкая

и и (t) = {иу1.*"jp (О)— тензорное поле вдоль с, т. е. u(t) е ТС(г>(М %

для ( е / и t-*u(t) является (кусочпо) гладким отображением; u(t) называется параллельным вдоль с (относительно связности V)t если

d e h {t)

£ - ; £ : . £ « > + 2 г й (м ч )и*;;,

d t

р-1

*) I обозначает интервал в R1.

264

ГЛ. Л". ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА МНОГООБРАЗИЯХ

 

13 частности, тензорное поле и(х)

параллельно вдоль кривой с тогда

и только тогда,

когда

(Vc(f)u)

(с(/))^: =

 

(с ( 0 ) ^ р )

=

г е / . Для U, t, <= /,

u(t,) определяется но u(t0 единственным

образом

как

решение уравнения

(4.9), и

мы

говорим, что

u(t,)

получается .из

u(t„)

параллельным

переносом

вдоль кривой

c(t).

Рассмотрим

многообразие

М

с

аффинной связностью

V =

= |Г}л (•£)!•

Пусть

GL(M) — расслоепие

линейных реперов.

Для

каждого

r^GL(M)

 

 

 

 

 

 

 

 

/ / г =

|х =

^

 

(х) е У

 

<= RdJ

(4.10)

является линейным подпространством пространства Tr(GL(M)),

которое,

очевидно, не

зависит

от

выбора локальных координат

(х‘, <?•).

Касательный

вектор X

в

II, называется горизонтальным.

Аффинную связность можно также определить как правило, кото­

рое каждому

r^GL(M) ставит в соответствие

линейное

подпро­

странство

II,

пространства

Tr(GL(M)) (см. Номизу [136]);

IIтна­

зывается

горизонтальным

подпространством.

Пусть %е

ТХ(М);

T,(GL(M)) называется

горизонтальным лифтом вектора

§, если

§ горизонтально, я (г) = х и

(Лт)г| = |. Если задано

г такое, что

п(г) — х, то

| единственно.

Для заданного Х<=£(М)

существует

единственное

X е X(GL(M))

такое, что X, — горизонтальный лифт

Хя(г) для всякого r^GL(M). X называется горизонтальным лифтом

векторного поля X. В локальных координатах

 

 

 

X =

X* (х) ±

- ТУ(х) X' (х) el ± ,

(4.11)

если Х ^ Х Ч х ) —..

Для заданной гладкой кривой с: I э t

c(t) s

 

 

У ' дх'

 

 

 

 

 

 

 

 

s M

гладкая

кривая

с: /

э

£ >-*•c(t)^GL(M)

 

называется горизон­

тальным лифтом

кривой

с,

если

(I) - j f (t)

горизонтально

и (II)

n(c(t)) =

c(t)

для

( е / . Очевидно,

если задано

г = (х, е = [е,, е2, ...

. . .,

еД),

где

х — начальная точка

кривой с,

то

существует

и един­

ствен горизонтальный лифт с, начинающийся в г. Действительно,

c{t) = (c(t),

e(t) = [e,(l), e2(t), ...,

е(,(/)]), где ef(£)s Гс(()(М)

полу­

чатся из е, параллельным

переносом вдоль кривой с.

Для каждого

j = 1, 2, ... ,d существует единственное векторное поле Г

е ! {GL(М))

такое,

что

(£j) , — горизонтальный

лифт вектора е}<=Тх(М)

для

всякого

г = (х, е = \е„ е2,

..., еД). В системе локальных координат

(я1, ej)

Г, можно выразить так:

 

 

 

 

 

г

i о

TI7 h г о

 

(4.12)

 

 

L}~ e}d x i ~ T",eiepr f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 4. НЕВЫРОЖДЕННЫЕ ДИФФУЗИИ

 

 

 

265

{Г|, С2, .

.

называется

системой канонических горизонтальных

векторных полей или базисных векторных полей ([7] и [136]).

 

Пусть и (х) =

{и)1]2

 

— (Pi

Я

-тензорное

поле.

Определим

систему

гладких

функций

Fu (г) =

{.F V 4 "\р.^ (г)| па

GL(M)

ра­

венством

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и (х) =

F

 

 

(г) е{

® е,

®

®

<?,• ® е1} ® <?'2 ®

®

<?’®

(4.13)

для г = (х,

е =

[е,, е2,

..., е,(]),

где

 

=

. ..,£*]

является

сопряженным (дуальным) с е базисом. В системе локальных ко­ ординат (я*,еи) можпо записать

 

 

>

(г) =

и(Хр у

; м

*

••е'% ч ;> . .. /;/\

 

(4.14)

 

и 1 \ П ~ Ч

 

 

 

i p s — lq

i , J 2

) q

кд n2

 

«p

 

 

где

(/j) — обратная к

 

(e)) матрица. Fu(r) =

|/ги^2' ^''(г)| называется

скаляризацией

тензорного

поля

 

и(х)

или

системой

ком-

понентов тензорного

поля и(х),

прочитанных

в репере

е.

F .W

является GL(d, JX)-эквивариантным в том смысле, что

 

 

 

 

F 'iV

(r) =

Е

12*

 

 

 

 

. аУЬ'лЬ1* •••Ь'.ч

(4.15)

 

 

 

3 q '

'

 

11 'Л -

 

 

 

 

ftp ^

J2

 

 

для всякого

 

а =

(aj) ^GL(d, R);

(&j) — обратная

к

(aj)

матри­

ца.

Обратпо,

всякая

GTj{d,

Н)-эквивариантная

система

F(r) —

= {F\Fz "\р (г)1

гладких

функций

па

GL(M)

задается как

F = Fu

{

h*2‘"3q

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для некоторого одиозиампо определенного тензорного ноля и.

П р е д л о ж е н и е

4.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4-16)

для всяких

i,,

г2,

.. •,

ip,

jt, h,

•••,

h u m — 1,

2, ...,

d,

где

{£,„} —

система канонических горизонтальных векторных полей.

 

 

Доказательство предоставляется читателю.

 

 

 

 

 

Для аффинной связности

V =

|Гу| Гу =

Г у —

 

являются

компонентами

тензора

Т типа

(1.2).

Т называется

тензором кру­

чения. Естественное определение тензора кручения Т дается ра­

венством

Y) = VAY _ V YX - [ X , Y],

X, Y e £ (M ) .

 

 

Т(Х,

 

Аффинная связность

V = [Гу]

называется связностью без круче­

ния или симметричной связностью, если

тензор кручения

равсп

 

Iylt

T»/I

 

 

 

 

 

ij =

1 И*

класса С“

называется римановым многообра­

Многообразие

М

зием,

если на

М

задано тензорное поле

g = (ga) типа (0,

2) та­

кое,

что

 

 

 

 

 

 

(I) g симметрично, т. е. ga(x) = ga(x) ;