§ 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' |
|
|
|
|
|
|
|
|
!р '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 |
|
(Ш <= 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 |
]р(r) = |
Е |
12* |
|
|
|
|
. аУЬ'лЬ1* •••Ь'.ч |
(4.15) |
|||||||
|
|
|
3 q ' |
' |
|
11 'Л - |
|
|
|
|
ftp ^ |
J2 |
|
>ч |
|
||
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) ;