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浅谈叶状结构的微分几何学

(2014-08-30 13:56:24)
标签:

纤维束

数学笔记

非交换几何

微分几何

strongart

分类: Strongart的数学笔记
    约定:本文中提到的流形都是光滑的。
    简单来说,流形上余维q的叶状结构(foliation)就是把n维流形分解成若干(n-q)维局部平凡的浸没子流形。这样的叶状结构一般被视为非交换几何的研究对象,它在微分几何中沟通了很多领域,本文就对它的几何性质做一个小结。

    下面看流形上叶状结构的技术性定义,在n维流形M的余维q的叶状卡(foliation atlas)(0≤q≤n)指M的卡f_i:U_i→R^n = R^(n-q)× R^q,其卡替换同胚局部形如:
          f_ij(x,y)=(g_ij(x,y),h_ij(y))
M的余维q的叶状结构就是指M上的最大n-q维叶状卡。
    各叶状卡内f_i^(-1)(R^(n-q)×{y}),y∈R^q的连通分支称为板(plaque),在流形上连成整体的板称为叶(leaf),所有的叶给出了M上也叶状结构F,带叶状结构F的流形M称为叶状流形(foliated manifold),记作(M,F).
    实际上,M内的叶定义出一个等价关系:x~y iff x与y位于同一个叶。由此可以作商得到叶空间M/F,称为叶状结构(M,F)的叶空间。一般来说,叶空间可以不是Hausdorff的。
    下面看叶状结构几个典型例子:
    1)纤维束(fibre bundle,大陆的数学工作者一般称它为纤维丛),其纤维就是天然的叶,由此可见叶状结构就是纤维束的推广。
    2)淹没(submersion),流形上的淹没映射f:M→N自然定义出叶状结构,其各叶是f^(-1)(y),y∈N的连通分支,这样的叶状结构称为简单叶状结构(simple foliation). 假若各纤维f^(-1)(y),y∈N都是连通的,那么得到的叶状结构称为严格简单叶状结构(strictly simple foliation). 简单叶状结构是严格简单的 iff 其叶空间是Hausdroff的。实际上,纤维束结构就是简单叶状结构的特例,但并不是所有的简单叶状结构都是纤维束,比如下面的Reeb叶状结构。
    3)Reeb叶状结构:考虑淹没f:R^2→R,f(x,y)=(x^2-1)e^y,由它给出的叶状结构在x=±1时有奇异性,因此就不是纤维束。类似的结构可以被推广到的高维,其图示参见[4]的Part II.1.
    4)环面上的Kronecker叶状结构:取定某个无理数θ,在环面S^1×S^1上,其叶可以由f_a:R→S^1×S^1,f_a(t)=(e^2πit,ae^2πiθt)给出。这个叶状结构中的每个叶都是环面上的一条稠密轨道,它不是简单叶状结构。

    对于n维流形M上的q维叶状结构F,我们还有其他的等价定义:
    1)Haefliger上环定义:对M上的开覆盖{U_i},有淹没s_i:U_i→R^q,使得同胚r_ij:s_j(U_i∩U_j)→s_i(U_i∩U_j),满足r_ij·s_j=s_i. 这里的r_ij满足上环恒等式,称为表示F的Haefliger上环.
    2)可积子束定义:通过TM的秩为n-q的可积子束E定义。这里的可积性就是说E在李括号的作用下封闭。
    3)外微分理想定义:通过外微分分次代数Ω(M)内秩为q的局部平凡微分分次理想J来定义。这里局部平凡性是在任何点都有局部开邻域U,使得J|U由q个线性无关1-形式生成,而理想J是微分的指dJ∈J.
    假若我们把最先的叶状结构定义记作0),那么0)与1)的等价实际上是平行于纤维束的,2)中的可积子束E实际上就是各叶的切束,而2)与3)的等价则是微分流形上的Frobenius定理。
    直观的看,叶状流形(M,F)可以分成“横向”的叶与“纵向”的截面。这是类比于纤维束来理解的,只不过在通常的示意图中,纤维束的纤维是竖直的,而叶状结构的叶却是水平的。叶状结构的一般性质就是保持其叶不变的截面性质,对于可定向性,则就有叶的可定向性与截面的可定向性的区别。

    设x,y是在M的同一叶L上,α是L内从x到y的道路,若存在一个叶状卡U包含α,取T与S分别为过x与y的截面,定义hol(α)为内从x到y的微分同胚芽,称为α在L内关于横截T与S的完整群(holonomy group). 一般若是x与y不在一个叶状卡内,则可以通过叶状卡的“接力”与完整群的复合实现。
    可以证明,同伦的道路诱导相同的完整群。对x点的截面T,我们有L的完整同态hol:π(L,x)→Diff_x(T)=Diff_0(R^q),其像Hol(L,x)称为L的完整群。L内从x到y的两个道路α与β有相同的完整结构,若hol(αβ^(-1))=1,这是定义在同伦道路上的等价类,称为完整等价类。
    我们还可以定义叶状流形(M,F)的完整群胚(holonomy groupoid)为:
            G(F)={(x,hol(α),y);存在叶L包含x,y与道路α从x到y}
其对象G^0=M,复合由完整群的复合自然诱导。
    对于简单叶状结构而言,其完整群是平凡的。可以认为,完整群在一定程度上刻画了叶状结构偏离简单的程度。
    对所有叶都是紧致的且有有限完整群的叶状流形(M,F),其叶空间M/F有轨形(orbifold)结构,其完整群就是轨形M/F的迷向群。   

     下面看几个特殊叶状结构,先是Riemann叶状结构。流形M上的余维q叶状结构F是Riemann的,若(M,F)带有横截度量,即向量场空间V(M)上的正C^∞(M)-双线性形式g,使得
     1)ker(g_x)=T_x(F), 对任何x∈M
     2)L_X(g)=0,对任何M上切于F的向量场X
其中条件1)使得g是法束N(F)的Riemann结构沿着标准投影T(M)→N(F)的拉回,而条件2)则是在局部坐标卡f_i:U_i→R^n = R^(n-q)× R^q内决定了形式g如下:
            g_ij = g(d/dy_i,d/dy_j)
并且
            dg_ij/dx_k = 0,对任何i,j,k成立
    由此可见,Riemann叶状结构主要就是在法束上面定义的,其横截面有自然的Riemann结构。这样的Riemann结构决定一个横截度量 iff 它是完整不变的。实际上,Riemann流形上的完整群就是叶状结构完整群的特别,具体来说就是流形上的切束关于Levi-Civita联络的完整群。
    Riemann叶状流形有一个非常良好的性质:假若它的所有叶都是紧的,那么它就一定有有限完整群,进而可以满足下面的局部Reeb稳定性定理的条件。

    下面我们看另一类重要的叶状结构,叫做李叶状结构(Lie foliation)。对此我们要流形M关于李代数g的Maurer-Cartan形式出发,它是指M上的g-值1-形式ω,满足平凡曲率条件:
            dω+[ω,ω]/2=0
ω称为非奇异的,若对任何x∈M,ω_x:T_x(M)→g是满射。 
    流形M上的叶状结构F,若存在李代数g及其上的非奇异的Maurer-Cartan形式ω,使得codim F = dim g且T(F)= ker ω,则它称为是李叶状结构。
    直观来看,李叶状结构的横截部分对应李群,其叶的部分则对应李群的切束。正如李群的具有可平行化性质,李叶状结构也是横截可平行化的。为此我们要先介绍一下概念,首先定义叶向量场的李子代数V (F)的李理想:
            L(M,F)={Y∈V(M); [V(F),Y]≤V(F)}
由此可定义商李子代数:
            l(M,F)=L(M,F)/V(F)
余维q的叶状流形(M,F)是横截可平行化的,就是指在l(M,F)存在q个横截向量场生成法束。 
    横截可平行化的叶状流形有一系列良好的性质,其完整群是平凡的,同时存在截面度量,因此可以被赋予Riemann叶状结构。假若是紧连通流形上的横截可平行化叶状结构,那么它还是齐性的(homogenous),这里(M,F)是齐性叶状流形,是指保持叶的自同构群Aut(M,F)在M上的作用是可迁的。

    由叶的紧致性与完整群的有限性,可以得到叶状流形的几何结构,这一系列结论被称为Reeb稳定性定理。下面我们简述若干Reeb稳定性定理,其详细证明参见[1]的第二章。
    先看局部Reeb稳定性定理:对带有限完整群的紧叶L,存在L在M内的饱和开邻域V与同胚L' ×_H T→V,使得叶状结构F限制在V上对应L' ×_H T上平坦纤维束的叶状结构。
    这里开邻域的饱和的,指它又若干叶的并构成,而L' ×_H T=L''×_π(L,x_0)T,其中L''是L的万有复叠且π(L,x_0)通过完整同态π(L,x_0)→H作用在T上。我们可以L'视为基点x_o到L内点x的完整等价类。H在L上的作用就是自然右作用:[α][η]=[αη],其中η是x_0处表示hol(η)∈H的圈。
    这个定理就是说,满足相应条件的叶状结构在局部可以表示为平坦纤维束的形式。事实上,当我们选定好截面T之后,这个局部的纤维束可以由L' × T→M,([α],y)→hol(α)(y)自然诱导,最后取V=∪(y∈T)L_y.
    对于整体稳定性定理,我们这里只讨论余维1的情形:若F是紧连通流形M上的余维1横截可定向叶状结构,并且带有有限基本群的紧叶L_0,则F是由纤维束投影φ:M→S^1的纤维给定的叶状结构。特别,F的所有叶都是同胚于L_0,因此都是紧的。
    在这个定理中,紧叶L_0的基本群有限条件,可以改为其一次de Rham上同调群平凡,这就是整体Reeb-Thurston稳定性定理。对于一般叶非紧的叶状结构,其结构是比较复杂的。

    最后看两个关于三维流形上关于余维1叶状结构的经典定理,详细证明见[1]的第三章。
    Haefliger定理:S^3上没有余维1的解析叶状结构。
    Novikov定理:若F是基本群有限的三维紧流形上余维1的横截定向叶状结构,则F有紧叶。
    叶状结构的内容相当丰富,还包括其特征类理论的Godbillon-Vey类,上同调理论的Gelfand-Fuks上同调,还可以建立关于叶状结构的指标定理,有兴趣的读者可以参阅文献[2]与[4].

    扩展阅读:
    [1] Moerdijk I, Mrcun J. Introduction to foliations and Lie groupoids[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. (关于叶状结构与李群胚理论的简明教材,本文的主要参考书)
    [2] Candel A, Conlon L. Foliations I and II, Graduate studies in Mathematics 60[J]. American Math. Society, 2003. (详细介绍叶状结构各方面理论的专著,内容相当的丰富)
    [3] Author unknown,General theory of foliations theory,INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY BOMBAY Department of Mathematics,2008.  www.isical.ac.in/~foliation/fol.pdf (关于叶状结构的短篇入门讲义)
    [4] Piotr M. Hajac(Editor),Lecture notes on noncommutative geometry and quantum groups 2008 www.mimuw.edu.pl/~pwit/toknotes/toknotes.pdf (非交换几何套装,其中Part II Foliations, C*-algebras and index theory by Paul F. Baum and Henri Moscovici涉及到叶状结构的指标定理)
    看完了非交换几何的叶状结构,再来看一下辛几何哈,请看博文:浅谈辛几何与辛流形

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