Topologia i geometria różniczkowa - Wydział Matematyki i ...
Topologia i geometria różniczkowa - Wydział Matematyki i ... Topologia i geometria różniczkowa - Wydział Matematyki i ...
Spis treści Topologia i geometria różniczkowa Andrzej Nowicki Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Wydział Matematyki i Informatyki, ul. Chopina 12–18, 87–100 Toruń (e-mail: anow@mat.uni.torun.pl) Marzec 1995 1 Wstępne informacje topologiczne 1 1.1 Topologia ilorazowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Przestrzenie lokalnie zwarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Przestrzenie parazwarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.4 Rozkład jedności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.5 Rozmaitości topologiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.6 Rzeczywista przestrzeń rzutowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.7 Wstęga Möbiusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.8 Powierzchnie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.9 Nakrycia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.10 Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Grupa podstawowa 9 2.1 Drogi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Drogi homotopijnie równoważne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Definicja grupy podstawowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Homotopia odwzorowań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5 Przykłady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.6 Wyższe grupy homotopii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.7 Hipoteza Poincaré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 Działanie grupy na przestrzeń topologiczną 15 3.1 Działanie grupy na zbiór . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Przestrzeń orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.3 Produkty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Zwartość . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 Działania wspólnie rozłączne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.6 Działania wolne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.7 Grupa podstawowa przestrzeni orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.8 Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4 Snopy i algebry funkcji ciągłych 20 4.1 Presnopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.2 Snopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.3 Algebra funkcji ciągłych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Ideały maksymalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Derywacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.4 Lokalny pierścień ciągłych kiełków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 i
- Page 2 and 3: ii Andrzej Nowicki - Marzec 1995. T
- Page 4 and 5: iv Andrzej Nowicki - Marzec 1995. T
- Page 6 and 7: 2 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolog
- Page 8 and 9: 4 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolog
- Page 10 and 11: 6 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolog
- Page 12 and 13: 8 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolog
- Page 14 and 15: 10 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 16 and 17: 12 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 18 and 19: 14 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 20 and 21: 16 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 22 and 23: 18 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 24 and 25: 20 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 26 and 27: 22 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 28 and 29: 24 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 30 and 31: 26 A. Nowicki - Marzec 1995. Rozmai
- Page 32 and 33: 28 A. Nowicki - Marzec 1995. Rozmai
- Page 34 and 35: 30 A. Nowicki - Marzec 1995. Rozmai
- Page 36 and 37: 32 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 38 and 39: 34 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 40 and 41: 36 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 42 and 43: 38 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 44 and 45: 40 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 46 and 47: 42 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 48 and 49: 44 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
- Page 50 and 51: 46 A. Nowicki - Marzec 1995. Topolo
Spis treści<br />
<strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Andrzej Nowicki<br />
Uniwersytet Mikołaja Kopernika, <strong>Wydział</strong> <strong>Matematyki</strong> i Informatyki,<br />
ul. Chopina 12–18, 87–100 Toruń<br />
(e-mail: anow@mat.uni.torun.pl)<br />
Marzec 1995<br />
1 Wstępne informacje topologiczne 1<br />
1.1 <strong>Topologia</strong> ilorazowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1<br />
1.2 Przestrzenie lokalnie zwarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1<br />
1.3 Przestrzenie parazwarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1<br />
1.4 Rozkład jedności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1<br />
1.5 Rozmaitości topologiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2<br />
1.6 Rzeczywista przestrzeń rzutowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2<br />
1.7 Wstęga Möbiusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
1.8 Powierzchnie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4<br />
1.9 Nakrycia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
1.10 Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2 Grupa podstawowa 9<br />
2.1 Drogi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
2.2 Drogi homotopijnie równoważne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
2.3 Definicja grupy podstawowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
2.4 Homotopia odwzorowań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
2.5 Przykłady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
2.6 Wyższe grupy homotopii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
2.7 Hipoteza Poincaré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
3 Działanie grupy na przestrzeń topologiczną 15<br />
3.1 Działanie grupy na zbiór . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
3.2 Przestrzeń orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
3.3 Produkty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
3.4 Zwartość . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
3.5 Działania wspólnie rozłączne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
3.6 Działania wolne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
3.7 Grupa podstawowa przestrzeni orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
3.8 Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19<br />
4 Snopy i algebry funkcji ciągłych 20<br />
4.1 Presnopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
4.2 Snopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
4.3 Algebra funkcji ciągłych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21<br />
Ideały maksymalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
Derywacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.4 Lokalny pierścień ciągłych kiełków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
i
ii Andrzej Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
5 Wiązki wektorowe nad przestrzenią topologiczną 26<br />
5.1 <strong>Topologia</strong> rzeczywistej przestrzeni wektorowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
5.2 Rodziny wektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
5.3 Przekroje rodziny wektorowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
5.4 Wiązki wektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />
5.5 Funkcje przejścia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />
5.6 Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
6 Podstawowe pojęcia geometrii różniczkowej 31<br />
6.1 Różniczka funkcji rzeczywistej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31<br />
6.2 Rozmaitości różniczkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />
6.3 Odwzorowania rozmaitości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<br />
6.4 Algebra funkcji gładkich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<br />
6.5 Lokalny pierścień gładkich kiełków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
6.6 Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
7 Derywacje lokalne 40<br />
7.1 Izomorfizm przestrzeni derywacji lokalnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
7.2 Przestrzenie liniowe postaci M/M 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
7.3 Bazy przestrzeni derywacji lokalnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />
7.4 Krzywe i przestrzeń styczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />
7.5 Przestrzeń styczna i derywacje lokalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />
7.6 Morfizmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
8 Wiązka styczna 51<br />
8.1 Wiązka styczna i funkcje przejścia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
8.2 Wiązka styczna i krzywe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
8.3 Wiązka styczna i derywacje lokalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />
9 Pola wektorowe i derywacje 55<br />
9.1 Gładkie wiązki wektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
9.2 Przekroje gładkich wiązek wektorowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
9.3 Pola wektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
9.4 Derywacje pieścienia funkcji gładkich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
9.5 Pierwszy dowód twierdzenia o izomorfizmie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
9.6 Drugi dowód twierdzenia o izomorfizmie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
9.7 Nawias Liego pól wektorowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
9.8 Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60<br />
10 Działanie*funktora na wiązkę 61<br />
10.1 Definicja przy pomocy funkcji przejścia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />
10.2 Definicja poglądowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />
10.3 Wiązka kostyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
10.4 Potęga zewnętrzna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
11 Formy różniczkowe 63<br />
11.1 Moduł form różniczkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
11.2 Forma df . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
11.3 Kompleks de Rhama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />
12 Rozmaitość R n 65<br />
12.1 Krzywe i przestrzeń styczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65<br />
12.2 Derywacje lokalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
12.3 Derywacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
12.4 Wiązka styczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Andrzej Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong> iii<br />
12.5 Pola wektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
12.6 Nawias Liego pól wektorowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
12.7 Forma df . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
12.8 Formy różniczkowe 1-go rzędu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69<br />
12.9 Formy wyższych rzędów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70<br />
12.10Kompleks de Rhama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />
13 Całkowanie pól wektorowych 73<br />
13.1 Krzywa całkowa pola wektorowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />
13.2 Krzywa całkowa dla pola wektorowego w R 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />
13.3 Krzywa całkowa dla pola wektorowego w R n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />
13.4 Twierdzenia o istnieniu krzywych całkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />
13.5 Formalne systemy równań różniczkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />
13.6 Jednoparametrowe grupy dyfeomorfizmów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76<br />
13.7 Informacja o twierdzeniu Frobeniusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77<br />
14 Grupy Liego i ich algebry Liego 78<br />
14.1 Grupy Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78<br />
14.2 Niezmiennicze pola wektorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79<br />
14.3 Moduł pól wektorowych grupy Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81<br />
14.4 Algebra Liego grupy Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81<br />
14.5 Algebra Liego addytywnej grupy przestrzeni R n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />
14.6 Algebra Liego grupy GLn(R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
14.7 Algebry Liego pewnych podgrup grupy GLn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />
Grupa specjalna SLn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />
Grupa ortogonalna On . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86<br />
Specjalna grupa ortogonalna SOn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86<br />
Grupa unitarna Un . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86<br />
Specjalna grupa unitarna SUn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86<br />
Grupy symplektyczne Spn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />
Grupy zwarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />
Wymiary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />
14.8 Informacje o lokalnych grupach Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />
14.9 Jednoparametrowe podgrupy i odwzorowanie wykładnicze . . . . . . . . . . . . . . . . 88<br />
14.10Związek między grupami Liego i algebrami Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />
Twierdzenia Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91<br />
14.11Grupy formalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91<br />
14.12Uwagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92<br />
15 Algebry Liego 93<br />
15.1 Podstawowe definicje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93<br />
15.2 Przykłady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94<br />
15.3 Małe wymiary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95<br />
15.4 Derywacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96<br />
15.5 Reprezentacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96<br />
15.6 Rozwiązalne i nilpotentne algebry Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98<br />
16 Systemy pierwiastków i diagramy Dynkina 100<br />
16.1 Systemy pierwiastków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100<br />
16.2 Grupa Weyla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101<br />
16.3 Pierwiastki proste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102<br />
16.4 Macierz Cartana i V-graf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102<br />
16.5 Diagramy Dynkina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
iv Andrzej Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
17 Półproste algebry Liego 105<br />
17.1 Proste i półproste algebry Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105<br />
17.2 Specjalna algebra Liego sl2(k) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106<br />
17.3 Rozkład Cartana-Levi-Malceva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108<br />
17.4 Podalgebry Cartana i torusy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108<br />
17.5 Podprzestrzenie stowarzyszone z podalgebrą Cartana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109<br />
17.6 Zredukowany system pierwiastków półprostej algebry Liego . . . . . . . . . . . . . . . 109<br />
17.7 Klasyfikacja prostych i półprostych algebr Liego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111<br />
Spis cytowanej literatury 113<br />
Indeks 114
1. Wstępne informacje topologiczne 1<br />
1 Wstępne informacje topologiczne<br />
1.1 <strong>Topologia</strong> ilorazowa<br />
Niech X będzie przestrzenią topologiczną, Y zbiorem i f : X −→ Y funkcją. Wprowadzamy na<br />
zbiorze Y topologię przy pomocy rodziny<br />
Uf = {U ⊆ Y ; f −1 (U) otwarte w X}.<br />
Rodzina Uf spełnia wszystkie aksjomaty rodziny zbiorów otwartych. Jest to tzw. topologia ilorazowa<br />
na Y (zadana przy pomocy odwzorowania f). Wtedy f jest odwzorowaniem ciągłym.<br />
1.2 Przestrzenie lokalnie zwarte<br />
Definicja 1.2.1. Toplogiczną przestrzeń X nazywamy lokalnie zwartą jeśli, dla każdego punktu<br />
x ∈ X, istnieje zbiór otwarty U ∋ x taki, że zbiór U jest zwarty.<br />
Każda przestrzeń lokalnie zwarta jest przestrzenią Hausdorffa, a nawet przestrzenią T 3 1<br />
2 (Tichonowa).<br />
Podzbiory otwarte lub domknięte przestrzeni lokalnie zwartej są przestrzeniami lokalnie zwartymi.<br />
1.3 Przestrzenie parazwarte<br />
Niech X będzie przestrzenią topologiczną.<br />
Definicja 1.3.1. Rodzinę {As}s∈S podzbiorów przestrzeni X nazywamy lokalnie skończoną jeśli<br />
każdy punkt x ∈ X ma otoczenie (otwarte) U, które przecina się tylko ze skończoną liczbą elementów<br />
tej rodziny, tzn., gdy zbiór {s ∈ S; As ∩ U = ∅} jest skończony.<br />
Jeżeli {As}s∈S jest rodziną lokalnie skończoną, to <br />
s∈S As = <br />
s∈S As.<br />
Definicja 1.3.2. Niech A = {As}s∈S, B = {Bt}t∈T będą pokryciami przestrzeni X. Mówimy, że<br />
pokrycie A jest wpisane w pokrycie B jeśli istnieje funkcja λ : S −→ T taka, że As ⊆ B λ(s) dla<br />
wszystkich s ∈ S.<br />
Definicja 1.3.3. Mówimy, że X jest przestrzenią parazwartą jeśli jest przestrzenią Hausdorffa oraz<br />
w każde otwarte pokrycie tej przestrzeni można wpisać otwarte pokrycie lokalnie skończone.<br />
Dowody poniższych faktów można znaleźć np. w [7].<br />
Stwierdzenie 1.3.4.<br />
(1) Przestrzeń zwarta jest parazwarta.<br />
(2) Przestrzeń metryczna jest parazwarta.<br />
(3) Przestrzeń lokalnie zwarta i ośrodkowa jest parazwarta.<br />
(4) Przestrzeń parazwarta jest normalna (tzn. T4).<br />
(5) Jeśli X jest przestrzenią parazwartą, a Y zwartą, to X × Y jest parazwarte. ⊠<br />
1.4 Rozkład jedności<br />
Niech X będzie przestrzenią topologiczną i f : X −→ R funkcją ciągłą.<br />
Definicja 1.4.1. Nośnikiem funkcji f nazywamy zbiór Supp(f) = f −1 (R 0).<br />
Załóżmy, że U = {Ui}i∈I jest otwartym pokryciem przestrzeni X.<br />
Definicja 1.4.2. Rozkładem jedności względem pokrycia U nazywamy rodzinę {es}s∈S, funkcji ciągłych<br />
z X do R takich, że:<br />
(1) ∀s∈S∀x∈X es(x) 0,<br />
(2) ∀s∈S∃i∈I Supp(es) ⊆ Ui,<br />
(3) rodzina {Supp(es)}s∈S jest lokalnie skończona,<br />
<br />
(4) ∀x∈X s∈S es(x) = 1.
2 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Zauważmy, że (4) ma sens dzięki (3). Zauważmy również, że rodzina {Supp(es)}s∈S jest pokryciem<br />
(domkniętym) przestrzeni X. Istotnie, niech x ∈ X. Wtedy, z (4), istnieje s ∈ S takie, że es(x) = 0, a<br />
zatem x ∈ Supp(es).<br />
Twierdzenie 1.4.3. Niech X będzie przestrzenią parazwartą i U jej otwartym pokryciem. Istnieje<br />
wtedy rozkład jedności względem U. ⊠<br />
Dowód znajdziemy w [7]. Prosty dowód (dla X ⊆ R n ) jest w [25].<br />
1.5 Rozmaitości topologiczne<br />
Niech M będzie przestrzenią topologiczną.<br />
Definicja 1.5.1. Mapą n-wymiarową punktu p ∈ M nazywamy każdą parę (U, ϕ), w której U jest<br />
zbiorem otwartym w M zawierającym p, a ϕ : U −→ Rn jest homeomorfizmem na pewien otwarty<br />
podzbiór w Rn .<br />
Definicja 1.5.2. Każdy zbiór n-wymiarowych map {(Uα, ϕα)} takich, że <br />
α Uα = M nazywamy<br />
n-wymiarowym atlasem przestrzeni M.<br />
Definicja 1.5.3. Każdą przestrzeń topologiczną M posiadającą n-wymiarowy atlas nazywamy nwymiarową<br />
rozmaitością topologiczną.<br />
1.6 Rzeczywista przestrzeń rzutowa<br />
Przez S n oznaczamy sferę n-wymiarową, tzn.<br />
S n = {(x1, . . . , xn+1) ∈ R n+1 ; x 2 1 + · · · + x 2 n+1 = 1}.<br />
W szczególności: S 0 = {−1, 1}, S 1 = {(x, y) ∈ R 2 ; x 2 + y 2 = 1}. <strong>Topologia</strong> na S n jest indukowana z<br />
R n+1 .<br />
Niech P n (R) będzie rodziną wszystkich dwuelementowych zbiorów postaci {x, −x}, gdzie x ∈ S n i<br />
niech p : S n −→ P n (R) będzie funkcją określoną wzorem<br />
Funkcja p jest surjekcją.<br />
p(x) = {x, −x}, dla x ∈ S n .<br />
Definicja 1.6.1. Zbiór P n (R) z topologią ilorazową wyznaczoną przez p nazywamy n-wymiarową<br />
przestrzenią rzutową rzeczywistą.<br />
Istnieją różne (równoważne) sposoby definiowania n-wymiarowej przestrzeni rzutowej rzeczywistej.<br />
Można na przykład tę przestrzeń wprowadzić w następujący sposób.<br />
Niech ∼ będzie relacją w S n zdefiniowaną wzorem:<br />
x ∼ y ⇐⇒ x = ±y.<br />
Jest to relacja typu równoważności. Klasa abstrakcji elementu x ∈ S n jest dwuelementowym zbiorem<br />
{x, −x}. Zatem P n (R) = S n /∼, gdzie topologia na S n /∼ jest ilorazowa (wyznaczona przez kanoniczną<br />
surjekcję).<br />
To samo można wypowiedzieć w języku działań grup na przestrzeń topologiczną. Dokładniej zajmiemy<br />
się tym w Rozdziale 3. Niech Z2 = {−1, 1}. Sfera S n jest Z2-przestrzenią z działaniem<br />
Z2 × S n , (a, x) ↦→ ax.<br />
Przestrzeń rzutowa P n (R), to nic innego, jak przestrzeń orbit S n /Z2. Dzięki temu otrzymujemy (patrz<br />
odpowiednie fakty w Rozdziale 3):
1. Wstępne informacje topologiczne 3<br />
Stwierdzenie 1.6.2.<br />
(1) Odwzorowanie p : S n −→ P n (R), x ↦→ {x, −x}, jest otwarte i domknięte.<br />
(2) Przestrzeń P n (R) jest zwarta.<br />
(3) Przestrzeń P n (R) jest n-wymiarową rozmaitością topologiczną. ⊠<br />
Inne uzasadnienie własności (3) znajdziemy w PH23.<br />
Ponieważ ciągły obraz przestrzeni spójnej jest przestrzenią spójną, więc:<br />
Stwierdzenie 1.6.3. Przestrzeń P n (R) jest spójna. ⊠<br />
Nieco inaczej wprowadza się przestrzeń rzutową w geometrii algebraicznej (patrz np. [20] Rozdział<br />
5). W zbiorze R n+1 {0} wprowadzamy relację (typu równoważnoći) ∼ następująco:<br />
(x1, . . . , xn+1) ∼ (y1, . . . , yn+1) ⇐⇒ ∃0=a∈R∀ i∈{1,...,n+1} yi = axi.<br />
Klasę abstrakcji każdego elementu (x1, . . . , xn+1) ∈ R n+1 {0} (względem tej relacji) oznaczamy przez<br />
(x1 : · · · : xn+1). Rzeczywista przestrzeń rzutowa (n-wymiarowa), to zbiór wszystkich takich klas abstrakcji.<br />
Oznaczmy (chwilowo) tak zdefiniowaną przestrzeń rzutową przez P i rozważmy odwzorowanie<br />
ϕ : P −→ P n (R) określone jako<br />
(x1 : · · · : xn+1) ↦−→ { x x<br />
||x|| , − ||x|| },<br />
<br />
gdzie x = (x1, . . . , xn+1), ||x|| = x2 1 + · · · + x2n+1 . Z łatwością stwierdzamy, że ϕ jest dobrze określoną<br />
bijekcją. Topologię na zbiorze P określamy przy pomocy funkcji ϕ. Podzbiór U ⊆ P jest otwarty<br />
w P dokładnie wtedy, gdy zbiór ϕ(U) jest otwarty w Pn (R). Odwzorowanie ϕ ma wiele interesujących<br />
własności. Polecamy Rozdział 3 w [2], gdzie znajdziemy dokładniejsze wyjaśnienie omawianego<br />
zagadnienia.<br />
Uwaga 1.6.4 ([16] 44). Przestrzeń P 2 (R) można otrzymać jako przestrzeń ilorazową D 2 /∼, gdzie D 2 jest<br />
dyskiem {(x, y) ∈ R 2 ; x 2 + y 2 1} z topologią indukowaną z R 2 oraz<br />
x ∼ y ⇐⇒ (x = y) ∨ (x, y ∈ S 1 ⊂ D 2 ∧ x = −y). ⊠<br />
Uwaga 1.6.5 ([16]). Przestrzeń P 2 (R) można otrzymać jako przestrzeń ilorazową K 2 / ∼, gdzie K 2 jest<br />
kwadratem {(x, y) ∈ R 2 ; 0 x 1, 0 y 1} z topologią indukowaną z R 2 oraz<br />
(x, y) ∼ (x ′ , y ′ ) ⇐⇒ (x, y) = (x ′ , y ′ )<br />
∨ {x, x ′ } = {1, 0} ∧ y = 1 − y ′<br />
∨ {y, y ′ } = {1, 0} ∧ x = 1 − x ′ . ⊠<br />
Uwaga 1.6.6 ([16]). Odwzorowanie F : P 2 (R) −→ R 4 , {x, −x} −→ (x 2 1 −x 2 2, x1x2, x1x3, x2x3), jest ciągłe<br />
i różnowartościowe. ⊠<br />
Uwaga 1.6.7 ([16] 45). Jeśli wytniemy z P 2 (R) mały dysk, to otrzymamy wstęgę Möbiusa. Zatem P 2 (R)<br />
można interpretować jako wstęgę Möbiusa z doklejonym dyskiem. ⊠<br />
Uwaga 1.6.8 ([16] 95). Jedyną (z dokładnością do homeomorfizmu) rozmaitością zwartą i spójną wymiaru<br />
1 jest sfera S 1 . Ponieważ P 1 (R) jest właśnie taką rozmaitością, więc stąd wynika, że przestrzenie S 1 i P 1 (R)<br />
są homeomorficzne. ⊠<br />
1.7 Wstęga Möbiusa<br />
Rozpatrzmy cylinder<br />
C = {(x, y, z) ∈ R 3 ; x 2 + y 2 = 1, −1 z 1}<br />
z topologią indukowaną z R 3 . Niech M będzie rodziną wszystkich dwuelementowych zbiorów postaci<br />
{x, −x}, gdzie x ∈ C. Niech p : C −→ M będzie surjekcją x ↦→ {x, −x}.
4 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Definicja 1.7.1. Zbiór M, z topologią ilorazową, wyznaczoną przez p, nazywamy wstęgą Möbiusa.<br />
Definicję tę można trochę inaczej sformułować w następujący sposób. W zbiorze C wprowadzamy<br />
relację równoważności:<br />
a ∼ b ⇐⇒ a = −b.<br />
Wtedy zbór C/∼, wszystkich klas abstrakcji z topologią ilorazową, jest właśnie wstęgą Möbiusa.<br />
Sam cylinder C jest również pewną przestrzenią ilorazową. Mianowicie, C = K 2 /∼, gdzie K 2 jest<br />
kwadratem {(x, y) ∈ R 2 ; 0 x 1, 0 y 1}, a ∼ jest relacją równoważności w K 2 zdefiniowaną<br />
jako:<br />
(x, y) ∼ (x ′ , y ′ ) ⇐⇒ (x, y) = (x ′ , y ′ ) ∨ {x, x ′ } = {0, 1}, y = y ′ .<br />
Wstęgę Möbiusa można zdefiniować inaczej; jako przestrzeń ilorazową kwadratu K 2 względem<br />
relacji równoważności ∼ określonej jako:<br />
(x, y) ∼ (x ′ , y ′ ) ⇐⇒ (x, y) = (x ′ , y ′ ) ∨ {x, x ′ } = {0, 1}, y = 1 − y ′ .<br />
Oto jeszcze inne spojrzenie na wstęgę Möbiusa. Można ją zdefiniować przy pomocy działania grupy<br />
Z, liczb całkowitych. Dokładniej zajmiemy się tym w Rozdziale 3. Niech X będzie nieskończonym<br />
paskiem<br />
X = {(x, y) ∈ R2 ; − 1 1<br />
2 y 2 }<br />
z topologią indukowaną z R2 . Rozpatrzmy działanie<br />
Z × X −→ X, m(x, y) = (m + x, (−1) m y).<br />
Przestrzeń orbit X/Z jest homeomorficzna ze wstęgą Möbiusa M.<br />
Ponieważ ciągły obraz przestrzeni spójnej jest przestrzenią spójną, więc:<br />
Stwierdzenie 1.7.2. Wstęga Möbiusa M jest przestrzenią spójną. ⊠<br />
Wstęgę Möbiusa można zanurzyć w R 3 . Odwzorowanie f : M −→ R 3 , określone wzorem<br />
{a, −a} ↦−→ ((x 2 − y 2 )(2 + xz), 2xy(2 + xz), yz),<br />
gdzie a = (x, y, z), jest ciągłym odwzorowaniem różnowartościowym.<br />
W dalszych częściach tego opracowania będziemy mówić o przestrzeniach topologicznych homotopijnie<br />
równoważnych. Zanotujmy teraz, że wstęga Möbiusa M i cylinder C, to dwie przestrzenie<br />
homotopijnie równoważne ([16] 138).<br />
1.8 Powierzchnie<br />
Powierzchnią nazywamy każdą 2-wymiarową rozmaitość zwartą i spójną.<br />
Niech X1, X2 będą dwiemia rozłącznymi powierzchniami. Sumą spójną tych powierzchni nazywamy<br />
powierzchnię, oznaczaną przez X1#X2, która powstaje przez wycięcie z każdej z tych powierzchni<br />
małego dysku i sklejenie brzegów. Pokazuje się, że definicja zbioru X1#X2 nie zależy od wyboru<br />
dysków oraz, że X1#X2 jest istotnie powierzchnią.<br />
Twierdzenie 1.8.1 ([16] 99). Każda powierzchnia X jest homeomorficzna z dokładnie jedną z następujących<br />
powierzchni:<br />
(a) S2 # T # . . . #T , gdzie m 0 i T = S<br />
<br />
m<br />
1 × S1 (torus),<br />
(b) S2 # P 2 (R)# . . . #P 2 (R) , gdzie m 1. ⊠<br />
<br />
m<br />
Uwaga 1.8.2 ([16]).<br />
(a) Suma spójna dwóch płaszczyzn rzutowych, to butelka Kleina.<br />
(b) T #P 2 (R) ≈ P 2 (R)#P 2 (R)#P 2 (R). ⊠
1. Wstępne informacje topologiczne 5<br />
1.9 Nakrycia<br />
Niech p : E −→ X będzie ciągłym odwzorowaniem przestrzeni topologicznych.<br />
Definicja 1.9.1. Mówimy, że odwzorowanie p : E −→ X jest nakryciem, jeśli dla każdego punktu<br />
x ∈ X istnieje otoczenie otwarte U ∋ x takie, że<br />
p −1 (U) = <br />
j∈J Vj,<br />
gdzie zbiory postaci Vj są:<br />
(a) otwarte,<br />
(b) parami rozłączne oraz takie, że<br />
(c) odwzorowania p|Vj : Vj −→ U są homeomorfizmami.<br />
Jeśli p : E −→ X jest nakryciem, to E nazywamy przestrzenią nakrywającą przestrzeń X.<br />
Z tej definicji wynika:<br />
Stwierdzenie 1.9.2 ([12] 26). Jeśli p : E −→ X jest nakryciem, to:<br />
(1) przestrzenie postaci p −1 (x), x ∈ X, są dyskretne;<br />
(2) odwzorowanie p jest lokalnym homeomorfizmem, tzn. dla każdego e ∈ E istnieje zbiór otwarty<br />
V ∋ e taki, że p(V ) jest zbiorem otwartym w X oraz odwzorowanie p|V : V −→ p(V ) jest homeomorfizmem;<br />
(3) odwzorowanie p jest surjekcją;<br />
(4) odwzorowanie p jest otwarte;<br />
(5) X jest przestrzenią ilorazową przestrzeni E.<br />
Dowód. (1). Niech x ∈ X. Niech U ∋ x będzie zbiorem otwartym w X takim, jak w definicji<br />
nakrycia. Wtedy<br />
p −1 (x) = <br />
j∈J (Vj ∩ p −1 (x)).<br />
Zbiory postaci Vj ∩p −1 (x) są oczywiście otwarte w p −1 (x). Są to zbiory jednoelementowe. Istotnie, jeśli<br />
a, b ∈ Vj ∩p −1 (x), to a, b ∈ Vj oraz p(a) = p(b) = x. Ale p|Vj jest odwzorowaniem różnowartościowym,<br />
zatem a = b.<br />
Niech a ∈ p −1 (x). Istnieje wtedy j ∈ J takie, że a ∈ Vj ∩ p −1 (x). Wtedy Vj ∩ p −1 (x) = {a}.<br />
To implikuje, że {a} jest zbiorem otwartym. Każdy więc jednoelementowy podzbiór w p −1 (x) jest<br />
zbiorem otwartym.<br />
(2). Niech e ∈ E. Wtedy x = p(e) ∈ X. Istnieje więc zbiór otwarty V ∋ x taki, jak w definicji<br />
nakrycia. Wtedy e ∈ p −1 (U), więc e ∈ Vj, dla pewnego j ∈ J. Zbiór p(Vj) = U jest otwarty w X oraz<br />
p|Vj : Vj −→ p(Vj) = U jest homeomorfizmem.<br />
(3). Niech x ∈ X i niech U ∋ x będzie zbiorem otwartym takim, jak w definicji nakrycia. Ponieważ<br />
p|Vj : Vj −→ U jest surjekcją oraz x ∈ U, więc istnieje e ∈ Vj takie, że p(e) = x.<br />
(4). Wynika to z (2), gdyż jest oczywiste, że każdy lokalny homeomorfizm jest odwzorowaniem<br />
otwartym.<br />
(5). Jest to konsekwencja (3) i (4). ⊠<br />
Zanotujmy kilka przykładów nakryć.<br />
Przykład 1.9.3.<br />
(0) Odwzorowanie tożsamościowe X −→ X jest nakryciem.<br />
(1) Odwzorowanie p : R1 −→ S1 , p(t) = e2πit , jest nakryciem. Jeśli x ∈ S1 , to zbiór otwarty U ∋ x<br />
(występujący w definicji nakrycia) jest przedziałem otwartym okręgu S1 , zawierającym x.<br />
(2) p : S1 −→ S1 , p(z) = zn .<br />
(3) Niech p : Sn −→ Pn (R) (gdzie Pn (R) jest rzeczywistą przestrzenią rzutową) będzie odwzorowaniem<br />
sklejającym punkty antypodyczne. Odwzorowanie to jest nakryciem.<br />
(4) Niech G będzie grupą topologiczną i H jest jej dyskretną podgrupą. Wtedy rzutowanie G −→<br />
G/H (gdzie G/H jest zbiorem warstw z topologią ilorazową) jest nakryciem.<br />
(5) C {0} −→ C {0}, z ↦→ zn .<br />
(6) C −→ C {0}, z ↦→ ez = ∞ . ⊠<br />
n=0 zn<br />
n!
6 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 1.9.4. Jeśli p1 : E1 −→ X1, p2 : E2 −→ X2 są nakryciami, to odwzorowanie<br />
jest nakryciem. ⊠<br />
1.10 Uwagi<br />
p : E1 × E2 −→ X1 × X2, (e1, e2) ↦→ (p1(e1), p2(e2)),<br />
1.1 Niech (X, d) będzie przestrzenią metryczną. Niech d ′ : X × X −→ R będzie funkcją określoną wzorem<br />
Stwierdzenie 1.10.1. Funkcja d ′ jest metryką w X.<br />
d ′ (x, y) = d(x,y)<br />
1+d(x,y) .<br />
Dowód. Trudność może sprawić jedynie nierówność trójkąta. Niech x, y, z ∈ X. Oznaczmy: a = d(x, y),<br />
b = d(y, z), c = d(x, z). Wtedy a, b, c 0 oraz a + b c. Należy pokazać, że<br />
Sprawdzamy:<br />
a b c a(1+b)(1+c)+b(1+a)(1+c)−c(1+a)(1+b)<br />
+ − = 0.<br />
1+a 1+b 1+c (1+a)(1+b)(1+c)<br />
a(1 + b)(1 + c) + b(1 + a)(1 + c) − c(1 + a)(1 + b)<br />
= a + ab + ac + abc + b + ab + bc + abc − c − ac − bc − abc<br />
= (a + b − c) + 2ab + abc 0. ⊠<br />
Stwierdzenie 1.10.2. Metryki d i d ′ są równoważne, tzn. przestrzenie metryczne (X, d) i (X, d ′ ) są homeomorficzne.<br />
⊠<br />
1.2 Jeśli X, Y są przestrzeniami topologicznymi i h : X −→ Y jest homeomorfizmem, to (dla każdego<br />
x ∈ X) przestrzenie X {x} i Y {h(x)} są homeomorficzne ([16] 34).<br />
Przykład 1.10.3. Przestrzenie [0, 1] i (0, 1), z topologiami indukowanymi z R, nie są homeomorficzne.<br />
Dowód. Przypuśćmy, że są homeomorficzne. Wtedy są homeomorficzne, po wyrzuceniu punktu. Wyrzućmy<br />
z [0, 1] punkt 0. Wtedy (0, 1] = [0, 1] {0} jest spójne, a (0, 1) {h(0)} nie jest spójne. ⊠<br />
Stwierdzenie 1.10.4 ([16] 146). Niech f : (0, 1) −→ (0, 1) będzie homeomorfizmem. Istnieje wtedy dokładnie<br />
jeden homeomorfizm h : [0, 1] −→ [0, 1] taki, że H | (0, 1) = f. ⊠<br />
1.3 Przestrzenie S n−1 × R i R n {0} są homeomorficzne ([16] 55). Homeomorfizmem jest np. przyporządkowanie<br />
(x, t) ↦→ 2 t x. W szczególności S × R ≈ R 2 {0} ≈ C {0}.<br />
1.4 Wiemy, że jeśli f : [0, 1] −→ R jest funkcją ciągłą i f(0)f(1) 0, to istnieje t ∈ [0, 1] takie, że f(t) = 0.<br />
Stosując ten fakt łatwo dowodzi się, że każda funkcja ciągła f : I −→ I ma punkt stały. Oto inna konsekwencja<br />
tego faktu.<br />
Stwierdzenie 1.10.5 ([16] 80). Każda funkcja ciągła f : S 1 −→ R przeprowadza pewną parę punktów<br />
antypodycznych w ten sam punkt, tzn. istnieje t ∈ S 1 takie, że f(t) = f(−t).<br />
Dowód. Niech f : S 1 −→ R będzie daną funkcją ciągłą. Rozpatrzmy dwie funkcje ciągłe h : S −→ R,<br />
e : I −→ S 1 określone wzorami:<br />
h(t) = f(t) − f(−t), e(x) = cos(πx) + i sin(πx).<br />
Wtedy funkcja he : I −→ R przyjmuje na końcach przedziału I = [0, 1] przeciwne wartości:<br />
he(0) = h(1) = f(1) − f(−1), he(1) = h(−1) = f(−1) − f(1).<br />
Istnieje zatem a ∈ I takie, że he(a) = 0. Niech t = e(a). Wtedy 0 = h(t) = f(t) = f(−1). ⊠<br />
Z tego stwierdzenia wynika:
1. Wstępne informacje topologiczne 7<br />
Wniosek 1.10.6. W danym momencie czasu istnieją na Równiku (kuli ziemskiej) dwa antypodyczne punkty<br />
o tej samej temperaturze. ⊠<br />
Można udowodnić:<br />
Twierdzenie 1.10.7 ([16] 80). Niech A, B będą ograniczonymi zbiorami na płaszczyźnie, posiadającymi<br />
pole. Istnieje wtedy prosta (leżąca na tej płaszczyźnie), która dzieli każdy ze zbiorów A i B na dwie części o<br />
równych polach. ⊠<br />
W sformułowaniu poglądowym twierdzenie to można wysłowić następująco. Na talerzu leżą dwa naleśniki.<br />
Jednym cięciem noża można podzielić każdy z tych naleśników na dwie równe części. (Naleśniki nie muszą być<br />
rozłączne; jeden może nakładać się na drugi. Nie muszą też być spójne, tzn. nie muszą składać się z jednego<br />
kawałka).<br />
Twierdzenie 1.10.8 ([16] 82). Niech A będzie ograniczonym zbiorem na płaszczyźnie, posiadającym pole.<br />
Istnieje wtedy dwie przecinające się proste (leżące na tej płaszczyźnie), które dzielą zbiór A na cztery części o<br />
równych polach. ⊠<br />
1.5 Niech I = [0, 1] i niech X będzie przestrzenią topologiczną. Każdą funkcję ciągłą σ : I −→ X nazywamy<br />
drogą w X. Istnieją drogi σ : I −→ I 2 będące surjekcjami, tzn. drogi zapełniające cały kwadrat I 2 . Takie drogi<br />
skonstruował Peano (ok. 1890 roku).<br />
1.6 Każdą funkcję ciągłą τ : S 1 −→ R 2 nazywa się krzywą Jordana.<br />
Twierdzenie 1.10.9 (Jordana, [16] 120). Niech τ : S 1 −→ R 2 będzie krzywą Jordana. Wtedy zbiór R 2 <br />
τ(S 1 ) nie jest spójny i zawiera dokładnie dwie składowe spójności. Wspólnym brzegiem tych składowych jest<br />
zbiór τ(S 1 ). Dokładnie jedna z tych składowych jest ograniczona. ⊠<br />
Twierdzenie to pochodzi z 1890 roku. W tym czasie Jordan zwrócił uwagę, że coś takiego (wydawałoby<br />
się oczywistego) wymaga dowodu. Dowód podano na początku dwudziestego wieku.<br />
Zastąpmy okrąg S 1 odcinkiem I = [0, 1]. Mamy wtedy:<br />
Stwierdzenie 1.10.10 ([16] 131). Niech σ : I −→ R 2 będzie funkcją ciągłą. Wtedy zbiór R 2 σ(I) jest<br />
spójny. ⊠<br />
1.7 Zanotujmy kilka uwag o twierdzeniu Borsuka i Ulama z 1930 roku.<br />
Twierdzenie 1.10.11 (Borsuka - Ulama). Nie istnieje funkcja ciągła f : S n −→ S n−1 taka, że<br />
dla wszystkich x ∈ S n . ⊠<br />
f(−x) = −f(x),<br />
Dla n = 1 twierdzenie to jest oczywiste. Dla n = 2 dowód znajdziemy w [16]. Jeśli n > 2, to podobno<br />
dowód jest trudny.<br />
Wniosek 1.10.12 ([16] 183). Jeśli f : S 2 −→ R 2 jest funkcją ciągłą spełniającą związek f(−x) = −f(x),<br />
dla x ∈ S 2 , to istnieje x0 ∈ S 2 takie, że f(x0) = 0.<br />
Dowód. Przypuśćmy, że f(x) = 0, dla wszystkich x ∈ S 2 . Definiujemy funkcję ciągłą g : S 2 −→ S 1 ,<br />
przyjmując g(x) = ||f(x)|| −1 f(x). Wtedy g(−x) = −g(x) i mamy sprzeczność z twierdzeniem powyższym. ⊠<br />
Wniosek 1.10.13 ([16] 183). Jeśli f : S 2 −→ R 2 będzie funkcją ciągłą. Istnieje wtedy x ∈ S 2 takie, że<br />
f(x) = f(−x).<br />
Dowód. Przypuśćmy, że f(x) = f(−x), dla wszystkich x ∈ S 2 . Definiujemy funkcję ciągłą g : S 2 −→ R 2 ,<br />
przyjmując g(x) = f(x) − f(−x). Wtedy g(−x) = −g(x) (dla wszystkich x), a zatem - na mocy powyższego<br />
wniosku - g(x0) = 0, dla pewnego x0 ∈ S 2 . Stąd f(x0) = f(−x0) wbrew naszemu przypuszczeniu. ⊠<br />
Z tego wniosku wynika, że w dowolnym momencie czasu istnieją na kuli ziemskiej dwa antypodyczne<br />
punkty, w których jednocześnie zgadza się temperatura i ciśnienie.<br />
Powyższe dwa wnioski (z tymi samymi dowodami) są prawdziwe dla dowolnego n. Z ostatniego wniosku<br />
(sformułowanego dla n) wynika, że nie istnieje ciągłe różnowartościowe odwzorowanie z S n do R n . Stąd daje<br />
się udowodnić:
8 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Wniosek 1.10.14 ([16] 183). Żaden podzbiór w R n nie jest homeomorficzny z S n . ⊠<br />
Wniosek 1.10.15 ([16] 185, PH121). Nie istnieje odwzorowanie ciągłe f : S n −→ S 1 (n > 1), spełniające<br />
związek f(−x) = −f(x), dla wszystkich x ∈ S n .<br />
Twierdzenie 1.10.16 (o kanapce, [16]). Niech A, B, C będą ograniczonymi podzbiorami w R 3 , posiadającymi<br />
objętość. Istnieje wtedy płaszczyzna dzieląca każdy z tych zbiorów na dwie części równej objętości. ⊠
2. Grupa podstawowa 9<br />
2 Grupa podstawowa<br />
Pojęcie grupy podstawowej przestrzeni topologicznej zdefiniował H. Poincare w 1904 roku, kiedy przekonał<br />
sią, że odkryte przez niego wcześniej funktory homologii, które dały klasyfikację powierzchni,<br />
nie wystarczają już do scharakteryzowania 3-wymiarowej sfery S 3 . Pytanie, czy funktory homologii<br />
wespół z grupą podstawową wystarczają, jest do dziś otwartym zagadnieniem Poincarégo ([6]8).<br />
Wprowadzenie do teorii homotopii i grupy podstawowej znajdziemy w [6]8, [9]49, [12]14, [16]175.<br />
W tym rozdziale zakładamy, że X jest przestrzenią topologiczną. Przez I oznaczamy domknięty<br />
odcinek [0, 1] ⊂ R.<br />
2.1 Drogi<br />
Każde przekształcenie ciągłe σ : I −→ X nazywamy drogą w X. Punkt σ(0) nazywamy początkiem<br />
drogi σ, a punkt σ(1) jej końcem. Mówimy, że droga σ : I −→ X jest zamknięta jeśli początek pokrywa<br />
się z końcem, tzn. jeśli σ(0) = σ(1). W tym przypadku mówi się również, że droga σ jest pętlą w punkcie<br />
σ(0) = σ(1). Mówimy, że droga jest stała, jeśli jej obraz jest zbiorem jednopunktowym.<br />
Niech p, q ∈ X. Przez D(p, q) oznaczać będziemy (chwilowo) zbiór wszystkich dróg w X o początku<br />
w punkcie p i końcu w punkcie q.<br />
Drogi, z których jedna kończy się w początku drugiej, można składać. Załóżmy, że σ, τ : I −→ X<br />
są drogami w X takimi, że σ ∈ D(p, q), τ ∈ D(q, r), gdzie p, q, r ∈ X. Definiujemy wtedy drogę<br />
στ ∈ D(p, r), przyjmując:<br />
στ(t) =<br />
σ(2t), gdy 0 t 1<br />
2 ,<br />
1<br />
τ(2t − 1), gdy 2 t 1.<br />
Z każdą drogą σ ∈ D(p, q) stowarzyszona jest droga odwrotna σ ′ ∈ D(q, p), którą określa się<br />
wzorem<br />
σ ′ (t) = σ(1 − t).<br />
2.2 Drogi homotopijnie równoważne<br />
Niech p, q ∈ X będą ustalonymi punktami w X. Załóżmy, że σ, τ ∈ D(p, q). Mówimy, że drogi<br />
σ i τ są homotopijnie równoważne, co zapisujemy jako σ ∼ τ, jeśli istnieje odwzorowanie ciągłe<br />
F : I × I −→ X takie, że:<br />
⎧<br />
F (s, 0) = σ(s) dla s ∈ I,<br />
⎪⎨ F (s, 1) = τ(s) dla s ∈ I,<br />
⎪⎩<br />
F (0, t) = p dla t ∈ I,<br />
F (1, t) = q dla t ∈ I.<br />
Powyższe odwzorowanie F : I × I −→ X nazywa się homotopią od σ do τ.<br />
Jeśli F : I × I −→ X jest homotopią, od σ do τ, to (dla każdego t ∈ I) przez Ft : I −→ X<br />
oznaczamy odwzorowanie określone wzorem<br />
Ft(s) = F (s, t), dla s ∈ I.<br />
Każde odwzorowanie postaci Ft jest drogą należącą do D(p, q). W szczególności F0 = σ, F1 = τ.<br />
Stwierdzenie 2.2.1. Homotopijność ∼ jest relacją typu równoważności w zbiorze D(p, q).<br />
Dowód. Niech σ, τ, µ ∈ D(p, q).<br />
Zwrotność. Odwzorowanie F : I × I −→ X, (s, t) ↦→ σ(s), jest homotopią od σ do σ.
10 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Symetryczność. Niech F : I × I −→ X będzie homotopią od σ do τ. Definiujemy odwzorowanie<br />
G : I × I −→ X, przyjmując:<br />
G(s, t) = F (s, 1 − t), dla s, t ∈ I.<br />
Wtedy G jest homotopią od τ do σ.<br />
Przechodniość. Niech F, G : I × I −→ X będą homotopiami odpowiednio od σ do τ i od τ do µ.<br />
Definiujemy odwzorowanie H : I × I −→ X następująco:<br />
H(s, t) =<br />
Odwzorowanie H jest homotopią od σ do µ. ⊠<br />
F (s, 2t), dla s ∈ I, 0 t 1<br />
2 ,<br />
G(s, 2t − 1), dla s ∈ I, 1<br />
2 t 1.<br />
Wykażemy teraz, że relacja homotopijności zachowuje działania określone na zbiorach dróg.<br />
Stwierdzenie 2.2.2. Niech σ, σ ′ ∈ D(p, q), τ, τ ′ ∈ D(q, r). Jeśli σ ∼ σ ′ i τ ∼ τ ′ , to στ ∼ σ ′ τ ′ .<br />
Dowód. Niech F : I × I −→ X będzie homotopią od σ do σ ′ i niech G : I × I −→ X będzie<br />
homotopią od τ do τ ′ . Wówczas, dla każdego t ∈ I mamy drogi Ft ∈ D(p, q) i Gt ∈ D(q, r). Drogi te<br />
możemy składać. Definiujemy więc odwzorowanie H : I × H −→ X przyjmując H(s, t) = FtGt(s), dla<br />
s, t ∈ I, tzn.<br />
H(s, t) =<br />
F (s, t), dla 0 s 1<br />
2 ,<br />
G(2s − 1, t), dla 1<br />
Łatwo sprawdzić, że H jest homotopią od στ do σ<br />
2 s 1.<br />
′ τ ′ . ⊠<br />
Stwierdzenie 2.2.3. Załóżmy, że σ ∈ D(p, q), τ ∈ D(q, r), µ ∈ D(r, s), gdzie p, q, r, s ∈ X. Wtedy<br />
(στ)µ ∼ σ(τµ).<br />
Dowód.<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
(στ)µ(t) =<br />
⎪⎩<br />
σ(4t), gdy 0 t 1<br />
4 ,<br />
1 1<br />
τ(4t − 1), gdy 4 t 2 ,<br />
1<br />
µ(2t − 1), gdy 2 t 1.<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
σ(τµ)(t) =<br />
⎪⎩<br />
Homotopię od (στ)µ do σ(τµ) zadaje odwzorowanie<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
σ(<br />
F (s, t) =<br />
⎪⎩<br />
4s<br />
t+1 ), gdy t+1<br />
0 s 4 ,<br />
τ(4s − t − 1), gdy t+1 t+2<br />
4 s 4 ,<br />
µ( 4s−t−2<br />
2−t ), gdy t+2<br />
4 s 1. ⊠<br />
σ(2t), gdy 0 t 1<br />
2 ,<br />
1 3<br />
τ(4t − 2), gdy 2 t 4 ,<br />
3<br />
µ(4t − 3), gdy 4 t 1.<br />
Stwierdzenie 2.2.4. Niech σ, τ ∈ D(p, q) i niech σ ′ , τ ′ ∈ D(q, p) będą drogami odwrotnymi odpowiednio<br />
do σ i τ. Jeśli σ ∼ τ, to σ ′ ∼ τ ′ .<br />
Dowód. Niech F : I × I −→ X będzie homotopią od σ do σ ′ . Wtedy G : I × I −→ X, G(s, t) =<br />
F (1 − s, t), jest homotopią od σ ′ do τ ′ . ⊠<br />
Stwierdzenie 2.2.5. Niech σ ∈ D(p, q) i niech σ ′ ∈ D(q, p) będzie drogą odwrotną do σ. Wtedy<br />
σσ ′ ∼ ep, σ ′ σ ∼ eq, gdzie ep ∈ D(p, p), eq ∈ D(q, q) są drogami stałymi przyjmującymi stałe wartości<br />
odpowiednio p i q.<br />
Dowód. Homotopię od σσ ′ do ep zadaje odwzorowanie<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
σ(2s), gdy 0 s <br />
F (s, t) =<br />
⎪⎩<br />
1−t<br />
2 ,<br />
σ(2 − 2t − 2s),<br />
p,<br />
gdy<br />
gdy<br />
1−t<br />
2 s 1 − t,<br />
1 − t s 1.<br />
Podobnie określa się homotopię od σ ′ σ do eq. ⊠
2. Grupa podstawowa 11<br />
2.3 Definicja grupy podstawowej<br />
Jeśli σ ∈ D(p, q), to przez [σ] oznaczamy klasę abstrakcji pętli σ względem relacji ∼.<br />
Niech p ∈ X będzie ustalonym punktem. Nazwijmy go punktem bazowym. Rozpatrzmy zbiór<br />
D(p, p), wszystkich dróg o początku i końcu w punkcie p, tzn. zbiór wszystkich pętli w punkcie p.<br />
Definicja 2.3.1. Zbiór wszystkich klas abstrakcji postaci [σ], gdzie σ ∈ D(p, p), oznaczamy przez<br />
π1(X, p) i nazywamy grupą podstawową (lub grupą homotopii) przestrzeni X w punkcie p.<br />
Mnożenie w π1(X, p) jest określone wzorem<br />
[σ][τ] = [στ], dla σ, τ ∈ D(p, p).<br />
Z faktów podanych w poprzednim podrozdziale wynika, że mnożenie to jest dobrze określone oraz, że<br />
zbiór π1(X, p) wraz z tym mnożeniem jest grupą. Elementem neutralnym jest klasa abstrakcji pętli<br />
stałej. Elementem odwrotnym do [σ] jest [σ ′ ], gdzie σ ′ jest pętlą w punkcie p, odwrotną do pętli σ,<br />
tzn. [σ] −1 = [σ ′ ].<br />
Łatwo udowodnić:<br />
Stwierdzenie 2.3.2. Niech p, q ∈ X i niech τ ∈ D(p, q). Odwzorowanie<br />
jest izomorfizmem grup. ⊠<br />
π1(X, q) −→ π1(X, p), [σ] ↦−→ [τ][σ][τ] −1 ,<br />
Mówimy, że przestrzeń topologiczna X jest łukowo spójna, jeśli dla dowolnych punktów p, q ∈ X<br />
istnieje droga τ należąca do D(p, q). Z powyższego stwierdzenia wynika:<br />
Wniosek 2.3.3. Jeśli przestrzeń X jest łukowo spójna i p ∈ X, to grupa podstawowa π1(X, p) nie<br />
zależy od wyboru punktu p, tzn. dla dowolnych punktów p, q ∈ X, grupy π1(X, p) i π1(X, q) są izomorficzne.<br />
⊠<br />
Jeśli X jest przestrzenią łukowo spójną, to jej grupę podstawową π1(X, p) (gdzie p ∈ X) oznacza<br />
się krótko przez π1(X).<br />
Zanotujmy kilka własności przestrzeni łukowo spójnych.<br />
Stwierdzenie 2.3.4.<br />
(1) Obraz ciągły przestrzeni łukowo spójnej jest przestrzenią łukowo spójną.<br />
(2) Przestrzeń łukowo spójna jest spójna (stwierdzenie odwrotne na ogół nie zachodzi).<br />
(3) Każdy niepusty spójny zbiór otwarty w R n jest łukowo spójny. ⊠<br />
Grupa podstawowa ma charakter funktorialny. Przez kategorię przestrzeni topologicznych z wyróżnionym<br />
punktem rozumiemy kategorię, której obiektami są pary (X, p) (gdzie X jest przestrzenią<br />
topologiczną i p ∈ X), a morfizmami z (X, p) do (Y, q) są odwzorowania ciągłe f : X −→ Y takie, że<br />
f(p) = q. Jeśli f : X −→ Y jest odwzorowaniem ciągłym, to definiujemy homomorfizm indukowany:<br />
f∗ : π1(X, p) −→ π1(Y, f(p)), [σ] ↦−→ [f ◦ σ].<br />
Łatwo sprawdza się, że f∗ jest homomorfizmem grup. Ponadto, (f ◦ g)∗ = f∗ ◦ g∗, (1X)∗ = id. Mamy<br />
zatem:<br />
Wniosek 2.3.5. π1 jest funktorem kowariantnym z kategorii przestrzeni topologicznych z wyróżnionym<br />
punktem do kategorii grup. ⊠
12 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
2.4 Homotopia odwzorowań<br />
Wiemy już co to znaczy, że dwie drogi σ, τ : I −→ X (należące do D(p, q)) są homotopijnie równoważne.<br />
W podobny sposób można zdefiniować równoważność homotopijną, gdy odcinek I zastąpimy<br />
dowolną przestrzenią topologiczną Y . W przypadku odcinka istotną rolę odgrywał dwuelementowy<br />
podzbiór A = {0, 1} ⊂ I. Rozpatrywaliśmy tylko drogi σ, τ : I −→ X takie, że σ|A = τ|A.<br />
Niech teraz Y będzie dowolną przestrzenią topologiczną i niech A ⊂ Y będzie ustalonym podzbiorem.<br />
Definicja 2.4.1. Niech f, g : Y −→ X będą odwzorowaniami ciągłymi takimi, że f|A = g|A.<br />
Mówimy, że odwzorowania f i g są homotopijnie równoważne względem A, co zapisujemy jako f ∼A g,<br />
jeśli istnieje odwzorowanie ciągłe F : Y × I −→ X takie, że:<br />
⎧<br />
F (y, 0)<br />
⎪⎨<br />
F (y, 1)<br />
=<br />
=<br />
f(y),<br />
g(y),<br />
dla y ∈ Y,<br />
dla y ∈ Y,<br />
⎪⎩<br />
F (y, t) = f(y) = g(y), dla y ∈ A, t ∈ I.<br />
Odwzorowanie F nazywamy homotopią względem A od f do g.<br />
Powyższa homotopijność względem A jest relacją typu równoważności w zbiorze wszystkich funkcji<br />
ciągłych z X do Y identycznych na zbiorze A.<br />
Definicja 2.4.2. W przypadku, gdy A = ∅, piszemy f ∼ g (zamiast f ∼A g) i mówimy, że funkcje<br />
f i g są homotopijne.<br />
Zatem funkcje f, g : Y −→ X są homotopijne wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje odwzorowanie ciągłe<br />
F : Y × I −→ X takie, że:<br />
F (y, 0) = f(y), dla y ∈ Y,<br />
F (y, 1) = g(y), dla y ∈ Y,<br />
Przykład 2.4.3. Niech X = Y = R n . Niech f, g : R n −→ R n będą funkcjami takimi, że f jest<br />
identycznością, a g jest odwzorowaniem stałym przyjmującym stałą wartość 0. Wtedy odwzorowanie<br />
jest homotopią od f do g. ⊠<br />
F : R n × I −→ R n , (x, t) ↦−→ tx,<br />
Definicja 2.4.4. Jeśli X jest taką przestrzenią topologiczną, że odwzorowanie identycznościowe jest<br />
homotopijne z odwzorowaniem stałym, to mówimy, że przestrzeń X jest ściągalna.<br />
Definicja 2.4.5. Mówimy, że przestrzeń topologiczna jest jednospójna, gdy jest łukowo spójna i ma<br />
trywialną grupę podstawową.<br />
Twierdzenie 2.4.6 ([12]19).<br />
(1) Przestrzeń X jest ściągalna ⇐⇒ dla dowolnej przestrzeni topologicznej Y każde dwie funkcje<br />
ciągłe z Y do X są homotopijne.<br />
(2) Przestrzeń ściągalna jest łukowo spójna.<br />
(3) Każdy wypukły podzbiór w R n jest ściągalny.<br />
(4) Przestrzeń ściągalna jest jednospójna. ⊠<br />
Definicja 2.4.7. Niech X, Y będą przestrzeniami topologicznymi. Odwzorowanie ciągłe ϕ : X −→<br />
Y nazywa się homotopijną równoważnością, gdy istnieje odwzorowanie ciągłe ψY −→ X takie, że<br />
ϕψ ∼ 1X i ψϕ ∼ 1Y . Jeśli takie odwzorowanie ϕ istnieje, to mówimy, że przestrzenie X i Y mają<br />
ten sam typ homotopii.
2. Grupa podstawowa 13<br />
W szczególnści, przestrzeń X jest ściągalna wtedy i tylko wtedy, gdy ma ten sam typ homotopii,<br />
co przestrzeń jednopunktowa.<br />
Wiemy, że π1 jest funktorem. Jeśli więc f : X −→ Y jest homeomorfizmem, to grupy π1(X, p),<br />
π1(Y, f(p)) są izomorficzne. Założenie ”f jest homeomorfizmem” można osłabić:<br />
Stwierdzenie 2.4.8. Jeśli ϕ : X −→ Y jest homotopijną równoważnością, to grupy π1(X, p), π1(Y, ϕ(p))<br />
są izomorficzne. ⊠<br />
Grupa podstawowa przestrzeni łukowo spójnych jest więc niezmiennikiem typu homotopii (i tym<br />
bardziej niezmiennikiem topologicznym).<br />
Niech X będzie przestrzenią spójną. Jeśli Y jest przestrzenią homotopijnie równoważną z X, to Y również jest<br />
przestrzenią spójną ([16] 138).<br />
2.5 Przykłady<br />
Stwierdzenie 2.5.1 ([12]24, [6]22). π1(X × Y, (p, q)) ≈ π1(X, p) × π1(Y, q). ⊠<br />
Stwierdzenie 2.5.2 ([12]23, [6]31).<br />
π1(S n ) =<br />
Z, gdy n = 1,<br />
0, gdy n > 1. ⊠<br />
Grupa Z, liczb całkowitych, jest więc grupą podstawową każdej przestrzeni topologicznej mającej<br />
typ homotopii okręgu, w szczególności pierścienia kołowego, pełnego torusa i ogólniej, produktu S 1 ×<br />
I n dla każdego n = 1, 2, . . . , a także na przykład dla wstęgi Möbiusa. Grupa podstawowa torusa<br />
S 1 × · · · × S 1 (n razy) jest natomiast suą prostą n grup cyklicznych:<br />
π1(S 1 × · · · × S 1<br />
) = Z × · · · × Z .<br />
<br />
n<br />
n<br />
Znając powyższe fakty można łatwo udowodnić, że okrąg S 1 nie jest retraktem koła domkniętego.<br />
Stąd natomiast otrzymuje się łatwo szczególny przypadek twierdzenia Brouwera o punkcie stałym:<br />
każde ciągłe odwzorowanie koła domkniętego w siebie ma punkt stały (patrz [12]25).<br />
Przestrzeń rzutową P n = P n (R) można zdefiniować jako przestrzeń ilorazową sfery S n , otrzymaną<br />
przez utożsamienie punktów antypodycznych.<br />
Stwierdzenie 2.5.3 ([12] 31).<br />
π1(P n ) =<br />
Z, gdy n = 1,<br />
Z2, gdy n > 1. ⊠<br />
Stwierdzenie 2.5.4 ([12] 23). Jeśli G jest jednospójną grupą topologiczną, a H jest jej dyskretnym<br />
dzielnikiem normalnym, to π1(G/H, 1) ≈ H. ⊠<br />
Stwierdzenie 2.5.5 ([16] 155). Jeśli G jest grupą topologiczną i e jest jej elementem neutralnym,<br />
to grupa π1(G, e) jest abelowa. ⊠<br />
2.6 Wyższe grupy homotopii<br />
Na podstawie [16] 155.<br />
Grupę π1(X, p) nazywa sią często pierwszą grupą homotopii przestrzeni X w punkcie p. Indeks<br />
”1” przypomina o tym, że grupa ta jest zbiorem klas abstrakcji dróg, czyli ciągłych odwzorowań z I 1<br />
do X. W ogólnym przypadku można określić πn(X, p), n-tą grupę homotopii, zastępując drogi przez<br />
odwzorowania ciągłe σ : I n −→ X. Przedstawiamy szkic konstrukcji.<br />
Niech p ∈ X będzie wyróżnionym punktem.
14 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Definicja 2.6.1. Brzegiem kostki I n nazywamy zbiór<br />
∂I n = {(a1, . . . , an) ∈ I n ; ai = 0 lub ai = 1, dla pewnego i}.<br />
Definicja 2.6.2. Przez Pn(X, p) oznaczamy zbiór wszystkich ciągłych odwzorowań σ : I n −→ X<br />
takich, że σ(∂I n ) = {p}.<br />
Definicja 2.6.3. Mówimy, że odwzorowania σ, τ : In −→ X, należące do Pn(X, p) są homotopijnie<br />
równoważne jeśli są homotopijne względem brzegu ∂I n , tzn., jeśli istnieje ciągłe odwzorowanie<br />
F : In × I −→ X takie, że<br />
⎧<br />
F (y, 0) = σ(y), dla y ∈ I<br />
⎪⎨<br />
n ,<br />
F (y, 1) = τ(y), dla y ∈ In ,<br />
⎪⎩<br />
F (y, t) = p, dla y ∈ ∂I n , t ∈ I.<br />
Powyższa relacja homotopijności jest relacją typu równoważności w zbiorze Pn(X, p). Klasy abstrakcji<br />
oznaczamy przez [σ]. Zbiór wszystkich klas abstrakcji oznaczamy przez πn(X, p). Mnożenie w πn(X, p)<br />
definiuje się jako<br />
[σ][τ] = [σ ∗ τ],<br />
gdzie<br />
σ ∗ τ(t1, . . . , tn) =<br />
σ(2t1, t2, . . . , tn), gdy 0 t1 1<br />
2 ,<br />
τ(2t1 − 1, t2, . . . , tn), gdy 1<br />
2 t1 1.<br />
Mnożenie to jest poprawnie zdefiniowane. Zbiór πn(X, p), z takim mnożeniem jest grupą.<br />
Stwierdzenie 2.6.4 ([16] 156).<br />
(1) Jeśli istnieje droga σ ∈ D(p, q), to grupy πn(X, p) i πn(X, q) są izomorficzne.<br />
(2) Jeśli przestrzenie X i Y mają ten sam typ homotopii, to ich n-te grupy homotopii są izomorficzne.<br />
(3) Jeśli n 2, to grupa πn(X, p) jest abelowa.<br />
(4) Niech X, Y będą przestrzeniami topologicznymi i niech f : X −→ Y będzie funkcją ciągłą. Określa<br />
się wtedy, w sposób funktorialny, homomorfizm grup f∗ : πn(X, p) −→ πn(Y, f(p)). Jeśli wszystkie<br />
homomorfizmy f∗ (dla każdego n 1) są izomorfizmami, to f jest homotopijną równoważnością. ⊠<br />
2.7 Hipoteza Poincaré<br />
Hipoteza 2.7.1 (Poincar’e, 1895). Jeżeli X jest zwartą, spójną i jednospójną rozmaitością (topologiczną)<br />
wymiaru 3, to X jest homeomorficzne z trójwymiarową sferą S 3 .<br />
Hipoteza ma naturalne uogólnienie na wszystkie wymiary n 2. Dla n = 2 problem rozstrzygnął<br />
pozytywnie sam Poincaré. W 1961 roku S. Smale podał dowód dla n 5, a w 1981 roku M. Friedman<br />
dla n = 4 (patrz [5]). Pozostała do rozstrzygnięcia tylko klasyczna wersja tej hipotezy.
3. Działanie grupy na przestrzeń topologiczną 15<br />
3 Działanie grupy na przestrzeń topologiczną<br />
3.1 Działanie grupy na zbiór<br />
Niech X będzie zbiorem, a G grupą.<br />
Definicja 3.1.1. Mówimy, że G działa na X lub, że X jest G-zbiorem, jeśli zadane jest odwzorowanie<br />
(zwane działaniem grupy G na X)<br />
· : G × X −→ X, (g, x) ↦−→ gx,<br />
spełniające warunki:<br />
(1) ex = x, gdzie e jest elementem neutralnym grupy G,<br />
(2) g(hx) = (gh)x, dla g, h ∈ G, x ∈ X.<br />
Działanie grupy G na X, to nic innego, jak homomorfizm grup G −→ S(X), gdzie S(X) jest grupą<br />
wszystkich permutacji zbioru X.<br />
Przykład 3.1.2.<br />
(1) Niech G będzie grupą Top(X), wszystkich homeomorfizmów przestrzeni topologicznej X. Działanie<br />
G × X −→ X określamy jako (g, x) ↦→ g(x), tzn. gx = g(x).<br />
(2) G = Z2 = {−1, 1}, X = Sn . Z2 × Sn −→ Sn , (a, x) ↦→ ax, tzn. (±)x = ±x.<br />
(3) G = Z, X = R, ax = x + a.<br />
(4) G = Z × Z, X = R2 , (a, b)(x, y) = (x + a, y + a).<br />
(5) G = Z, X = {(x, y) ∈ R2 ; − 1<br />
1<br />
2 y 2 }, Działanie Z × X −→ X określamy wzorem<br />
(a, (x, y)) ↦→ (x + a, (−1) ay). (6) Niech H będzie podgrupą grupy G. Rozpatrzmy działanie H × G −→ G, (h, g) ↦→ hg. Grupa<br />
G jest więc H-zbiorem.<br />
(7) Niech G będzie grupą i X = 2G rodziną wszystkich podzbiorów zbioru G. Definiujemy<br />
G × 2G −→ 2G , przyjmując<br />
(g, U) ↦−→ gU = {gu; u ∈ U}.<br />
Zbiór 2 G jest więc G-zbiorem. ⊠<br />
Z definicji G-zbioru wynika, że każde odwzorowanie X −→ X postaci x ↦→ gx, jest bijekcją.<br />
3.2 Przestrzeń orbit<br />
Załóżmy, że X jest G-zbiorem. Określamy relację ∼ w X, przyjmując:<br />
x ∼ y ⇐⇒ ∃g∈G y = gx.<br />
Jest to oczywiście relacja typu równoważności. Klasy abstrakcji nazywamy orbitami. Jeśli x ∈ X, to<br />
orbitą elementu x, czyli klasą abstrakcji wyznaczoną przez x, jest zbiór<br />
Gx = {gx; g ∈ G}.<br />
Zbiór wszystkich klas abstrakcji oznaczamy przez X/G. Zatem X/G jest zbiorem wszystkich orbit<br />
G-zbioru X.<br />
Załóżmy teraz, że X jest przestrzenią topologiczną, będącą G-zbiorem.<br />
Definicja 3.2.1. Zbiór X/G z topologią ilorazową nazywamy przestrzenią orbit działania G na X.<br />
Przykład 3.2.2.<br />
(1) G = Z2 = {−1, 1}, X = Sn , Z2 × Sn −→ Sn , (a, x) ↦→ ax. Wtedy Sn /Z2 = Pn (R) jest<br />
przestrzenią rzutową rzeczywistą.<br />
(2) G = Z, X = R, Z × R −→ R, ax = x + a. Wtedy R/Z = S1 .<br />
(3) G = Z, X = {(x, y) ∈ R2 ; − 1<br />
1<br />
2 y 2 }, Z × X −→ X, (a, (x, y)) ↦→ (x + a, (−1)ay). Wtedy<br />
X/Z jest wstęgą Möbiusa. ⊠
16 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Załóżmy, że grupa G działa na przestrzeń topologiczną X. Jeśli x ∈ X, to oznaczamy:<br />
Gx = {g ∈ G; gx = x}.<br />
Zbiór Gx jest podgrupą grupy G, zwaną stabilizatorem w punkcie x. Można zatem rozważać zbiory orbit<br />
postaci G/Gx. Zbiór G/Gx pokrywa się oczywiście ze zbiorem warstw grupy G, względem podgrupy<br />
Gx.<br />
Jeśli wszystkie odwzorowania postaci x ↦→ gx są ciągłe, to mówimy, że działanie G × X −→ X jest<br />
ciągłe oraz, że X jest G-przestrzenią. Ciągłe działanie G × X −→ X, to nic innego, jak homomorfizm<br />
grup G −→Top(X), gdzie Top(X) jest grupą wszystkich homeomorfizmów z X do X.<br />
Stwierdzenie 3.2.3. Jeśli X jest G-przestrzenią, to odwzorowanie naturalne η : X −→ X/G, x ↦→<br />
Gx, jest ciągłym odwzorowaniem otwartym.<br />
Dowód. Odwzorowanie η : X −→ X/G jest oczywiście ciągłe (gdyż X/G ma topologię ilorazową).<br />
Niech U ⊆ X będzie zbiorem otwartym w X. Należy pokazać, że η(U) jest zbiorem otwartym w X/G,<br />
tzn., że zbiór η −1 η(U) jest otwarty w X. Wynika to z równości:<br />
η −1 η(U) = <br />
g∈G gU.<br />
Zbiory postaci gU są otwarte w X, gdyż x ↦→ gx jest homeomorfizmem. ⊠<br />
Stwierdzenie 3.2.4. Załóżmy, że grupa G jest skończona. Jeśli X jest G-przestrzenią, to odwzorowanie<br />
naturalne η : X −→ X/G, x ↦→ Gx, jest domknięte.<br />
Dowód. Niech F ⊆ X będzie zbiorem domkniętym w X. Należy pokazać, że η(F ) jest zbiorem<br />
domkniętym w X/G, tzn., że zbiór η −1 η(F ) jest domknięty w X. Wynika to z równości:<br />
η −1 η(F ) = <br />
g∈G gF.<br />
Zbiory postaci gF są domknięte w X, gdyż x ↦→ gx jest homeomorfizmem. Zbiór η −1 η(F ) jest więc<br />
skończoną sumą zbiorów domkniętych, a zatem jest zbiorem domkniętym. ⊠<br />
3.3 Produkty<br />
Niech G1, G2 będą grupami. Załóżmy, że X1 jest G1-przestrzenią, a X2 jest G2-przestrzenią. Mamy<br />
wówczas ciągłe działanie<br />
(G1 × G2) × (X1 × X2) −→ X1 × X2, (a, b)(x1, x2) = (ax1, bx2).<br />
Przestrzeń X1 × X2 jest więc G1 × G2-przestrzenią. Mamy zatem przestrzeń orbit X1 × X2/G1 × G2.<br />
Stwierdzenie 3.3.1 (PH15). Przestrzenie topologiczne X1 × X2/G1 × G2 i (X1/G1) × (X2/G2)<br />
są homeomorficzne. Homeomorfizmem jest odwzorowanie [a, b] ↦→ ([a], [b]). ⊠<br />
Przykład 3.3.2.<br />
(1) Niech Z × Z działa na R 2 jako: (a, b)(x, y) = (a + x, b + y). Wtedy<br />
R 2 /(Z × Z) ≈ (R/Z) × (R/Z) ≈ S 1 × S 1<br />
(2) Niech G = Z, X = C {0}. Rozpatrzmy działanie<br />
Z × X −→ X, ax = 2 a x.<br />
(torus).<br />
Zbiór C {0} jest więc Z-przestrzenią. Można pokazać, że przestrzeń orbit (C {0})/Z jest homeomorficzna<br />
z torusem S 1 × S 1 .<br />
(3) ([16] 55). Niech T : R n {0} −→ R n {0} będzie homeomorfizmem określonym wzorem<br />
T (x) = 2x. Rozpatrzmy grupę G = {T i ; i ∈ Z}. Grupa ta działa na R n {0} (T i x = T i (x)). Można<br />
pokazać, że (R n {0})/G ≈ S n−1 × S 1 . ⊠
3. Działanie grupy na przestrzeń topologiczną 17<br />
3.4 Zwartość<br />
Jest oczywiste, że jeśli f : X −→ Y jest ciągłą surjekcją przestrzeni topologicznych, gdzie X jest<br />
przestrzenią quasi-zwartą (tzn. spełniającą warunek zwartości ale bez założenia o hausdorffowości),<br />
to Y jest również przestrzenią quasi-zwartą. Stąd wynika w szczególności:<br />
Stwierdzenie 3.4.1. Jeśli X jest quasi-zwartą G-przestrzenią, to przestrzeń orbit X/G jest quasizwarta.<br />
⊠<br />
Dla przestrzeni orbit X/G może być kłopot z hausdorffowością. Jeśli X jest przestrzenią Hausdorffa,<br />
to X/G nie musi być taką (Stwierdzenie 3.8.1). Jednakże dla grup skończonych własność ta przechodzi.<br />
Stąd mamy:<br />
Stwierdzenie 3.4.2. Niech X będzie G-przestrzenią, gdzie G jest grupą skończoną. Jeśli przestrzeń<br />
X jest zwarta, to X/G jest również przestrzenią zwartą. ⊠<br />
Wiemy już, że rzeczywista przestrzeń rzutowa P n (R) jest homeomorficzna z przestrzenią orbit<br />
S n /Z2. Mamy zatem:<br />
Wniosek 3.4.3. Rzeczywista przestrzeń rzutowa P n (R) jest zwarta. ⊠<br />
3.5 Działania wspólnie rozłączne<br />
Niech X będzie G-przestrzenią.<br />
Definicja 3.5.1 ([16] 167). Mówimy, że działanie grupy G na X jest rozłączne (lub wspólnie rozłączne),<br />
jeśli dla każdego x ∈ X, istnieje otwarte otoczenie V ∋ x takie, że gV ∩g ′ V = ∅, dla wszystkich<br />
g, g ′ ∈ G, g = g ′ .<br />
Twierdzenie 3.5.2 ([16] 167, PH113). Niech X będzie G-przestrzenią. Jeśli działanie G na X<br />
jest wspólnie rozłączne, to odwzorowanie naturalne η : X −→ X/G jest nakryciem.<br />
Definicja nakrycia jest w Podrozdziale 1.9.<br />
Dowód. Niech Gx = {gx; g ∈ G} będzie dowolnym elementem w X/G. Ponieważ działanie jest<br />
wspólnie rozłączne, więc istnieje zbiór otwarty V w X, zawierający x taki, że gV ∩ g ′ V = ∅, dla<br />
wszystkich g, g ′ ∈ G, g = g ′ . Oznaczmy U = η(V ). Zbiór U jest otwarty w X/G (Stwierdzenie 3.2.3)<br />
i Gx ∈ U. Zauważmy, że<br />
η −1 (U) = η −1 η(V ) = <br />
g∈G gV.<br />
Zbiory postaci gV są otwarte w X (bo odwzorowanie x ↦→ gx jest homeomorfizmem) i parami rozłączne.<br />
Należy jeszcze pokazać, że odwzorowanie η|gV jest homeomorfizmem pomiędzy przestrzeniami gV<br />
i U. Odwzorowanie η|gV jest oczywiście ciągłe i otwarte oraz η(gV ) = η(V ) = U. Wystarczy zatem<br />
tylko pokazać, że η|gV jest odwzorowaniem różnowartościowym. Niech a, b ∈ gV , η(a) = η(b). Wtedy<br />
Ga = Gb, więc a = g ′ b, dla pewnego g ′ ∈ G. Zatem a ∈ gV ∩ g ′ gV . Jeśli g ′ = e, to gV ∩ g ′ gV = ∅.<br />
Stą wynika, że g ′ = e, czyli a = g ′ b = eb = b. ⊠<br />
3.6 Działania wolne<br />
Niech X będzie G-przestrzenią. Przez e oznaczamy element neutralny grupy G.<br />
Definicja 3.6.1 ([16] 88). Mówimy, że działanie grupy G na X jest wolne (lub, że grupa G działa<br />
na X w sposób wolny) jeśli gx = x, dla wszystkich g ∈ G {e}, x ∈ X.<br />
Stwierdzenie 3.6.2. Działanie grupy G na X jest wolne wtedy i tylko wtedy, gdy dla każdego x ∈ X,<br />
stabilizator Gx = {g ∈ G; gx = x} jest trywialny (tzn. równy {e}). ⊠<br />
Stwierdzenie 3.6.3 ([16] 168, PH110). Niech G będzie skończoną grupą działającą w sposób wolny<br />
na przestrzeń Hausdorffa X. Wówczas działanie G × X −→ X jest wspólnie rozłączne. ⊠
18 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Korzystając z tego stwierdzenia można udowodnić:<br />
Twierdzenie 3.6.4 (PH111). Niech X będzie n-wymiarową rozmaitością topologiczną zwartą, będącą<br />
G-przestrzenią, gdzie G jest grupą skończoną działającą w sposób wolny. Wtedy przestrzeń orbit<br />
X/G jest również n-wymiarową rozmaitością topologiczną. ⊠<br />
Przy założeniach tych samych co w powyższym twierdzeniu można udowodnić, że prawdziwa jest<br />
także implikacja odwrotna, tzn. jeśli X/G jest n-wymiarową rozmaitością, to X również ([16] 94 zad.<br />
d).<br />
Niech M będzie powierzchnią (tzn. zwartą i spójną rozmaitością 2-wymiarową). Załóżmy, że M<br />
jest G-przestrzenią, gdzie G jest skończoną grupą cykliczną nieparzystego rzędu. Wtedy M/G jest<br />
również powierzchnią. Nie musimy tu zakładać, że działanie jest wolne ([16] 107).<br />
3.7 Grupa podstawowa przestrzeni orbit<br />
Niech X będzie łukowo spójną G-przestrzenią. Załóżmy, że działanie grupy G na X jest wspólnie<br />
rozłączne. Wiemy, że wtedy odwzorowanie kanoniczne η : X −→ X/G jest nakryciem. Jaki jest związek<br />
grupy podstawowej π1(X/G) z grupą π1(X)?<br />
Niech η∗ : π1(X) −→ π1(X/G) będzie homomorfizmem grup indukowanym przez η. Można udowodnić:<br />
Twierdzenie 3.7.1 ([16] 179). Przy powyższych założeniach, grupy G i π1(X/G)/η∗(π1(X) są izomorficzne.<br />
⊠<br />
Przypomnijmy, że przestrzeń topologiczna X jest jednospójna, jeśli jest łukowo spójna oraz jej<br />
grupa podstawowa jest zerowa. Z powyższego twierdzenia otrzymujemy:<br />
Wniosek 3.7.2. Jeśli X jest przestrzenią jednospójną oraz działanie grupy G na X jest wspólnie<br />
rozłączne, to grupy π1(X/G) i G są izomorficzne. ⊠<br />
Przykład 3.7.3. π1(S 1 ) = Z.<br />
Dowód. Grupa Z działa na R następująco: ar ↦→ a + r. Wiemy, że S1 ≈ R/Z. Oczywiście R jest<br />
przestrzenią jednospójną. Pokażemy, że działanie Z na R jest wspólnie rozłączne. Niech r ∈ R. Niech<br />
U = (r − 1 1<br />
3 , r + 3 ). Wtedy U jest zbiorem otwartym w R, zawierającym r i takim, że dla a, b ∈ Z,<br />
a = b, zbiór aU ∩ bU jest pusty. Teza wynika zatem z powyższego wniosku. ⊠<br />
Przykład 3.7.4. Niech X = S 3 ⊂ C 2 .<br />
S 2 = {(z0, z1) ∈ C 2 ; |z0| 2 + |z1| 2 = 1}.<br />
Niech p > 1 będzie liczbą naturalną. Rozpatrzmy odwzorowanie h : S 3 −→ S 3 określone wzorem<br />
h(z0, z1) = (z0e 2πi<br />
p , z1e 2πi<br />
p ) = e 2πi<br />
p (z0, z1).<br />
Odwzorowanie to jest homeomorfizmem sfery S 3 takim, że h p = id. Niech G = Zp będzie grupą<br />
cykliczną rzędu p i rozpatrzmy działanie G na S 3 , określone jako:<br />
n(z0, z1) = h n (z0, z1).<br />
Grupa Zp działa w sposób wolny na S 3 . Działanie to jest więc wspólnie rozłączne. Mamy zatem<br />
nakrycie S 3 −→ S 3 /Zp. Z powyższego wniosku wynika, że π1(S 3 /Zp) = Zp. ⊠<br />
Na mocy tych przykładów mamy:<br />
Wniosek 3.7.5. Każda grupa cykliczna jest grupą podstawową pewnej przestrzeni topologicznej (łukowo<br />
spójnej). ⊠<br />
Łącząc ten wniosek z twierdzeniem o grupie podstawowej produktu otrzymujemy:<br />
Wniosek 3.7.6. Każda skończenie generowana grupa abelowa jest grupą podstawową pewnej przestrzeni<br />
topologicznej (łukowo spójnej). ⊠
3. Działanie grupy na przestrzeń topologiczną 19<br />
3.8 Uwagi<br />
3.1 Grupa (Q, +), addytywna grupa liczb wymiernych, działa na przestrzeń R. Działanie określone jest<br />
wzorem qr = r + q. Odwzorowania postaci r ↦→ qr są oczywiście ciągłe. R jest więc Q-przestrzenią.<br />
Stwierdzenie 3.8.1 (PH19). Przestrzeń R/Q jest trywialna, tzn. zbiorami otwartymi są tylko: zbiór pusty<br />
i cała przestrzeń.<br />
Dowód. Niech η : R −→ R/Q będzie naturalną surjekcją. Załóżmy, że A jest niepustym zbiorem otwartym<br />
w R/Q i niech r + Q ∈ A. Wtedy η(r) = r + Q ∈ A, więc r ∈ η −1 (A). Zbiór η −1 (A) jest otwarty w R (bo<br />
R/Q ma topologię ilorazową), jest więc sumą mnogościową otwartych odcinków. Do jednego z tych otwartych<br />
odcinków należy oczywiście element r. Istnieją zatem liczby rzeczywiste u < v takie, że<br />
r ∈ (u, v) ⊆ η −1 (A).<br />
Rozpatrzmy teraz dowolną orbitę s + Q należącą do R/Q. Pokażemy (i to wystarczy), że s + Q ∈ A. Niech t<br />
będzie taką liczbą wymierną, że −s + u < t < −s + v. Wtedy t + s ∈ (u, v) ⊆ η −1 (A), czyli<br />
Zatem A = R/Q. ⊠<br />
s + Q = s + t + Q = η(s + t) ∈ A.<br />
Ze stwierdzenia tego wynika, że jeśli X jest G-przestrzenią Hausdorffa, to X/G nie musi być przestrzenią<br />
Hausdorffa.
20 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
4 Snopy i algebry funkcji ciągłych<br />
4.1 Presnopy<br />
Definicja 4.1.1. Jeśli X jest przestrzenią topologiczną, to przez ˜ X oznaczamy kategorię, której<br />
obiektami są wszystkie zbiory otwarte w X, a morfizmami włożenia, tzn. jeżeli U, V są otwartymi<br />
podzbiorami w X (czyli obiektami w ˜ X), to<br />
<br />
∅,<br />
Morf (U, V ) =<br />
{U ↩→ V },<br />
gdy<br />
gdy<br />
U ⊆ V,<br />
U ⊆ V.<br />
Zbiór morfizmów w kategorii ˜ X jest co najwyżej jednoelementowy.<br />
Niech A będzie kategorią.<br />
Definicja 4.1.2. Każdy funktor kontrawariantny F : ˜ X −→ A nazywamy presnopem przestrzeni<br />
topologicznej X o wartościach w A.<br />
Zakładać będziemy, że obiekty kategorii A ”żyją” na kategorii zbiorów, a morfizmy są przede<br />
wszystkim funkcjami.<br />
Definicja 4.1.3. Jeżeli F : ˜ X −→ A jest presnopem i U ⊆ V , to jedyny morfizm F (U ↩→ V ) :<br />
F (V ) −→ F (U) oznaczamy przez F V U i nazywamy ograniczeniem V do U.<br />
Zatem F V U<br />
: F (V ) −→ F (U). Z definicji funktora kontrawariantnego wynika:<br />
Stwierdzenie 4.1.4.<br />
(1) F U U = 1 F (U).<br />
(2) Jeśli U ⊆ V ⊆ W , to F W U = F V U ◦ F W V<br />
4.2 Snopy<br />
. ⊠<br />
Pewne presnopy nazywać będziemy snopami. Przed ich zdefiniowaniem wprowadźmy następujące nowe<br />
pojęcie.<br />
Definicja 4.2.1. Niech F : ˜ X −→ A będzie presnopem i U = <br />
α Uα otwartym pokryciem w X.<br />
Zgodną rodziną (tego pokrycia względem F ) nazywamy każdą rodzinę {fα} taką, że:<br />
(a) ∀α fα ∈ F (Uα),<br />
(b) ∀α,β F Uα<br />
Uα∩Uβ (fα) = F Uβ<br />
Uα∩Uβ (fβ) (równość w F (Ua ∩ Uβ)).<br />
Przykład 4.2.2. Niech F : ˜ X −→ A będzie presnopem i U = <br />
α Uα otwartym pokryciem w X. Niech<br />
f ∈ F (U). Dla każdego α definiujemy element fα jako<br />
fα = F U Uα (f).<br />
Wtedy {fα} jest zgodną rodziną rozpatrywanego pokrycia względem F .<br />
Dowód. Ponieważ F U Uα : F (U) −→ F (Uα) więc fα = F U Uα (f) ∈ F (Uα). Mamy ponadto (na mocy<br />
Stwierdzenia 4.1.4):<br />
F Uα<br />
Uα∩Uβ (fα) = F Uα<br />
Uα∩Uβ F U Uα (f) = F U Uβ<br />
Uα∩Uβ (f) = FUα∩Uβ F U Uβ<br />
Uβ (f) = FUα∩Uβ (fβ). ⊠<br />
Definicja 4.2.3. Mówimy, że zgodna rodzina {fα} (pokrycia U = <br />
α Uα względem presnopa F )<br />
ma własność sklejania jeśli istnieje dokładnie jeden element f ∈ F (U) taki,że {fα} jest rodziną z<br />
powyższego przykładu, tzn. ∀α fα = F U Uα (f).
4. Snopy i algebry funkcji ciągłych 21<br />
Definicja 4.2.4. Presnop F : ˜ X −→ A nazywamy snopem jśli dla każdego otwartego pokrycia w X<br />
każda zgodna rodzina, tego pokrycia względem F , ma własność sklejania.<br />
Z encyklopedii: ”Teoria snopów” to specjalny matematyczny aparat, służący do ustalenia związków między lo-<br />
kalnymi i globalnymi własnościami przestrzeni topologicznych. Aparat ten stosowany jest we współczesnej algebrze,<br />
geometrii, topologii i analizie.<br />
Przykład 4.2.5. Niech X będzie dyskretną przestrzenią topologiczną (każdy podzbiór jest otwarty) i<br />
niech Y będzie ustalonym zbiorem. Określamy funktor F : ˜ X −→ Set przyjmując za F (U) (gdzie U jest<br />
podzbiorem w X) zbiór wszystkich zwykłych funkcji z U do Y . Jeśli U ⊆ V , to F V U : F (V ) −→ F (U)<br />
określamy jako F V U (f) = f | U, dla każdego f ∈ F (V ). Funktor F jest snopem.<br />
<br />
Dowód. Jest oczywiste, że F jest presnopem. Niech {fα} będzie zgodną rodziną pokrycia U =<br />
α Uα względem F . Definiujemy f : U −→ Y przyjmując (dla każdego u ∈ U) f(u) = fα(u), gdzie α<br />
jest takie, że u ∈ Uα. Zauważmy, że definicja tej funkcji jest poprawna. Jeśli bowiem u należy też do<br />
Uβ, to u ∈ Uα ∩ Uβ i wtedy fα(u) = fβ(u), gdyż fα | Uα ∩ Uβ = fβ | Uα ∩ Uβ. Jedyność funkcji f jest<br />
oczywista. ⊠<br />
Oto uogólnienie tego przykładu.<br />
Przykład 4.2.6. Niech X i Y będą przestrzeniami topologicznymi. Określamy funktor F : ˜ X −→ Set<br />
przyjmując za F (U) (gdzie U jest otwartym podzbiorem w X) zbiór wszystkich funkcji ciągłych z U<br />
do Y . Jeśli U ⊆ V , to F V U : F (V ) −→ F (U) określamy jako F V U (f) = f | U, dla każdego f ∈ F (V ).<br />
Funktor F jest snopem.<br />
Dowód. Sprawdzamy to dokładnie tak samo jak w poprzednim przykładzie. Musimy jedynie<br />
wykazać, że funkcja f : U −→ Y (patrz dowód poprzedniego przykładu) jest ciągła. Wynika to z<br />
następującego lematu<br />
Lemat 4.2.7. Niech X, Y będą przestrzeniami topologicznymi i niech U = <br />
α Uα będzie otwartym<br />
pokryciem w X. Załóżmy, że f : U −→ Y jest zwykłą funkcją taką, że wszystkie funkcje fα = f | Uα<br />
są ciągłe. Wtedy f jest funkcją ciągłą.<br />
Dowód. Wynika to z równości f −1 (V ) = −1<br />
α fα (V ), gdzie V ⊆ Y . ⊠<br />
Przykład 4.2.8 (Presnop, który nie jest snopem). Niech X = {a, b} będzie dwuelementową<br />
przestrzenią dyskretną i niech Y = {p, q} będzie ustalonym dwuelementowym zbiorem. Określamy<br />
funktor F : ˜ X −→ Set przyjmując:<br />
F (∅) = {p},<br />
F (X) = F ({a}) = F ({b}) = Y.<br />
Morfizmy określamy następująco. Jeśli U ⊆ V , to<br />
F V <br />
1Y ,<br />
U =<br />
funkcja stała = p,<br />
gdy<br />
gdy<br />
U = ∅,<br />
U = ∅.<br />
Jest oczywiste, że F jest presnopem. Nie jest to jednak snop, gdyż zgodna rodzina {p, q} (pokrycia<br />
X = {a} ∪ {b} względem F ) nie ma własności sklejania. ⊠<br />
4.3 Algebra funkcji ciągłych<br />
Jeśli X jest przestrzenią topologiczną, to przez C[X] oznaczać będziemy R-algebrę wszystkich funkcji<br />
ciągłych z X do R. O pewnych snopowych własnościach tej algebry wspomnieliśmy w Przykładzie<br />
4.2.6. Teraz podamy informacje o ideałach maksymalnych i derywacjach tej algebry.<br />
Zanotujmy najpierw kilka drobnych spostrzeżeń.
22 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Lemat 4.3.1. Niech f : X −→ R będzie funkcją ciągłą taką,że f(x) = 0 dla wszystkich x ∈ X. Wtedy<br />
g : X −→ R, x ↦→ 1/f(x), też jest funkcją ciągłą.<br />
Dowód. Wiemy, że funkcja ϕ : R{0}, x ↦→ 1/x jest ciągła. Zatem funkcja g = ϕf też jest ciągła,<br />
gdyż jest złożeniem dwóch funkcji ciągłych. ⊠<br />
Stąd wynika:<br />
Stwierdzenie 4.3.2. Funkcja f ∈ C[X] jest odwracalna w C[X] ⇐⇒ ∀x∈X f(x) = 0. ⊠<br />
Ideały maksymalne. Jeśli p ∈ X, to przez mp[X] oznaczamy zbiór wszystkich funkcji f ∈ C[X],<br />
zerujących się w punkcie p. Zbiór ten jest ideałem maksymalnym w C[X] oraz C[X]/mp[X] ≈ R<br />
(gdyż mp[X] jest jądrem surjekcji C[X] −→ R, f ↦→ f(p)).<br />
Stwierdzenie 4.3.3. Jeśli X jest przestrzenią zwartą, to każdy ideał maksymalny w C[X] jest postaci<br />
mp[X], dla pewnego p ∈ X.<br />
Dowód. Niech M będzie ideałem maksymalnym w C[X]. Jeśli f ∈ M, to przez Af oznaczać<br />
będziemy domknięty zbiór f −1 (0). Z poprzedniego stwierdzenia wynika, że Af = ∅.<br />
Rozpatrzmy rodzinę {Af ; f ∈ M}. Rodzina ta jest scentrowana (tzn. każdy skończony przekrój<br />
zbiorów z tej rodziny jest niepusty). Istotnie, przypuśćmy, że Af1 ∩ · · · ∩ Afs = ∅, dla pewnych<br />
f1, . . . , fs ∈ M. Wtedy funkcja f 2 1 + · · · + f 2 s należy do M i w każdym punkcie jest różna od zera.<br />
Funkcja ta jest więc odwracalna w C[X] wbrew temu, że należy ona do M.<br />
Niech A = <br />
f∈M Af . Ponieważ przestrzeń X jest zwarta, więc A = ∅. Niech p ∈ A. Wtedy<br />
f(p) = 0, dla wszystkich f ∈ M. Zatem M ⊆ mp[X]. Ale M jest ideałem maksymalnym, więc<br />
M = mp[X]. ⊠<br />
W powyższym dowodzie nie korzystaliśmy z tego, że X jest przestrzenią Hausdorffa. Podobny fakt<br />
zachodzi więc dla przestrzeni quasi-zwartych. Jeśli przestrzeń X nie jest zwarta, to w pieścieniu C[X]<br />
mogą istnieć ideały maksymalne, które nie są postaci mp[X].<br />
Przykład 4.3.4 (AP384). Niech X = {1, 2, . . . } będzie przestrzenią dyskretną. Istnieje wtedy maksymalny<br />
ideał w C[X], który nie jest postaci mp[X].<br />
Dowód. Niech A będzie zbiorem wszystkich funkcji f : X −→ R takich, że f(x) = 0 dla prawie<br />
wszystkich x ∈ X. Jest jasne, że A jest właściwym ideałem w C[X]. Przypuśćmy, że A ⊆ mp[X], dla<br />
pewnego p ∈ X. Niech g : X −→ R będzie funkcją zdefiniowaną następująco:<br />
<br />
1, dla x = p,<br />
g(x) =<br />
0, dla x = p.<br />
Wtedy g ∈ A mp[X], a zatem mamy sprzeczność.<br />
Ideał A nie jest więc zawarty w żadnym ideale postaci mp[X]. Istnieje więc ideał maksymalny M,<br />
nie będący postaci mp[X], zawierający A. ⊠<br />
Ideał A, rozpatrywany w tym dowodzie, nie jest pierwszy. Niech f, g : X −→ R będą funkcjami takimi, że f(n) = 0<br />
i g(n) = 1 dla nieparzystych n oraz f(m) = 1 i g(m) = 0 dla parzystych m. Wtedy fg = 0 ∈ A, f ∈ A, g ∈ A.<br />
Przykład 4.3.5. Niech X = R. Istnieje ideał maksymalny w C[X], który nie jest postaci mp[X].<br />
Dowód (St. Balcerzyk). Przypomnijmy, że jeśli f : X −→ R jest funkcją ciągłą, to jej nośnikiem<br />
Supp(f) nazywamy domknięcie zbioru f −1 (R0). Niech A będzie zbiorem wszystkich funkcji ciągłych<br />
f : X −→ R takich, że zbór Supp(f) jest ograniczony. Łatwo sprawdzić, że A jest ideałem w C[X],<br />
różnym od C[X]. Istnieje więc ideał maksymalny M, zawierający A. Przypuśćmy, że A = mp[X], dla<br />
pewnego p ∈ X. Niech g : X −→ R będzie funkcją zdefiniowaną następująco:<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
0, dla x p + 1 lub x p − 1,<br />
g(x) = x + 1 − p, dla p − 1 x p,<br />
⎪⎩<br />
−x + 1 + p, dla p x p + 1.
4. Snopy i algebry funkcji ciągłych 23<br />
Wtedy g ∈ A mp[X], co jest sprzecznością. ⊠<br />
Twierdzenie 4.3.6 ([8]294). Jeśli X jest przestrzenią Tichonowa (tzn. T 1 3 ), to X jest przestrzenią<br />
2<br />
zwartą ⇐⇒ każdy ideał maksymalny w C[X] jest postaci mp[X]. To samo dotyczy pierścienia C∗ [X],<br />
wszystkich funkcji ciągłych i ograniczonych z X do R. ⊠<br />
Dodatkowe informacje o ideałach maksymalnych (a także o ideałach pierwszych) w C[X] są w AP378-96. Patrz też<br />
ZadAlg397-104.<br />
Derywacje. Jeśli f : X −→ R jest zwykłą funkcją, to oznaczmy:<br />
f + = max(f, 0), f − = − min(f, 0).<br />
Wtedy f = f + − f − oraz f + 0, f − 0. Ponieważ f + = 1<br />
2 (|f| + f), f − = 1<br />
2 (|f| − f) więc, jeśli<br />
f ∈ C[X], to f + , f − ∈ C[X].<br />
Stwierdzenie 4.3.7. Niech X będzie dowolną przestrzenią topologiczną. Jeśli d : C[X] −→ C[X] jest<br />
R-derywacją, to d = 0.<br />
Dowód. Niech h ∈ C[X]. Pokażemy, że d(h) = 0. W tym celu musimy wykazać, że d(h)(p) = 0,<br />
dla wszystkich p ∈ X. Niech więc p ∈ X. Niech r = h(p) i rozpatrzmy funkcję f = h − r. Ponieważ<br />
f(p) = 0, więc f + (p) = 0, f − (p) = 0. Wiemy, że f + 0 i f − 0. Istnieją zatem ciągłe funkcje<br />
a = f + , b = f − : X −→ R i przy tym a(p) = b(p) = 0. Mamy wtedy:<br />
Zatem d(h) = 0. ⊠<br />
d(h)(p) = d(h − r)(p) = d(f)(p) = d(f + − f − )(p)<br />
= d(a 2 − b 2 )(p) = (2ad(a) − 2bd(b))(p)<br />
= 2a(p)d(a)(p) − 2b(p)d(b)(p) = 0d(a)(p) − 0d(b)(p) = 0.<br />
Następne stwierdzenie ma dokładnie taki sam dowód.<br />
Stwierdzenie 4.3.8. Niech X będzie dowolną przestrzenią topologiczną i niech A = C ∗ [X] (R-algebra<br />
wszystkich funkcji ciągl ych i ograniczonych x X do R) lub A = F [X] (R-algebra wszystkich funkcji z<br />
X do R). Jeśli d : A −→ A jest R-derywacją, to d = 0. ⊠<br />
Ustalmy teraz jeden punkt p ∈ X i niech σp : C[X] −→ R będzie R-algebrowym homomorfizmem<br />
f ↦→ f(p). Dzięki temu homomorfizmowi R staje się C[X]-modułem z mnożeniem ∗ : C[X] × R −→ R,<br />
f ∗ r = σp(f)r = f(p)r. Można zatem badać R-derywacje δ : C[X] −→ R (patrz [19]), czyli R-liniowe<br />
odwzorowania takie, że<br />
δ(fg) = f(p)δ(g) + g(p)δ(f), dla f, g ∈ C[X].<br />
Nazywamy je derywacjami p-lokalnymi. Przepisując poprzedni dowód otrzymujemy:<br />
Stwierdzenie 4.3.9. Jeśli δ : C[X] −→ R jest derywacją p-lokalną, to δ = 0. ⊠<br />
To samo zachodzi, gdy zamiast algebry C[X] rozpatrzymy R-algebry ograniczonych funkcji ciągłych lub wszystkich<br />
funkcji z X do R.<br />
Pytanie 4.3.10. Czy ΩR(C[X]) (modułem różniczek algebry C[X], patrz [19]) jest modułem zerowym?
24 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
4.4 Lokalny pierścień ciągłych kiełków<br />
Niech X będzie przestrzenią topologiczną i niech p ∈ X. Przez Ap[X] oznaczać będziemy zbiór wszystkich<br />
par postaci (U, f), w których U jest otwartym podzbiorem w X zawierającym p oraz f : U −→ R<br />
jest funkcją ciągłą. W zbiorze Ap[X] wprowadzamy relację typu równoważności ∼ zdefiniowaną następująco:<br />
(U, f) ∼ (V, g) ⇐⇒ istnieje zbiór otwarty W ⊆ X taki, że:<br />
(1) p ∈ W ⊆ U ∩ V,<br />
(2) f | W = g | W.<br />
Klasę abstrakcji elementu (U, f) względem tej relacji oznaczmy przez [U, f] i nazywamy kiełkiem<br />
punktu p. Zbiór wszystkich klas abstrakcji oznaczamy przez Op[X]. W zbiorze Op[X] definiujemy<br />
dodawanie i mnożenie w następujący sposób:<br />
[U, f] + [V, g] = [U ∩ V, (f + g) | (U ∩ V )],<br />
[U, f] · [V, g] = [U ∩ V, (f · g) | (U ∩ V )].<br />
Jest oczywiste, że powyższe działania są dobrze określone oraz, że zbiór Op[X] z takimi działaniami<br />
jest przemienną R-algebrą z jedynką [X, 1] i zerem [X, 0]. Algebrę tę nazywamy lokalnym pierścieniem<br />
punktu p przestrzeni X lub pierścieniem ciągłych kiełków w punkcie p przestrzeni X. Z taką algebrą<br />
stowarzyszony jest R-algebrowy homomorfizm νp : Op[X] −→ R zdefiniowany wzorem<br />
νp([U, f]) = f(p)<br />
(dla wszystkich [U, F ] ∈ Op[X]), którego jądrem jest ideał<br />
Mp[X] = {[U, f]; f(p) = 0}.<br />
Homomorfizm ten jest surjekcją (gdyż dla każdego elementu a ∈ R zachodzi równość νp([X, ã]) = a,<br />
gdzie ã : X −→ R jest funkcją przyjmującą stałą wartość a). Mamy zatem:<br />
Stwierdzenie 4.4.1. Mp[X] jest ideałem maksymalnym w Op[X] oraz Op[X]/Mp[X] = R. ⊠<br />
Stwierdzenie 4.4.2 (ZadAlg398). Pierścień Op[X] jest lokalny z jedynym ideałem maksymalnym<br />
Mp[X].<br />
Dowód. Niech [U, f] ∈ Op[X]Mp[X]. Wystarczy pokazać, że [U, f] jest elementem odwracalnym<br />
w Op[X]. Niech V = f −1 (R0). Wtedy V jest zbiorem otwartym w X zawartym w U i zawierającym p<br />
(gdyż f(p) = 0 ponieważ [U, f] ∈ Mp[X]). Ponadto, [V, f|V ] = [U, f] oraz (f|V )(v) = 0 dla wszystkich<br />
v ∈ V . Niech g : V −→ R będzie funkcją określoną wzorem g(v) = 1/f(v), dla v ∈ V . Jest to funkcja<br />
ciągła (Lemat 4.3.1) i mamy [U, f][V, g] = 1. ⊠<br />
Stwierdzenie 4.4.3. Jeśli U jest otwartym podzbiorem w X zawierającym punkt p, to R-algebry<br />
Op[X] i Op(U) są izomorficzne.<br />
⊠<br />
Dowód. Odwzorowanie Op[X] −→ Op(U), [V, f] ↦→ [V ∩U, f | (V ∩U)] jest izomorfizmem R-algebr.<br />
Niech ϕ : X −→ Y będzie odwzorowaniem ciągłym przestrzeni topologicznych i niech p ∈ X.<br />
Mamy wówczas odwzorowanie<br />
Bez trudu wykazujemy następujące stwierdzenie.<br />
O(ϕ) : O ϕ(p)[Y ] −→ Op[X], [V, g] ↦→ [ϕ −1 (V ), gϕ].<br />
Stwierdzenie 4.4.4. O(ϕ) jest homomorfizmem R-algebr oraz O(ϕ)(M ϕ(p)[Y ]) ⊆ Mp[X]. ⊠
4. Snopy i algebry funkcji ciągłych 25<br />
Z powyższych faktów wynika, że O jest funktorem kontrawariantnym z kategorii przestrzeni topologicznych<br />
z wyróżnionym punktem do kategorii lokalnych R-algebr. W szczególności lokalny pierścień<br />
punktu jest niezmiennikiem homeomorfizmów.<br />
Następne fakty dotyczą związku pierścienia Op[X] z pierścieniem C[X] mp[X], gdzie C[X] jest<br />
R-algebrą wszystkich funkcji ciągłych z X do R (patrz poprzedni podrozdział), a mp[X] = {f ∈<br />
C[X]; f(p) = 0}.<br />
Stwierdzenie 4.4.5 (ZadAlg3101). Odwzorowanie<br />
jest dobrze określonym homomorfizmem R-algebr.<br />
α : C[X] mp[X] −→ Op[X], f/g ↦→ [X, f][X, g] −1 ,<br />
Dowód. Rozpatrzmy homomorfizm β : C[X] −→ Op[X], f ↦→ [X, f]. Jeśli g ∈ C[X] mp[X],<br />
to g(p) = 0 i wtedy [X, g] = β(g) jest odwracalne w Op[X] (czyli [X, g] ∈ Mp[X]). Zatem β można<br />
rozszerzyć do homomorfizmu<br />
α : C[X] mp[X] −→ Op[X], f/g ↦→ β(f)/β(g) = [X, f][X, g] −1 . ⊠<br />
Stwierdzenie 4.4.6 (ZadAlg3102). Jeśli X jest T4-przestrzenią (w szczególności metryczną lub<br />
zwartą), to R-algebry C[X] mp[X] i Op[X] są izomorficzne. Dokładniej, homomorfizm α z poprzedniego<br />
stwierdzenia jest izomorfizmem R-algebr.<br />
Dowód. (1) α jest surjekcją. Niech [V, f] ∈ Op[X]. Rozpatrzmy domknięty zbiór F = X V .<br />
Ponieważ p ∈ F więc istnieją rozłączne zbiory otwarte U1, U2 takie, ze p ∈ U1 i F ⊆ U2 (ponieważ<br />
X jest T4, a więc T 3 1<br />
2 ). Mamy więc p ∈ U1 ⊆ X U2 i zbiór X U2 jest domknięty. Stąd<br />
p ∈ U1 ⊆ U1 ⊆ X U1 ⊆ X F = V.<br />
Rozpatrzmy funkcję f | U1. Ponieważ X jest T4, więc funkcję tę można przedłużyć do ciągłej funkcji<br />
f1 : X −→ R. Zatem [V, f] = [X, f1] = α(f1/1).<br />
(2) α jest różnowartościowe. Niech α(f/g) = 0, f, g ∈ C[X], g(p) = 0. Wtedy [X, f][X, g] −1 = 0 w<br />
Op[X], więc [X, f] = 0 w Op[X]. Istnieje zatem zbiór otwarty U ∋ p taki, że f | U = 0. Niech h : X −→<br />
R będzie funkcją ciągłą taką, że h(p) = 1 oraz h(x) = 0 dla x ∈ X U (funkcja h istnieje ponieważ<br />
X jest T4). Teraz h ∈ mp[X] (bo h(p) = 1) oraz h · f = 0. Zatem f/g = (hf)/(hg) = 0/(hg) = 0. ⊠<br />
Uwaga. Porównaj [20] (rozdział ”Lokalny pierścień punktu”).
26 A. Nowicki - Marzec 1995. Rozmaitości różniczkowe<br />
5 Wiązki wektorowe nad przestrzenią topologiczną<br />
5.1 <strong>Topologia</strong> rzeczywistej przestrzeni wektorowej<br />
Niech V będzie przestrzenią wektorową wymiaru n nad ciałem R. Istnieje wtedy przekształcenie liniowe<br />
α : V −→ R n będące izomorfizmem. Przy pomocy tego przekształcenia można przetrzeni V zadać<br />
strukturę przestrzeni topologicznej. Zbiory otwarte w V definiuje się następująco:<br />
Definicja 5.1.1. Podzbiór U ⊆ V jest otwarty w V jeśli obraz α(U) jest otwarty w R n .<br />
Dzięki tej topologii izomorfizm α staje się homeomorfizmem.<br />
Wyjaśnimy teraz, że powyższa topologia na V nie zależy od wyboru izomorfizmu α : V −→ R n .<br />
W tym celu przypomnijmy dwa następujące lematy.<br />
Lemat 5.1.2. Każdy automorfizm liniowy σ : R n −→ R n jest homeomorfizmem, a nawet dyfeomorfizmem<br />
klasy C ∞ .<br />
Dowód. Wynika to np. z faktu, że automorfizm σ ma postać:<br />
σ(x1, . . . , xn) = ( <br />
j a1jxj, . . . , <br />
j anjxj),<br />
gdzie wszystkie elementy aij należą do R. Odwzorowanie σ jest więc ciągłe, a nawet klasy C ∞ . To<br />
samo dotyczy odwzorowania σ −1 . ⊠<br />
Lemat 5.1.3. Jeśli α, β : V −→ R n są izomorfizmami przestrzeni liniowych, to istnieje automorfizm<br />
liniowy σ : R n −→ R n taki, że α = σ −1 β, β = σα.<br />
Dowód. σ = α −1 β. ⊠<br />
Teraz możemy wykazać, ze topologia przestrzeni wektorowej V nie zależy od wyboru izomorfizmu<br />
α : V −→ R n .<br />
Stwierdzenie 5.1.4. Niech α : V −→ R n będzie izomorfizmem przestrzeni liniowych. Załóżmy, że<br />
topologia na V jest taka, jak w Definicji 5.1.1. Niech β : V −→ R n będzie drugim izomorfizmem<br />
przestrzeni liniowych i niech U będzie podzbiorem w V . Wtedy zbiór U jest otwarty w V ⇐⇒ obraz<br />
β(U) jest otwarty w R n .<br />
Dowód. Z poprzednich lematów wiemy, że α = σ −1 β, β = σα, gdzie σ : R n −→ R n jest pewnym<br />
homeomorfizmem. Jeśli więc U jest otwarte w V , to α(U) jest otwarte w R n , a zatem β(U) = σα(U)<br />
jest otwarte w R n . Jeśli β(U) jest otwarte w R n , to α(U) = σβ(U) jest otwarte w R n i stąd U jest<br />
otwarte w V . ⊠<br />
Wniosek 5.1.5. Niech V będzie przestrzenią wektorową wymiaru n nad R n . Istnieje dokładnie jedna<br />
topologia na V taka, że każdy izomorfizm liniowy β : V −→ R n jest homeomorfizmem. ⊠<br />
Powyższą jedyną topologię na V nazywa się topologią przestrzeni wektorowej.<br />
Stwierdzenie 5.1.6. Jeśli f : V −→ W jest przekształceniem liniowym przestrzeni wektorowych nad<br />
R, to f jest odwzorowaniem ciągłym.<br />
Dowód. Niech α : V −→ R n , β : W −→ R m będą izomorfizmami przestrzeni liniowych. Wiemy,<br />
że α i β są homeomorfizmami. Rozpatrzmy odwzorowanie h = βfα −1 : R n −→ R m . Jest to oczywiście<br />
odwzorowanie ciągłe (bo jest liniowe). Widzimy więc, że f = β −1 hα jest złożeniem trzech odwzorowań<br />
ciągłych. ⊠
5. Wiązki wektorowe 27<br />
5.2 Rodziny wektorowe<br />
Niech X będzie przestrzenią topologiczną.<br />
Definicja 5.2.1. Rodziną wektorową nad X nazywamy każdą trójkę E = (E, p, X) taką, że:<br />
(1) E jest przestrzenią topologiczną,<br />
(2) p : E −→ X jest odwzorowaniem ciągłym,<br />
(3) dla każdego x ∈ X zbiór Ex = p −1 (x), zwany włóknem nad x, jest skończenie wymiarową<br />
przestrzenią liniową nad R, przy czym topologia na Ex, indukowana z E, jest zgodna z topologią<br />
przestrzeni wektorowej.<br />
Z tej definicji wynika:<br />
Stwierdzenie 5.2.2. Niech (E, p, X) będzie rodziną wektorową nad X. Wtedy:<br />
(a) Ex ∩ Ey = ∅, dla x = y ∈ X.<br />
(b) E = <br />
x∈X Ex,<br />
(c) p : E −→ X jest surjekcją. ⊠<br />
Każda rodzina wektorowa nad X jest więc przestrzenią topologiczną będącą rozłączną sumą mnogościową<br />
przestrzeni wektorowych nad R.<br />
Definicja 5.2.3. Jeśli E = (E, p, X), E ′ = (E ′ , p ′ , X) są rodzinami wektorowymi nad X, to ich<br />
morfizmem (lub odwzorowaniem) nazywamy każde odwzorowanie ciągłe f : E −→ E ′ takie, że:<br />
(a) p ′ f = p,<br />
(b) dla każdego x ∈ X odwzorowanie fx = f |: Ex −→ E ′ x jest przekształceniem liniowym.<br />
Z warunku (a) wynika, że f(Ex) ⊆ E ′ x. Istotnie, niech e ∈ f(Ex). Wtedy e = f(u), gdzie u ∈ Ex =<br />
p−1(x), czyli p(u) = x. Stąd p ′ (e) = p ′ f(u) = p(u) = x, czyli e ∈ E ′ x.<br />
Przykład 5.2.4. Niech V będzie przestrzenią wektorową na R. Rozpatrzmy trójkę (E, p, X) określoną<br />
następująco:<br />
E = X × V, p : E −→ X, (x, v) ↦→ x.<br />
Trójka ta jest rodziną wektorową nad X (patrz PH1143). ⊠<br />
Definicja 5.2.5. Rodzinę wektorową (X × V, p, X) z Przykładu 5.2.4 nazywamy trywialną.<br />
Niech E = (E, p, X) będzie rodziną wektorową na X i niech Y ⊆ X będzie dowolnym podzbiorem.<br />
Rozpatrzmy trójkę (p −1 (Y ), q, Y ), w której<br />
q = p| : p −1 (Y ) −→ Y.<br />
Zauważmy, że jeśli x ∈ Y , to q −1 (x) = p −1 (x). Każdy zbiór postaci q −1 (x), gdzie x ∈ Y , jest więc<br />
przestrzenią wektorową nad R. Trójka (p −1 (Y ), q, Y ) jest zatem rodziną wektorową nad Y .<br />
Definicja 5.2.6. Rodzinę wektorową (p −1 (Y ), q, Y ) oznaczamy przez E | Y i nazywamy ograniczeniem<br />
rodziny E do Y .<br />
Stwierdzenie 5.2.7. Jeśli E jest trywialną rodziną wektorową nad X, to każde jej ograniczenie E | Y<br />
jest trywialną rodziną wektorową nad Y .<br />
Dowód. E = (X × V, p, X), gdzie V jest przestrzenią liniową i p : X × V −→ X jest rzutowaniem<br />
(x, v) ↦→ x. Wtedy p −1 (Y ) = Y × V i q : Y × V −→ Y jest rzutowaniem na Y . ⊠
28 A. Nowicki - Marzec 1995. Rozmaitości różniczkowe<br />
5.3 Przekroje rodziny wektorowej<br />
Niech E = (E, p, X) będzie rodziną wektorową nad przestrzenią topologiczną X.<br />
Definicja 5.3.1. Przekrojem rodziny E (ang. section) nazywamy każde odwzorowanie ciągłe s :<br />
X −→ E takie, że ps = 1X. Zbiór wszystkich przekrojów rodziny wektorowej E oznaczmy przez Γ(E).<br />
Niech s : X −→ E będzie przekrojem rodziny E. Jeśli x ∈ X to ps(x) = x, a zatem s(x) jest<br />
elementem przestrzeni liniowej Ex = p −1 (x). Załóżmy, że f : X −→ R jest funkcją ciągłą. Mamy<br />
wówczas, dla każdego x ∈ X, wektor f(x)s(x) należący do przestrzeni Ex. Mamy zatem przekrój<br />
fs : X −→ E określony wzorem<br />
(fs)(x) = f(x)s(x), x ∈ X.<br />
Jeśli s1, s2 : X −→ E są przekrojami rodziny E, to definiujemy dodawanie s1 + s2 : X −→ E,<br />
przyjmując:<br />
(s1 + s2)(x) = s1(x) + s2(x), x ∈ X,<br />
gdzie s1(x) + s2(x) jest sumą wektorów s1(x) i s2(x) w przestrzeni liniowej Ex. Jest oczywiste, że<br />
s1 + s2 jest przekrojem rodziny E.<br />
Widzimy więc, że w zbiorze Γ(E) określone jest dodawanie oraz mnożenie przez elementy pierścienia<br />
C[X], funkcji ciągłych z X do R.<br />
Stwierdzenie 5.3.2. Zbiór Γ(E), wraz z powyższymi działaniami, jest C[X]-modułem. ⊠<br />
Niech E = (E, p, X) i E ′ = (E ′ , p ′ , X) będą rodzinami wektorowymi nad X i niech ϕ : E −→ E ′<br />
będzie morfizmem tych rodzin. Definiujemy wówczas odwzorowanie Γ(ϕ) : Γ(E) −→ Γ(E ′ ), przyjmując<br />
Γ(ϕ)(s) = ϕs, s ∈ Γ(E).<br />
Zauważmy, że Γ(f)(s) jest istotnie przekrojem rodziny E ′ . Mamy bowiem (dla x ∈ X):<br />
p ′ (Γ(ϕ)(s)) = p ′ ϕs = ps = 1X.<br />
Stwierdzenie 5.3.3. Funkcja Γ(ϕ) : Γ(E) −→ Γ(E ′ ) jest homomorfizmem C[X]-modułów.<br />
Dowód. Przypomnijmy najpierw (patrz Definicja 5.2.3), że jeśli x ∈ X, to funkcja<br />
ϕx = ϕ |: Ex −→ E ′ x<br />
jest przekształceniem liniowym. Niech s ∈ Γ(E), f ∈ C[X] oraz x ∈ X. Wtedy:<br />
(Γ(ϕ)(fs))(x) = (ϕ ◦ (fs))(x) = ϕx(f(x)s(x))<br />
= f(x)ϕx(s(x)) = f(x)(ϕs)(x)<br />
= f(x)(Γ(ϕ)(s))(x) = (fΓ(ϕ)(s))(x).<br />
Zatem Γ(ϕ)(fs) = fΓ(ϕ)(s). W podobny sposób sprawdzamy addytywność. ⊠<br />
Wniosek 5.3.4. Γ jest funktorem kowariantnym z kategorii rodzin wektorowych nad X do kategorii<br />
C[X]-modułów. ⊠<br />
Stwierdzenie 5.3.5. Jeśli E = (X × V, p, X) jest trywialną rodziną wektorową, to Γ(E) jest C[X]modułem<br />
wolnym rangi dimR V .<br />
Dowód. Niech {e1, . . . , en} będzie bazą przestrzeni V nad R. Niech ε1, . . . , εn : X −→ X × V<br />
będą funkcjami zdefiniowanymi następująco:<br />
εi(x) = (x, ei), x ∈ X, i = 1, . . . , n.<br />
Funkcje te są oczywiście przekrojami rodziny E i tworzą bazę C[X]-modułu Γ(E). ⊠
5. Wiązki wektorowe 29<br />
5.4 Wiązki wektorowe<br />
Definicja 5.4.1. Wiązką wektorową (lub krótko wiązką) nad przestrzenią topologiczną X nazywamy<br />
każdą rodzinę wektorową E nad X, która jest lokalnie trywialna, tzn., dla każdego x ∈ X istnieje zbiór<br />
otwarty U ⊆ X, zawierający x taki, że rodzina wektorowa E | U jest trywialna.<br />
Każda trywialna rodzina wektorowa nad X jest oczywiście wiązką nad X.<br />
Stwierdzenie 5.4.2. Jeśli E jest wiązką wektorową nad X oraz U ⊆ X jest otwartym podzbiorem,<br />
to rodzina wektorowa E | U jest wiązką wektorową nad U.<br />
Dowód. Niech x ∈ U. Ponieważ x ∈ X więc istnieje zbiór otwarty U ′ ⊆ X taki, że E | U ′ jest<br />
trywialną rodziną wektorową. Wtedy (na mocy Stwierdzenia 5.2.7) rodzina wektorowa<br />
jest trywialna. ⊠<br />
(E | U) | (U ∩ U ′ ) = (E | U ′ ) | (U ∩ U ′ )<br />
Z definicji wiązki wektorowej E = (E, p, X) wynika, że X = <br />
i Ui, gdzie każde Ui jest zbiorem<br />
otwartym w X takim, że rodzina wektorowa E | Ui jest trywialna. Mówić będziemy w tym przypadku,<br />
że X = <br />
i Ui jest pokryciem trywializującym wiązki E.<br />
Stwierdzenie 5.4.3. Jeśli E = (E, p, X) jest wiązką wektorową nad spójną przestrzenią topologiczną<br />
X, to wszystkie włókna Ex mają ten sam wymiar.<br />
Dowód. Niech X = <br />
i∈I Ui będzie pokryciem trywializującym. Ustalmy jeden punkt x ∈ X<br />
i jeden zbiór otwarty Ui ∋ x. Niech n = dimR Ex. Wtedy, dla wszystkich y ∈ Ui, dimR Ey = n.<br />
Rozpatrzmy dwa następujące podzbiory zbioru I.<br />
I1 = {i ∈ I; ∀y∈Ui dimR Ey = n}, I2 = {i ∈ I; ∀y∈Ui dimR Ey = n}.<br />
Podzbiory te spełniają związki: I1 ∩ I2 = ∅, I = I1 ∪ I2 oraz I1 = ∅. Przyjmijmy:<br />
A = <br />
i∈I1 Ui, B = <br />
i∈I2 Ui.<br />
Wtedy A i B są otwartymi zbiorami w X takimi, że X = A ∪ B, A ∩ B = ∅, A = ∅. Stąd wynika, że<br />
B = ∅, gdyż X jest przestrzenią spójną. ⊠<br />
Definicja 5.4.4. Morfizmem wiązek wektorowych E i E ′ nad X nazywamy każdy morfizm rodzin<br />
wektorowych E i E ′ (w sensie Definicji 5.2.3).<br />
5.5 Funkcje przejścia<br />
Niech E = (E, p, X) będzie wiązką wektorową nad przestrzenią topologiczną X. Załóżmy, że wszystkie<br />
włókna Ex mają stały wymiar. Tak jest np. gdy X jest przestrzenią spójną (Stwierdzenie 5.4.3). Niech<br />
X = <br />
i∈I Ui będzie pokryciem trywializującym rozważanej wiązki.<br />
Ponieważ włókna mają stały wymiar nad R, więc wszystkie przestrzenie postaci Ex, x ∈ X, są<br />
izomorficzne z tą samą przestrzenią wektorową V . Dla każdego x ∈ X oraz dla każdego i ∈ I takiego,<br />
że x ∈ Ui, istnieje więc izomorfizm przestrzeni wektorowych ϕi,x : Ex −→ V .<br />
Niech teraz X ∈ Ui ∩ Uj. Mamy wtedy dwa izomorfizmy ϕi,x, ϕj,x : Ex −→ V . Oznaczmy przez<br />
gij(x) automorfizm przestrzeni V określony wzorem<br />
gij(x) = ϕj,x ◦ ϕ −1<br />
i,x : V −→ V.<br />
Automorfizmy tej postaci nazywamy funkcjami przejścia wiązki E (ang. coordinate transformations).<br />
Bez trudu wykazujemy:<br />
Stwierdzenie 5.5.1.<br />
(1) gij(x) ◦ gjk(x) = gik(x), dla x ∈ Ui ∩ Uj ∩ Uk;<br />
(2) gii(x) = 1V , dla x ∈ Ui. ⊠
30 A. Nowicki - Marzec 1995. Rozmaitości różniczkowe<br />
Można udowodnić następujące twierdzenie.<br />
Twierdzenie 5.5.2 (PH1152). Niech X będzie przestrzenią topologiczną i {Ui}i∈I jej otwartym<br />
pokryciem. Niech V będzie przestrzenią wektorową nad R oraz niech gij(x) : V −→ V , dla x ∈ Ui ∩Uj,<br />
będą automorfizmami liniowymi, spełniającymi związki (1), (2) poprzedniego stwierdzenia. Istnieje<br />
wtedy jedyna wiązka wektorowa (E, p, X) taka, że funkcje postaci gij(x) są jej funkcjami przejścia. ⊠<br />
5.6 Uwagi<br />
5.1 Niech E = (E, p, X) będzie wiązką wektorową nad przestrzenią topologiczną X. Podprzestrzeń topologiczną<br />
E0 ⊆ E wraz z odwzorowaniem p0 = p|E0 : E0 −→ X nazywamy podwiązką wiązki E jeśli (E0, p0, X)<br />
jest wiązką nad X (patrz PH1182).<br />
5.2 Jeśli E1 = (E1, p1, X), E2 = (E2, p2, X) są wiązkami nad X, to ich sumą prostą nazywamy wiązkę nad<br />
X, którą oznaczamy przez E1 ⊕ E2. Definiujemy ją następująco:<br />
E = {(e1, e2) ∈ E1 × E2; p1(e1) = p2(e2)},<br />
p : E −→ X, (e1, e2) ↦−→ p1(e1) = p2(e2).<br />
Jest to tzw. suma Whithey’a. Nie istnieją sumy proste dowolnej (nieskończonej) ilości wiązek.<br />
Twierdzenie 5.6.1. Jeśli przestrzeń topologiczna X jest parazwarta i E0 jest podwiązką wiązki E nad X, to<br />
istnieje podwiązka E1 wiązki E taka, że E = E0 ⊕ E1. ⊠<br />
Twierdzenie 5.6.2. Dla każdej wiązki E nad przestrzenią zwartą istnieje wiązka E1 taka, że E ⊕ E1 jest<br />
wiązką trywialną. ⊠<br />
Twierdzenie 5.6.3 (PH1188). Γ(E1 ⊕ E2) = Γ(E1) ⊕ Γ(E2). ⊠<br />
5.3 Iloczynem skalarnym w wiązce E nazywamy każde odwzorowanie ciągłe w : E ⊕ E −→ R takie, że dla<br />
każdego x ∈ X, obcięcie w| : Ex × Ex −→ R jest iloczynem skalarnym przestrzeni wektorowej Ex.<br />
Twierdzenie 5.6.4 (Milnor). Każda wiązka nad przestrzenią parazwartą posiada iloczyn skalarny. ⊠<br />
5.4 Wiemy, że jeśli wiązka E (nad X) jest trywialna, to Γ(E) jest wolnym C[X]-modułem. Jeśli X jest<br />
przestrzenią zwartą, to zachodzi również stwierdzenie odwrotne. Wiązki nad przestrzeniami zwartymi mają<br />
specjalne własności.<br />
Twierdzenie 5.6.5 (PH1186). Niech E będzie wiązką nad przestrzenią zwartą.<br />
(1) Γ(E) jest skończenie generowanym C[X]-modułem projektywnym.<br />
(2) Każdy skończenie generowany C[X]-moduł projektywny jest postaci Γ(E).<br />
(3) Wiązki E i E ′ są izomorficzne ⇐⇒ C[X]-moduły Γ(E) i Γ(E ′ ) są izomorficzne.<br />
(4) Wiązka E jest trywialna ⇐⇒ moduł Γ(E) jest wolny (nad C[X]). ⊠<br />
5.5 W tym rozdziale (i w dalszych rozdziałach) wykorzystano zeszyty A. Prószyńskiego [23] i [22].
6. Podstawowe pojęcia geometrii różniczkowej 31<br />
6 Podstawowe pojęcia geometrii różniczkowej<br />
6.1 Różniczka funkcji rzeczywistej<br />
Przypominamy podstawowe definicje i fakty (których dowody są np. w [25]) o różniczce funkcji rzeczywistej.<br />
Niech U ⊆ R n będzie zbiorem otwartym, niech a ∈ U i niech f : U −→ R m będzie funkcją. Jeśli<br />
x = (x1, . . . , xn) ∈ R n , to przez ||x|| oznaczamy normę punktu x, tzn., ||x|| = x 2 1 + · · · + x2 n.<br />
Definicja 6.1.1. Mówimy, że funkcja f jest <strong>różniczkowa</strong>lna w punkcie a jeśli istnieje przekształcenie<br />
R-liniowe T : R n −→ R m takie, że<br />
||f(a + h) − f(a) − T (h)||<br />
lim<br />
= 0.<br />
h→0<br />
||h||<br />
Łatwo się pokazuje, że jeśli powyższe przekształcenie liniowe T R n −→ R m istnieje, to dokładnie<br />
jedno.<br />
Definicja 6.1.2. Jeśli funkcja f jest <strong>różniczkowa</strong>lna w punkcie p, to jedyne przekształcenie liniowe<br />
T : R n −→ R m (istniejące na mocy poprzedniej definicji) ozanaczamy przez Df(a) lub D(f)(a) i<br />
nazywamy różniczką (lub pochodną) funkcji f w punkcie a.<br />
Różniczka Df(a) jest więc przekształceniem R-liniowym Df(a) : R n −→ R m . Łatwo pokazać, że jeśli<br />
różniczka Df(a) istnieje, to f jest ciągłe w a.<br />
Oto podstawowe własności różniczki:<br />
Twierdzenie 6.1.3.<br />
(1) Jeśli f jest funkcją stałą, to Df(a) = 0.<br />
(2) Jeśli f : R n −→ R m jest przekształceniem R-liniowym, to Df(a) = f.<br />
(3) Niech f, g : U −→ R m będą funkcjami i niech a ∈ U. Jeśli różniczki Df(a), Dg(a) istnieją, to<br />
istnieje różniczka D(f + g)(a) i zachodzi równość D(f + g)(a) = Df(a) + Dg(a).<br />
(4) Niech r ∈ R. Jeśli Df(a) istnieje, to D(rf)(a) istnieje i D(rf)(a) = rDf(a).<br />
(5) Jeśli funkcja f : U −→ R m (gdzie a ∈ U ⊆ R n ) jest <strong>różniczkowa</strong>lna w punkcie a, a funkcja<br />
g : R m −→ R p jest <strong>różniczkowa</strong>lna w punkcie f(a), to funkcja gf : U −→ R p jest <strong>różniczkowa</strong>lna w<br />
punkcie a i zachodzi równość D(gf)(a) = Dg(f(a)) ◦ Df(a). ⊠<br />
Twierdzenie 6.1.4. Niech a ∈ U ⊆ R n . Niech f = (f1, . . . , fm) : U −→ R m , gdzie f1, . . . , fm : U −→<br />
R. Wtedy funkcja f jest <strong>różniczkowa</strong>lna w punkcie a ⇐⇒ funkcje f1, . . . , fm są <strong>różniczkowa</strong>lne w<br />
punkcie a. ⊠<br />
Dla funkcji rzeczywistych z R n do R mamy dodatkowe własności:<br />
Twierdzenie 6.1.5. Niech f, g : U −→ R będą funkcjami, gdzie a ∈ U ⊆ R n .<br />
(1) Jeśli różniczki Df(a), Dg(a) istnieją, to istnieje różniczka funkcji f · g : U −→ R (określonej<br />
jako (f · g)(u) = f(u)g(u) dla u ∈ U) w punkcie a i zachodzi równość:<br />
D( f<br />
g<br />
(2) Jeśli funkcja f<br />
g<br />
)(a) i zachodzi równość:<br />
D(f · g)(a) = f(a)Dg(a) + g(a)Df(a).<br />
: U −→ R ma sens i różniczki Df(a), Dg(a) istnieją, to istnieje różniczka<br />
D( f<br />
g )(a) = g(a)−2 (g(a)Df(a) − f(a)Dg(a)). ⊠<br />
Różniczki wygodnie jest przedstawiać przy pomocy pochodnych cząstkowych. Przypomnijmy co<br />
to są pochodne cząstkowe. Definiuje się je tylko dla funkcji z R n do R
32 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Definicja 6.1.6. Niech f : U −→ R, gdzie a = (a1, . . . , an) ∈ U ⊆ Rn . Niech i ∈ {1, . . . , n}. Jeśli<br />
istnieje granica<br />
f(a1, . . . , ai + h, . . . , an) − f(a1, . . . , an)<br />
lim<br />
,<br />
h→0<br />
h<br />
to granicę tę oznaczamy przez ∂f<br />
(a) i nazywamy pochodną cząstkową funkcji f w punkcie a.<br />
∂xi<br />
Pochodna cząstkowa ∂f<br />
(a) jest więc liczbą należącą do R.<br />
∂xi<br />
Twierdzenie 6.1.7. Niech f = (f1, . . . , fm) : U −→ R m , gdzie f1, . . . , fm : U −→ R, przy czym<br />
a ∈ U ⊆ R n . Jeśli funkcja f jest <strong>różniczkowa</strong>lna w punkcie a, to istnieją wszystkie pochodne cząstkowe<br />
∂fj<br />
∂xi (a), i = 1, . . . , n, j = 1, . . . , m i, dla h = (h1, . . . , hn) ∈ R n , zachodzi równość Df(a)(h1, . . . , hn) =<br />
(r1, . . . , rm), gdzie<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
⎪⎩<br />
r1 = ∂f1<br />
∂x1 (a)h1 + · · · + ∂f1<br />
∂xn (a)hn<br />
.<br />
rm = ∂fm<br />
∂x1 (a)h1 + · · · + ∂fm<br />
∂xn (a)hn. ⊠<br />
Definicja 6.1.8. Macierz [ ∂fj<br />
∂xi ], występującą w powyższym twierdzeniu oznacza się przez f ′ (a) i<br />
nazywa macierzą Jacobiego funkcji f w punkcie a.<br />
Zapamiętajmy więc, że jeśli f = (f1, . . . , fm) : U −→ R m , gdzie U ⊆ R n , to f ′ (a) jest m × n (najpierw<br />
kodziedzina, a potem dziedzina) macierzą:<br />
f ′ (a) =<br />
W szczególności dla m = 1 mamy:<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
∂f1 (a), . . . ,<br />
∂x1<br />
∂fm<br />
∂x1<br />
.<br />
(a), . . . ,<br />
∂f1<br />
∂xn (a)<br />
.<br />
∂fm<br />
∂xn (a)<br />
Wniosek 6.1.9. Jeśli f : U −→ R, gdzie U ⊆ Rn , jest <strong>różniczkowa</strong>lne w punkcie a ∈ U, to istnieją<br />
pochodne cząstkowe ∂f<br />
∂f<br />
(a), . . . , (a) i zachodzi równość:<br />
∂x1 ∂xn<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦ .<br />
Df(a)(h1, . . . , hn) = ∂f<br />
∂x1 (a)h1 + · · · + ∂f<br />
∂xn (a)hn,<br />
dla wszystkich (h1, . . . , hn) ∈ Rn . Ponadto, f ′ (a) = [ ∂f<br />
∂f<br />
(a), . . . , (a)]. ⊠<br />
∂x1 ∂xn<br />
Z istnienia wszystkich pochodnych cząstkowych w punkcie a nie wynika istnienie różniczki w tym<br />
punkcie. Zachodzi to jednak przy pewnym dodatkowym założeniu:<br />
Twierdzenie 6.1.10. Niech f = (f1, . . . , fm) : U −→ Rm , gdzie f1, . . . , fm : U −→ R, przy czym<br />
a ∈ U ⊆ Rn . Jeśli istnieją wszystkie pochodne cząstkowe ∂fj<br />
(a), i = 1, . . . , n, j = 1, . . . , m i w<br />
∂xi<br />
otoczeniu punktu a pochodne te są ciągłe, to funkcja f jest <strong>różniczkowa</strong>lna w punkcie a. ⊠<br />
Niech f : U −→ R, gdzie U ⊆ Rn . Jeśli pochodna cząstkowa ∂f<br />
(u) istnieje dla wszystkich punktów<br />
∂xi<br />
u ∈ U, to mamy funkcję U −→ R, u ↦→ ∂f<br />
∂xi<br />
(a). Można zatem rozpatrywać pochodne cząstkowe tej<br />
∂<br />
funkcji. W ten sposób pojawiają nam się pochodne mieszane postaci<br />
2 f<br />
(a) i analogicznie pojawiają<br />
∂xj∂xi<br />
się pochodne mieszane wyższych rzędów.<br />
Twierdzenie 6.1.11. Niech f : U −→ R, U ⊆ R n , a ∈ U. Jeśli pochodne mieszane<br />
∂ 2 f<br />
(a) istnieją i są w otoczeniu punktu a ciągłe, to są one równe. ⊠<br />
∂xi∂xj<br />
∂ 2 f<br />
(a) i<br />
∂xj∂xi<br />
Bez założenia o ciągłości pochodne mieszane nie muszą być równe. Spivak [25] (strona 38) podaje<br />
następujący przykład.
6. Podstawowe pojęcia geometrii różniczkowej 33<br />
Przykład 6.1.12. Niech f : R2 −→ R będzie funkcją określoną wzorami:<br />
⎧<br />
⎨ xy<br />
f(x, y) =<br />
⎩<br />
x2−y 2<br />
x2 +y2 , gdy (x, y) = (0, 0),<br />
0 gdy (x, y) = (0, 0).<br />
Wtedy pochodne mieszane ∂2f ∂x∂y (0, 0), ∂2f ∂y∂x (0, 0) istnieją, ale są różne. ⊠<br />
6.2 Rozmaitości różniczkowe<br />
Przypomnijmy (patrz Podrozdział 1.5), że każdą przestrzeń topologiczną M posiadającą n-wymiarowy<br />
atlas, nazywamy n-wymiarową rozmaitością topologiczną.<br />
Niech {(Uα, ϕα)} będzie n-wymiarowym atlasem przestrzeni topologicznej M. Niech (Uα, ϕα),<br />
(Uβ, ϕβ) będą dwiema mapami z tego atlasu takimi, że Uα ∩Uβ = ∅. Wtedy ϕα(Uα ∩Uβ) i ϕβ(Uα ∩Uβ)<br />
są niepustymi podzbiorami otwartymi w R n i mamy homeomorfizm<br />
Definicja 6.2.1. Homeomorfizm ϕαϕ −1<br />
β<br />
ϕαϕ −1<br />
β : ϕβ(Uα ∩ Uβ) −→ ϕα(Uα ∩ Uβ).<br />
oznaczać będziemy przez ϕαβ.<br />
Definicja 6.2.2. Mówimy, że atlas {(Uα, ϕα)} jest klasy C r (gdzie r = 0, 1, . . . ∞, ω), jeśli wszystkie<br />
homeomorfizmy postaci ϕαβ są klasy C r . Przez funkcje klasy C ω rozumiemy funkcje analityczne.<br />
Definicja 6.2.3. Mówimy, że dwa n-wymiarowe atlasy {(Uα, ϕα)}, {(Vi, ψi)} klasy C r rozmaitości<br />
M są równoważne jeśli rodzina {(Uα, ϕα), (Vi, ψi)} również jest atlasem klasy C r tej rozmaitości.<br />
Dana rozmaitość topologiczna M może posiadać atlasy tej samej klasy, które nie są równoważne.<br />
Przykład 6.2.4. Przestrzeń M = R 1 ma co najmniej dwa nierównoważne atlasy klasy C r , gdzie<br />
r 1. Jednoelementowe atlasy {(R 1 , ϕ)} i {(R 1 , ψ)}, gdzie ϕ(t) = t, ψ(t) = t 3 , są klasy C r . Natomiast<br />
atlas {(R 1 , ϕ), (R 1 , ψ), } nie jest klasy C r . Funkcja ϕψ −1 : R 1 −→ R 1 , t ↦→ 3√ t, nie jest bowiem<br />
<strong>różniczkowa</strong>lna w zerze. ⊠<br />
Równoważność atlasów jest relacją typu równoważności w zbiorze wszystkich atlasów klasy C r<br />
rozmaitości M. Klasę abstrakcji tej relacji nazywamy n-wymiarową strukturą różniczkową (klasy C r )<br />
na M (patrz [24] 16). Łatwo pokazać, że każdy n-wymiarowy atlas klasy C r zawarty jest w dokładnie<br />
jednym, równoważnym z nim, atlasie maksymalnym. Struktury różniczkowe na M możemy więc<br />
utożsamiać z atlasami maksymalnymi. Warto zanotować następującą prostą charakteryzację maksymalnych<br />
atlasów.<br />
Stwierdzenie 6.2.5. Atlas A jest maksymalny wtedy i tylko wtedy, gdy dla każdego p ∈ M i każdego<br />
zbioru otwartego V ⊆ M istnieje mapa (U, ϕ) ∈ A taka, że x ∈ U ⊆ V . ⊠<br />
Definicja 6.2.6. Rozmaitością różniczkową klasy C r (gdzie r = 0, 1, . . . ∞, ω), nazywamy każdą<br />
przestrzeń topologiczną M wraz z wyróżnioną n-wymiarową strukturą różniczkową klasy C r .<br />
Liczne przykłady rozmaitości różniczkowych znajdziemy np. w [4], [24], [25], [26].<br />
Przykład 6.2.7 (Produkt rozmaitości różniczkowych). Załóżmy, że (M, A), (N, B) są rozmaitościami<br />
klasy C r wymiarów odpowiednio m i n. Niech A = {(Uα, ϕα)}α i B = {(Vi, ψi)}i. Wtedy<br />
M × N (jako przestrzeń topologiczna z topologią produktową) ma strukturę rozmaitości klasy C r<br />
wymiaru m + n. Atlas na M × N definiujemy jako {(Uα × Vi, ϕα × ψi)}α,i, gdzie ϕα × ψi : Uα × Vi −→<br />
R m × R n , (a, b) ↦→ (ϕα(a), ψi(b)). ⊠<br />
Każda rozmaitość <strong>różniczkowa</strong> klacy C ∞ jest T1-przestrzenią. Istnieją takie rozmaitości, które nie<br />
są T2 (Hausdorffa), patrz np. [4]. Można wykazać, że rozmaitość <strong>różniczkowa</strong> klasy C ∞ jest T2 wtedy<br />
i tylko wtedy, gdy jest lokalnie zwarta.<br />
W dalszym ciągu zajmować się będziemy rozmaitościami gładkimi, tzn. rozmaitościami różniczkowymi<br />
klasy C ∞ , będącymi przestrzeniami Hausdorffa. Przez słowo ”rozmaitość” rozumieć będziemy<br />
”rozmaitość gładką”. Zapamiętajmy zatem:
34 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 6.2.8. Każda rozmaitość jest przestrzenią lokalnie zwartą. ⊠<br />
Ponieważ (jak już wiemy) lokalnie zwarta przestrzeń ośrodkowa jest przestrzenią parazwartą, więc:<br />
Stwierdzenie 6.2.9. Każda rozmaitość ośrodkowa jest przestrzenią parazwartą. ⊠<br />
Można też wykazać, że rozmaitość jest przestrzenią spójną ⇐⇒ jest łukowo spójną.<br />
6.3 Odwzorowania rozmaitości<br />
Niech (M, A), (N, B) będą rozmaitościami odpowiednio wymiarów m i n.<br />
Definicja 6.3.1. Mówimy, że zwykła funkcja f : M −→ N jest gładka w punkcie p ∈ M jeśli istnieją<br />
mapy (U, ϕ) ∈ A, (V, ψ) ∈ B takie, że:<br />
(1) p ∈ U,<br />
(2) f(p) ∈ V ,<br />
(3) f(U) ⊆ V ,<br />
(4) odwzorowanie rzeczywiste ψfϕ −1 : ϕ(U) −→ ψ(V ) jest klasy C ∞ w punkcie ϕ(p) (jest to<br />
odwzorowanie z otwartego podzbioru w R m do otwartego podzbioru w R n ).<br />
Odwzorowanie ψfϕ −1 występujące w tej definicji jest funkcją z otwartego podzbioru w R m do<br />
otwartego podzbioru w R n .<br />
Czasem podaje się inną definicję gładkości odwzorowania w punkcie. Słowo ”istnieją” zamienia się<br />
na ”dla każdych”. Łatwo wykazać, że to jest to samo. Z definicji rozmaitości wynika bowiem:<br />
Stwierdzenie 6.3.2. Jeśli f : M −→ N jest funkcją gładką w punkcie p ∈ M, to dla każdych map<br />
(U, ϕ) ∈ A, (V, ψ) ∈ B spełniających warunki (1), (2), (3) spełniony jest warunek (4). ⊠<br />
Definicja 6.3.3. Mówimy, że funkcja f : M −→ N jest gładka jeśli jest gładka w każdym punkcie<br />
p ∈ M.<br />
W przypadku M = R m , N = R n odwzorowania gładkie pokrywają się z odwzorowaniami klasy C ∞ .<br />
W ogólnym przypadku odwzorowanie f : M −→ N jest gładkie ⇐⇒ wszystkie funkcje postaci ψfϕ −1<br />
(dla wszystkich odwzorowań ϕ, ψ występujących w odpowiednich atlasach takich, że ψfϕ −1 ma sens)<br />
są klasy C ∞<br />
Każde odwzorowanie gładkie jest ciągłe. Złożenie odwzorowań gładkich jest gładkie. Rzutowania<br />
M × N −→ M, M × N −→ N są gładkie. Włożenie sfery S n w R n+1 jest odwzorowaniem gładkim.<br />
Definicja 6.3.4. Odwzorowanie f : M −→ N nazywamy dyfeomorfizmem jeśli jest bijekcją i odwzorowania<br />
f, f −1 są gładkie.<br />
Jeśli A i B są dwoma atlasami klasy C ∞ wymiaru n tej samej rozmaitości M, to atlasy te są<br />
równoważne wtedy i tylko wtedy, gdy identyczność (M, A) −→ (M, B) jest dyfeomorfizmem.<br />
6.4 Algebra funkcji gładkich<br />
Przestrzeń R = R 1 jest rozmaitością (gładką) z jednoelementowym atlasem (R, 1R). Jeśli (M, A) jest<br />
dowolną rozmaitością (rozumie się, że gładką), to wiemy już co to znaczy, że dana funkcja f : M −→ R<br />
jest gładka. Przypomnijmy:<br />
Wniosek 6.4.1. Funkcja f : M −→ R jest gładka ⇐⇒ dla każdej mapy (U, ϕ) ∈ A odwzorowanie<br />
fϕ −1 : ϕ(U) −→ R jest klasy C ∞ . ⊠<br />
Definicja 6.4.2. Zbiór wszystkich funkcji gładkich z M do R oznaczamy przez C ∞ (M) lub C(M)<br />
i nazywamy algebrą funkcji gładkich na M.<br />
Jest jasne, że C(M) jest przemienną R-algebrą z jedynką. Dodawanie, mnożenie i mnożenie przez<br />
skalar definiuje się w naturalny sposób.
6. Podstawowe pojęcia geometrii różniczkowej 35<br />
Definicja 6.4.3. Jeśli f : M −→ N jest odwzorowaniem (gładkim) rozmaitości, to przez C(f) (lub<br />
C ∞ (f)) oznaczamy R-algebrowy homomorfizm C(f) : C(N) −→ C(M), g ↦→ gf.<br />
Mamy zatem funktor kontrawariantny z kategorii gładkich rozmaitości do kategorii przemiennych<br />
R-algebr.<br />
Twierdzenie 6.4.4 (PH1166). Niech M będzie rozmaitością (gładką). Niech A, B będą rozłącznymi<br />
podzbiorami domkniętymi w M. Załóżmy, że A jest zwarte. Istnieje wtedy funkcja f ∈ C(M) taka,<br />
że:<br />
(1) f(M) ⊆ [0, 1],<br />
(2) f(a) = 1 dla a ∈ A,<br />
(3) f(b) = 0 dla b ∈ B.<br />
Twierdzenie to jest konsekwencją następujących pięciu lematów.<br />
Lemat 6.4.5. Funkcja f : R −→ R, określona wzorem<br />
<br />
− e<br />
f(t) =<br />
1<br />
t , dla t > 0,<br />
0 dla t 0,<br />
jest klasy C ∞ . ⊠<br />
Lemat 6.4.6. Jeśli a < b, to funkcja g : R −→ R, określona wzorem<br />
g(t) = f(t − a)f(b − t)<br />
(gdzie f : R −→ R jest funkcją z poprzedniego lematu), jest klasy C ∞ , znika poza przedziałem (a, b) i<br />
jest dodatnia w przedziale (a, b). ⊠<br />
Lemat 6.4.7. Jeśli a < b, to funkcja h : R −→ R, określona wzorem<br />
h(t) =<br />
b<br />
t g(u)du<br />
b<br />
a g(u)du<br />
(gdzie g : R −→ R jest funkcją z poprzedniego lematu), jest klasy C∞ . Jest to funkcja nierosnąca oraz<br />
<br />
1, dla t a,<br />
h(t) =<br />
0, dla t b.<br />
Ponadto h ′ (t) = cg(t), dla pewnego c ∈ R. ⊠<br />
Lemat 6.4.8. Jeśli r < s, to funkcja ψ : R n −→ R, określona wzorem<br />
ψ(x) = h(||x|| 2 ) = h(x 2 1 + · · · + x 2 n), dla a = r 2 , b = s 2<br />
(gdzie h : R −→ R jest funkcją z poprzedniego lematu), jest klasy C∞ . Ponadto, 0 ψ(x) 1 oraz<br />
<br />
1,<br />
ψ(x) =<br />
0,<br />
dla ||x|| r,<br />
dla ||x|| s. ⊠<br />
Lemat 6.4.9 (PH1165). Niech A, B będą rozłącznymi podzbiorami domkniętymi w R n , przy czym<br />
niech A będzie zbiorem zwartym. Istnieje wtedy funkcja ϕ : R n −→ R, klasy C ∞ taka, że:<br />
(1) ϕ(R n ) ⊆ [0, 1],<br />
(2) ϕ(a) = 1 dla a ∈ A,<br />
(3) ϕ(b) = 0 dla b ∈ B.
36 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Dowód. Dla każdego a ∈ A istnieje kula K(a, ra) ⊂ Rn , rozłączna ze zbiorem B. Ponieważ zbiór<br />
A jest zwarty, więc istnieje skończona ilość punktów a1, . . . , am ∈ A oraz promieni r1, . . . , rm takich,<br />
że A ⊂ m i=1 K(ai, ri) i każda kula postaci K(ai, ri) jest rozłączna z B. Na mocy poprzedniego lematu<br />
istnieją funkcje ψ1, . . . , ψm : Rn −→ R, klasy C∞ takie, że<br />
<br />
1, dla ||x − ai|| ri,<br />
ψi(x) =<br />
i = 1, . . . , m.<br />
0, dla ||x − ai|| 2ri,<br />
Definiujemy funkcję ϕ : R n −→ R przyjmując ϕ = 1 − (1 − ψ1) · · · (1 − ψm). ⊠<br />
Teraz już nie jest trudno udowodnić Twierdzenie 6.4.4.<br />
Ponieważ każda rozmaitość gładka jest przestrzenią lokalnie zwartą, więc z Twierdzenia 6.4.4 wynika:<br />
Wniosek 6.4.10. Niech M będzie rozmaitością gładką, niech p ∈ M i niech V ∋ x będzie zbiorem<br />
otwartym w M. Istnieje wtedy funkcja f ∈ C(M) taka,że f | U = 1, dla pewnego zbioru otwartego<br />
U ∋ p zawartego w V oraz f | M V = 0. ⊠<br />
Twierdzenie 6.4.11 (PH1166). Niech U będzie otwartym podzbiorem rozmaitości (gładkiej) M.<br />
Niech f ∈ C(U) i niech W będzie zbiorem otwartym takim, że W ⊆ W ⊆ U. Istnieje wtedy funkcja<br />
g ∈ C(M) taka, że g | W = f | W . ⊠<br />
Twierdzenie 6.4.12 (PH1164). Niech M, N będą rozmaitościami gładkimi i niech f : M −→ N<br />
będzie zwykłą funkcją. Następujące dwa warunki są równoważne:<br />
(1) f jest odwzorowaniem gładkim;<br />
(2) f jest funkcją ciągłą oraz, dla każdego zbioru otwartego V ⊆ N i dla każdej funkcji α ∈ C(V ),<br />
funkcja α ◦ f | f −1 (V ) jest elementem algebry C(f −1 (V )). ⊠<br />
Niech M będzie rozmaitością (gładką). Przypomnijmy, że przez ˜ M oznaczamy kategorię, której<br />
obiektami są wszystkie zbiory otwarte w M, a morfizmami włożenia. Oznaczmy przez R-Alg kategorię<br />
przemiennych R-algebr z jedynką. Rozważmy funktor kontrawariantny F : ˜ M −→ R-Alg określony<br />
następująco:<br />
Definicja 6.4.13.<br />
(a) Jeśli U jest zbiorem otwartym w M, to F (U) = C(U) = C∞ (U).<br />
(2) Jeśli U ⊆ V są zbiorami otwartymi w M, to F V U : F (V ) −→ F (U) jet R-algebrowym homomorfizmem<br />
określonym wzorem F V U (f) = f | U, dla wszystkich f ∈ F (V ) = C(V ).<br />
Stwierdzenie 6.4.14 (PH359). F jest snopem rozmaitości M o wartościach w R-Alg. ⊠<br />
O pewnych własnościach snopa F (pozwalających odtworzyć rozmaitość M) mamy w PH1163.<br />
Zanotujmy jeszcze informację dotyczącą rozkładu jedności (patrz Rozdział 1). Wiemy, że każda<br />
topologiczna przestrzeń parazwarta ma, dla każdego otwartego pokrycia, rozkład jedności względem<br />
tego pokrycia. W szczególności każda ośrodkowa rozmaitość (gładka) ma taki rozkład jedności. Można<br />
udowodnić więcej:<br />
Twierdzenie 6.4.15. Niech M będzie ośrodkową rozmaitością gładką. Wówczas dla każdego otwartego<br />
pokrycia rozmaitości M istnieje rozkład jedności względem tego pokrycia, składający się z funkcji<br />
gładkich (czyli należących do C(M)). ⊠<br />
Jeśli p ∈ M, to przez mp(M) oznaczamy zbiór wszystkich funkcji gładkich f : M −→ R zerujących<br />
się w punkcie p, tzn.<br />
mp(M) = {f ∈ C(M); f(p) = 0}.<br />
Jest jasne, że zbiór ten jest ideałem maksymalnym w C(M), będącym jądrem R-algebrowej surjekcji<br />
C(M) −→ R, f ↦→ f(p). W szczególności C(M)/mp(M) ≈ R.
6. Podstawowe pojęcia geometrii różniczkowej 37<br />
Stwierdzenie 6.4.16. Jeśli M jest gładką rozmaitością zwartą, to każdy ideał maksymalny w C(M)<br />
jest postaci mp(M), dla pewnego p ∈ M.<br />
Dowód jest dokładnie taki sam, jak dowód Twierdzenia 4.3.3, opisującego wszystkie ideały maksymalne<br />
w algebrze C[X], funkcji ciągłych z X do R, gdzie X jest zwartą przestrzenią topologiczną.<br />
Stwierdzenie 6.4.17. Niech M będzie gładką rozmaitością zwartą. Niech F : C(M) −→ R będzie<br />
R-algebrowym homomorfizmem. Istnieje wtedy dokładnie jeden punkt p ∈ M taki, że F (f) = f(p), dla<br />
wszystkich f ∈ C(M).<br />
Dowód. Wykażemy najpierw, że jeśli punkt p istnieje, to dokładnie jeden. Przypuśćmy, że takie<br />
punkty są dwa. Oznaczmy je przez p i q. Wtedy p, q ∈ M, p = q. Z Twierdzenia 6.4.4 wynika, że istnieje<br />
funkcja f ∈ C(M) taka, że f(p) = 0 i f(q) = 1. Mamy zatem sprzeczność: 0 = f(p) = F (f) = f(q) = 1.<br />
Udowodnimy teraz istnienie punktu p. W tym celu zauważmy najpierw, że F jest surjekcją (bo<br />
F (1) = 1 i F (r) = r, dla r ∈ R). Jądro homomorfizmu F jest więc ideałem maksymalnym w C(M).<br />
Istnieje zatem, na mocy poprzedniego stwierdzenia, punkt p ∈ M taki, że KerF = mp(M). Niech<br />
f ∈ C(M). Wtedy f − f(p) ∈ mp(M), a zatem<br />
czyli F (f) = f(p). ⊠<br />
0 = F (f − f(p)) = F (f) − F (f(p)) = F (f) − f(p),<br />
Stwierdzenie 6.4.18. Niech M będzie gładką rozmaitością zwartą. Niech Φ : C(M) −→ C(M) będzie<br />
R-algebrowym endomorfizmem. Istnieje wtedy dokładnie jedna funkcja gładka ϕ : M −→ M taka, że<br />
Φ(f) = f ◦ ϕ, dla wszystkich f ∈ C(M).<br />
Dowód. Niech p ∈ M. Rozważmy R-algebrowy homomorfizm Fp : C(M) −→ R, f ↦→ Φ(f)(p).<br />
Z poprzedniego stwierdzenia wynika, że istnieje (jedyny) punkt ϕ(p) ∈ M taki, że Fp(f) = f(ϕ(p)),<br />
dla wszystkich f ∈ C(M). W ten sposób pojawia nam się funkcja ϕ : M −→ M, spełniająca warunek<br />
Φ(f)(p) = Fp(f) = f(ϕ(p)) (dla f ∈ C(M), p ∈ M), czyli Φ(f) = f ◦ ϕ. Gładkość funkcji ϕ wynika z<br />
tego, że gładkie są wszystkie funkcje postaci f ◦ ϕ, dla f ∈ C(M).<br />
Wykażemy teraz, że taka funkcja ϕ jest jedyna. Przypuśćmy, że ϕ1 : M −→ M jest drugą funkcją,<br />
różną od ϕ taką, że Φ(f) = f ◦ ϕ1. Istnieje wtedy punkt p ∈ M taki, że ϕ(p) = ϕ1(p). Istnieje zatem<br />
(na mocy Twierdzenia 6.4.4) funkcja f ∈ C(M) o własności f(ϕ(p)) = 1, f(ϕ1(p)) = 0. Mamy wtedy<br />
sprzeczność: 1 = f(ϕ(p)) = f ◦ ϕ(p) = Φ(f)(p) = f ◦ ϕ1(p) = f(ϕ1(p)) = 0. ⊠<br />
Stwierdzenie 6.4.19. Niech M będzie gładką rozmaitością zwartą. Niech Φ : C(M) −→ C(M) będzie<br />
R-algebrowym automorfizmem. Istnieje wtedy dokładnie jeden dyfeomorfizm ϕ : M −→ M taki, że<br />
Φ(f) = f ◦ ϕ, dla wszystkich f ∈ C(M).<br />
Dowód. Powtarzamy dowód poprzedniego stwierdzenia dla endomorfizmów Φ i Φ −1 i z łatwością<br />
stwierdzamy, że ϕ jest bijekcją oraz funkcje ϕ i ϕ −1 są gładkie. ⊠<br />
Powyższe trzy stwierdzenia zachodzą również dla rozmaitości parazwartych ([1] 231). Zwróćmy<br />
uwagę, że podobne stwierdzenia istnieją w geometrii algebraicznej, gdzie rolę algebry C(M) odgrywa<br />
algebra funkcji regularnych danej rozmaitości afinicznej (patrz [20], rozdział o odwzorowaniach<br />
regularnych i uwagi do tego rozdziału).<br />
6.5 Lokalny pierścień gładkich kiełków<br />
W Podrozdziale 4.4 opisali ´my lokalny pierścień Op[X], ciągłych kiełków przestrzeni topologicznej<br />
X w punkcie p ∈ X. W tym podrozdziale opiszemy podobny pierścień dla punktu p gładkiej rozmaitości<br />
M. Pierścień ten oznaczać będziemy przez Op(M). Przedstawione tu definicje i konstrukcje będą<br />
podobne do odpowiednich definicji i konstrukcji z Podrozdziału 4.4. Słowa ”przestrzeń topologiczna”<br />
i ”funkcja ciągła” zamienimy odpowiednio na ”rozmaitość gładka” i ”funkcja gładka”. Zaznaczmy
38 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
jeszcze, że w podobny sposób wprowadza się, w geometrii algebraicznej, lokalny pieścień kiłków regularnych<br />
(patrz [20]).<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką i niech p ∈ M. Przez Ap(M) oznaczać będziemy zbiór wszystkich<br />
par postaci (U, f), w których U jest otwartym podzbiorem w X zawierającym p oraz f : U −→ R<br />
jest funkcją gładką. W zbiorze Ap(M) wprowadzamy relację typu równoważności ∼ zdefiniowaną<br />
następująco:<br />
(U, f) ∼ (V, g) ⇐⇒ istnieje zbiór otwarty W ⊆ X taki, że:<br />
(1) p ∈ W ⊆ U ∩ V,<br />
(2) f | W = g | W.<br />
Klasę abstrakcji elementu (U, f) względem tej relacji oznaczmy przez [U, f] i nazywamy kiełkiem<br />
punktu p. Zbiór wszystkich klas abstrakcji oznaczamy przez Op(M). W zbiorze Op(M) definiujemy<br />
dodawanie i mnożenie w następujący sposób:<br />
[U, f] + [V, g] = [U ∩ V, (f + g) | (U ∩ V )],<br />
[U, f] · [V, g] = [U ∩ V, (f · g) | (U ∩ V )].<br />
Jest oczywiste, że powyższe działania są dobrze określone oraz, że zbiór Op(M) z takimi działaniami<br />
jest przemienną R-algebrą z jedynką [M, 1] i zerem [M, 0]. Algebrę tę nazywamy lokalnym pierścieniem<br />
punktu p rozmaitości M lub pierścieniem gładkich kiełków w punkcie p rozmaitości M.<br />
Z taką algebrą stowarzyszony jest R-algebrowy homomorfizm νp : Op(M) −→ R zdefiniowany<br />
wzorem<br />
νp([U, f]) = f(p)<br />
(dla wszystkich [U, F ] ∈ Op(M)), którego jądrem jest ideał<br />
Mp(M) = {[U, f]; f(p) = 0}.<br />
Homomorfizm ten jest surjekcją (gdyż dla każdego elementu a ∈ R zachodzi równość νp([M, ã]) = a,<br />
gdzie ã : M −→ R jest funkcją przyjmującą stałą wartość a). Mamy zatem:<br />
Stwierdzenie 6.5.1. Mp(M) jest ideałem maksymalnym w Op(M) oraz Op(M)/Mp(M) = R. ⊠<br />
Stwierdzenie 6.5.2 (ZadAlg398). Pierścień Op(M) jest lokalny z jedynym ideałem maksymalnym<br />
Mp(M).<br />
Dowód. Niech [U, f] ∈ Op(M) Mp(M). Wystarczy pokazać, że [U, f] jest elementem odwracalnym<br />
w Op(M). Niech V = f −1 (R 0). Wtedy V jest zbiorem otwartym w M zawartym w U i zawierającym<br />
p (gdyż f(p) = 0 ponieważ [U, f] ∈ Mp(M)). Ponadto, [V, f|V ] = [U, f] oraz (f|V )(v) = 0<br />
dla wszystkich v ∈ V . Niech g : V −→ R będzie funkcją określoną wzorem g(v) = 1/f(v), dla v ∈ V .<br />
Jest to oczywiście funkcja gładka i mamy [U, f][V, g] = 1. ⊠<br />
Stwierdzenie 6.5.3. Jeśli U jest otwartym podzbiorem w M zawierającym punkt p, to R-algebry<br />
Op(M) i Op(U) są izomorficzne.<br />
Dowód. Odwzorowanie Op(M) −→ Op(U), [V, f] ↦→ [V ∩ U, f | (V ∩ U)] jest izomorfizmem<br />
R-algebr. ⊠<br />
Niech ϕ : M −→ N będzie odwzorowaniem gładkim rozmaitości gładkich i niech p ∈ M. Mamy<br />
wówczas odwzorowanie<br />
O(ϕ) : O ϕ(p)(N) −→ Op(M), [V, g] ↦→ [ϕ −1 (V ), gϕ].<br />
Bez trudu wykazujemy następujące stwierdzenie.<br />
Stwierdzenie 6.5.4. O(ϕ) jest homomorfizmem R-algebr oraz O(ϕ)(M ϕ(p)(N)) ⊆ Mp(M). ⊠
6. Podstawowe pojęcia geometrii różniczkowej 39<br />
Z powyższych faktów wynika, że O jest funktorem kontrawariantnym z kategorii rozmaitości gładkich<br />
z wyróżnionym punktem do kategorii lokalnych R-algebr. W szczególności lokalny pierścień punktu<br />
jest niezmiennikiem gładkich dyfeomorfizmów.<br />
Zanotujmy następującą konsekwencję Twierdzenia 6.4.11.<br />
Stwierdzenie 6.5.5. Jeśli [U, f] ∈ Op(M), to istnieje g ∈ C(M) takie, że [U, f] = [M, g].<br />
Dowód. Niech [U, f] ∈ Op(M). Wtedy U ∋ p jest zbiorem otwartym w M oraz f : U −→ R<br />
jest funkcją gładką. Rozmaitość M jest lokalnie zwartą przestrzenią topologiczną. Istnieje zatem zbiór<br />
otwarty W ⊆ M taki, że p ∈ W ⊆ W ⊆ U. Stąd, na mocy Twierdzenia 6.4.11, istnieje funkcja gładka<br />
g : M −→ R taka, że g|W = f|W . Zatem [U, f] = [M, g]. ⊠<br />
Następne fakty dotyczą związku pierścienia Op(M) z pierścieniem C(M) mp(M), gdzie C(M) jest<br />
R-algebrą wszystkich funkcji gładkich z M do R (patrz poprzedni podrozdział), a mp(M) = {f ∈<br />
C(M); f(p) = 0}.<br />
Stwierdzenie 6.5.6 (PH362). Jeśli M jest rozmaitością gładką i p ∈ M, to R-algebry Op(M) i<br />
C(M) mp(M) są izomorficzne.<br />
Dowód. Rozpatrzmy homomorfizm β : C(M) −→ Op(M), f ↦→ [M, f]. Jeśli g ∈ C(M) mp(X),<br />
to g(p) = 0 i wtedy [M, g] = β(g) jest odwracalne w Op(M) (czyli [M, g] ∈ Mp(X)). Zatem β można<br />
rozszerzyć do homomorfizmu<br />
α : C(M) mp(M) −→ Op(X), f/g ↦→ β(f)/β(g) = [M, f][M, g] −1 .<br />
Pokażemy, że α jest bijekcją.<br />
(1) α jest surjekcją. Niech [U, f] ∈ Op(M). Wiemy, ze Stwierdzenia 6.5.5, że [U, f] = [M, g], dla<br />
pewnego g ∈ C(M). Zatem [U, f] = [M, g] = α(g/1).<br />
(2) α jest różnowartościowe. Niech α(f/g) = 0 = [M, 0], f, g ∈ C(M), g(p) = 0. Wtedy [M, f][M, g] −1 =<br />
0 w Op(M), więc [M, f] = 0 = [M, 0] w Op(M). Istnieje zatem zbiór otwarty U ∋ p taki, że f | U = 0.<br />
Niech h : M −→ R będzie funkcją gładką taką, że h(p) = 1 oraz h(m) = 0 dla m ∈ M U (funkcja<br />
h istnieje na mocy Twierdzenia 6.4.4). Teraz h ∈ mp(M) (bo h(p) = 1) oraz h · f = 0. Zatem<br />
f/g = (hf)/(hg) = 0/(hg) = 0. ⊠<br />
6.6 Uwagi<br />
6.1 Niech V będzie n-wymiarową przestrzenią wektorową nad R. Jeśli 1 < r < n, to przez Gr(V ) oznaczamy<br />
zbiór wszystkich r-wymiarowych podprzestrzeni przestrzeni V . Można udowodnić, że na zbiorze Gr(V ) istnieje<br />
naturalna (jedyna) struktura rozmaitości gładkiej wymiaru r(n − r). Rozmaitość tę nazywamy rozmaitością<br />
Grassmanna. Jest to rozmaitość zwarta. Szczegóły znajdziemy np. w [10]76, [27]151 (patrz też PH46, 23).<br />
6.2 Można udowodnić:<br />
Twierdzenie 6.6.1 (Whitney’a). Jeśli M jest rozmaitością gładką wymiaru n, to istnieje dyfeomorfizm<br />
τ : M −→ R 2n+1 taki, że zbiór τ(M) jest domknięty w R 2n+1 . ⊠<br />
Dowód można znaleźć np. w książce [2] (strony 144 - 158 w tł. polskim). Poniższe zdania są przepisane z<br />
tej książki.<br />
”Z twierdzenia tego wynika, że każdą rozmaitość gładką można potraktować jako podrozmaitość przestrzeni<br />
R n dostatecznie wysokiego wymiaru. Wydawać by się mogło, że wobec tego badania abstrakcyjnych<br />
rozmaitości gładkich mają tylko charakter ćwiczeniowy i że równie dobrze moglibyśmy nigdy nie wyjść poza<br />
ramy przestrzeni euklidesowych. Wszelako takie ograniczenie nie byłoby zgodne z naturalnym podejściem do<br />
większości rozmaitości <strong>różniczkowa</strong>lnych i rozwojem intuicyjnego poglądu na ich własności”.
40 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
7 Derywacje lokalne<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką i niech p ∈ M. Stosujemy następujące oznaczenia:<br />
C(M) = R-algebra funkcji gładkich z M do R;<br />
mp(M) = {f ∈ C(M); f(p) = 0} (ideał maksymalny w C(M));<br />
Dp(C(M)) = przestrzeń derywacji p-lokalnych z C(M) do R<br />
Op(M) = R-algebra kiełków gładkich rozmaitości M w punkcie p;<br />
Mp(M) = {[U, f] ∈ Op(M); f(p) = 0} (jedyny ideał maksymalny w Op(M));<br />
Dp(Op(M)) = przestrzeń derywacji p-lokalnych z Op(M) do R.<br />
Mówimy, że R-liniowe odwzorowanie d : C(M) −→ R jest derywacją p-lokalną pierścienia C(M),<br />
jeśli<br />
d(fg) = f(p)d(g) + g(p)d(f), dla f, g ∈ C(M).<br />
Mówimy, że R-liniowe odwzorowanie δ : Op(M) −→ R jest derywacją p-lokalną pierścienia Op(M),<br />
jeśli<br />
δ([U, f][V, g]) = f(p)δ([V, g]) + g(p)δ([U, f]), dla [U, f], [V, g] ∈ Op(M).<br />
Jest oczywiste, że zbiory Dp(C(M)) i Dp(Op(M)), wszystkich derywacji p-lokalnych, są przestrzeniami<br />
liniowymi nad R. Derywacje p-lokalne są zwykłymi derywacjami (takimi, jak w [19]) z pierścienia<br />
do modułu.<br />
O derywacjach p-lokalnych, ale dla pierścienia C[X], funkcji ciągłych z przestrzeni topologicznej<br />
X do R, wspominaliśmy w Rozdziale 1. Wykazaliśmy tam, że jedynymi takimi derywacjami są odwzorowania<br />
zerowe. Tak jednak już nie będzie, gdy pierścień C[X] zastąpimy pierścieniem C(M) lub<br />
Op(M). Przekonamy się o tym w tym rozdziale. Przestrzenie liniowe Dp(C(M)) i Dp(Op(M)) (które,<br />
jak wykażemy, są izomorficzne) odgrywają ważną rolę w geometrii (topologii, analizie) różniczkowej.<br />
Są to przestrzenie styczne do M w punkcie p. Wyjaśnimy to też w tym rozdziałe.<br />
7.1 Izomorfizm przestrzeni derywacji lokalnych<br />
Rozpatrzmy R-algebrowy homomorfizm<br />
β : C(M) −→ Op(M), f ↦→ [M, f].<br />
Homomorfizm ten wykorzystaliśmy już w dowodzie Stwierdzenia 6.5.6.<br />
Lemat 7.1.1. Jeśli δ ∈ Dp(Op(M)), to δβ ∈ Dp(C(M)).<br />
Dowód. Niech d = δβ, f, g ∈ C(M). Wtedy:<br />
d(fg) = δβ(fg) = δ([M, f][M, g])<br />
= f(p)δ([M, g]) + g(p)δ([M, f])<br />
= f(p)δβ(g) + g(p)δβ(f)<br />
= f(p)d(g) + g(p)d(f). ⊠<br />
Stwierdzenie 7.1.2 (PH365). Przestrzenie liniowe Dp(Op(M)) i Dp(C(M)) są izomorficzne.<br />
Dokładniej: odwzorowanie<br />
jest izomorfizmem przestrzeni liniowych nad R.<br />
H : Dp(Op(M)) −→ Dp(C(M)), δ ↦→ δβ
7. Derywacje lokalne 41<br />
Dowód. Jest jasne, że odwzorowanie H jest R-liniowe. Wykażemy, że H jest bijekcją.<br />
(1) Różnowartościowość. Niech H(δ) = 0, gdzie δ ∈ Dp(Op(M)). Wtedy, dla każdego f ∈ C(M),<br />
δ([M, f]) = δβ(f) = H(δ)(f) = 0. Niech [U, h] będzie dowolnym elementem pierścienia Op(M). Na<br />
mocy Stwierdzenia 6.5.5, [U, h] = [M, g] dla pewnego g ∈ C(M). Mamy zatem δ([U, h]) = δ([M, g]) =<br />
0, tzn. δ = 0.<br />
(2) Surjektywność. Niech d : C(M) −→ R będzie derywacją p-lokalną. Wiemy (patrz dowód Stwierdzenia<br />
6.5.6), że każdy element z Op(M) jest postaci [M, f][M, g] −1 , gdzie f, g ∈ C(M), g(p) = 0.<br />
Definiujemy odwzorowanie δ : Op(M) −→ R, przyjmując<br />
δ([M, f][M, g] −1 ) = g(p) −2 (g(p)d(f) − f(p)d(g)).<br />
Standardowym rachunkiem sprawdzamy, że δ jest dobrze określone oraz, że δ jest derywacją p-lokalną.<br />
Jeśli f ∈ C(M), to<br />
H(δ)(f) = δβ(f) = δ([M, f]) = δ([M, f][M, 1] −1 ) = 1(p) −2 (1(p)d(f) − f(p)d(1)) = d(f).<br />
Zatem H(δ) = d. ⊠<br />
Wniosek 7.1.3. Niech d : C(M) −→ R będzie derywacją p-lokalną. Jeśli f : M −→ R jest funkcją<br />
gładką taką, że f | U = 0 dla pewnego zbioru otwartego U, zawierającego p, to d(f) = 0.<br />
Dowód (Pierwszy). Istnieje (na mocy Twierdzenia 7.1.2) derywacja p-lokalna δ : Op(M) −→ R<br />
taka, że d = δβ. Zauważmy, że [M, f] = [U, f|U] = [U, 0] = [M, 0] = 0. Zatem d(f) = δβ(f) =<br />
δ([M, f]) = δ(0) = 0. ⊠<br />
Dowód (Drugi). Niech W będzie zbiorem otwartym w M takim, że p ∈ W ⊆ W ⊆ U oraz<br />
W jest zbiorem zwartym (W istnieje ponieważ M jest lokalnie zwarte). Wtedy (Twierdzenie 6.4.4)<br />
istnieje funkcja gładka h ∈ C(M) taka, że H|W = 1 i h|(X U) = 0. Niech g = (1 − h)f. Oczywiście<br />
g ∈ C(M). Zauważmy, że g = f. Istotnie, jeśli a ∈ U, to g(a) = (1−h(a))f(a) = (1−h(a))0 = 0 = f(a).<br />
Jeśli a ∈ U, to g(a) = (1 − h(a))f(a) = (1 − 0)f(a) = f(a). Mamy zatem d(f) = d(g) = d((1 − h)f) =<br />
(1 − h(p))d(f) + f(p)d(1 − h) = (1 − 1)d(f) + 0d(1 − h) = 0. ⊠<br />
Wniosek 7.1.4. Niech d : C(M) −→ R będzie derywacją p-lokalną. Jeśli f, g : M −→ R są funkcjąmi<br />
gładkimi takimi, że f | U = g | U dla pewnego zbioru otwartego U, zawierającego p, to d(f) = d(g). ⊠<br />
7.2 Przestrzenie liniowe postaci M/M 2<br />
Przypomnijmy najpierw kilka ogólnych faktów z [20] (rozdział o lokalnym pierścieniu punktu).<br />
Niech R będzie pierścieniem (przemiennym z jedynką) i M jego ideałem maksymalnym. Niech s<br />
będzie liczbą naturalną. Mamy wówczas dwa ideały<br />
M s ⊇ M s+1 ,<br />
a więc dwa R-moduły (moduł i podmoduł). Mamy zatem R-moduł ilorazowy M s /M s+1 . Moduł ten<br />
ma strukturę R/M-modułu z mnożeniem R/M × M s /M s+1 −→ M s /M s+1 określonym wzorem<br />
(r + M)(a + M s+1 ) = ra + M s+1 , dla r ∈ R, a ∈ M s .<br />
Zauważmy, że mnożenie to jest dobrze określone. Jeśli r, r ′ ∈ R, a, a ′ ∈ M s są takie, że r+M = r ′ +M,<br />
a + M s+1 = a ′ + M s+1 , to r − r ′ ∈ M, a − a ′ ∈ M s+1 , a zatem (r − r ′ )a ∈ M s+1 , r ′ (a − a ′ ) ∈ M s+1 ,<br />
czyli ra − r ′ a ′ = (r − r ′ )a + r ′ (a − a ′ ) ∈ M s+1 . Zatem M s /M s+1 jest przestrzenią liniową nad ciałem<br />
R/M.<br />
Rozpatrzmy teraz pierścień ułamków RM (lokalizację pierścienia R względem ideału maksymalnego<br />
M) i jego jedyny ideał maksymalny MRM . Mamy w tym przypadku izomorfizm ciał<br />
RM /MRM ≈ (R/M) (0) = R/M, f/g + MRM ↦→ fg −1 + M<br />
(patrz [20]). Mamy zatem dwie przestrzenie liniowe M s /M s+1 i (MRM ) s /(MRM ) s+1 nad tym<br />
samym ciałem R/M.
42 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 7.2.1 ([20]). Jeśli M jest ideałem maksymalnym w pierścieniu R i s 0, to przestrzenie<br />
M s /M s+1 i (MRM ) s /(MRM ) s+1 są izomorficzne. ⊠<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką i niech p ∈ M. Zastosujmy powyższe fakty dla pierścieni<br />
Op(M), C(M) i ich ideałów maksymalnych Mp(M), mp(M). Ponieważ pierścienie Op(M) i C(M) mp(M)<br />
są izmorficzne (Stwierdzenie 6.5.6), więc ze Stwierdzenia 7.2.1 wynika:<br />
Stwierdzenie 7.2.2. Jeśli M jest rozmaitością gładką oraz s 0, to przestrzenie R-liniowe<br />
są izomorficzne. ⊠<br />
Mp(M) s /Mp(M) s+1<br />
i mp(M) s /mp(M) s+1<br />
Niech m = mp(M). Zajmiemy się teraz przestrzenią liniową m/m 2 i jej przestrzenią dualną<br />
(m/m 2 ) ∗ = HomR(m/m 2 , R).<br />
Twierdzenie 7.2.3 (PH370). Niech M będzie rozmaitością gładką, p ∈ M i m = mp(M). Przestrzeń<br />
Dp(C(M)), derywacji p-lokalnych z C(M) do R, jest R-izomorficzna z przestrzenią (m/m 2 ) ∗ .<br />
Dowód. Jeśli δ ∈ Dp(C(M), to δ(f) = 0 dla wszystkich f ∈ m 2 . Definiujemy odwzorowanie<br />
δp : m/m 2 −→ R przyjmując<br />
Mamy wtedy R-liniowe przekształcenie<br />
δp(f + m 2 ) = δ(f), dla f ∈ mp.<br />
γ : Dp(C(M)) −→ (m/m 2 ) ∗ , δ ↦→ δp.<br />
Pokażemy, że γ jest bijekcją.<br />
(1) Różnowartościowość. Jeśli γ(δ) = 0, to δp = 0 czyli δ(f) = 0 dla wszystkich f ∈ m. Niech<br />
f ∈ C(M). Wtedy f − f(p) ∈ C(M) i mamy δ(f) = δ(f − f(p)) = 0. Zatem δ = 0.<br />
(2) Surjektywność. Niech h : m/m 2 −→ R będzie przekształceniem R-liniowym. Definiujemy δ :<br />
C(M) −→ R wzorem:<br />
δ(f) = h(f − f(p) + m 2 ), dla f ∈ C(M).<br />
Ponieważ fg − f(p)g − g(p)f + f(p)g(p) = (f − f(p))(g − g(p)) ∈ m 2 , więc:<br />
δ(fg) = h(fg − f(p)g(p) + m 2 )<br />
= h(fg − f(p)g − g(p)f + f(p)g(p) + f(p)g + g(p)f − 2f(p)g(p) + m 2 )<br />
= h(f(p)g + g(p)f − 2f(p)g(p) + m 2 )<br />
= f(p)h(g − g(p) + m 2 ) + g(p)h(f − f(p) + m 2 )<br />
= f(p)δ(g) + g(p)δ(f).<br />
Zatem δ jest derywacją p-lokalną. Ponadto, γ(δ) = h. Istotnie, jeśli f ∈ m, to γ(δ)(f + m 2 ) = δ(f) =<br />
h(f − f(p) + m 2 ) = h(f − 0 + m 2 ) = h(f + m 2 ). ⊠<br />
W ten sam sposób można udowodnić następne twierdzenie. Nie musimy dowodu przedstawiać,<br />
gdyż twierdzenie to jest natychmiastową konsekwencją poprzednich faktów.<br />
Twierdzenie 7.2.4 (PH369). Niech M będzie rozmaitością gładką, p ∈ M i M = Mp(M). Przestrzeń<br />
Dp(Op(M)), derywacji p-lokalnych z Op(M) do R, jest R-izomorficzna z przestrzenią (M/M 2 ) ∗ .<br />
⊠
7. Derywacje lokalne 43<br />
7.3 Bazy przestrzeni derywacji lokalnych<br />
Lemat 7.3.1 (PH371, [25]44). Niech f ∈ C(R n ) i p = (p1, . . . , pn) ∈ R n . Istnieją wtedy funkcje<br />
f1, . . . , fn ∈ C(R n ) takie, że<br />
f(x) = f(p) + n<br />
i=1 (xi − pi)fi(x),<br />
dla wszystkich x = (x1, . . . , xn) ∈ Rn . Ponadto, fi(p) = ∂f<br />
(p) dla i = 1, . . . , n.<br />
∂xi<br />
Dowód. Niech h : R −→ R będzie funkcją określoną wzorem h(t) = f(p + (x − p)t), dla t ∈ R.<br />
Wtedy h ′ (t) = n ∂f<br />
i=1 ∂xi (p + (x − p)t)(xi − pi). Niech<br />
Mamy wówczas<br />
Ponadto fi(p) = 1<br />
0<br />
fi(x) = 1<br />
0<br />
∂f<br />
(p + (x − p)t)dt, i = 1, . . . , n.<br />
∂xi<br />
f(x) = f(p) + h(1) − h(0) = f(p) + 1<br />
∂f<br />
∂f<br />
(p)dt = ∂xi<br />
= f(p) + 1<br />
0<br />
n<br />
i=1<br />
= f(p) + n<br />
i=1 (xi − pi)fi(x).<br />
0<br />
∂xi (p) 1<br />
∂f<br />
dt = (p). ⊠<br />
∂xi<br />
0 h′ (t)dt<br />
∂f<br />
∂xi (p + (x − p)t)(xi − pi)dt<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką wymiaru n, niech p ∈ M i niech (U, ϕ) będzie mapą taką, że<br />
p ∈ U. Jeśli f ∈ C(M), to (na mocy definicji odwzorowania gładkiego) fϕ −1 ∈ C(R n ). Oznaczmy<br />
∆ ϕ<br />
i<br />
∂fϕ−1<br />
(f) = (ϕ(p)), dla f ∈ C(M), i = 1, . . . , n.<br />
∂xi<br />
Stwierdzenie 7.3.2 (PH372). Odwzorowania ∆ ϕ<br />
1 , . . . , ∆ϕ n : C(M) −→ R są derywacjami p-lokalnymi.<br />
Dowód. R-liniowość jest oczywista. Niech f, g ∈ C(M). Wtedy:<br />
∆ ϕ<br />
∂<br />
i (fg) = ∂xi (fg ◦ ϕ−1 )(ϕ(p))<br />
=<br />
∂<br />
∂xi (fϕ−1 · gϕ −1 )(ϕ(p))<br />
−1 ∂<br />
= (fϕ ∂xi gϕ−1 −1 ∂ + gϕ ∂xi fϕ−1 )(ϕ(p))<br />
= f(p)∆ ϕ<br />
i<br />
(g) + g(p)∆ϕi<br />
(f). ⊠<br />
Odwzorowanie ϕ : U −→ R n jest postaci ϕ = (ϕ (1) . . . , ϕ (n) ), gdzie ϕ (1) , . . . , ϕ (n) ∈ C(U). Z Twierdzenia<br />
6.4.11 wiemy, że istnieją funkcje ψ (1) , . . . , ψ (n) ∈ C(M), takie, że ψ (i) | U = ϕ (i) , dla wszystkich<br />
i = 1, . . . , n.<br />
Definicja 7.3.3. Powyższe funkcje ψ (1) , . . . , ψ (n) ∈ C(M) oznaczać będziemy odpowiednio przez<br />
ϕ [1] , . . . , ϕ [n] .<br />
Zatem każde ϕ [i] jest funkcją gładką z M do R taką, że ϕ [i] | U = ϕ (i) . Funkcje ϕ [1] , . . . , ϕ [n]<br />
nie muszą być wyznaczone jednoznacznie. Z Wniosku 7.1.4 wiemy jednak, że jeśli d : C(M) −→ R<br />
jest derywacją p-lokalną, to liczby rzeczywiste d(ϕ [1] ), . . . , d(ϕ [n] ) są jednoznacznie wyznaczone; zależą<br />
tylko od mapy (U, ϕ) (i oczywiście od derywacji d).<br />
Stwierdzenie 7.3.4. ∆ ϕ<br />
i (ϕ[j] ) = δij, gdzie δij jest deltą Kroneckera.<br />
Dowód.<br />
gdzie πj : R n −→ R jest rzutowaniem. ⊠<br />
Z tego stwierdzenia otrzymujemy:<br />
∆ ϕ<br />
i (ϕ[j] ) = ∂<br />
∂xi (ϕ[j] ◦ ϕ −1 )(ϕ(p))<br />
=<br />
=<br />
=<br />
∂<br />
∂xi (ϕj ◦ ϕ −1 )(ϕ(p))<br />
∂<br />
∂xi (πj ◦ ϕ ◦ ϕ −1 )(ϕ(p))<br />
∂<br />
∂xi (πj)(ϕ(p)) = δij(ϕ(p)) = δij,
44 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 7.3.5 (PH372). Derywacje ∆ ϕ<br />
1 , . . . , ∆ϕ n są liniowo niezależne nad R. ⊠<br />
Udowodnimy teraz następne stwierdzenie.<br />
Stwierdzenie 7.3.6 (PH372). Derywacje ∆ ϕ<br />
1 , . . . , ∆ϕ n generują przestrzeń Dp(C(M)) nad R.<br />
Dowód. Niech d ∈ Dp(C(M)). Niech f ∈ C(M)). Wtedy fϕ −1 : R n −→ R jest rzeczywistą<br />
funkcją klasy C ∞ (czyli należy do C(R n )). Z Lematu 7.3.1 wiemy, że<br />
fϕ −1 (x) = fϕ −1 (ϕ(p)) + n<br />
i=1 (xi − ai)αi(x),<br />
gdzie (a1, . . . , an) = ϕ(p) oraz α1, . . . , αn ∈ C(Rn ). Wiemy ponadto, że αi(ϕ(p)) = ∂fϕ−1<br />
(ϕ(p)). Dla<br />
∂xi<br />
wszystkich u ∈ U mamy więc<br />
f(u) = fϕ −1 (ϕ(u)) = fϕ −1 (ϕ(p)) + n<br />
i=1 (ϕi(u) − ai)αi(ϕ(u)),<br />
gdzie (ϕ1, . . . , ϕn) = ϕ. Stąd dalej wynika, że na zbiorze U zachodzi równość:<br />
f = fϕ −1 (ϕ(p)) + n<br />
i=1 (ϕ[i] − ai)αi(ϕ [1] , . . . , ϕ [n] ).<br />
Stąd otrzymujemy (na mocy Wniosku 7.1.4),że d(f) = d(g), gdzie g jest funkcją występującą po<br />
prawej stronie powyższej równości. Mamy zatem:<br />
d(f) = d(fϕ −1 (ϕ(p))) + n<br />
i=1 d((ϕ[i] − ai)αi(ϕ [1] , . . . , ϕ [n] ))<br />
= 0 + n<br />
i=1 (ϕ[i] (p) − ai)d(αi(ϕ [1] , . . . , ϕ [n] )) + n<br />
i+1 αi(ϕ(p))d(ϕ [i] − ai)<br />
= n<br />
i=1 0d(αi(ϕ [1] , . . . , ϕ [n] )) + n<br />
i=1 αiϕ(p)d(ϕ [i] − ai)<br />
= n ∂fϕ<br />
i=1<br />
−1<br />
∂xi (ϕ(p))d(ϕ[i] )<br />
= n<br />
i=1 d(ϕ[i] )∆ ϕ<br />
i (f).<br />
Zatem d = d(ϕ [1] )∆ ϕ<br />
1 + · · · + d(ϕ[n] )∆ ϕ n. ⊠<br />
Ostatnie zdanie tego dowodu warto zapamiętać. Zapiszmy to jeszcze raz:<br />
Wniosek 7.3.7. Jeśli d : C(M) −→ R jest derywacją p-lokalną, to<br />
Udowodniliśmy zatem:<br />
d = d(ϕ [1] )∆ ϕ<br />
1 + · · · + d(ϕ[n] )∆ ϕ n. ⊠<br />
Twierdzenie 7.3.8. Jeśli M jest rozmaitością gładką wymiaru n i p ∈ M, to dimR Dp(C(M)) = n.<br />
Derywacje ∆ ϕ<br />
1 , . . . , ∆ϕ n tworzą bazę przestrzeni Dp(C(M)) nad R. ⊠<br />
Korzystając z udowodnionych wcześniej izomorfizmów otrzymujemy:<br />
Wniosek 7.3.9. Niech M będzie rozmaitością gładką wymiaru n, p ∈ M, m = mp(M) oraz M =<br />
Mp(M). Wtedy wszystkie przestrzenie Dp(C(M)), Dp(Op(M)), m/m 2 , M/M 2 , (m/m 2 ) ∗ , (M/M 2 ) ∗<br />
mają wymiar n nad R. ⊠<br />
7.4 Krzywe i przestrzeń styczna<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką wymiaru n i niech J = (−1, 1) będzie odcinkiem otwartym w R 1 ,<br />
traktowanym jako rozmaitość gładka z jednoelementowym atlasem.<br />
Definicja 7.4.1. Krzywą na M nazywamy każde odwzorowanie gładkie σ : J −→ M. Środkiem<br />
krzywej σ nazywamy punkt σ(0).
7. Derywacje lokalne 45<br />
Z tej definicji wynika, że jeśli A jest atlasem rozmaitości M, to σ : J −→ M jest krzywą na M<br />
jeśli σ jest odwzorowaniem ciągłym oraz każde odwzorowanie postaci ϕσ| : σ −1 (U) −→ R n , gdzie<br />
(U, ϕ) ∈ A, jest klasy C ∞ (zwróćmy uwagę, że σ −1 (U) ⊆ J ⊆ R 1 ).<br />
W dalszym ciągu odwzorowanie postaci ϕσ| : σ −1 (U) −→ R n oznaczać będziemy przez ϕσ : J −→<br />
R n , rozumiejąc przez to funkcję częściową określoną w otoczeniu punktu σ(0).<br />
Dla każdej mapy (U, ϕ) punktu σ(0) (tzn. U ∋ σ(0)), istnieje różniczka odwzorowania ϕσ w punkcie<br />
0, czyli przekształcenie R-liniowe D(ϕσ)(0) : R 1 −→ R n . Różniczka ta zależy od wyboru atlasu (U, ϕ).<br />
Przekonuje nas o tym następujący lemat.<br />
Lemat 7.4.2. Niech σ : J −→ M będzie krzywą i niech (Ui, ϕi), (Uj, ϕj) będą mapami punktu σ(0).<br />
Wtedy<br />
D(ϕjσ)(0) = D(ϕji)(ϕiσ(0)) ◦ D(ϕiσ)(0).<br />
Dowód. Przypomnijmy, że ϕji = ϕjϕ −1<br />
i | : ϕi(Ui ∩ Uj) −→ ϕj(Ui ∩ Uj), są bijekcjami klasy C ∞ ,<br />
przy czym ϕi(Ui ∩ Uj) ⊆ R n , ϕj(Ui ∩ Uj) ⊆ R n . Z własności różniczki funkcji złożonej otrzymujemy:<br />
D(ϕjσ)(0) = D(ϕjϕ −1<br />
i ϕiσ)(0) = D(ϕji ◦ ϕiσ)(0) = D(ϕji)(ϕiσ(0)) ◦ D(ϕiσ)(0). ⊠<br />
Definicja 7.4.3. Mówimy, że krzywe σ, τ : J −→ M są równoważne jeśli:<br />
(a) σ(0) = τ(0),<br />
(b) istnieje mapa (U, ϕ) punktu σ(0) = τ(0) taka, że D(ϕσ)(0) = D(ϕτ)(0).<br />
W tej definicji ”istnieje mapa” można zastąpić ”dla każdej mapy”:<br />
Stwierdzenie 7.4.4. Jeśli krzywe σ, τ : J −→ M są równoważne, to dla każdej mapy (U, ϕ) punktu<br />
σ(0) = τ(0), zachodzi równość D(ϕσ)(0) = D(ϕτ)(0).<br />
Dowód. Niech (Ui, ϕi) będzie mapą punktu σ(0) = τ(0) (istniejącą na mocy definicji) taką,<br />
że D(ϕiσ)(0) = D(ϕiτ)(0). Niech (Uj, ϕj) będzie drugą mapą punktu σ(0) = τ(0). Pokażemy, że<br />
D(ϕjσ)(0) = D(ϕjτ)(0). Wynika to z Lematu 7.4.2:<br />
Z tego stwierdzenia wynika w szczególności:<br />
D(ϕjσ)(0) = D(ϕji)(ϕiσ(0)) ◦ D(ϕiσ)(0)<br />
= D(ϕji)(ϕiτ(0)) ◦ D(ϕiτ)(0)<br />
= D(ϕjτ)(0). ⊠<br />
Stwierdzenie 7.4.5. Równoważność krzywych na M jest relacją typu równoważności w zbiorze wszystkich<br />
krzywych na M. ⊠<br />
Niech p ∈ M będzie ustalonym punktem.<br />
Definicja 7.4.6. Klasę abstrakcji krzywej σ : J −→ M oznaczamy przez [σ]. Zbiór wszystkich klas<br />
abstrakcji postaci [σ], gdzie σ(0) = p, oznaczamy przez TpM i nazywamy przestrzenią styczną do M<br />
w punkcie p.<br />
Wykażemy teraz, że TpM ma strukturę przestrzeni liniowej nad R. W tym celu udowodnimy<br />
najpierw następujący lemat.<br />
Lemat 7.4.7. Niech σ1, . . . , σs : J −→ M będą krzywymi o środkach w punkcie p i niech r1, . . . , rs<br />
będą liczbami rzeczywistymi takimi, że r1 + · · · + rs = 1. Niech (Ui, ϕi), (Uj, ϕj) będą mapami punktu<br />
p. Rozważmy krzywe λi, λj : J −→ M zdefiniowane wzorami:<br />
λi = ϕ −1<br />
i (r1ϕiσ1 + · · · + rsϕiσs),<br />
λj = ϕ −1<br />
j (r1ϕjσ1 + · · · + rsϕjσs).<br />
Krzywe λi, λj są równoważne. Ponadto λi(0) = λj(0) = p.
46 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Dowód. Sprawdzamy najpierw, że λi(0) = λj(0) = p:<br />
λi(0) = ϕ −1<br />
i ( s<br />
m=1 rmϕiσm(0)) = f −1<br />
i ( s<br />
m=1 rmϕi(p)) = ϕ −1<br />
i (1 · ϕi(p)) = ϕ −1<br />
i ϕi(p) = p.<br />
Podobnie λj(0) = p. Teraz wykażemy, że<br />
Sprawdzamy:<br />
D(ϕji)(ϕi(p)) ◦ D(ϕiλi)(0) = D(ϕjλj)(0). (7.1)<br />
D(ϕjλj)(0) = D( s<br />
m=1 rmϕjσm)(0)<br />
= s m=1 rmD(ϕjσm)(0)<br />
7.4.2 s = m=1 rmD(ϕji)(ϕi(p)) ◦ D(ϕiσm)(0)<br />
= D(ϕji)(ϕi(p)) ◦ s<br />
m=1 rmD(ϕiσm)(0)<br />
= D(ϕji)(ϕi(p)) ◦ D( s<br />
m=1 rmϕiσm)(0)<br />
= D(ϕji)(ϕi(p)) ◦ D(ϕiλi)(0).<br />
Chcąc pokazać, że krzywe λi, λj : J −→ M są równoważne, musimy udowodnić, że dla każdej mapy<br />
(Uk, ϕk) punktu p zachodzi równość:<br />
W tym celu rozpatrzmy jeszcze trzecią krzywą<br />
Mamy wówczas:<br />
i analogicznie:<br />
D(ϕkλi)(0)<br />
D(ϕkλj)(0)<br />
D(ϕkλi)(0) = D(ϕkλj)(0). (7.2)<br />
λk = ϕ −1<br />
k (r1ϕkσ1 + · · · + rmϕkσm).<br />
7.4.2<br />
= D(ϕki)(ϕiλi(0)) ◦ D(ϕiλi)(0)<br />
= D(ϕki)(ϕi(p)) ◦ D(ϕiλi)(0)<br />
(7.1)<br />
= D(ϕkλk)(0)<br />
7.4.2<br />
= D(ϕkj)(ϕjλj(0)) ◦ D(ϕjλj)(0)<br />
= D(ϕkj)(ϕj(p)) ◦ D(ϕjλj)(0)<br />
(7.1)<br />
= D(ϕkλk)(0).<br />
Wykazaliśmy równość (7.2), a zatem krzywe λi, λj są równoważne. ⊠<br />
Niech [σ], [τ] ∈ TpM, r ∈ R i niech (U, ϕ) będzie mapą punktu p. Definiujemy krzywe ρ, ω :<br />
ϕ −1 (U) −→ M, przyjmując:<br />
ρ = ϕ −1 (ϕσ + ϕτ − ϕ(p)),<br />
ω = ϕ −1 (rϕσ + (1 − r)ϕ(p)).<br />
(ϕ(p) traktujemy jako odwzorowanie stałe, przyporządkowujące każdemu t ∈ J punkt ϕ(p)). Zauważmy,<br />
że ρ(0) = ω(0) = p. Określamy teraz dodawanie [σ] + [τ] oraz mnożenie r[σ].<br />
Definicja 7.4.8. [σ] + [τ] = [ρ], r[σ] = [ω].<br />
Z Lematu 7.4.7 wynika, że powyższa definicja jest poprawna, tzn., nie zależy od wyboru mapy (U, ϕ)<br />
punktu p. Łatwo udowodnić:<br />
Stwierdzenie 7.4.9. Zbiór TpM, wraz z powyższymi działaniami, jest przestrzenią liniową<br />
nad R. ⊠
7. Derywacje lokalne 47<br />
Zerem w TpM jest klasa abstrakcji krzywej stałej, przyjmującej dla każdego t ∈ J stałą wartość p. Z<br />
definicji dodawania i mnożenia przez skalar w TpM wynika:<br />
Stwierdzenie 7.4.10. Jeśli σ1, . . . , σs : J −→ M są krzywymi o środku w punkcie p ∈ M oraz<br />
r1, . . . , rs ∈ R, to dla każdej mapy (U, ϕ) punktu p, zachodzi równość<br />
s j=1 rj[σj] = [ϕ−1 ( s j=1 rjϕσj + (1 − s j=1 rj)ϕ(p))],<br />
w szczególności<br />
s<br />
j=1 [σj] = [ϕ −1 ( s<br />
j=1 ϕσj + (1 − s)ϕ(p))]. ⊠<br />
Ustalmy mapę (U, ϕ) punktu p. Niech a ∈ R n . Wprowadzamy następujące dwie funkcje:<br />
Definicja 7.4.11.<br />
a : J −→ R n , t ↦−→ ta,<br />
a ϕ : J −→ M, t ↦−→ ϕ −1 (ta + ϕ(p)).<br />
Funkcja a ϕ jest krzywą na M o środku w p. Ponadto,<br />
gdzie e jest ustalonym wektorem bazowym w R 1 .<br />
D(ϕa ϕ )(0)(e) = ea,<br />
Lemat 7.4.12. Niech a, b ∈ R n , r ∈ R.<br />
(1) [a ϕ ] + [b ϕ ] = [(a + b) ϕ ],<br />
(2) r[a ϕ ] = [(ra) ϕ ],<br />
(3) [a ϕ ] = 0 ⇐⇒ a = 0,<br />
(4) dla każdej krzywej σ : J −→ M o środku w p istnieje dokładnie jeden wektor a ∈ R n taki, że<br />
[σ] = [a ϕ ].<br />
Dowód. Własności (1), (2) i (3) są oczywiste. Dla dowodu (4) przyjmujemy a = D(ϕσ)(0)(e).<br />
Wtedy [σ] = [a ϕ ]. Jedyność wynika z (3). ⊠<br />
Z lematu tego wynika:<br />
Stwierdzenie 7.4.13. Przestrzeń TpM jest izomorficzna z przestrzenią R n . Dokładniej, odwzorowanie<br />
R n −→ TpM, a ↦−→ [a ϕ ] jest izomorfizmem przestrzeni liniowych nad R. ⊠<br />
7.5 Przestrzeń styczna i derywacje lokalne<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką i p ∈ M. Zmierzamy do wykazania, że przestrzeń TpM jest<br />
izomorficzna z przestrzenią Dp(C(M)), derywacji p-lokalnych z C(M) do R.<br />
Lemat 7.5.1. Jeśli krzywe σ, τ : J −→ M są równoważne i f ∈ C(M), to D(fσ)(0) = D(fτ)(0).<br />
Dowód. Niech (U, ϕ) będzie mapą punktu p = σ(0) = τ(0). Wtedy D(ϕσ)(0) = D(ϕτ)(0) (Stwierdzenie<br />
7.4.4), a zatem<br />
D(fσ)(0) = D(fϕ −1 ϕσ)(0) = D(fϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕσ)(0)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕτ)(0) = D(fϕ −1 ϕτ)(0)<br />
= D(fτ)(0). ⊠<br />
Ustalmy wektor bazowy e przestrzeni R 1 . Niech [σ] ∈ TpM. Definiujemy odwzorowanie d [σ] :<br />
C(M) −→ R przyjmując, dla każdego f ∈ C(M),<br />
d [σ](f) = D(fσ)(0)(e).<br />
Zauważmy, że D(fσ)(0) jest przekształceniem liniowym z R 1 do R 1 . Zatem D(fσ)(0)(e) ∈ R.
48 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 7.5.2. Odwzorowanie d [σ] jest derywacją p-lokalną.<br />
Dowód. R-liniowość jest oczywista. Mamy ponadto, dla f, g ∈ C(M),<br />
d [σ](fg) = D((fg)σ)(0)(e) = D((fσ)(gσ))(0)(e)<br />
= fσ(0)D(gσ)(0)(e) + gσ(0)D(fσ)(0)(e)<br />
= f(p)d [σ](g) + g(p)d [σ](f). ⊠<br />
Stwierdzenie 7.5.3. Jeśli [σ], [τ] ∈ TpM, r ∈ R, to d [σ]+[τ] = d [σ] + d [τ] oraz d r[σ] = rd [σ].<br />
Dowód. Niech (U, ϕ) będzie mapą punktu p i niech f ∈ C(M). Niech ρ = ϕ −1 (ϕσ + ϕτ − ϕ(p)).<br />
Wtedy<br />
d [σ]+[τ](f) = d [ρ](f) = D(fρ)(0)(e)<br />
= D(fϕ −1 (ϕσ + ϕτ − ϕ(p))(0)(e)<br />
= (D(fϕ −1 )(ϕσ(0) + ϕτ(0) − ϕ(p)) ◦ D(ϕσ + ϕτ − ϕ(p))(0))(e)<br />
= (D(fϕ −1 )(ϕ(p))(D(ϕσ)(0) + D(ϕτ)(0)))(e)<br />
= (D(fϕ −1 )(ϕ(p))D(ϕσ)(0))(e) + (D(fϕ −1 )(ϕ(p))D(ϕτ)(0))(e)<br />
= D(fσ)(0)(e) + D(fτ)(0)(e) = d [σ](f) + d [τ](f)<br />
= (d [σ] + d [τ])(f).<br />
Wykorzystaliśmy tu równość D(ϕ(p))(0) = 0, która wynika z faktu, że różniczka odwzorowania stałego<br />
jest zerowa.<br />
W podobny sposób wykazujemy drugą równość. Niech ω = ϕ −1 (rϕσ + (1 − r)ϕ(p)). Wtedy<br />
Zatem d r[σ] = rd [σ]. ⊠<br />
d r[σ](f) = d [ω](f) = D(fω)(0)(e)<br />
= D(fϕ −1 (rϕσ + (1 − r)ϕ(p))(0)(e)<br />
= (D(fϕ −1 )(rϕσ(0) + (1 − r)ϕ(p)) ◦ D(rϕσ + (1 − r)ϕ(p))(0))(e)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(p))(rD(ϕσ)(0))(e)<br />
= rD(fϕ −1 )(ϕ(p))D(ϕσ)(0)(e)<br />
= rD(fσ)(0)(e) = rd [σ](f)<br />
= (rd [σ])(f).<br />
Niech (U, ϕ) będzie w dalszym ciągu ustaloną mapą punktu p ∈ M i niech<br />
e1 = (1, 0, . . . , 0), . . . , en = (0, 0, . . . , 1)<br />
będzie standardową bazą przestrzeni R n . Oznaczmy<br />
bi : J −→ R n , t ↦→ tei, dla i = 1, . . . , n.<br />
Funkcje b1, . . . , bn są oczywiście odwzorowaniami klasy C ∞ . Przy pomocy tych funkcji definiujemy<br />
krzywe λ1, . . . , λn : J −→ M, przyjmując:<br />
λi = ϕ −1 (bi + ϕ(p)), dla i = 1, . . . , n.<br />
Zauważmy, że λ1(0) = · · · = λn(0) = p.<br />
Przypomnijmy jeszcze, że przez ∆ ϕ<br />
1 , . . . , ∆ϕn oznaczamy derywacje p-lokalne z C(M) do R określone<br />
wzorami:<br />
∆ ϕ ∂fϕ−1<br />
i (f) = (ϕ(p)), dla f ∈ C(M), i = 1, . . . , n.<br />
∂xi<br />
Wiemy (Twierdzenie 7.3.8), że derywacje te tworzą bazę przestrzeni Dp(C(M)).
7. Derywacje lokalne 49<br />
Stwierdzenie 7.5.4. d [λi] = ∆ ϕ<br />
i , dla i = 1, . . . , n.<br />
Dowód. Jest oczywiste, że D(bi)(0)(e) = ei. Zatem, dla f ∈ C(M),<br />
d [λi](f) = D(fλi)(0)(e) = D(fϕ −1 (bi + ϕ(p))(0)(e)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(p))(D(bi + ϕ(p))(0)(e)) = D(fϕ −1 )(ϕ(p))(D(bi)(0)(e))<br />
= D(fϕ−1 )(ϕ(p))(ei) = n ∂fϕ<br />
j=1<br />
−1<br />
∂xj (ϕ(p))(ei)<br />
= ∂fϕ−1<br />
∂xi<br />
(ϕ(p)) = ∆ϕi<br />
(f). ⊠<br />
Twierdzenie 7.5.5. Odwzorowanie Φ : TpM −→ Dp(C(M)), [σ] ↦−→ d [σ], jest izomorfizmem przestrzeni<br />
liniowych nad R.<br />
Dowód. R-liniowość odwzorowania Φ wynika ze Stwierdzenia 7.5.3. Z poprzedniego stwierdzenia<br />
tworzą bazę przestrzeni Dp(C(M))).<br />
wnioskujemy, że Φ jest surjekcją (ponieważ derywacje postaci ∆ ϕ<br />
i<br />
Wystarczy zatem pokazać, że Φ jest różnowartościowe. Niech więc σ : J −→ M będzie krzywą o środku<br />
w p taką, że d [σ] = 0. Wówczas, dla każdego f ∈ C(M), przekształcenie liniowe D(fσ)(0) jest zerowe.<br />
Ale D(fσ)(0) = D(fϕ−1ϕσ)(0) = D(fϕ−1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕσ)(0), zatem dla każdego f ∈ C(M)) mamy<br />
równość<br />
D(fϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕσ)(0) = 0.<br />
Przyjmując za f kolejno funkcje ϕ [1] , . . . , ϕ [n] ∈ C(M) takie, jak w Podrozdziale 7.3, stwierdzamy, że<br />
D(ϕσ)(0) = 0. Oznacza to (patrz definicja równoważności krzywych), że [σ] = 0. ⊠<br />
7.6 Morfizmy<br />
Niech M, N będą rozmaitościami gładkimi, wymiarów odpowiednio m i n. Niech p ∈ M i niech<br />
f : M −→ N będzie odwzorowaniem gładkim.<br />
Lemat 7.6.1. Jeśli krzywe σ, τ : J −→ M są równoważne, to krzywe fσ, fτ : J −→ N też są<br />
równoważne.<br />
Dowód. Niech σ(0) = τ(0) = p. Wtedy fσ(0) = fτ(0) = f(p). Istnieją mapy (U, ϕ) punktu<br />
p i (V, ψ) punktu f(p) takie, że odwzorowanie ψfϕ −1 | : ϕ(U) −→ ψ(V ) jest gładkie. Wiemy,<br />
że D(ϕσ)(0) = D(ϕτ)(0). Zatem D(ψfσ)(0) = D(ψfϕ −1 ϕσ)(0) = D(ψfϕ −1 )(f(p)) ◦ D(ϕσ)(0) =<br />
D(ψfϕ −1 )(f(p)) ◦ D(ϕτ)(0) = D(ψfϕ −1 ϕτ)(0) = D(ψfτ)(0). ⊠<br />
Definiujemy odwzorowanie Tpf : TpM −→ T f(p)N przyjmując:<br />
(Tpf)([σ]) = [fσ],<br />
dla wszystkich [σ] ∈ TpM. Z powyższego lematu wynika, że odwzorowanie to jest dobrze określone.<br />
Odwzorowanie to nazywa się różniczką odwzorowania f w punkcie p.<br />
Stwierdzenie 7.6.2. Odwzorowanie Tpf : TpM −→ T f(p)N jest przekształceniem R-liniowym.<br />
Dowód. Niech [σ], [τ] ∈ TpM. Istnieją mapy (U, ϕ) punktu p i (V, ψ) punktu f(p) takie, że<br />
odwzorowanie ψfϕ −1 | : ϕ(U) −→ ψ(V ) jest gładkie. Niech ρ = ϕ −1 (ϕσ + ϕτ − ϕ(p)) i rozpatrzmy<br />
krzywe fρ, ρ : J −→ N określone wzorami<br />
fρ = fϕ −1 (ϕσ + ϕτ − ϕ(p)), ρ = ψ −1 (ψfσ + ψfτ − ψf(p)).<br />
Są to dwie równoważne krzywe o środkach w punkcie f(p). Zachodzi bowiem równość:<br />
D(ψρ)(0) = D(ψfρ)(0).
50 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Sprawdzamy:<br />
D(ψρ)(0) = D(ψfσ + ψfτ − ψf(p))(0)<br />
= D(ψfσ)(0) + D(ψfτ)(0) = D(ψfϕ −1 ϕσ)(0) + D(ψfϕ −1 ϕτ)(0)<br />
= D(ψfϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕσ)(0) + D(ψfϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕτ)(0).<br />
D(ψfρ)(0) = D(ψfϕ −1 (ϕσ + ϕτ − ϕ(p)))(0)<br />
Zatem [ρ] = [fρ] i stąd otrzymujemy:<br />
= +D(ψfϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕσ + ϕτ − ϕ(p))(0)<br />
= D(ψfϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕσ)(0) + D(ψfϕ −1 )(ϕ(p)) ◦ D(ϕτ)(0).<br />
Tpf([σ] + [τ]) = Tpf([ρ]) = [fρ] = [ρ] = [fσ] + [fτ] = Tpf([σ]) + Tpf([τ]).<br />
Analogicznie sprawdzamy, że Tpf(r[σ]) = rTpf([σ]), dla r ∈ R. ⊠<br />
Łatwo udowodnić:<br />
Stwierdzenie 7.6.3.<br />
(1) Tp(1M ) = 1TpM .<br />
(2) Tp(g ◦ f) = T f(p)g ◦ Tpf. ⊠<br />
Wniosek 7.6.4. Jeśli f : M −→ N jest dyfeomorfizmem, to Tpf : TpM −→ T f(p)N jest izomorfizmem<br />
przestrzeni liniowych. ⊠<br />
Przedstawimy teraz wszystkie powyższe fakty w języku derywacji lokalnych.<br />
Załóżmy, że f : M −→ N jest odwzorowaniem gładkim. Mamy wtedy R-algebrowy homomorfizm<br />
C(f) : C(N) −→ C(M), α ↦→ αf. Jeśli δ : C(M) −→ R jest derywacją p-lokalną, to odwzorowanie<br />
d = δ ◦ C(f) : C(N) −→ R jest derywacją f(p)-lokalną. Istotnie, niech α, β ∈ C(N). Wtedy:<br />
d(αβ) = δC(f)(αβ) = δ(αβf) = δ((αf)(βf))<br />
Mamy zatem odwzorowanie R-liniowe<br />
Łatwo sprawdzić:<br />
Stwierdzenie 7.6.5.<br />
(1) Dp(1M ) = 1 Dp(C(M)).<br />
(2) Dp(g ◦ f) = D ϕ(p)g ◦ Dpf. ⊠<br />
= αf(p)δ(βf) + βf(p)δ(αf) = α(f(p))d(β) + β(f(p))d(α).<br />
Dpf : Dp(C(M)) −→ D f(p)(C(N)), δ ↦−→ δ ◦ C(f).<br />
Wniosek 7.6.6. Jeśli f : M −→ N jest dyfeomorfizmem, to Dpf : DpM −→ D ϕ(p)N jest izomorfizmem<br />
przestrzeni R-liniowych. ⊠<br />
Niech Φ(M) : TpM −→ Dp(C(M)), [σ] ↦−→ d [σ], będzie izomorfizmem rozpatrywanym w Twierdzeniu<br />
7.5.5. Niech Φ(N) : T f(p)N −→ D f(p)(C(N)), [τ] ↦−→ d [τ], będzie też takim izomorfizmem.<br />
Stwierdzenie 7.6.7. Jeśli f : M −→ N jest odwzorowaniem gładkim i p ∈ M, to<br />
Φ(N) ◦ Tpf = Dpf ◦ Φ(M). ⊠
8. Wiązka styczna 51<br />
8 Wiązka styczna<br />
Podamy trzy równoważne definicje wiązki stycznej. W pierwszej definicji wykorzystamy funkcje<br />
przejścia, a w następnych krzywe i derywacje lokalne.<br />
Zakładamy w tym rozdziale, że M jest rozmaitością gładką wymiaru n i A = {(Ui, ϕi)}i∈I jest jej<br />
ustalonym atlasem.<br />
8.1 Wiązka styczna i funkcje przejścia<br />
Wiemy (patrz Podrozdział 5.5), że wiązkę wektorową można definiować przy pomocy funkcji przejścia.<br />
Jeśli x ∈ Ui ∩ Uj, to definiujemy automorfizm R-liniowy gij(x) : R n −→ R n , przyjmując:<br />
Sprawdza się łatwo, że odwzorowania<br />
gij(x) = D(ϕij)(ϕj(x)).<br />
gij : Ui ∩ Uj −→ AutR(R n )<br />
spełniają warunki (1) i (2) definicji funkcji przejścia (patrz Podrozdział 5.5). Definiują nam zatem<br />
wiązkę wektorową, którą nazywamy wiązką styczną do M.<br />
8.2 Wiązka styczna i krzywe<br />
Przypomnijmy, że przez TpM oznaczamy przestrzeń styczną do M w punkcie p. Pamiętamy, że<br />
[σ] oznaczamy klasę abstrakcji krzywej σ : J −→ M. TpM jest zbiorem wszystkich klas abstrakcji<br />
krzywych na M o środku w punkcie p, tzn., TpM = {[σ]; σ(0) = p}.<br />
Definicja 8.2.1. Zbiór wszystkich klas abstrakcji krzywych na M oznaczamy przez TM i nazywamy<br />
wiązką styczną do rozmaitości M. Przez π oznaczamy odwzorowanie z TM do M określone wzorem<br />
π([σ]) = σ(0).<br />
Odwzorowanie π jest dobrze określone. Jeśli bowiem [σ] = [σ ′ ], to oczywiście σ(0) = σ ′ (0). Zauważmy,<br />
że π −1 (p) = TpM jest przestrzenią wektorową nad R.<br />
Stwierdzenie 8.2.2. Odwzorowanie π : TM −→ M jest surjekcją.<br />
Dowód. Niech p ∈ M. Rozpatrzmy funkcją stałą σp : J −→ M, t ↦→ p. Funkcja ta jest krzywą na<br />
M i π([σp]) = σp(0) = p. ⊠<br />
Wykażemy, że trójka (TM, π, M) jest wiązką wektorową (w sensie topologicznym) oraz, że TM<br />
jest rozmaitością gładką i π jest odwzorowaniem gładkim.<br />
Przez e oznaczamy ustalony wektor bazowy przestrzeni R 1 .<br />
Niech (Ui, ϕi) będzie mapą z atlasu A. Wtedy<br />
π −1 (Ui) = {[σ] ∈ TM; σ(0) ∈ Ui}.<br />
Definiujemy odwzorowanie Φi : π −1 (Ui) −→ Ui × R n , przyjmując:<br />
Φi([σ]) = (σ(0), D(ϕiσ)(0)(e)).<br />
Z definicji równoważności krzywych wynika, że odwzorowanie to jest dobrze określone.<br />
Stwierdzenie 8.2.3. Odwzorowanie Φi : π −1 (Ui) −→ Ui × R n jest bijekcją.
52 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Dowód. Różnowartościowość wynika z definicji równoważności krzywych. Pokażemy, że Φi jest<br />
surjekcją. Niech (x, v) ∈ Ui×R n . Rozpatrzmy krzywą τ : J −→ R n określoną wzorem τ(t) = tv+ϕi(x).<br />
Niech σ = ϕ −1<br />
i τ : J −→ M. Wtedy Φi([σ]) = (x, v). ⊠<br />
Stwierdzenie 8.2.4. Niech x ∈ Ui ∩ Uj, v ∈ R n . Wtedy<br />
ΦiΦ −1<br />
j (x, v) = (x, D(ϕij)(ϕj(x))(v)).<br />
Dowód. Niech (x, v) = Φj([σ]), gdzie [σ] ∈ π −1 (Ui), σ(0) = x. Wtedy:<br />
ΦiΦ −1<br />
−1<br />
j (x, v) = ΦiΦj Φj([σ]) = Φi([σ])<br />
= (σ(0), D(ϕiσ)(0)(e))<br />
= (σ(0), D(ϕiϕ −1<br />
j ϕjσ)(0)(e))<br />
= (σ(0), D(ϕij)(ϕj(x)) ◦ D(ϕjσ)(0)(e)<br />
= (x, D(ϕij)(ϕj(x))(v)). ⊠<br />
Stwierdzenie 8.2.5. Niech (Ui, ϕi) będzie mapą punktu x ∈ M. Niech [σ], [τ] ∈ TxM, r ∈ R.<br />
(a) Jeśli Φi([σ]) = (x, a), Φ([τ]) = (x, b), gdzie a, b ∈ R n , to Φi([σ] + [τ]) = (x, a + b).<br />
(b) Jeśli Φi([σ]) = (x, a), gdzie a ∈ R n , to Φi(r[σ]) = (x, ra).<br />
Dowód. Dowodzimy tak samo jak Stwierdzenie 7.5.3. ⊠<br />
W zbiorze TM wprowadzamy minimalną topologię, w której wszystkie funkcje postaci Φi oraz<br />
funkcja π są ciągłe. Zbiory otwarte w TM są sumami przekrojów skończonej liczby zbiorów Wj ⊆<br />
π −1 (Ui) takich, że zbiór Φj(Wj) jest otwarty. Wtedy wszystkie odwzorowania Φi : π −1 (Ui) −→ Ui×R n<br />
są homeomorfizmami. Mamy zatem następujące stwierdzenie.<br />
Stwierdzenie 8.2.6. Trójka (TM, π, M) jest wiązką wektorową nad M. ⊠<br />
Wyjaśnijmy jeszcze, że przestrzeń TM ma strukturę rozmaitości gładkiej taką, że surjekcja π :<br />
TM −→ M jest odwzorowaniem gładkim. Atlas dla TM konstruuje się w następujący sposób.<br />
Niech Ψi : π −1 (Ui) −→ R 2n będzie złożeniem<br />
czyli<br />
π −1 (Ui)<br />
Φi<br />
n ϕi×1<br />
−→ Ui × R −→ R n × R n ,<br />
Ψi([σ]) = (ϕi(σ(0)), D(ϕiσ)(0)(e)).<br />
Oczywiście Ψi jest homeomorfizmem. Ze Stwierdzenia 8.2.4 wynika:<br />
Stwierdzenie 8.2.7. ΨiΨ −1<br />
j (a, v) = (ϕij(a), D(ϕij)(a)(v)). ⊠<br />
Stąd otrzymujemy:<br />
Wniosek 8.2.8. Odwzorowania Ψij = ΨiΨ −1<br />
j<br />
Mamy zatem<br />
są klasy C ∞ . ⊠<br />
Wniosek 8.2.9. Jeśli M jest rozmaitością gładką wymiaru n, to TM jest też rozmaitością gładką i<br />
jej wymiar jest równy 2n. Atlasem rozmaitości TM jest rodzina {(π −1 (Ui), Ψi)}i∈I. ⊠<br />
Z powyższych konstrukcji wynika, że jeśli M jest rozmaitością klasy C r , to T M jest rozmaitością klasy C r−1 .<br />
Zauważmy jeszcze, że rozważana tu wiązka styczna (TM, π, M) pokrywa się z wiązką styczną<br />
wprowadzoną w poprzednim podrozdziale (przy pomocy funkcji przejścia). Jeśli x ∈ Ui ∩ Uj oraz<br />
gij(x) : R n −→ R n jest określone wzorem<br />
gij(x)(v) = D(ϕij)(ϕj(x))(v),<br />
to (na mocy Stwierdzenia 8.2.4) (x, gij(x)(v)) = ΦiΦ −1<br />
j (x, v).
8. Wiązka styczna 53<br />
8.3 Wiązka styczna i derywacje lokalne<br />
Zdefiniujemy wiązkę styczną do M przy pomocy derywacji x-lokalnych z C(M) do R, gdzie x ∈<br />
M. Wiązkę tę oznaczać będziemy (chwilowo) przez WM, a jej włókna przez WxM. Zachowujemy<br />
poprzednie oznaczenia TM i TxM dla, dobrze nam znanych, zbiorów klas abstrakcji krzywych na<br />
M. Przypomnijmy jeszcze, że przez Dx(C(M)) oznaczamy przestrzeń wektorową nad R, wszystkich<br />
derywacji x-lokalnych z C(M) do R.<br />
Definicja 8.3.1.<br />
Zbiór WM nazywamy wiązką styczną do M.<br />
WxM = {x} × Dx(C(M)), WM = <br />
p : WM −→ M, (x, d) ↦−→ x.<br />
Odwzorowanie p jest oczywiście surjekcją oraz p −1 (x) = WxM.<br />
Podamy szkic dowodu następującego twierdzenia.<br />
x∈M<br />
WxM,<br />
Twierdzenie 8.3.2.<br />
(a) Na zbiorze WM można wprowadzić topologię taką, że trójka (WM, p, M) stanie się wiązką<br />
wektorową nad M (w sensie topologicznym).<br />
(b) Przestrzeń topologiczna WM, z topologią wprowadzoną w (a), ma naturalną strukturę rozmaitości<br />
gładkiej taką, że odwzorowanie p jest gładkie.<br />
(c) Wiązka styczna (TM, π, M), wprowadzona w poprzednim podrozdziale, jest izomorficzna z wiązką<br />
(WM, p, M).<br />
Szkic dowodu. Niech (Ui, ϕi) będzie mapą rozmaitości M. Mamy wtedy równość<br />
p −1 (Ui) = <br />
x∈Ui<br />
WxM.<br />
Przypomnijmy (patrz Podrozdział 7.3), że jeśli x ∈ Ui oraz d ∈ Dx(C(M)), to<br />
d = d(ϕ [1]<br />
i )∆ϕi 1 + · · · + d(ϕ[n] i )∆ϕi n ,<br />
gdzie ∆ ϕi<br />
1 , . . . , ∆ϕi n są derywacjami x-lokalnymi tworzącymi bazę przestrzeni Dx(C(M)) nad R, nato-<br />
miast ϕ [1]<br />
i , . . . , ϕ [n]<br />
i : M −→ R są funkcjami gładkimi takimi, że ϕ [j]<br />
i | Ui = ϕ (j)<br />
i , dla j = 1, . . . , n, przy<br />
czym (ϕ (1)<br />
i , . . . , ϕ (n)<br />
i ) = ϕi. Przypomnijmy również, że<br />
∆ ϕi<br />
j<br />
∂fϕ−1 i (f) = ∂xj (ϕi(x)), dla f ∈ C(M), j = 1, . . . , n.<br />
Widzimy więc, że z każdą derywacją d ∈ Dx(C(M)) stowarzyszony jest wektor<br />
(d(ϕ [1]<br />
i ), . . . , d(ϕ[n] i )) ∈ Rn .<br />
Wektor ten zależy oczywiście od wybranej mapy (Ui, ϕi) punktu x.<br />
Definiujemy teraz odwzorowanie<br />
przyjmując, dla (x, d) ∈ WxM,<br />
Φi : p −1 (Ui) −→ Ui × R n ,<br />
Φi(x, d) = (x, (d(ϕ [1]<br />
i ), . . . , d(ϕ[n] i )).<br />
Jest jasne, że odwzorowania postaci Φi są bijekcjami.
54 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
W zbiorze WM wprowadzamy minimalną topologię, w której wszystkie funkcje postaci Φi oraz<br />
funkcja p są ciągłe. Zbiory otwarte w WM są sumami przekrojów skończonej liczby zbiorów Wj ⊆<br />
p −1 (Ui) takich, że zbiór Φj(Wj) jest otwarty. Wtedy wszystkie odwzorowania Φi : π −1 (Ui) −→ Ui×R n<br />
są homeomorfizmami. Zatem trójka (WM, p, M) jest wiązką wektorową nad M.<br />
Wprowadzimy teraz na WM strukturę różniczkową. Atlas dla WM konstruujemy dokładnie tak<br />
samo, jak atlas dla wiązki stycznej TM, z poprzedniego podrozdziału. Powtórzmy to jeszcze raz.<br />
Niech Ψi : p −1 (Ui) −→ R 2n będzie złożeniem<br />
p −1 (Ui)<br />
Φi<br />
n ϕi×1<br />
−→ Ui × R −→ R n × R n .<br />
Oczywiście Ψi jest homeomorfizmem.<br />
Teraz wykazuje się następujące dwa stwierdzenia, które są dokładnie takie same, jak odpowiednie<br />
stwierdzenia z poprzedniego podrozdziału.<br />
Stwierdzenie 8.3.3. Niech x ∈ Ui ∩ Uj, v ∈ R n . Wtedy<br />
ΦiΦ −1<br />
j (x, v) = (x, D(ϕij)(ϕj(x))(v)). ⊠<br />
Stwierdzenie 8.3.4. ΨiΨ −1<br />
j (a, v) = (ϕij(a), D(ϕij)(a)(v)). ⊠<br />
Stąd widzimy, że wszystkie odwzorowania postaci Ψij = ΨiΨ −1<br />
j<br />
są klasy C ∞ . Jeśli więc M jest<br />
rozmaitością gładką wymiaru n, to WM jest też rozmaitością gładką i jej wymiar jest równy 2n.<br />
Atlasem rozmaitości WM jest rodzina {(p −1 (Ui), Ψi)}i∈I. Teraz jest oczywiste, że wiązka (WM, p, M)<br />
jest izomorficzna z wiązką (TM, π, M). Dowód naszego twierdzenia został więc zakończony. ⊠
9. Pola wektorowe i derywacje 55<br />
9 Pola wektorowe i derywacje<br />
9.1 Gładkie wiązki wektorowe<br />
W Rozdziale 5 przedstawiliśmy ogólne pojęcia dotyczące wiązek wektorowych nad przestrzeniami<br />
topologicznymi. W poprzednim rozdziale podaliśmy równoważne opisy wiązki stycznej do rozmitości<br />
gładkiej M. Wiązka styczna jest oczywiście wiązką wektorową w sensie Rozdziału 5. Ma ona jednak<br />
dodatkowe własności. Przestrzenie topologiczne, występujące w wiązce stycznej, są rozmaitościami<br />
gładkimi, a rzutowanie jest odwzorowaniem gładkim. Spełnione są jeszcze inne własności. Każda<br />
wiązka styczna jest tzw. wiązką gładką, którą definiuje się następująco.<br />
Definicja 9.1.1 ([4]48). Niech M będzie rozmaitością gładką wymiaru n. Gładką wiązką wektorową<br />
nad M nazywamy trójkę (E, p, M) taką, że:<br />
(1) E jest rozmaitością gładką;<br />
(2) p : E −→ M jest gładką surjekcją;<br />
(3) dla każdego x ∈ M, zbiór p −1 (x) jest przestrzenią wektorową nad R i topologia tej przestrzeni<br />
jest zgodna z topologią indukowaną z topologii na E;<br />
(4) E jest loklanie trywialne, tzn., dla dowlnego x ∈ M istnieje zbiór otwarty U ⊆ M, zawierający<br />
x taki, że zbiór p −1 (U) jest izomorficzny z U × R n w następującym sensie: istnieje dyfeomorfizm<br />
Φ : U × R n −→ p −1 (U) taki, że<br />
(a) pΦ(u, a) = u, dla (u, a) ∈ U × R n ,<br />
(b) jeśli u ∈ U, to odwzorowanie Φ(u, ) : R n −→ p −1 (u) jest liniowym izomorfizmem.<br />
Łatwo wykazać:<br />
Stwierdzenie 9.1.2 ([4]48). Jeśli (E, p, M) jest gładką wiązką wektorową nad M i U ⊆ M jest<br />
zbiorem otwartym, to trójka (p −1 (U), p|U, U) jest gładką wiązką wektorową nad U. ⊠<br />
Definicja 9.1.3. Wiązkę (p −1 (U), p|U, U) (z powyższego stwierdzenia) oznaczamy przez E|U i nazywamy<br />
ograniczeniem wiązki E do U.<br />
Stwierdzenie 9.1.4. Wiązka styczna do rozmaitości gładkiej M jest gładką wiązką wektorową nad<br />
M. ⊠<br />
9.2 Przekroje gładkich wiązek wektorowych<br />
O przekrojach dla rodzin wektorowych nad przestrzenią topologiczną mówiliśmy w Rozdziale 5. Teraz<br />
przedstawimy pewne ogólne własności przekrojów gładkich dla gładkiej wiązki wektorowej.<br />
Niech E = (E, p, M) będzie gładką wiązką wektorową (w sensie definicji z poprzedniego podrozdziału).<br />
Definicja 9.2.1. Przekrojem (gładkim) wiązki E nazywamy każde odwzorowanie gładkie s : M −→ E<br />
takie, że ps = 1M .<br />
Odwzorowanie gładkie s : M −→ E jest więc przekrojem (gładkim) wiązki E, jeśli<br />
s(x) ∈ Ex = p −1 (x), dla x ∈ M.<br />
Zbiór wszystkich przekrojów gładkich wiązki E oznaczamy przez Γ(E). Przekroje można dodawać i<br />
mnożyć przez funkcje gładkie z M do R. Jeśli s1, s2, s ∈ Γ(E) oraz f ∈ C(M), to przekroje s1 + s2<br />
oraz f · s definiujemy nastąpująco. Jeśli x ∈ M, to<br />
(s1 + s2)(x) = s1(x) + s2(x) dodawanie w przestrzeni p −1 (x),<br />
(f · s)(x) = f(x)s(s) mnożenie przez skalar w przestrzeni p −1 (x).<br />
Stwierdzenie 9.2.2. Zbiór Γ(E) jest C(M)-modułem. ⊠
56 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Łatwo udowodnić:<br />
Stwierdzenie 9.2.3 ([4]50). Niech s1, . . . , sn ∈ Γ(E) będą takimi przekrojami, że dla każdego punktu<br />
x ∈ M, wektory s1(x), . . . , sn(x) tworzą bazę przestrzeni wektorowej p −1 (x). Wtedy, dla dowolnego<br />
przekroju s ∈ Γ(E) istnieją jednoznacznie wyznaczone funkcje gładkie α1, . . . , αn ∈ C(M) takie, że<br />
s = α1s1 + · · · + αnsn. ⊠<br />
Stwierdzenie to możemy wysłowić również w następujący sposób.<br />
Stwierdzenie 9.2.4. Załóżmy, że istnieją przekroje s1, . . . , sn ∈ Γ(E) takie, że dla każdego punktu<br />
x ∈ M, wektory s1(x), . . . , sn(x) tworzą bazę przestrzeni wektorowej p −1 (x). Wtedy Γ(E) jest modułem<br />
wolnym nad C(M) i przekroje s1, . . . , sn tworzą jego bazę. ⊠<br />
Przykład 9.2.5. Niech E = M × R n , p(x, a) = x, gdzie M jest rozmaitością gładką. Trójka E =<br />
(M × R n , p, M) jest gładką wizązką wektorową, zwaną wiązką trywialną. Jeśli e1, . . . , en jest bazą<br />
przestrzeni R n nad R, to odwzorowania si : M −→ M × R n , si(x) = (x, ei), i = 1, . . . , n tworzą bazę<br />
modułu Γ(E) nad C(M). ⊠<br />
Ponieważ każda gładka wiązka wektorowa jest lokalnie trywialna, więc (na mocy powyższego przykładu)<br />
każda gładka wiązka wektorowa posiada lokalną bazę, tzn.:<br />
Stwierdzenie 9.2.6 ([4]51). Niech s ∈ Γ(E). Wtedy, dla każdego x ∈ M, istnieje zbiór otwarty<br />
U ⊆ M, zwierający x, istnieją przekroje s1, . . . , sn ∈ Γ(E|U) i istnieją jednoznacznie wyznaczone<br />
funkcje gładkie α1, . . . , αn ∈ C(U) takie, że dla wszystkich u ∈ U zachodzi równość:<br />
9.3 Pola wektorowe<br />
s(u) = α1(u)s1(u) + · · · + αn(u)sn(u). ⊠<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką wymiaru n. Mamy wtedy wiązkę styczną TM = (TM, π, M),<br />
która jest gładką wiązką wektorową nad M w sensie Definicji 9.1.1. Mamy zatem C(M)-moduł Γ(TM),<br />
wszystkich przekrojów tej wiązki.<br />
Definicja 9.3.1. Każdy element modułu Γ(TM) nazywamy polem wektorowym na M.<br />
Polem wektorowym na M jest więc każde odwzorowanie gładkie s : M −→ TM takie, że s(x) ∈<br />
TxM, dla wszystkich x ∈ M.<br />
Niech Der(C(M)) będzie C(M)-modułem wszystkich R-derywacji pierścienia C(M)) (tzn. Rliniowych<br />
odwzorowań z C(M) do C(M), spełniających warunek Leibniza). Udowodnimy następujące<br />
twierdzenie.<br />
Twierdzenie 9.3.2. C(M)-moduły Der(C(M)) i Γ(TM) są izomorficzne.<br />
Podamy dwa dowody tego faktu. Najpierw jednak przedstawimy pewne uwagi o derywacjach pierścienia<br />
C(M).<br />
9.4 Derywacje pieścienia funkcji gładkich<br />
Niech, tak jak poprzednio, M będzie rozmaitością gładką wymiaru n. Rozpoczynamy od następującego<br />
oczywistego stwierdzenia.<br />
Stwierdzenie 9.4.1. Jeśli d : C(M) −→ C(M) jest R-derywacją i x ∈ M, to odwzorowanie<br />
jest derywacją x-lokalną. ⊠<br />
dx : C(M) −→ R, f ↦−→ d(f)(x),<br />
Z tego stwierdzenia oraz Wniosku 7.3.7 otrzymujemy:
9. Pola wektorowe i derywacje 57<br />
Stwierdzenie 9.4.2. Niech d : C(M) −→ C(M) będzie R-derywacją. Niech x ∈ M i niech (U, ϕ)<br />
będzie mapą punktu x. Wtedy, dla wszystkich f ∈ C(M), zachodzi równość:<br />
d(f)(x) = n ∂fϕ<br />
i=1<br />
−1<br />
∂xi (ϕ(x))d(ϕ[i] )(x).⊠<br />
W szczególności, dla M = R n (z jednoelementowym atlasem), mamy:<br />
Stwierdzenie 9.4.3. Niech π1, . . . , πn : Rn −→ R będą rzutowaniami. Jeśli d : C(Rn ) −→ C(Rn )<br />
jest R-derywacją, to<br />
d = d(π1) ∂<br />
∂<br />
+ · · · + d(πn) . ⊠<br />
∂x1 ∂xn<br />
9.5 Pierwszy dowód twierdzenia o izomorfizmie<br />
Zakładamy, że wiązka styczna TM jest zdefiniowana przy pomocy krzywych. Podamy izomorfizm<br />
F : Γ(TM) −→ Der(C(M)).<br />
Istotną rolę odgrywać będzie Lemat 7.5.1 mówiący o tym, że jeśli krzywe σ, τ : J −→ M są<br />
równoważne i f ∈ C(M), to D(fσ)(0) = D(fτ)(0).<br />
Niech s : M −→ TM będzie polem wektorowym na M. Definiujemy wtedy odwzorowanie δs :<br />
C(M) −→ C(M), przyjmując<br />
δs(f)(x) = D(fσ)(0)(e) = d(fσ)<br />
dt (0),<br />
dla f ∈ C(M), x ∈ M, gdzie σ : J −→ M jest krzywą taką, że s(x) = [σ] ∈ TxM. Element e jest,<br />
tak jak zwykle, ustalonym wektorem bazowym z R 1 . Definicja ta jest poprawna. Wiemy bowiem, na<br />
mocy Lematu 7.5.1, że δs(f)(x) nie zależy od wyboru reprezentanta σ.<br />
Lemat 9.5.1. Odwzorowanie δs : C(M) −→ C(M) jest R-derywacją.<br />
Dowód. R-liniowość jest oczywista. Niech f, g ∈ C(M), x ∈ M. Wtedy<br />
ds(fg)(x) = D((fg)σ)(0)(e) = D((fσ)(gσ))(0)(e)<br />
Zatem ds(fg) = fds(g) + gds(f). ⊠<br />
= fσ(0)D(gσ)(0)(e) + gσ(0)D(fσ)(0)(e)<br />
= f(x)ds(g)(x) + g(x)ds(f)(x) = (fds(g) + gds(f))(x).<br />
Lemat 9.5.2. Niech s1, s2, s ∈ Γ(TM), h ∈ C(M). Wtedy:<br />
(1) δs1+s2 = δs1 + δs2 ,<br />
(2) δhs = hδs.<br />
Dowód. Niech f ∈ C(M), x ∈ M. Niech s1(x) = [σ1], s2(x) = [σ2], s(x) = [σ]. Załóżmy jeszcze,<br />
że (U, ϕ) jest mapą punktu x i niech<br />
ρ = ϕ −1 (ϕσ1 + ϕσ2 − ϕ(x)), ω = ϕ −1 (h(x)ϕσ + (1 − h(x))ϕ(x)).<br />
Wtedy (s1 + s2)(x) = ([σ1] + [σ2] = [ρ], (hs)(x) = h(x)[σ] = [ω]. Mamy zatem:<br />
(δs1<br />
+ δs2 )(f)(x) = δs1 (f)(x) + δs2 (f)(x)<br />
= D(fσ1)(0)(e) + D(fσ2)(0)(e)<br />
= D(fϕ −1 ϕσ1)(0)(e) + D(fϕ −1 ϕσ2)(0)(e)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(x)) ◦ D(ϕσ1)(0) + D(fϕ −1 )(ϕ(x) ◦ D(ϕσ2)(0) (e)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(x)) ◦ (D(ϕσ1)(0) + D(ϕσ2)(0)) (e)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(x)) ◦ (D(ϕσ1 + ϕσ2 − ϕ(x))(0)) (e)<br />
= D(fϕ −1 (ϕσ1 + ϕσ2 − ϕ(x))(0)(e)<br />
= D(fρ)(0)(e)<br />
= δs1+s2 (f)(x).
58 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
(hδs)(f)(x) = f(x)δs(f)(x)<br />
= h(x)D(fσ)(0)(e)<br />
= h(x)D(fϕ −1 ϕσ)(0)(e)<br />
= h(x)D(fϕ −1 )(ϕ(x)) ◦ D(ϕσ)(0)(e)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(x)) ◦ D(h(x)ϕσ + (1 − h(x)ϕ(x))(0)(e)<br />
= D(fω)(0)(e)<br />
= δhs(f)(x).<br />
Zatem δs1+s2 = δs1 + δs2 oraz δhs = hδs. ⊠<br />
Przypomnijmy, że zerem 0x w TxM jest klasa abstrakcji krzywej stałej J −→ M, t ↦→ x. Jeśli<br />
σ : J −→ M jest krzywą o środku w x, to [σ] = 0x ⇐⇒ D(ϕσ)(0) = 0, gdzie (U, ϕ) jest mapą<br />
punktu x (wynika to z definicji równoważności krzywych). Zerowym polem wektorowym na M jest<br />
więc odwzorowanie s :−→ TM takie, że s(x) = 0x, dla wszystkich x ∈ M.<br />
Lemat 9.5.3. Jeśli δs = 0, to s = 0.<br />
Dowód. Niech x ∈ M, s(x) = [σ] i niech (U, ϕ) będzie mapą punktu x. Musimy pokazać, że<br />
D(ϕσ)(0)(e) = 0. Niech ϕ [1] , . . . , ϕ [n] : M −→ R będą funkcjami gładkimi wprowadzonymi w podrozdziale<br />
7.3. Ponieważ δs = 0, więc δs(ϕ [j] )(x) = 0, czyli D(ϕ [j] σ)(0)(e) = 0, dla j = 1, . . . , n. W<br />
otoczeniu 0 ∈ J zachodzi oczywiście równość ϕσ = (ϕ [1] σ, . . . , ϕ [n] σ). Zatem:<br />
⎡<br />
D(ϕ<br />
⎢<br />
D(ϕσ)(0)(e) = ⎢<br />
⎣<br />
[1] σ)(0)(e)<br />
.<br />
D(ϕ [1] ⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
σ)(0)(e)<br />
=<br />
⎡ ⎤<br />
0<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
⎣ . ⎥ = 0. ⊠<br />
⎦<br />
0<br />
Lemat 9.5.4. Jeśli d : C(M) −→ C(M) jest R-derywacją, to istnieje doładnie jedno pole wektorowe<br />
s na M takie, że d = δs.<br />
Dowód. Jedyność wynika z poprzednich lematów. Niech x ∈ M. Zdefiniujemy element s(x) ∈<br />
TxM. W tym celu niech (U, ϕ) będzie mapą punktu x i niech ϕ [1] , . . . , ϕ [n] : M −→ R będą funkcjami<br />
gładkimi wprowadzonymi w Podrozdziale 7.3. Niech<br />
a1 = d(ϕ [1] )(x), . . . , an = d(ϕ [n] )(x).<br />
Wtedy a = (a1, . . . , an) ∈ R n . Rozpatrzmy krzywą σx : J −→ M określoną wzorem (dla t bliskich<br />
zera):<br />
σx(t) = ϕ −1 (at + ϕ(x)).<br />
Wtedy σx(0) = x. Przyjmujemy: s(x) = [σx]. Nie jest trudno pokazać, że w ten sposób mamy zdefiniowane<br />
odwzorowanie gładkie s : M −→ TM (patrz w jaki sposób określa się strukturę różniczkową na<br />
wiązce stycznej TM, zadanej przy pomocy krzywych) i odwzorowanie to spełnia warunek s(x) ∈ TxM,<br />
dla wszystkich x ∈ M. Zatem s jest polem wektorowym na M. Należy jeszcze wykazać, że d = δs. W<br />
tym celu wystarczy pokazać, że (przy ustalonym x ∈ M) dla każdego f ∈ C(M) zachodzi równość<br />
d(f)(x) = D(fσx)(0)(e). Jest to konsekwencja Stwierdzenia 9.4.2. Mamy bowiem:<br />
d(f)(x) = n ∂fϕ<br />
i=1<br />
−1<br />
∂xi (ϕ(x))d(ϕ[i] )(x)<br />
= n ∂fϕ<br />
i=1<br />
−1<br />
∂xi (ϕ(x))ai<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(x))(a1, . . . , an)<br />
= D(fϕ −1 )(ϕ(x))D(ϕσx)(0)(e)<br />
= D(fσx)(0)(e). ⊠<br />
Z powyższych czterech lematów otrzymujemy:
9. Pola wektorowe i derywacje 59<br />
Wniosek 9.5.5. Odwzorowanie F : Γ(TM) −→ Der(C(M)), s ↦−→ δs, jest izomorfizmem C(M)modułów.<br />
⊠<br />
9.6 Drugi dowód twierdzenia o izomorfizmie<br />
Zakładamy, że wiązka styczna TM jest zdefiniowana przy pomocy derywacji lokalnych. Podamy izomorfizm<br />
G : Der(C(M)) −→ Γ(WM).<br />
Wiemy, że jeśli d : C(M) −→ C(M) jest R-derywacją, to dla każdego punktu x ∈ M, odwzorowanie<br />
dx : C(M) −→ R, f ↦−→ d(f)(x),<br />
jest derywacją x-lokalną. Z każdą więc derywacją d ∈ Der(C(M)) stowarzyszone jest odwzorowanie<br />
sd : M −→ WM, sd(x) = (x, dx), dla x ∈ M.<br />
Spełniony jest wtedy warunek sd(x) ∈ WxM (dla wszystkich x ∈ M) i można udowodnić, że s jest<br />
odwzorowaniem gładkim. Mamy zatem:<br />
Lemat 9.6.1. sd ∈ Γ(WM). ⊠<br />
Dalej z łatwością dowodzimy:<br />
Lemat 9.6.2. Jeśli d1, d2, d ∈ Der(C(M)), h ∈ C(M), to sd1+d2 = sd1 + sd2 oraz shd = hsd. ⊠<br />
Lemat 9.6.3. Jeśli sd = 0, to d = 0. ⊠<br />
Teraz wykażemy:<br />
Lemat 9.6.4. Dla każdego pola wektorowego s : M −→ WM istnieje dokładnie jedna R-derywacja<br />
d ∈ Der(C(M)) taka, że s = sd.<br />
Dowód. Jedyność wynika z poprzedniego lematu. Ponieważ s jest polem wektorowym więc, dla<br />
każdego x ∈ M, istnieje derywacja x-lokalna δx : C(M) −→ R taka, że s(x) = (x, δx). Definiujemy<br />
d : C(M) −→ C(M) przyjmując<br />
Jest jasne, że d jest R-derywacją oraz s = sd. ⊠<br />
Z powyższych czterech lematów otrzymujemy:<br />
d(f)(x) = δx(f), dla f ∈ C(M), x ∈ M.<br />
Wniosek 9.6.5. Odwzorowanie G : Der(C(M)) −→ Γ(TM), d ↦−→ sd, jest izomorfizmem C(M)modułów.<br />
⊠<br />
9.7 Nawias Liego pól wektorowych<br />
Definicja 9.7.1. Algebrą Liego (nad ciałem k) nazywamy przestrzeń liniową L wraz z dwuliniowym<br />
działaniem [ , ] : L × L −→ L spełniającym warunki:<br />
(1) [a, a] = 0, dla a ∈ A,<br />
(2) [[a, b], c] + [[b, c], a] + [[c, a], b] = 0, dla a, b, c ∈ A (tożsamość Jacobiego).<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką. Wtedy Der(C(M)) jest algebrą Liego nad R z nawiasem<br />
[d1, d2] = d1d2 − d2d1. Wiemy, że C(M)-moduły Γ(TM) i Der(C(M)) są izomorficzne. Są więc to<br />
izomorficzne przestrzenie liniowe nad R. Ponieważ druga przestrzeń jest algebrą Liego, więc przestrzeń<br />
Γ(TM) też ma strukturę algebry Liego.<br />
Wniosek 9.7.2. Moduł Γ(TM) jest algebrą Liego nad R z nawiasem:<br />
[s1, s2] = s ⇐⇒ [δs1 , δs2 ] = δs, ⊠<br />
Dodatkowe informacje na ten temat są w PH431.
60 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
9.8 Uwagi<br />
9.1 Dowody następujących dwóch stwierdzeń są w PH1191.<br />
Stwierdzenie 9.8.1. Niech s ∈ Γ(E), gdzie E = (E, p, M) jest wiązką nad rozmaitością gładką M. Jeśli<br />
s(x) = 0 dla wszystkich s ∈ M, to C(M)-moduł C(M)s jest wolny i s jest jego wolnym generatorem. ⊠<br />
Stwierdzenie 9.8.2. Niech s ∈ Γ(E), gdzie E = (E, p, M) jest wiązką nad rozmaitością gładką M. Jeśli M<br />
jest przestrzenią parazwartą, to następujące dwa warunki są równoważne.<br />
(1) s(x) = 0 dla wszystkich x ∈ M;<br />
(2) C(M)-moduł C(M)s jest modułem wolnym będącym składnikiem prostym modułu Γ(E). ⊠<br />
9.2 Rozważmy sferę S n = {a ∈ R n+1 ; ||a|| = 1}. Jest to oczywiście rozmaitość gładka. Korzystając z teorii<br />
homotopii (np. z faktu, że H2(S 2 ) = Z), można udowodnić:<br />
Twierdzenie 9.8.3 (o zaczesaniu). Jeśli s ∈ Γ(TS 2n ), to istnieje x ∈ S 2n takie, że s(x) = 0. ⊠<br />
Z tego twierdzenia oraz ze Stwierdzenia 9.8.2 wynika:<br />
Wniosek 9.8.4. Jeżeli n jest liczbą parzystą, to Γ(TS n ) nie jest modułem wolnym, a nawet nie posiada<br />
wolnego składnika prostego. ⊠
10. Działanie funktora na wiązkę 61<br />
10 Działanie*funktora na wiązkę<br />
Przez V oznaczamy kategorię skończenie wymiarowych przestrzeni liniowych nad R. Będziemy rozważali<br />
ciągłe funktory z V do V, tzn. takie funktory F : V −→ V, dla których ciągłe są wszystkie<br />
odwzorowania postaci<br />
F | Hom(V, V ′ ) : Hom(V, V ′ ) −→ Hom(F (V ), F (V ′ ))<br />
w przypadku, gdy funktor F jest kowariantny i postaci<br />
F | Hom(V, V ′ ) : Hom(V, V ′ ) −→ Hom(F (V ′ ), F (V )),<br />
gdy funktor F jest kontrawariantny.<br />
Zbiory postaci Hom(V, V ′ ) oraz Hom(F (V ), F (V ′ )) lub Hom(F (V ′ ), F (V )) są przestrzeniami wektorowymi nad R.<br />
Są to więc przestrzenie topologiczne z naturalnymi topologiami przestrzeni wektorowych. Nie jest trudno pokazać, że<br />
każdy addytywny funktor F : V −→ V jest ciągły.<br />
Przedstawimy w skrócie dwa sposoby definiowania działania funktora F na wiązkę. Wspomnimy<br />
o przekrojach pewnych wiązek i przypomnimy definicje i własności pewnych znanych funktorów.<br />
10.1 Definicja przy pomocy funkcji przejścia<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką.<br />
Definicja 10.1.1 (PH42). Niech E = (E, p, M) będzie wiązką (gładką) wyznaczoną przez funkcje<br />
przejścia gij : Ui ∩ Uj −→ AutR(V ), gdzie {Ui} jest pokryciem trywializującym. Jeśli F : V −→ V jest<br />
funktorem ciągłym, to przyjmujemy<br />
F (E) = (F (E), F (p), M),<br />
gdzie (F (E), F (p), M) jest wiązką o tym samym pokryciu trywializującym {Ui} i funkcjach przejścia<br />
gij : Ui ∩ Uj −→ AutR(F (V ),<br />
zdefiniowanych (dla każdego x ∈ Ui ∩ Uj) wzorem<br />
<br />
F (gij(x)), gdy F jest funktorem kowariantnym,<br />
gij(x) =<br />
10.2 Definicja poglądowa<br />
F (gji(x)), gdy F jest funktorem kontrawariantnym.<br />
Niech E = (E, p, M) będzie wiązką i niech F : V −→ V będzie funktorem ciągłym. Definiujemy wiązkę<br />
F (E) = (F (E), F (p), M) przyjmując:<br />
F (E) = <br />
x∈M F (Ex).<br />
Odwzorowanie F (p) : F (U) −→ M określamy tak by F (p) −1 (x) = F (Ex): jeśli u ∈ F (Ex), to<br />
przyjmujemy F (p)(u) = x.<br />
Należy jeszcze wprowadzić topologię w zbiorze F (E). Topologię tę wprowadza się stopniowo w<br />
następujący sposób.<br />
1.<br />
Przypadek 1. E = M × V . Topologię przenosi się poprzez kanoniczne bijekcje:<br />
F (E) = <br />
x∈M F (Ex) = <br />
<br />
x∈M F ({x} × V ) ≈ x∈M F (V ) ≈ M × F (V ).<br />
Przypadek 2. E ≈ M × V . Wykorzystujemy bijekcję F (E) ≈ M × F (V ) i stosujemy Przypadek<br />
Przypadek 3. E jest dowolne. Jeśli U ⊆ M jest zbiorem otwartym oraz E|U ≈ U × V , to mamy<br />
indukowany izomorfizm<br />
F (E) | U = F (E|U) ≈ U × F (V ).<br />
Podzbiór W ⊆ F (E) jest otwarty o ile, dla każdego zbioru otwartego U ⊆ M takiego, że wiązka E|U<br />
jest trywialna, zbiór W ∩ F (E|U) jest otwarty.
62 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
10.3 Wiązka kostyczna<br />
Zastosujemy poprzednie definicje dla wiązki stycznej TM i funktora kontrawariantnego ∗ : V −→ V.<br />
Jeśli V jest przestrzenią wektorową nad R, to V ∗ = HomR(V, R). Jeśli f : V −→ W jest przekształceniem<br />
liniowym, to przekształcenie liniowe f ∗ : W ∗ −→ V ∗ jest określone wzorem<br />
f ∗ (α) = α ◦ f, dla α ∈ W ∗ .<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką. Zadziałajmy funktorem ∗ na wiązkę styczną TM. Otrzymujemy<br />
wtedy wiązkę, którą oznaczamy przez (TM) ∗ lub TM ∗ i nazywamy wiązką kostyczną do<br />
rozmaitości M. Mamy wtedy:<br />
TM ∗ = <br />
x∈M (TxM) ∗ (suma rozłączna).<br />
Rzutowanie p : TM ∗ −→ M jest takie, że p −1 (x) = (TxM) ∗ , tzn. jeśli u ∈ (TxM) ∗ , to p(u) =<br />
x. Strukturę różniczkową na TM ∗ zadajemy podobnie jak strukturę różniczkową na TM. Wiązka<br />
kostyczna TM ∗ jest wiązką gładką.<br />
C(M)-moduł przekrojów wiązki TM ∗ oznaczamy, tak jak zwykle, przez Γ(TM ∗ ). Moduł ten odgrywać<br />
będzie w dalszym ciągu ważną rolę. Nazywa się go modułem form różniczkowych pierwszego rzędu.<br />
Tym zajmiemy się później. Przypomnijmy tylko, że przekrojem wiązki TM ∗ jest każde odwzorowanie<br />
gładkie s : M −→ TM ∗ takie, że s(x) ∈ (TxM) ∗ , dla wszystkich x ∈ M.<br />
10.4 Potęga zewnętrzna<br />
Niech p będzie nieujemną liczbą całkowitą. Rozważmy kowariantny funktor p : V −→ V, p-tej potęgi<br />
zewnętrznej. Zadziałajmy tym funktorem na wiązkę styczną lub wiązkę kostyczną do rozmaitości<br />
gładkiej M. Otrzymujemy wtedy wiązki gładkie p p ∗ TM lub TM . Dla nas szczególnie interesująca<br />
będzie wiązka p ∗ TM . Mamy tu:<br />
p ∗ p(TxM)<br />
TM = x∈M<br />
∗ (suma rozłączna).<br />
Rzutowanie p : p TM ∗ −→ M jest takie, że p −1 (x) = p(TxM) ∗ , tzn. jeśli u ∈ p (TxM) ∗ , to<br />
p(u) = x.<br />
C(M)-moduł Γ(TM ∗ ), przekrojów wiązki TM ∗ odgrywać będzie w dalszym ciągu ważną rolę.<br />
Nazywa się go modułem form różniczkowych p-tego rzędu. Tym zajmiemy się później. Przypomnijmy<br />
tylko, że przekrojem wiązki p TM ∗ jest każde odwzorowanie gładkie s : M −→ p TM ∗ takie, że<br />
s(x) ∈ p (TxM) ∗ , dla wszystkich x ∈ M.<br />
Nie jest trudno wykazać następujące stwierdzenie.<br />
Stwierdzenie 10.4.1. Istnieje naturalny izomorfizm C(M)-modułów:<br />
Γ( p (TM ∗ )) ≈ p(Γ(TM ∗ )). ⊠
11. Formy różniczkowe 63<br />
11 Formy różniczkowe<br />
11.1 Moduł form różniczkowych<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką i niech p będzie nieujemną liczbą całkowitą.<br />
Definicja 11.1.1 (PH42). Formą różniczkową p-tego rzędu na M nazywamy każdy przekrój (gładki)<br />
wiązki p (TM ∗ ).<br />
O takich formach wspomnieliśmy już w podrozdziale 10.4.<br />
Formy różniczkowe p-tego rzędu na M to nic innego, jak elementy C(M)-modułu Γ( p (TM ∗ )).<br />
Moduł ten w dalszym ciągu oznaczać będziemy przez Ω p (M) i nazywać modułem form różniczkowych<br />
p-tego rzędu na M. Zatem:<br />
Ω p (M) = Γ( p (TM ∗ )).<br />
W szczególności:<br />
Nie jest trudno wykazać:<br />
Ω 0 (M) = C(M),<br />
Ω 1 (M) = Γ(TM ∗ ).<br />
Stwierdzenie 11.1.2. Ω p (M) = Γ( p (TM ∗ )) ≈ p(Γ(TM) ∗ ) ≈ (Γ( p(TM))) ∗ ≈ · · · ⊠<br />
Z własności p-tej potęgi zewnętrznej wynika:<br />
Stwierdzenie 11.1.3. Jeśli p > dim M, to Ω p (M) = 0. ⊠<br />
Jeśli M, N są rozmaitościami gładkimi oraz f : M −→ N jest odwzorowaniem gładkim, to w<br />
naturalny sposób określa się homomorfizm<br />
Ω p (f) : Ω p (N) −→ Ω p (M).<br />
Jest to homomorfizm C(N)-modułów. Moduł Ω p (M) ma strukturę C(N)-modułu, zadaną poprzez<br />
R-algebrowy homomorfizm C(f) : C(N) −→ C(M), α ↦→ αf.<br />
Przez Ω(M) oznacza się algebrę z gradacją, zwaną algebrą form różniczkowych na M, zdefiniowaną<br />
jako:<br />
Ω(M) = <br />
p0 Ωp (M) = p(Γ(TM) ∗<br />
p0<br />
).<br />
Jest to oczywiście algebra zewnętrzna modułu Γ(TM) ∗ = Γ(TM ∗ ). Mnożenie w Ω(M), oznaczane<br />
przez ∧, określa się tak jak w algebrze zewnętrznej. Jeśli ωp ∈ Ωp (M), ωq ∈ Ωq (M), to ωp ∧ ωq jest<br />
elementem w Ωp+q (M) takim, że dla każdego x ∈ M,<br />
11.2 Forma df<br />
(ωp ∧ ωq)(x) = ωp(x) ∧ ωq(x).<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką. Jeśli f ∈ C(M), to definiujemy odwzorowanie<br />
takie, że dla każdego x ∈ M,<br />
jest przekształceniem liniowym. Przyjmujemy:<br />
df : M −→ TM ∗<br />
(df)(x) : TxM −→ R<br />
(df)(x)([σ]) = D(fσ)(0)(1) = d(fσ)<br />
dt (0),<br />
gdzie [σ] ∈ TxM. Sprawdzaliśmy już (patrz Lemat 7.5.1), że powyższe określenie jest poprawne;<br />
nie zależy od wyboru krzywej σ : J −→ M, reprezentującej element [σ]. Wykazuje się prosto, że<br />
df : M −→ TM ∗ jest odwzorowaniem gładkim. Mamy więc:
64 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 11.2.1. Jeśli f ∈ C(M), to df ∈ Ω 1 (M). ⊠<br />
Przypomnijmy, że Ω 0 (M) = C(M). Mamy zatem odwzorowanie<br />
Łatwo sprawdzić:<br />
d : Ω 0 (M) −→ Ω 1 (M), f ↦−→ df.<br />
Stwierdzenie 11.2.2. Jeśli f, g ∈ C(M), r ∈ R, to:<br />
(1) d(f + g) = df + dg,<br />
(2) d(rf) = r(df),<br />
(3) d(fg) = fdg + gdf. ⊠<br />
Następny fakt ma również prosty dowód.<br />
Twierdzenie 11.2.3. Niech ω ∈ Ω p (M). Dla każdego punktu x ∈ M istnieje otoczenie otwarte U ∋ x<br />
i istnieje forma ω ′ ∈ Ω p (U) postaci<br />
ω ′ = <br />
k f0k(df1k) ∧ · · · ∧ (dfpk)<br />
takie, że wszystkie elementy postaci fik należą do C(U) oraz ω | U = ω ′ . ⊠<br />
11.3 Kompleks de Rhama<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką.<br />
Twierdzenie 11.3.1. Istnieje dokładnie jeden ciąg odwzorowań liniowych (nad R)<br />
d p : Ω p (M) −→ Ω p+1 (M), (p = 0, 1, . . . )<br />
taki, że:<br />
(1) d 0 = d,<br />
(2) d 1 d 0 = 0,<br />
(3) d p+q (ωp ∧ ωq) = d p (ωp) ∧ ωq + (−1) p ωp ∧ d q (ωq).<br />
Odwzorowania d p spełniają ponadto własności:<br />
(4) d p+1 d p = 0,<br />
(5) jeśli f : M −→ N jest odwzorowaniem gładkim rozmaitości gładkich, to<br />
Mamy zatem kompleks<br />
0 −→ Ω 0 (M)<br />
d p<br />
M Ωp (f) = Ω p+1 (f)d p<br />
N . ⊠<br />
d 0<br />
−→ Ω 1 (M)<br />
d 1<br />
−→ Ω 2 (M) −→ . . .<br />
Jest to tzw. kompleks de Rhama. Oznacza się go (tak jak algebrę form różniczkowych) przez Ω(M).<br />
Moduły H p (Ω(M)) nazywa się p-wymiarowymi grupami (przestrzeniami) kohomologii rozmaitości M<br />
o współczynnikach w R i oznacza się je zwykle przez H p (M, R).
12. Rozmaitość R n 65<br />
12 Rozmaitość R n<br />
Przestrzeń R n jest n-wymiarową rozmaitością gładką z jednoelementowym atlasem {(R n , id)}. Dla tej<br />
rozmaitości opiszemy wszystkie wprowadzone wcześniej pojęcia. Podamy też pewne specjalne własności<br />
tej rozmaitości.<br />
12.1 Krzywe i przestrzeń styczna<br />
Niech J = (−1, 1). Każde odwzorowanie gładkie σ : J −→ Rn jest krzywą w Rn , o środku w punkcie<br />
σ(0).<br />
Jeśli σ : J −→ Rn jest krzywą w Rn , to σ = (σ1, . . . , σn), gdzie σ1, . . . , σn : J −→ R są funkcjami<br />
gładkimi. Wówczas różniczka odwzorowania σ w punkcie 0 jest przekształceniem liniowym (nad R)<br />
D(σ)(0) : R1 −→ Rn , o n × 1 macierzy [ dσi<br />
dt (0)]. Jeśli więc e ∈ R, to<br />
D(σ)(0)(e) = ( dσ1<br />
dt<br />
(0)e, . . . , dσn<br />
dt<br />
dσ1<br />
dσn<br />
(0)e) = e( dt (0), . . . , dt (0)).<br />
Dwie krzywe σ = (σ1, . . . , σn), τ = (τ1, . . . , τn) : J −→ Rn są równoważne ⇐⇒ σ(0) = τ(0)<br />
oraz D(σ)(0) = D(τ)(0), a zatem ⇐⇒ σi(0) = τi(0) (dla i = 1, . . . , n) oraz dσi<br />
i = 1, . . . , n).<br />
dτi<br />
dt (0) = dt (0) (dla<br />
Niech p ∈ R n będzie ustalonym punktem.<br />
Wiemy, że przestrzeń styczna TpR n jest zbiorem wszystkich klas abstrakcji zbioru krzywych o<br />
środku w p, względem powyższej relacji równoważności. Dodawanie i mnożenie przez skalar w TpR n<br />
definiuje się następująco. Jeśli σ, τ : J −→ R n są krzywymi o środku w p oraz r ∈ R, to<br />
[σ] + [τ] = [σ + τ − p], r[σ] = [rσ + (1 − r)p].<br />
Zerem w TpR n jest klasa abstrakcji krzywej stałej p : J −→ R n .<br />
Jeśli a = (a1, . . . , an) ∈ R n , to definiujemy krzywą a (p) : J −→ R n przyjmując:<br />
a (p) (t) = ta + p, dla t ∈ J.<br />
Krzywe tego rodzaju wprowadziliśmy w podrozdziale 7.4. Oznaczaliśmy je przez a ϕ . Przypomnijmy<br />
zatem (co łatwo sprawdzić bezpośrednio), że jeśli a, b ∈ R n i r ∈ R, to<br />
[a (p) ] + [b (p) ] = [(a + b) (p) ], r[a (p) ] = [(ra) (p) ].<br />
Zauważmy, że [0 (p) ] jest zerem w TpR n . Dla każdej krzywej σ : J −→ R n , o środku w p, istnieje<br />
dokładnie jeden wektor a ∈ R n taki, że [σ] = [a (p) ]. Wektorem tym jest a = D(σ)(0)(1). Widzimy<br />
zatem, że przyporządkowanie a ↦→ [a (p )] jest izomorfizmem przestrzeni liniowych R n i TpR n .<br />
W dalszym ciągu możemy więc utożsamiać:<br />
TpR n = {p} × R n .<br />
Przy takim utożsamieniu stuktura przestrzeni liniowej na TpR n przedstawia się następująco:<br />
dla wszystkich a, b ∈ R n , r ∈ R.<br />
(p, a) + (p, b) = (p, a + b), r(p, a) = (p, ra), (12.1)<br />
Chcąc zrozumieć strukturę różniczkową przestrzeni R n nie musimy znać wszystkich ogólnych definicji<br />
i konstrukcji, wprowadzonych wcześniej. Przestrzeń styczną TpR n możemy zdefiniować tak, jak<br />
powyżej, tzn. TpR n = {p} × R n i działania w TpR n są zdefiniowane wzorami (12.1). Taką definicję<br />
znajdziemy np. w [25].
66 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
12.2 Derywacje lokalne<br />
Niech p ∈ R n . Rozważmy przestrzeń liniową Dp(C(R n )), wszystkich derywacji p-lokalnych z C(R n ) do<br />
R. Elementami tej przestrzeni są w szczególności derywacje p-lokalne ∆ (p)<br />
1<br />
określone wzorem:<br />
∆ (p)<br />
i (f) = ∂f<br />
∂xi (p), dla f ∈ C(Rn ), i = 1, . . . , n.<br />
(Derywacje te oznaczaliśmy wcześniej odpowiednio przez ∆ ϕ<br />
i ).<br />
, . . . , ∆(p)<br />
n : C(R n ) −→ R,<br />
Oznaczmy przez π1, . . . , πn : R n −→ R rzutowania. Z faktów udowodnionych Rozdziale 7 otrzymujemy:<br />
Twierdzenie 12.2.1. Derywacje ∆ (p)<br />
1 , . . . , ∆(p) n tworzą bazę przestrzeni Dp(C(Rn )) nad R. ⊠<br />
Twierdzenie 12.2.2. Jeśli d : C(R n ) −→ R jest derywacją p-lokalną, to<br />
d = d(π1)∆ (p)<br />
1<br />
+ · · · + d(πn)∆ (p)<br />
n . ⊠<br />
Wniosek 12.2.3. Jeśli d : C(R n ) −→ R jest derywacją p-lokalną, to<br />
d(f) = d(π1) ∂f<br />
∂f<br />
(p) + · · · + d(πn) ∂x1 ∂xn (p), dla f ∈ C(Rn ). ⊠<br />
Twierdzenie 12.2.4. Przestrzeń styczna TpR n = {p} × R n jest izomorficzna z przestrzenią<br />
Dp(C(R n )). Izomorfizm zadaje przyporządkowanie<br />
12.3 Derywacje<br />
W Podrozdziale 9.4 wykazaliśmy:<br />
(p, (a1, . . . , an)) ↦−→ a1∆ (p)<br />
1<br />
+ · · · + an∆ (p)<br />
m . ⊠<br />
Stwierdzenie 12.3.1. Jeśli d : C(R n ) −→ C(R n ) jest R-derywacją, to<br />
Z faktu tego wynika:<br />
d = d(π1) ∂<br />
∂<br />
+ · · · + d(πn) . ⊠<br />
∂x1 ∂xn<br />
Twierdzenie 12.3.2. Der(C(Rn )) jest C(Rn )-modułem wolnym rangi n. Jego bazę tworzą pochodne<br />
cząstkowe ∂ ∂ , . . . , . ⊠<br />
∂x1 ∂xn<br />
Zajmujemy się funkcjami gładkimi, tzn. funkcjami klasy C ∞ . Rozważmy teraz przez moment<br />
funkcje klasy C r , gdzie r < ∞. Jeśli M jest rozmaitością odpowiedniej klasy (np. rozmaitością gładką),<br />
to przez C r (M) oznaczamy R-algebrę wszystkich funkcji z M do R klasy C r . W szczególności C 0 (M) =<br />
C[M] jest R-algebrą wszystkich funkcji ciągłych.<br />
Udowodniliśmy, że jedyną R-derywacją R-algebry C 0 (M) jest derywacja zerowa (Stwierdzenie<br />
4.3.7). Opiszemy teraz drogę, która może doprowadzić do dowodu, że tę samą własność mają Ralgebry<br />
postaci C r (M), gdzie r < ∞. Wyjaśnimy to w przypadku M = R n . Uzasadnienie dla dowolnej<br />
rozmaitości M jest w [1] 235-237.<br />
Wszystkie derywacje rozpatrywane do tej pory były odwzorowaniami z pierścienia do tego samego<br />
pierścienia. Można badać derywacje w nieco szerszym sensie. Załóżmy, że A ⊂ B są R-algebrami<br />
(np. przemiennymi z jedynkami). Derywacją z A do B nazywamy każde R-liniowe odwzorowanie<br />
d : A −→ B takie, że d(xy) = xd(y) + d(x)y, dla wszystkich x, y ∈ A. Rozpatrzmy w szczególności<br />
R-algebry A = C r+1 (R n ) i B = C r (R n ). Jest oczywiste, że C r+1 (R n ) ⊂ C r (R n ). Pochodne cząstkowe<br />
∂<br />
∂x1<br />
, . . . , ∂<br />
∂xn są derywacjami z Cr+1 (R n ) do C r (R n ). Powtarzając dowody faktów, które doprowadziły<br />
do Stwierdzenia 12.3.1 (rozpoczynając od Lematu 7.3.1) i zamieniając przy tym odwzorowania gładkie<br />
na odwzorowania odpowiedniej klasy, otrzymujemy:
12. Rozmaitość R n 67<br />
Lemat 12.3.3. Jeśli d : C r+1 (R n ) −→ C r (R n ) jest derywacją, to<br />
gdzie f1, . . . , fn ∈ C r (R n ). ⊠<br />
d = f1 ∂<br />
∂<br />
+ · · · + fn ∂x1 ∂xn ,<br />
Stwierdzenie 12.3.4. Jedyną derywacją R-algebry C r+1 (R n ), gdzie r < ∞, jest derywacja zerowa.<br />
Dowód (szkic wymagający wyszlifowania). Niech d : Cr+1 (Rn ) −→ Cr+1 (Rn ) będzie Rderywacją.<br />
Ponieważ Cr+1 (Rn ) ⊂ Cr (Rn ), więc derywacja d jest, na mocy poprzedniego lematu,<br />
postaci d = f1 ∂<br />
∂<br />
+· · ·+fn ∂x1 ∂xn , gdzie f1, . . . , fn ∈ Cr (Rn ). Jeśli d = 0, to istnieje (o czym zapewniają<br />
autorzy pracy [1] 237, nie podając jednak dowodu) funkcja g ∈ Cr+1 (Rn ) taka, że d(g) ∈ Cr (Rn ) <br />
Cr+1 (Rn ). ⊠<br />
12.4 Wiązka styczna<br />
Wiązką styczną do R n jest trójka (TR n = R 2n , p, R n ), gdzie p : R n × R n −→ R n jest rzutowaniem<br />
(a, b) ↦→ a. Jeśli x ∈ R n , to włókno p −1 (x) jest przestrzenią styczną TxR n = {x}×R n . Wiązka styczna<br />
TR n jest oczywiście wiązką trywialną.<br />
12.5 Pola wektorowe<br />
Polem wektorowym na R n jest każde odwzorowanie gładkie s : R n −→ TR n = R 2n takie, że dla<br />
każdego x ∈ R n , s(x) ∈ TxR n = {x} × R n . Zbiór wszystkich pól wektorowych na R n jest C(R n )modułem,<br />
oznaczanym przez Γ(TR n ).<br />
Niech s : R n −→ R 2n będzie polem wektorowym na R n . Wtedy, dla każdego x ∈ R n , mamy<br />
równość:<br />
s(x) = (x, (s1(x), . . . , sn(x))), (12.2)<br />
gdzie s1(x), . . . , sn(x) są pewnymi liczbami rzeczywistymi. Z polem s stowarzyszone są więc jednoznacznie<br />
wyznaczone funkcje s1, . . . , sn : R n −→ R. Ponieważ s, jako pole wektorowe, jest odwzorowaniem<br />
gładkim, więc funkcje s1, . . . , sn również są gładkie. Zachodzi też oczywiście odwrotnie; każdy<br />
ciąg s1, . . . , sn, funkcji gładkich z R n do R, wyznacza dokładnie jedno pole wektorowe na R n , określone<br />
wzorem (12.2).<br />
Oznaczmy s = (s1, . . . , sn). Wtedy s : R n −→ R n . Z tego co powiedzieliśmy powyżej wynika, że<br />
s : R n −→ R 2n jest polem wektorowym na R n dokładnie wtedy, gdy odwzorowanie s jest gładkie.<br />
Zapamiętajmy zatem:<br />
Stwierdzenie 12.5.1. Odwzorowanie s : R n −→ R 2n jest polem wektorowym na R n wtedy i tylko<br />
wtedy, gdy istnieje (dokładnie jedno) odwzorowanie gładkie s : R n −→ R n takie, że<br />
dla wszystkich x ∈ R n , tzn. s = (id, s). ⊠<br />
s(x) = (x, s(x)),<br />
Wiemy, że C(R n )-moduł Γ(TR n ) jest izomorficzny z C(R n )-modułem Der(C(R n )), wszystkich<br />
R-derywacji pierścienia C(R n ). Tak jest dla każdej rozmaitości gładkiej. W naszym przypadku mamy:<br />
Stwierdzenie 12.5.2. Odwzorowanie Γ(TR n ) −→ Der(C(R n )), określone wzorem<br />
jest izomorfizmem C(R n )-modułów. ⊠<br />
s = (id, (s1, . . . , sn)) ↦−→ s1 ∂<br />
∂<br />
+ · · · + sn ∂x1 ∂xn ,<br />
Przypomnijmy jeszcze raz, że Γ(TR n ) jest C(R n )-modułem wolnym rangi n. Wynika to na przykład<br />
z powyższego stwierdzenia, gdyż wiemy już, że Der(C(R n )) jest C(R n )-modułem wolnym rangi n.<br />
Wynika to również z (prostego w dowodzie) ogólnego faktu: moduł przekrojów wiązki trywialnej jest<br />
wolny.
68 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
12.6 Nawias Liego pól wektorowych<br />
Wiemy (patrz Podrozdział 9.7), że jeśli M jest rozmaitością gładką, to moduł Γ(TM), pól wektorowych<br />
na M, jest algebrą Liego nad R z nawiasem:<br />
[s1, s2] = s ⇐⇒ [δs1, δs2] = δs.<br />
Poniższe stwierdzenie opisuje ten nawias w przypadku, gdy M = R n .<br />
Stwierdzenie 12.6.1 (PH433). Niech s = (id, (s1, . . . , sn)), t = (id, (t1, . . . , tn)) będą polami wektorowymi<br />
na Rn . Wtedy [s, t] = (id, (u1, . . . , un)), gdzie<br />
uj = <br />
n ∂tj<br />
i=1 ∂xi si − ∂sj<br />
∂xi ti<br />
<br />
, j = 1, . . . , n.<br />
Dowód. Rozpatrzmy derywacje δs, δt oraz δ = δ [s,t] = [δs, δt]. Wiemy, że:<br />
Niech f ∈ C(R n ). Mamy wtedy:<br />
i stąd wynika teza. ⊠<br />
12.7 Forma df<br />
δs = n ∂<br />
i=1<br />
si ∂xi , δt = n ∂<br />
i=1<br />
ti ∂xi , δ = n ∂<br />
i=1<br />
ui ∂xi .<br />
n ∂f<br />
j=1<br />
uj ∂xj = δ(f) = [δs, δt](f) = δs (δt(f)) − δt (δs(f))<br />
= δs<br />
n<br />
= n<br />
j=1<br />
j=1<br />
= n n j=1 i=1<br />
= n<br />
j=1<br />
∂f<br />
∂xj tj<br />
<br />
− δt<br />
n<br />
j=1<br />
∂f<br />
∂xj δs(tj) + tjδs( ∂f<br />
∂xj<br />
n<br />
i=1<br />
∂f<br />
∂f<br />
∂xj sj<br />
<br />
) − ∂f<br />
∂xj δt(sj) − sjδt( ∂f<br />
∂xj )<br />
∂tj<br />
∂xj ∂xi si + tj ∂2f ∂xj∂xi si − ∂f ∂sj<br />
∂xj ∂xi ti − sj ∂2f ∂xj∂xi ti<br />
<br />
∂tj<br />
∂xi si − ∂sj<br />
∂xi ti<br />
<br />
∂f<br />
Niech f : R n −→ R będzie funkcją gładką. W Podrozdziale 11.2 zdefiniowaliśmy odwzorowanie gładkie<br />
takie, że dla każdego x ∈ R n ,<br />
df : R n −→ (TR n ) ∗<br />
(df)(x) : TxR n −→ R<br />
jest przekształceniem liniowym. Odwzorowanie to określiliśmy wzorem<br />
(df)(x)([σ]) = D(fσ)(0)(1) = d(fσ)<br />
dt (0), gdzie [σ] ∈ TxR n .<br />
Wiemy, że TxR n = {x} × R n . Wiemy też, że każdy element postaci (x, a) ∈ TxR n , to nic innego,<br />
jak klasa abstrakcji krzywej a (x) : J −→ R n , t ↦→ ta + x. Mamy zatem:<br />
(df)(x)(x, a) = df(at+x)<br />
dt (0) = ∂f<br />
∂x1 (x)a1 + · · · + ∂f<br />
∂xn (x)an.<br />
W przypadku rozmaitości R n nie musimy znać wcześniejszych ogólnych pojęć, by zrozumieć co to<br />
jest df. Odwzorowanie to można zdefiniować następująco.<br />
Definicja 12.7.1. Jeśli f ∈ C(R n ), to przez df oznaczamy odwzorowanie z R n do (TR n ) ∗ takie, że<br />
dla każdego x ∈ R n , (df)(x) jest elementem przestrzeni (TxM) ∗ (czyli jest przekształceniem liniowym<br />
z {x} × R n do R) określonym wzorem<br />
dla wszystkich (x, a) ∈ TxR n .<br />
∂xj<br />
(df)(x)(x, a) = ∂f<br />
∂x1 (x)a1 + · · · + ∂f<br />
∂xn (x)an, (12.3)
12. Rozmaitość R n 69<br />
W szczególności dla rzutowań π1, . . . , πn : R n −→ R mamy:<br />
(dπi)(x)(x, a) = ai, i = 1, . . . , n.<br />
Niech e1, . . . , en będzie standardową bazą przestrzeni R n nad R. Wtedy, dla każdego x ∈ R n ,<br />
wektory (x, e1), . . . , (x, en) stanowią bazę przestrzeni TxR n = {x} × R n . Przez ε x 1, . . . , ε x n oznaczać<br />
będziemy bazę dualną w TxR n , tzn. ε x 1, . . . , ε x n : TxR n −→ R są przekształceniami liniowymi (nad R)<br />
takimi, że<br />
ε x i (x, ej) = δij,<br />
gdzie δij jest deltą Kroneckera.<br />
Lemat 12.7.2. ε x i = (dπi)(x), dla i = 1, . . . , n.<br />
Dowód. ε x i (x, ej) = δij = (dπi)(x)(x, ej). ⊠<br />
Z równości (12.3) wynika, że dla każdego x ∈ R n i dla każdego (x, a) ∈ TxR n zachodzi równość:<br />
(df)(x)(x, a) = ∂f<br />
∂x1 (x)(dπ1)(x)(x, a) + · · · + ∂f<br />
∂xn (x)(dπn)(x)(x, a).<br />
Stąd dalej wynika, że dla każdego x ∈ R n , zachodzi następująca równość elementów z (TxR n ) ∗ :<br />
(df)(x) = ∂f<br />
∂x1 (x)(dπ1)(x) + · · · + ∂f<br />
∂xn (x)(dπn)(x).<br />
Elementy postaci df należą oczywiście do C(R n )-modułu Ω 1 (R n ). Widzimy zatem, że w Ω 1 (R n ) mamy<br />
równość:<br />
Stwierdzenie 12.7.3. df = ∂f<br />
∂x1 dπ1 + · · · + ∂f<br />
∂xn dπn. ⊠<br />
W analizie matematycznej powyższą równość zapisuje się często w postaci<br />
df = ∂f<br />
∂x1 dx1 + · · · + ∂f<br />
∂xn dxn, ⊠<br />
rozumiejąc przez to formalną sumę ze współczynnikami. Elementy dx1, . . . , dxn są w takim zapisie<br />
tylko pewnymi symbolami. Widzimy zatem, że symbole te mają swoje znaczenie, są to po prostu<br />
odwzorowania dπ1, . . . , dπn.<br />
12.8 Formy różniczkowe 1-go rzędu<br />
W tym podrozdziale opiszemy C(R n )-moduł Ω(R n ) = Γ((TR n ) ∗ , form różniczkowych 1-go rzędu na<br />
R n .<br />
Przypomnijmy, że formą różniczkową 1-go rzędu na R n nazywamy każde odwzorowanie gładkie<br />
ω : R n −→ (TR n ) ∗ takie, że ω(x) ∈ (TxR n ) ∗ , dla wszystkich x ∈ R n .<br />
Każde odwzorowanie postaci df, gdzie f ∈ C(R n ) (którym zajmowaliśmy się w poprzednim podrozdziale)<br />
jest przykładem takiej formy różniczkowej. Powiemy więc, że df ∈ Ω 1 (R n ). Co więcej,<br />
ponieważ Ω 1 (R n ) jest C(R n )-modułem, więc każde odwzorowanie postaci<br />
g1df1 + · · · + gkdfk, f1, g1, . . . , fk, gk ∈ C(R n )<br />
jest formą różniczkową 1-go rzędu na R n .<br />
Czy są inne przykłady? Pokażemy, że nie ma.<br />
Niech ω ∈ Ω 1 (R n ). Niech x ∈ R n . Wtedy ω(x) ∈ (TxR n ) ∗ . Przypomnijmy (patrz poprzedni<br />
podrozdział), że przekształcenia ε x 1, . . . , ε x n tworzą bazę przestrzeni (TxR n ) ∗ nad R. Zatem<br />
ω(x) = w1(x)ε x 1 + · · · + wn(x)ε x n, (12.4)<br />
gdzie w1(x), . . . , wn(x) są pewnymi liczbami rzeczywistymi. Tak jest dla każdego x ∈ R n . Pojawiły<br />
nam się zatem funkcje w1, . . . , wn : R n −→ R. Pamiętajmy jednak, że ω : R n −→ (TR n ) ∗ jest<br />
odwzorowaniem gładkim. Wnikając w struktuę (TR n ) ∗ , jako rozmaitości gładkiej, stwierdzamy, że<br />
odwzorowania w1, . . . , wn są gładkie. Zatem w1, . . . , wn ∈ C(Rn ). Wiemy jednak, że εx i = dπi(x),<br />
dla i = 1, . . . , n. Zatem ω = w1dπ1 + · · · + wndπn, gdzie w1, π1, . . . , wn, πn ∈ C(Rn ). W ten sposób<br />
wykazaliśmy:
70 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 12.8.1. Moduł Ω 1 (R n ) jest generowany nad C(R n ) przez formy postaci df, gdzie f ∈<br />
C(R n ). ⊠<br />
Pokazaliśmy nawet więcej:<br />
Stwierdzenie 12.8.2. Formy dπ1, . . . , dπn generują C(R n )-moduł Ω 1 (R n ). ⊠<br />
Jest oczywiste, że formy dπ1, . . . , dπn są liniowo niezależne nad C(R n ). Mamy zatem:<br />
Twierdzenie 12.8.3. Ω 1 (R n ) jest C(R n )-modułem wolnym rangi n. Formy dπ1, . . . , dπn tworzą jego<br />
bazę. ⊠<br />
Uwaga 12.8.4. Formy różniczkowe (gładkie) 1-go stopnia na R n można zdefiniować inaczej, nie powołując się przy<br />
tym na wcześniejsze ogólne pojęcia. Potraktujmy wiązkę (T R n ) ∗ jako zwykłą mnogościową sumę (rozłączną) wszystkich<br />
przestrzeni liniowych postaci (TxR n ) ∗ = ({x} × R n ) ∗ . Niech ω : R n −→ (T R n ) ∗ będzie zwykłą funkcją spełniającą<br />
warunek: ω(x) ∈ (T R n ) ∗ , dla x ∈ R n . Wówczas, dla każdego x ∈ R n istnieją jednoznacznie wyznaczone liczby rzeczywiste<br />
w1(x), . . . , wn(x) takie, że zachodzi równość (12.4). Mówimy, że ω jest formą różniczkową 1-go rzędu na R n , jeśli<br />
wszystkie funkcje w1, . . . , wn : R n −→ R są gładkie. Taką definicję spotykamy np. w [25]. ⊠<br />
Wiemy, że odwzorowanie d : C(R n ) −→ Ω 1 (R n ), f ↦→ df jest R-derywacją C(R n )-modułu Ω 1 (R n ).<br />
Twierdzenie 12.8.5. Para (Ω 1 (R n ), d) jest modułem różniczek R-algebry C(R n ), w sensie definicji<br />
podanej w [19].<br />
Dowód. Niech M będzie C(R n )-modułem i niech ∆ : C(R n ) −→ M będzie jego R-derywacją.<br />
Oznaczmy<br />
m1 = ∆(π1), . . . , mn = ∆(πn).<br />
Ponieważ (jak wykazaliśmy) Ω 1 (R n ) jest modułem wolnym nad C(R n ) z bazą {dπ1, . . . , dπn}, więc<br />
istnieje dokładnie jeden C(R n )-homomorfizm F : Ω 1 (R n ) −→ M taki, że F (dπi) = mi, dla i =<br />
1, . . . , n. Zatem (F ◦ d)(πi) = ∆(πi) dla i = 1, . . . , n, czyli F ◦ d = ∆. ⊠<br />
Pytanie 12.8.6. Czy powyższe twierdzenie prawdziwe jest dla dowolnej rozmaitości gładkiej?<br />
12.9 Formy wyższych rzędów<br />
Niech p będzie nieujemną liczbą całkowitą. Pamiętamy, że formą różniczkową rzędu p na R n nazywamy<br />
każdy element C(R n )-modułu<br />
Ω p (R n ) = p (Γ((TR n ) ∗ )) = p Ω 1 (R n ).<br />
Ponieważ moduł Ω 1 (R n ) jest wolny i jego bazą jest {dπ1, . . . , dπn}, więc struktura C(R n )-modułu<br />
Ω 1 (R n ) jest dość oczywista.<br />
Stwierdzenie 12.9.1. Każda forma <strong>różniczkowa</strong> ω rzędu p na Rn ma jednoznaczne przedstawienie<br />
w postaci<br />
ω = <br />
wi1...ipdπi1 1i1
12. Rozmaitość R n 71<br />
12.10 Kompleks de Rhama<br />
Spójrzmy na Twierdzenie 11.3.1. Wiemy, na mocy tego twierdzenia, że istnieje dokładnie jeden ciąg<br />
odwzorowań liniowych (nad R)<br />
d p : Ω p (R n ) −→ Ω p+1 (R n ), (p = 0, 1, . . . )<br />
taki, że:<br />
(1) d 0 = d,<br />
(2) d 1 d 0 = 0,<br />
(3) d p+q (ωp ∧ ωq) = d p (ωp) ∧ ωq + (−1) p ωp ∧ d q (ωq), dla ωp ∈ Ω p (R n ), ωq ∈ Ω q (R n ).<br />
Odwzorowania d p spełniają ponadto własność:<br />
(4) d p+1 d p = 0.<br />
Odwzorowania postaci d p można zdefiniować następująco.<br />
Definicja 12.10.1. Niech ω ∈ Ω p (R n ). Załóżmy, że forma ω ma przedstawienie<br />
ω = <br />
1i1
72 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
W przypadku, gdy ω ∈ Ω 1 (R 2 ), to (jak pokazuje powyższy przykład) odpowiedź na Pytanie 12.10.4<br />
jest pozytywna.<br />
Wszystkie rozważane w tym rozdziale pojęcia mają podobne interpretacje, gdy zamiast rozmaitości<br />
R n rozpatrzymy otwarty podzbiór U w R n . Wówczas odpowiedź na pytanie 12.10.4 może być<br />
negatywna.<br />
Przykład 12.10.6 ([25]102). Niech U = R 2 {(0, 0)}. Forma<br />
jest zamknięta ale nie jest dokładna. ⊠<br />
ω = −y<br />
x 2 +y 2 dx + x<br />
x 2 +y 2 dy<br />
Definicja 12.10.7 ([25]). Mówimy, że podzbiór U ⊆ R n jest gwiaździsty, jeśli z tego, że x ∈ U<br />
wynika, że odcinek łączący punkty 0 i x jest zawarty w U.<br />
Twierdzenie 12.10.8 (Lemat Poincarégo). Jeśli U ⊆ R n jest otwartym zbiorem gwiaździstym,<br />
to każda forma <strong>różniczkowa</strong> zamknięta na U jest dokładna.<br />
Dowód. Patrz Spivak [25] 103. ⊠<br />
Cała rozmaitość R n jest oczywiście zbiorem gwiaździstym. Mamy zatem odpowiedź na Pytanie<br />
12.10.4.<br />
Wniosek 12.10.9. Jeśli ω ∈ Ω p (R n ), to ω jest formą zamkniętą wtedy i tylko wtedy, gdy jest formą<br />
dokładną. ⊠<br />
Stąd dalej wynika:<br />
Wniosek 12.10.10. Kompleks de Rhama<br />
jest dokładny. ⊠<br />
. . . −→ Ω p (R n )<br />
d p<br />
−→ Ω p+1 (R n )<br />
d p+1<br />
−→ Ω p+2 (R n ) −→ . . .
13. Całkowanie pól wektorowych 73<br />
13 Całkowanie pól wektorowych<br />
13.1 Krzywa całkowa pola wektorowego<br />
Niech J = (−1, 1) ⊂ R będzie otwartym odcinkiem. Odcinek ten jest jednowymiarową rozmaitością<br />
gładką (z jednoelementowym atlasem). Wiązka styczna TJ jest zbiorem wszystkich klas abstrakcji<br />
krzywych (gładkich) na J, tzn. odwzorowań gładkich z J do J.<br />
Jeżeli a ∈ R 1 , to przez εa : J −→ R 1 oznaczmy krzywą określoną wzorem εa(t) = a + t, dla t ∈ J.<br />
Jest to krzywa o środku w punkcie a = εa(0). Przez ε oznaczamy przekrój<br />
Załóżmy, że M jest rozmaitością gładką.<br />
ε : J −→ TJ, a ↦−→ [εa].<br />
Definicja 13.1.1. Jeśli σ : J −→ M jest krzywą na M to przez σ ′ oznaczamy odwzorowanie<br />
tzn. σ ′ (a) = [σεa], dla a ∈ J.<br />
J<br />
ε<br />
−→ TJ<br />
T(σ)<br />
−→ TM,<br />
Jeśli s : M −→ TM jest polem wektorowym na M oraz σ : J −→ M jest krzywą na M, to mamy<br />
odwzorowanie<br />
σ<br />
J −→ M s<br />
−→ TM.<br />
Mamy więc wtedy dwa odwzorowania gładkie σ ′ , sσ : J −→ TM.<br />
Definicja 13.1.2. Krzywą całkową pola wektorowego s : M −→ TM nazywamy każdą krzywą σ :<br />
J −→ M taką, że σ ′ = sσ.<br />
13.2 Krzywa całkowa dla pola wektorowego w R 1<br />
Wyjaśnimy, co to są krzywe całkowe w przypadku, gdy M = R 1 .<br />
Wiązka styczna TR 1 jest (na mocy definicji) zbiorem klas abstrakcji krzywych na R 1 . Wiemy<br />
jednak, że wiązka ta jest izomorficzna z wiązką trywialną R 1 × R 1 . Izomorfizm zadaje odwzorowanie<br />
F : TR 1 −→ R 1 × R 1 , [σ] ↦−→ (σ(0), dσ<br />
dt (0)).<br />
Niech s : R 1 −→ TR 1 będzie polem wektorowym na R 1 . Wiemy, że F s : R 1 −→ R 1 × R 1 jest<br />
odwzorowaniem gładkim, jednoznacznie wyznaczonym przez odwzorowanie gładkie s : R 1 −→ R 1<br />
takie, że<br />
F s(x) = (x, s(x)), dla wszystkich x ∈ R 1 .<br />
Rozważmy krzywą σ : J −→ R 1 . Niech ξ ∈ J. Wtedy:<br />
Stąd wynika:<br />
F sσ(ξ) = (σ(ξ), s(σ(ξ))),<br />
F σ ′ (ξ) = F ([σεξ]) = (σεξ(0), dσεξ<br />
dσ<br />
dt (0)) = (σ(ξ), dt (ξ))<br />
Stwierdzenie 13.2.1. Odwzorowanie σ : J −→ R 1 jest krzywą całkową pola s : R 1 −→ TR 1 wtedy i<br />
tylko wtedy, gdy<br />
dσ(t)<br />
dt<br />
= s(σ(t)). ⊠
74 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
13.3 Krzywa całkowa dla pola wektorowego w R n<br />
Wiązka styczna TR n jest zbiorem klas abstrakcji krzywych na R n . Wiązka ta jest izomorficzna z<br />
wiązką trywialną R n × R n . Izomorfizm zadaje odwzorowanie<br />
F : TRn −→ Rn × Rn , [σ] ↦−→ σ(0), ( dσ1<br />
dσn<br />
dt (0), . . . , dt (0)) ,<br />
gdzie σ1, . . . , σn : J −→ R 1 są funkcjami gładkimi takimi, że (σ1, . . . , σn) = σ.<br />
Niech s : R n −→ TR n będzie polem wektorowym na R n . Wtedy F s : R n −→ R n × R n jest<br />
odwzorowaniem gładkim, jednoznacznie wyznaczonym przez odwzorowanie gładkie s = (s1, . . . , sn) :<br />
R n −→ R n takie, że<br />
F s(x) = (x, s(x)), dla wszystkich x ∈ R n .<br />
Rozważmy krzywą σ = (σ1, . . . , σn) : J −→ R n . Niech ξ ∈ J. Wtedy:<br />
Stąd wynika:<br />
F sσ(ξ) = (σ(ξ), s(σ(ξ))) = (σ(ξ), (s1(σ(ξ)), . . . , sn(σ(ξ))) ,<br />
F σ ′ (ξ) = F ([σεξ]) =<br />
<br />
σεξ(0), ( dσ1εξ<br />
dt (0), . . . , dσnεξ<br />
<br />
dt (0))<br />
= σ(ξ), ( dσ1<br />
dσn<br />
dt (ξ), . . . , dt (ξ)) .<br />
Stwierdzenie 13.3.1. Odwzorowanie σ = (σ1, . . . , σn) : J −→ R n jest krzywą całkową pola s =<br />
(id, (s1, . . . , sn)) : R n −→ TR n wtedy i tylko wtedy, gdy<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
⎪⎩<br />
dσ1(t)<br />
dt = s1(σ1(t), . . . , σn(t)),<br />
.<br />
dσn(t)<br />
dt = sn(σ1(t), . . . , σn(t)). ⊠<br />
(13.1)<br />
Powyższy układ równań różniczkowych (13.1) nazywa się dynamicznym układem stacjonarnym lub<br />
układem autonomicznym.<br />
Wniosek 13.3.2. Niech s = (id, (s1, . . . , sn)) : R n −→ TR n będzie polem wektorowym na R n . Pole<br />
to posiada krzywą całkową wtedy i tylko wtedy, gdy układ (13.1) posiada rozwiązanie. ⊠<br />
13.4 Twierdzenia o istnieniu krzywych całkowych<br />
Zanotujmy twierdzenie, które dowodzi się teorii równań różniczkowych.<br />
Twierdzenie 13.4.1. Niech s = (s1, . . . , sn) : R n −→ R n będzie odwzorowaniem gładkim w pewnym<br />
otoczeniu otwartym punktu a ∈ R n . Istnieją wówczas zbiory otwarte a ∈ U ⊆ R n , 0 ∈ J ⊆ R takie,<br />
że dla każdego b ∈ U, istnieje dokładnie jedna krzywa gładka σ = (σ1, . . . , σn) : J −→ R n spełniająca<br />
następujące dwa warunki:<br />
(1) σ(0) = b,<br />
(2) σ jest rozwiązaniem układu (13.1).<br />
Ponadto, jeśli tę krzywą oznaczymy przez σb, to odwzorowanie<br />
jest gładkie. ⊠<br />
ψ : J × U −→ R n , ψ(t, b) = σb(t), dla (t, b) ∈ J × U,<br />
Istnieje następujące uogólnienie tego twierdzenia dla dowolnych rozmaitości gładkich.<br />
Twierdzenie 13.4.2. Niech M będzie rozmaitością gładką. Niech S : M −→ TM będzie polem wektorowym<br />
i niech a ∈ M. Istnieją wówczas zbiory otwarte a ∈ U ⊆ M, 0 ∈ J ⊆ R takie, że dla każdego<br />
b ∈ U, istnieje dokładnie jedna krzywa σb : J −→ R n , o środku w punkcie b, będąca krzywą całkową<br />
pola s. Ponadto, odwzorowanie<br />
jest gładkie. ⊠<br />
ψ : J × U −→ M, ψ(t, b) = σb(t), dla (t, b) ∈ J × U,
13. Całkowanie pól wektorowych 75<br />
Podobne twierdzenia zachodzą dla odwzorowań i rozmaitości ustalonej klasy C r .<br />
Do tej pory przez krzywą na rozmaitości M rozumieliśmy odwzorowanie gładkie σ : J −→ M, gdzie<br />
J był ustalonym odcinkiem otwartym J = (−1, 1) ⊂ R. Jest jasne, że ustalenie tego odcinka jest zbyteczne.<br />
Wystarczy zamiast (−1, 1) przyjąć dowolny zbiór otwarty w R zawierający 0. Wszystkie fakty<br />
podane wcześniej funkcjonują dla takich właśnie krzywych. Takie krzywe występują w powyższych<br />
twierdzeniach.<br />
Mając daną krzywą σ : J −→ M, np. krzywą całkową jakiegoś pola wektorowego na M, gdzie<br />
0 ∈ J = R, można się spytać czy krzywą tę można przedłużyć do gładkiej krzywej określonej na całym<br />
zbiorze R. Na ogół tego zrobić nie można.<br />
Przykład 13.4.3. Rozważmy pole wektorowe (gładkie) s : R 1 −→ TR 1 określone wzorem<br />
Wówczas krzywa σ : (−π/2, π/2) −→ R 1 ,<br />
s(x) = (x, 1 + x 2 ), x ∈ R 1 .<br />
σ(t) = tg(t),<br />
jest jedyną krzywą całkową pola s, o środku w 0. Istotnie, σ(0) = 0 oraz<br />
dσ(t)<br />
dt = 1 + σ(t)2 .<br />
Krzywej tej nie można przedłużyć na cały zbiór R. ⊠<br />
Sytuacja taka, jak w powyższym przykładzie, nie zachodzi dla rozmaitości zwartych.<br />
Twierdzenie 13.4.4. Niech s : M −→ TM będzie polem wektorowym na gładkiej rozmaitości zwartej<br />
M. Wówczas, dla każdego punktu a ∈ M, istnieje dokładnie jedna krzywa całkowa pola s, o środku w<br />
punkcie a, której dziedziną jest cały zbiór R. ⊠<br />
13.5 Formalne systemy równań różniczkowych<br />
Twierdzenia podane w poprzednim podrozdziale mają swoje odpowiedniki dla układów równań<br />
różniczkowych w pierścieniu szeregów formalnych. Wykazaliśmy to w pracy [18]. Przypomnijmy z tej<br />
pracy najważniejsze fakty dotyczące omawianego zagadnienia.<br />
Zakładamy, że k jest pierścieniem przemiennym zawierającym ciało Q liczb wymiernych, k[X] =<br />
k[x1, . . . , xn] jest pierścieniem wielomianów n-zmiennych nad k oraz k[X][[t]] = k[x1, . . . , xn][[t]] jest<br />
pierścieniem szeregów jednej zmiennej t nad pierścieniem k[X].<br />
Niech s1, . . . , sn będą szeregami należącymi do k[X][[t]].<br />
Twierdzenie 13.5.1 ([18] 14). Dla każdego punktu a = (a1, . . . , an) ∈ k n istnieją jednoznacznie<br />
wyznaczone szeregi σ1, . . . , σn ∈ k[[t]] takie, że:<br />
(1) wyrazy stałe szeregów σ1, . . . , σn są równe odpowiednio elementom a1, . . . , an;<br />
(2) szeregi σ1, . . . , σn spełniają następujący układ równości:<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
⎪⎩<br />
dσ1(t)<br />
dt = s1(σ1(t), . . . , σn(t)),<br />
.<br />
dσn(t)<br />
dt = sn(σ1(t), . . . , σn(t)). ⊠<br />
(13.2)<br />
Jeśli a ∈ k n , to szeregi σ1, . . . , σn ∈ k[[t]], istniejące na mocy powyższego twierdzenia, oznaczamy<br />
odpowiednio przez σ1(t, a), . . . , σn(t, a). Ciąg tych szeregów oznaczać będziemy przez σ(t, a), tzn.<br />
σ(t, a) = (σ1(t, a), . . . , σn(t, a)).<br />
Ciąg σ(t, a) nazywamy formalnym rozwiązaniem lub formalną krzywą całkową układu (13.2) w punkcie<br />
a. Rozpatrywany układ równań różniczkowych zapisywać będziemy w skrócie przez<br />
dX<br />
dt = s(X), X [0] = a. (13.3)
76 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Twierdzenie 13.5.2 ([18] 17). Istnieją jednoznacznie wyznaczone wielomiany wij ∈ k[X] (dla<br />
i = 1, . . . , n, j = 0, 1, . . . ) takie, że<br />
σi(t, a) = ∞<br />
j=0 wij(a)t n ,<br />
dla wszystkich a ∈ k n oraz wszystkich i = 1, . . . , n. ⊠<br />
Sytuacja się znacznie upraszcza, gdy dane szeregi s1, . . . , sn nie zależą od t, tzn., gdy są tylko wielomianami<br />
należącymi do k[X] = k[x1, . . . , xn]. W takim przypadku, formalna krzywa całkowa σ(t, a)<br />
nazywa się potokiem lub formalnym potokiem, natomiast (13.3) nazywa się układem stacjonarnym lub<br />
autonomicznym. W tym przypadku można podać proste wzory wyznaczające σ(t, a).<br />
Twierdzenie 13.5.3 ([18]). Niech s1, . . . , sn ∈ k[X] = k[x1, . . . , xn], niech a ∈ k n i niech d :<br />
k[X] −→ k[X] będzie k-derywacją wyznaczoną przez wielomiany s1, . . . , sn, tzn.,<br />
Wtedy<br />
dla i = 1, . . . , n. ⊠<br />
j=0<br />
d = s1 ∂<br />
∂<br />
+ · · · + sn ∂x1 ∂xn .<br />
σi(t, a) = ∞<br />
j=0 1<br />
j! dj (xi)(a)t j ,<br />
Jest godne uwagi, że szeregi Ed(x1), . . . , Ed(xn) ∈ k[X][[t]], zdefiniowane jako<br />
∞ 1<br />
Ed(x1) =<br />
j! dj (x1)t j , , . . . ,<br />
∞ 1<br />
Ed(xn) =<br />
j! dj (xn)t j ,<br />
(pojawiające się w powyższym twierdzeniu), wyznaczają k[[t]]-automorfizm Ed pierścienia k[X][[t]].<br />
Przez cały czas k jest dowolnym pierścieniem przemiennym zawierającym Q. Można więc w szczególności<br />
przyjąc zamiast k pierścień szeregów k[[u]], gdzie u jest analitycznie niezależne od t, wtedy<br />
łatwo się pokazuje (patrz wcześniejsza wersja pracy [18]), że σ(t + u, a) i σ(t, σ(u, a)), to rozwiązania<br />
układu<br />
dX<br />
dt = s(X), X [0] = σ(u, a).<br />
Ponieważ takie rozwiązanie jest jedyne, więc stąd otrzymujemy:<br />
Stwierdzenie 13.5.4. σ(t + u, a) = σ(t, σ(u, a)). ⊠<br />
13.6 Jednoparametrowe grupy dyfeomorfizmów<br />
Niech M będzie rozmaitością gładką. Przez DYF(M) oznaczać będziemy grupę wszystkich dyfeomorfizmów<br />
(gładkich) z M do M.<br />
Definicja 13.6.1. Każdy homomorfizm grup T : (R, +) −→ DYF(M) nazywamy jednoparametrową<br />
grupą dyfeomorfizmów rozmaitości M.<br />
Definicja 13.6.2. Mówimy, że pole wektorowe s : M −→ TM jest specjalne jeśli, dla każdego a ∈ M,<br />
istnieje dokładnie jedna krzywa całkowa tego pola, o środku w a i określona na całym zbiorze R, liczb<br />
rzeczywistych.<br />
Z twierdzenia 13.4.4 wynika:<br />
Wniosek 13.6.3. Jeśli rozmaitość M jest zwarta, to każde jej pole wektorowe jest specjalne. ⊠<br />
Załóżmy, że s : M −→ TM jest specjalnym polem wektorowym. Jeśli a ∈ M, to przez σa : R −→ M<br />
oznaczamy jedyną krzywą całkową tego pola, o środku w a. Istnienie takiej krzywej wynika z definicji<br />
pola specjalnego. Ustalmy a ∈ M oraz r ∈ R. Rozpatrzmy krzywą<br />
j=0<br />
η : R −→ M, η(t) = σa(t + r), dla t ∈ R,<br />
oraz krzywą σ σa(r) : R −→ M. Są to dwie krzywe (gładkie) o środku w punkcie σa(r). Bez trudu<br />
stwierdzamy, że są to krzywe całkowe pola s. Z jednoznaczności istnienia krzywych całkowych o<br />
danym środku wynika zatem następujący analog Stwierdzenia 13.5.4.
13. Całkowanie pól wektorowych 77<br />
Stwierdzenie 13.6.4. Jeśli s : M −→ TM jest polem specjalnym, to dla dowolnych r, t ∈ R, zachodzi<br />
równość:<br />
σa(r + t) = σ σa(r)(t). ⊠<br />
Niech w dalszym ciągu s : M −→ TM będzie polem specjalnym. Jeśli t ∈ R, to oznaczmy przez<br />
T t : M −→ M odwzorowanie określone wzorem<br />
T t (a) = σa(t), dla a ∈ M.<br />
Można udowodnić, że odwzorowanie T t jest gładkie. Mamy ponadto:<br />
Lemat 13.6.5.<br />
(1) T 0 =id,<br />
(2) T t+r = T t ◦ T r .<br />
Dowód. T 0 (a) = σa(0) = a,<br />
T r+t (a) = σa(r + t) = σ σa(r)(t) = T t (σa(r)) = T t T r (a). ⊠<br />
Z lematu tego wynika w szczególności, że id = T t ◦ T −t = T −t T t . Zatem T t jest dyfeomorfizmem<br />
oraz (T t ) −1 = T −1 .<br />
Z każdym więc polem specjalnym s stowarzyszona jest rodzina {T t }t∈R dyfeomorfizmów rozmaitości<br />
M. Mamy zatem odwzorowanie R −→DYF(M), t ↦→ T t . Z powyższego lematu wynika, że<br />
odwzorowanie to jest homomorfizmem grup, działającym z grupy (R, +) do grupy DYF(M). Zanotujmy:<br />
Stwierdzenie 13.6.6. Jeśli s : M −→ TM jest specjalnym polem wektorowym, to odwzorowanie<br />
T : (R, +) −→ DYF(M), T t (a) = σa(t), dla t ∈ R, a ∈ M,<br />
jest jednoparametrową grupą dyfeomorfizmów rozmaitości M. ⊠<br />
Teraz z Twierdzenia 13.4.4 wynika:<br />
Twierdzenie 13.6.7. Jeśli rozmaitość M jest zwarta, to każde pole wektorowe na M wyznacza jednoparametrową<br />
grupę dyfeomorfizmów tej rozmaitości. ⊠<br />
Założenie o zwartości rozmaitości M potrzebne było do tego, by odpowiednie krzywe całkowe były globalne (tzn.<br />
określone na całym zbiorze R). Bez założenia o zwartości, otrzymujemy podobne wyniki z tym, że krzywe całkowe określone<br />
są na pewnych otwartych podzbiorach w R, zawierających 0. Wówczas otrzymujemy tzw. lokalną jednoparametrową<br />
grupę dyfeomorfizmów rozmaitości M.<br />
Powyższe fakty zachodzą również dla rozmaitości i odwzorowań klasy C r , r 1.<br />
13.7 Informacja o twierdzeniu Frobeniusa<br />
Istnieje pewne uogólnienie Twierdzenia 13.4.4, o istnieniu krzywych całkowych dla zwartej rozmaitości<br />
M. Do wysłowienia tego uogólnienia potrzebne są pewne nowe pojęcia, których nie będziemy<br />
tu wprowadzać.<br />
Zamiast jednego przekroju s : M −→ TM rozważa się p przekrojów s1, . . . , sp : M −→ TM takich,<br />
że wektory s1(x), . . . , sp(x) ∈ TxM są liniowo niezależne nad R. Przekroje te tworzą tzw. p-wymiarowy<br />
układ różniczkowy. Oznaczmy ten układ przez D. Definiuje się całkę układu D. Nie jest to krzywa,<br />
ale pewne odwzorowanie gładkie f : N −→ M, gdzie N jest pewną rozmaitością gładką. Następnie<br />
wprowadza się przestrzeń R-liniową A(D), zależną od D, która jest podprzestrzenią R-przestrzeni<br />
Γ(TM), wszystkich pól wektorowych na rozmaitości M. Wprowadza się również pewien ideał I(D)<br />
algebry Ω(M) = ∞<br />
j=0 Ωj (M).<br />
Wspomniane uogólnienie Twierdzenia 13.4.4 brzmi następująco:<br />
Twierdzenie 13.7.1 (Frobeniusa). Niech D będzie p-wymiarowym układem różniczkowym na rozmaitości<br />
M. Następujące warunki są równoważne.<br />
(1) Układ D jest całkowalny.<br />
(2) ∀ s,t∈A(D) [s, t] ∈ A(D), tzn., A(D) jest podalgebrą Liego algebry Liego Γ(TM).<br />
(3) ∀ w∈I(D) d p w ∈ I(D) (gdzie d p jest p-tą różniczką z kompleksu de Rhama). ⊠
78 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
14 Grupy Liego i ich algebry Liego<br />
14.1 Grupy Liego<br />
Definicja 14.1.1. Grupą Liego nazywamy rozmaitość gładką G wraz z odwzorowaniami gładkimi<br />
· : G × G −→ G i −1 : G −→ G, spełniającymi zwykłe aksjomaty grupy.<br />
Grupą Liego jest więc każda grupa topologiczna G, która jest jednocześnie rozmaitością gładką,<br />
przy czym struktury algebraiczna i <strong>różniczkowa</strong> są zgodne, tzn. odwzorowanie<br />
G × G −→ G, (g, h) ↦−→ gh −1 ,<br />
jest gładkie. Wymiarem grupy Liego G nazywamy wymiar rozmaitości G. Jeśli G1, G2 są grupami<br />
Liego, to ich homomorfizmem nazywamy każdy homomorfizm grup ϕ : G1 −→ G2, będący odwzorowaniem<br />
gładkim.<br />
Przykład 14.1.2. Każda przestrzeń wektorowa V na R z dodawaniem wektorów, jako działaniem<br />
grupowym, jest grupą Liego. W szczególności (R n , +) jest grupą Liego. ⊠<br />
Przykład 14.1.3. Grupy GLn(R), GLn(C) są grupami Liego. Grupy te są rozmaitościami gładkimi,<br />
gdyż są otwartymi podzbiorami rozmaitości odpowiednio Rn2 i R2n2. Odwzorowanie (A, B) ↦→ AB−1 jest oczywiście gładkie. ⊠<br />
Przykład 14.1.4. Niech G = {(a, b) ∈ R 2 ; a = 0} = R 2 (0 × R). Zbiór ten jest otwarty w R 2 .<br />
Ma zatem strukturę rozmaitości gładkiej (z jednoelementowym atlasem). Wprowadzamy w zbiorze G<br />
mnożenie G × G −→ G przyjmując<br />
(a, b)(c, d) = (ac, ad + b).<br />
Łatwo sprawdzić, że G wraz z tym mnożeniem jest zwykłą grupą. Elementem neutralnym jest para<br />
(1, 0). Ponadto, (a, b) −1 = (a −1 , −a −1 b). Widzimy zatem, że odwzorowania · : G × G −→ G oraz<br />
−1 : G −→ G są gładkie. Rozmaitość G jest zatem grupą Liego.<br />
Grupa ta jest izomorficzna z grupą odwracalnych 2 × 2 macierzy postaci<br />
a b<br />
0 1<br />
<br />
, a, b ∈ R, a = 0.<br />
Ta z kolei grupa jest izomorficzna z grupą wszystkich przekształceń afinicznych z R do R, tzn. odwzorowań<br />
f : R −→ R postaci f(x) = ax + b, gdzie a = 0. ⊠<br />
Przykład 14.1.5. Okrąg S 1 = {(x, y) ∈ R 2 ; x 2 + y 2 = 1} = {z ∈ C; |z| = 1} (z mnożeniem) jest<br />
1-wymiarową grupą Liego. ⊠<br />
Są tylko dwie 1-wymiarowe grupy Liego: (R 1 , +) i (S 1 , ·). Na sferze S 2 nie ma struktury grupy Liego.<br />
Istnieje natomiast struktura grupy Liego na S 3 . Jeśli H jest ciałem kwaternionów, to (H {0}, ·) jest<br />
grupą Liego (patrz [15]). Zachodzi fakt ogólniejszy:<br />
Stwierdzenie 14.1.6 ([15]). Niech A będzie skończenie wymiarową R-algebrą z 1 i niech µ(A) będzie<br />
jej grupą multyplikatywną. Wtedy µ(A) jest grupą Liego. ⊠<br />
Zanotujmy także:<br />
Stwierdzenie 14.1.7 ([15]).<br />
(1) Jeśli G jest grupą Liego i H ⊆ G jest jej domkniętą podgrupą i podrozmaitością, to H jest<br />
grupą Liego.<br />
(2) Jeśli H jest domkniętym dzielnikiem normalnym grupy Liego G, to G/H jest grupą Liego.<br />
(3) Produkt grup Liego jest grupą Liego. ⊠
14. Grupy Liego i ich algebry Liego 79<br />
Inne przykłady grup Liego podamy później.<br />
Niech G będzie grupą Liego. Jeśli g ∈ G, to przez lg : G −→ G oznaczamy odwzorowanie, zwane<br />
lewym przesunięciem, określone wzorem<br />
lg(x) = gx, dla x ∈ G.<br />
Analogicznie definiujemy prawe przesunięcie rg : G −→ G, x ↦→ xg. Przesunięcia (lewe i prawe) są<br />
oczywiście dyfeomorfizmami rozmaitości G.<br />
14.2 Niezmiennicze pola wektorowe<br />
Niech G będzie grupą Liego. Każde lewe przesunięcie lg indukuje odwzorowanie<br />
T(lg) : TG −→ TG,<br />
wiązki stycznej do G. Dla każdego h ∈ G mamy wówczas odwzorowanie R-liniowe<br />
określone wzorem<br />
Th(lg) : ThG −→ T lg(h)G = TghG,<br />
Th(lg)[σ] = [lg ◦ σ] = [gσ], dla [σ] ∈ ThG.<br />
Ponieważ lg jest dyfeomorfizmem, więc Th(lg) : ThG −→ TghG jest izomorfizmem przestrzeni Rliniowych.<br />
Niech s : G −→ TG będzie polem wektorowym. Wówczas, dla każdego g ∈ G mamy diagram<br />
G<br />
s<br />
−→ TG<br />
lg ↓ ↓ T(lg)<br />
G<br />
s<br />
−→ TG<br />
Diagramy tej postaci nie muszą być, na ogół, przemienne.<br />
(14.1)<br />
Definicja 14.2.1. Mówimy, że pole wektorowe s : G −→ TG jest niezmiennicze (lewostronnie) jeśli,<br />
dla każdego g ∈ G, powyższy diagram jest przemienny.<br />
Przez e oznaczamy element neutralny grupy G.<br />
Stwierdzenie 14.2.2 (PH435). Niech s : G −→ TG będzie polem wektorowym. Następujące warunki<br />
są równoważne.<br />
(1) Pole s jest niezmiennicze.<br />
(2) s(g) = Te(lg)(s(e)), dla wszystkich g ∈ G.<br />
Dowód. Niech g ∈ G. Wtedy Te(lg) jest przekształceniem R-liniowym z TeG do T lg(e)G = TgG.<br />
Ponadto, s(e) ∈ TeG, s(g) ∈ TgG. Zatem elementy Te(lg)(s(e) i s(g) należą do tej samej przestrzeni<br />
TgG.<br />
(1) ⇒ (2). Załóżmy, że wszystkie diagramy postaci (14.1) są przemienne i niech g ∈ G. Wtedy<br />
T(lg)s = slg. Zatem, dla dowolnego h ∈ G, mamy<br />
W szczególności, dla h = e, otrzymujemy:<br />
slg(h) = T(lg)s(h) = Th(lg)s(h).<br />
s(g) = slg(e) = Te(lg)s(e).<br />
(2) ⇒ (1). Załóżmy, że zachodzi warunek (2). Należy pokazać, że<br />
slg(h) = Th(lg)s(h), dla wszystkich h ∈ G.
80 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Sprawdzamy:<br />
slg(h) = s(gh) = Te(lgh)s(e)<br />
= Te(lg ◦ lh)s(e) = (Th(lg) ◦ Te(lh)) s(e)<br />
= Th(lg) (Te(lh)s(e))<br />
= Th(lg)s(h). ⊠<br />
Powyższe stwierdzenie mówi, że niezmiennicze pola wektorowe są jednoznacznie wyznaczone przez<br />
swoją wartość w punkcie e. Jeśli znamy s(e), to znamy s(g), dla dowolnego g ∈ G, bowiem s(g) =<br />
Te(lg)(s(e)).<br />
Przypomnijmy, że przez Γ(TG) oznaczamy zbiór wszystkich przekrojów z G do TG, czyli zbiór<br />
wszystkich pól wektorowych rozmaitości G. Zbiór ten jest C(G)-modułem, zatem jest przestrzenią<br />
liniową nad R.<br />
Lemat 14.2.3. Zbiór A, wszystkich niezmienniczych pól wektorowych grupy G, jest podprzestrzenią<br />
przestrzeni Γ(TG).<br />
Dowód. Niech s ∈ A, r ∈ R. Ponieważ, dla każdego g ∈ G, odwzorowanie Te(lg) : TeG −→ TgG<br />
jest przekształceniem liniowym, więc<br />
(rs)(g) = r · s(g) = r · Te(lg)(s(e)) = Te(lg)(r · s(e)) = Te(lg)(rs(e)).<br />
Zatem, na mocy poprzedniego stwierdzenia, pole rs należy do A.<br />
Niech s1, s2 ∈ A. Wówczas, dla każdego g ∈ G, mamy:<br />
(s1 + s2)(g) = s1(g) + s2(g)<br />
= Te(lg)(s1(e)) + Te(lg)(s2(e))<br />
= Te(lg)(s1(e) + s2(e))<br />
= Te(lg)((s1 + s2)(e)).<br />
Z poprzedniego stwierdzenia wynika zatem, że s1 + s2 ∈ A. ⊠<br />
Niech v będzie ustalonym wektorem przestrzeni TeG. Definiujemy odwzorowanie sv : G −→ TG,<br />
przyjmując:<br />
sv(g) = Te(lg)(v), dla g ∈ G. (14.2)<br />
Lemat 14.2.4. Odwzorowanie sv jest niezmienniczym polem wektorowym grupy Liego G.<br />
Dowód. Przypomnijmy, że p : TG −→ G jest odwzorowaniem gładkim, zdefiniowanym wzorem<br />
p([σ]) = σ(0), gdzie [σ] ∈ TG. Sprawdzenie, że odwzorowanie sv jest gładkie zostawiamy czytelnikowi.<br />
Sprawdźmy, że psv = id. Niech v = [σ], gdzie σ(0) = e. Niech g ∈ G. Wtedy:<br />
psv(g) = pTe(lg)(v) = pTe(lg)([σ])<br />
= p([lgσ]) = p([gσ]) = gσ(0) = ge = g.<br />
Zatem sv jest polem wektorowym. Zauważmy teraz, że sv(e) = v. Istotnie,<br />
sv(e) = Te(le)(v) = Te(id)(v) = v.<br />
Stąd wynika, że sv(g) = Te(lg)(sv(e)), a zatem (na mocy poprzedniego stwierdzenia) pole sv jest<br />
niezmiennicze. ⊠<br />
Stwierdzenie 14.2.5 (PH435). Zbiór A, wszystkich niezmienniczych pól wektorowych grupy Liego<br />
G, jest przestrzenią liniową nad R izomorficzną z przestrzenią TeG. Dokładniej, odwzorowanie<br />
α : TeG −→ A, v ↦→ sv, jest izomorfizmem przestrzeni liniowych.<br />
Dowód. Jest oczywiste, że α jest przekształceniem liniowym. Jeśli sv = sv ′, to v = sv(e) =<br />
sv ′(e) = v′ , a zatem α jest różnowartościowe. Jeśli s : G −→ TG jest dowolnym niezmienniczym<br />
polem wektorowym, to s = sv, gdzie v = s(e). Istotnie, z poprzedniego stwierdzenia wynika, że:<br />
Zatem α jest surjekcją. ⊠<br />
sv(g) = Te(lg)(v) = Te(lg)(s(e)) = s(g).
14. Grupy Liego i ich algebry Liego 81<br />
14.3 Moduł pól wektorowych grupy Liego<br />
Niech G będzie n-wymiarową grupą Liego. Wykażemy, że niezmiennicze pola wektorowe grupy G<br />
generują (nad C(G)) moduł Γ(TG), wszystkich pól wektorowych grupy G. Wykażemy nawet więcej;<br />
udowodnimy, że moduł ten jest wolny rangi n oraz, że ma bazę składającą się z niezmienniczych pól<br />
wektorowych.<br />
Stwierdzenie 14.3.1. Jeśli wektory v1, . . . , vn ∈ TeG są liniowo niezależne na R, to niezmiennicze<br />
pola wektorowe s1 = sv1, . . . , sn = svn, zdefiniowane wzorami (14.2), są liniowo niezależne nad C(G).<br />
Dowód. Niech n<br />
i=1 fisi = 0, gdzie f1, . . . , fn ∈ C(G). Niech g ∈ G. Wtedy<br />
n<br />
i=1 fi(g)si(g) = 0,<br />
a zatem<br />
0 = Tg(l g −1) ( n<br />
i=1 fi(g)si(g))<br />
= n<br />
i=1 fi(g)Tg(l g −1)(si(g))<br />
= n<br />
i=1 fi(g)Tg(l g −1)Te(lg)(vi)<br />
= n<br />
i=1 fi(g)Te(le)(vi)<br />
= n<br />
i=1 fi(g)(vi).<br />
Z liniowej niezależności wektorów v1, . . . , vn wynika, że f1(g) = · · · = fn(g) = 0. ⊠<br />
Stwierdzenie 14.3.2. Jeśli wektory v1, . . . , vn ∈ TeG generują (nad R) przestrzeń TeG, to niezmiennicze<br />
pola wektorowe s1 = sv1, . . . , sn = svn, zdefiniowane wzorami (14.2), generują moduł Γ(TG)<br />
nad C(G).<br />
Dowód (szkic). Niech s : G −→ TG będzie dowolnym polem wektorowym. Ponieważ przekształcenie<br />
liniowe Te(lg) : TeG −→ TgG jest izomorfizmem oraz<br />
si(g) = Te(lg)(vi), i = 1, . . . , n,<br />
więc wektory s1(g), . . . , sn(g) generują przestrzeń TgG nad R, dla dowolnego g ∈ G. Zatem<br />
s(g) = f1(g)s1(g) + · · · + fn(g)sn(g), dla γ ∈ G,<br />
gdzie f1(g), . . . , fn(g) są pewnymi elementami z R. Stąd s = n<br />
i=1 fisi i można wykazać, że funkcje<br />
f1, . . . , fn są gładkie. ⊠<br />
Z powyższych dwóch stwierdzeń wynika:<br />
Twierdzenie 14.3.3 (PH436). Jeśli G jest n-wymiarową grupą Liego, to C(G)-moduł Γ(TG) jest<br />
wolny rangi n (tzn. wiązka TG jest trywialna). ⊠<br />
14.4 Algebra Liego grupy Liego<br />
indexalgebra*Liego*grupy Liego Wiemy, że przekrojom wiązki stycznej TG odpowiadają (w sposób<br />
wzajemnie jednoznaczny) R-derywacje pierścienia C(G). Jeśli s : G −→ TG jest przekrojem (czyli<br />
polem wektorowym na G), to odpowiadająca derywacja δs : C(G) −→ C(G) określona jest wzorem<br />
δs(f)(g) = d(fσ)<br />
dt (0), gdzie [σ] = s(g).<br />
Niech δ : C(G) −→ C(G) będzie dowolną R-derywacją.
82 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Definicja 14.4.1. Mówimy, że derywacja δ : C(G) −→ C(G) jest niezmiennicza (lewostronnie) jeśli,<br />
dla każdego g ∈ G, przemienny jest diagram<br />
gdzie C(lg)(f) = f ◦ lg, dla f ∈ C(G).<br />
C(G)<br />
δ<br />
−→ C(G)<br />
C(lg) ↓ ↓ C(lg)<br />
C(G)<br />
Łatwo udowodnić następujące dwa lematy.<br />
δ<br />
−→ C(G)<br />
, (14.3)<br />
Lemat 14.4.2. Jeśli δ1, δ2 : C(G) −→ C(G) są derywacjami niezmienniczymi, to derywacja [δ1, δ2] =<br />
δ1δ2 − δ2δ1 też jest niezmiennicza. ⊠<br />
Lemat 14.4.3. Pole wektorowe s ∈ Γ(TG) jest niezmiennicze ⇐⇒ derywacja δs jest niezmiennicza.<br />
⊠<br />
Stąd wynika:<br />
Wniosek 14.4.4. Jeśli pola s, t ∈ Γ(TG) są niezmiennicze, to przekrój [s, t] również jest niezmienniczy.<br />
⊠<br />
Wszystkie niezmiennicze pola wektorowe grupy G tworzą więc algebrę Liego nad R.<br />
Definicja 14.4.5. Algebrę Liego wszystkich niezmienniczych pól wektorowych grupy Liego G oznaczamy<br />
przez L(G) i nazywamy algebrą Liego grupy G.<br />
Z faktów wykazanych w tym i poprzednim podrozdziale wynika:<br />
Twierdzenie 14.4.6. Algebrą Liego grupy Liego G jest przestrzeń R-liniowa TeG, w której iloczyn<br />
Liego określony jest wzorem<br />
[u, v] = [su, sv](e),<br />
dla u, v ∈ TeG. ⊠<br />
14.5 Algebra Liego addytywnej grupy przestrzeni R n<br />
Wiemy (patrz Podrozdział 12.3), że każda R-derywacja δ pierścienia C(Rn ) ma jednoznaczne<br />
przedstawienie w postaci<br />
δ = f1 ∂<br />
∂<br />
+ · · · + fn ∂x1 ∂xn ,<br />
gdzie f1, . . . , fn są funkcjami należącymi do C(Rn ). Wtedy fi = δ(πi), dla i = 1, . . . , n, gdzie πi :<br />
Rn −→ R jest i-tym rzutowaniem.<br />
Stwierdzenie 14.5.1. R-derywacja δ : C(R n ) −→ C(R n ) jest niezmiennicza ⇐⇒<br />
δ = v1 ∂<br />
∂<br />
+ · · · + vn ∂x1 ∂xn , gdzie v1, . . . , vn ∈ R. (14.4)<br />
Dowód. Załóżmy, że derywacja δ jest niezmiennicza. Wtedy, dla wszystkich a ∈ R n oraz g ∈<br />
C(R n ), zachodzi równość<br />
C(la)δ(g) = δC(la)(g), czyli δ(g) ◦ la = δ(g ◦ la),<br />
gdzie la : R n −→ R n jest przesunięciem określonym wzorem la(x) = x+a, dla x ∈ R n . W szczególności,<br />
jeśli g = πi : R n −→ R jest i-tym rzutowaniem oraz δ(πi) = vi ∈ C(R n ), to<br />
vi(x + a) = vi(x),
14. Grupy Liego i ich algebry Liego 83<br />
dla wszystkich a, x ∈ R n . To implikuje, że vi jest funkcją stałą, tzn. vi ∈ R. Zatem<br />
δ = n ∂<br />
i=1 δ(πi) ∂xi = n ∂<br />
i=1<br />
vi ∂xi ,<br />
gdzie v1, . . . , vn ∈ R. Wykazaliśmy więc, że jeśli derywacja δ jest niezmiennicza, to jest postaci (14.4).<br />
Implikacja w przeciwnym kierunku jest oczywista. ⊠<br />
Inny dowód powyższego stwierdzenia jest w PH447.<br />
Stwierdzenie 14.5.2. Jeśli R-derywacje δ1, δ2 ∈ Der(C(R n )) są niezmiennicze, to [δ1, δ2] = 0.<br />
Dowód. Z poprzedniego stwierdzenia wiemy, że δ1 = n ∂<br />
i=1<br />
vi ∂xi , δ2 = n ∂<br />
i=1<br />
ui ∂xi , gdzie v1, . . . , vn, u1, . . . , un ∈<br />
R. Zatem:<br />
n ∂<br />
[δ1, δ2] = i=1<br />
vi ∂xi , <br />
n ∂<br />
j=1<br />
uj = ∂xj<br />
n n i=1 j=1 viuj<br />
<br />
∂ ∂ , ∂xi ∂xj<br />
= n n i=1 j=1 viuj0 = 0. ⊠<br />
Z powyższych dwóch stwierdzeń otrzymujemy:<br />
Twierdzenie 14.5.3 (PH447). Algebrą Liego grupy Liego (R n , +) jest przestrzeń R n z zerowym<br />
nawiasem Liego. ⊠<br />
14.6 Algebra Liego grupy GLn(R)<br />
Przez Mn(R) oznaczamy R-liniową przestrzeń wszystkich (n × n)-macierzy o współczynnikach<br />
w R. Przez GLn = GLn(R) oznaczamy podzbiór w Mn(R), składający się z wszystkich macierzy<br />
odwracalnych. Podzbiór ten jest grupą ze względu na mnożenie macierzy. Wyjaśniliśmy już wcześniej<br />
(patrz Podrozdział 14.1), że GLn jest n 2 -wymiarową grupą Liego. Opiszemy algebrę Liego tej grupy<br />
Liego.<br />
Przez E oznaczać będziemy (n×n)-macierz jednostkową. Jeśli A ∈ Mn(R), to przez τA oznaczamy<br />
częściowe odwzorowanie<br />
τA : J −→ GLn, t ↦−→ E + tA.<br />
Jest jasne, że dla małych t ∈ J, macierz E + tA jest odwracalna. Ponadto, τA(0) = E. Funkcja τA<br />
jest więc określona w pewnym otoczeniu otwartym liczby 0. Mamy zatem krzywą na GLn o środku w<br />
punkcie E.<br />
Wiemy, że algebrą Liego dowolnej grupy Liego G jest przestrzeń R-liniowa TeG, czyli zbiór klas<br />
abstrakcji wszystkich krzywych na G o środku w punkcie e. W naszym przypadku należy zatem zbadać<br />
R-przestrzeń liniową TE(GLn).<br />
Lemat 14.6.1. Dla każdej krzywej σ : J −→ GLn, o środku w E, istnieje dokładnie jedna macierz<br />
A ∈ Mn(R) taka, że [σ] = [τA].<br />
Dowód. Zauważmy najpierw, że<br />
dτA<br />
dt<br />
d(E+tA)<br />
(0) = dt (0) = A.<br />
Jeśli więc [τA] = [τB], to A = B. Stąd wynika jedyność macierzy A. Niech σ : J −→ GLn będzie<br />
dowolną krzywą taką, że σ(0) = E. Niech A = dσ<br />
dt (0). Wtedy [σ] = [τA]. ⊠<br />
Stąd z łatwością otrzymujemy:<br />
Stwierdzenie 14.6.2. Przyporządkowanie<br />
jest izomorfizmem przestrzeni R-liniowych. ⊠<br />
Mn(R) −→ TE(GLn), A ↦−→ [τA],
84 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Spójrzmy na niezmiennicze pola wektorowe s : GLn −→ T(GLn). Jeśli G jest dowolną grupą Liego,<br />
to wiemy (Stwierdzenie 14.2.5), że każde niezmiennicze pole wektorowe s : G −→ TG określone jest<br />
wzorem<br />
s(g) = Te(lg)(v), dla g ∈ G,<br />
gdzie v jest wektorem należącym do TeG. Każdemu wektorowi v ∈ TeG odpowiada dokładnie jedno<br />
takie pole.<br />
W naszym przypadku wektory v ∈ TE(GLn) są jednoznacznie wyznaczone przez macierze A ∈<br />
Mn(R n ). Dokładniej, każdy wektor z TE(GLn) jest postaci [τA], gdzie A jest jednoznacznie wyznaczoną<br />
macierzą należącą do Mn(R). Każde zatem niezmiennicze pole wektorowe z GLn do T(GLn) ma<br />
dokładnie jedną postać SA, gdzie<br />
SA(X) = TE(lX)([τA]) = [lX ◦ τA] = [XτA], dla X ∈ GLn.<br />
Wniosek 14.6.3. Jeśli s : GLn −→ T(GLn) jest niezmienniczym polem wektorowym, to istnieje<br />
dokładnie jedna macierz A ∈ Mn(R) taka, że s = SA, tzn.<br />
dla wszystkich X ∈ GLn. ⊠<br />
s(X) = SA(X) = [X(E + tA)],<br />
Przechodzimy teraz do opisu wszystkich R-derywacji pierścienia C(GLn), odpowiadających przekrojom<br />
postaci SA. Przechodzimy więc do opisu derywacji niezmienniczych. W tym celu wprowadźmy<br />
najpierw nowe oznaczenie.<br />
Jeśli A ∈ Mn(R) oraz i, j ∈ {1, . . . , n}, to przez Aij oznaczać będziemy funkcję z GLn do R,<br />
określoną wzorem<br />
Aij(X) = (XA)ij, dla X ∈ GLn,<br />
gdzie (XA)ij jest wspólczynnikiem macierzy XA, stojącym w i-tym wierszu i j-tej kolumnie, tzn.<br />
Z łatwością sprawdzamy:<br />
Lemat 14.6.4.<br />
∂Aij<br />
∂xpq<br />
Aij(X) = n<br />
r=1 XirArj.<br />
(X) =<br />
0, gdy i = p,<br />
aqj, gdy i = p. ⊠<br />
Przypomnijmy, że jeśli M jest dowolną rozmaitością gładką oraz s : M −→ TM jest dowolnym<br />
polem wektorowym, to z polem tym stowarzyszona jest jednoznacznie wyznaczona derywacja δs :<br />
C(M) −→ C(M), określona wzorem (dla f ∈ C(M), x ∈ M):<br />
δs(f)(x) = d(fσ)<br />
dt (0), gdzie [σ] = s(x).<br />
Definicja 14.6.5. Jeśli A ∈ Mn(R), to przez DA : C(GLn) −→ C(GLn) oznaczamy derywację δSA ,<br />
tzn. derywację stowarzyszoną z polem SA.<br />
Ponieważ pole wektorowe SA jest niezmiennicze, więc derywacja DA też jest niezmiennicza.<br />
Stwierdzenie 14.6.6. DA = n<br />
i=1<br />
n ∂<br />
j=1<br />
Aij ∂xij .<br />
Dowód. Wiemy, że jeśli X ∈ GLn, to SA(X) = [X(E + tA)]. Niech f ∈ C(GLn), X ∈ GLn.<br />
Wtedy:<br />
DA(f)(X) = df(X(E+tA))<br />
dt (0)<br />
<br />
∂f<br />
d(X(E+tA))ij<br />
= i,j (X(E + tA)) ∂xij dt (0)<br />
= <br />
∂f<br />
i,j (XA)ij ∂xij (X)<br />
= n n ∂f<br />
i=1 j=1 Aij(X) (X). ⊠<br />
∂xij
14. Grupy Liego i ich algebry Liego 85<br />
Stwierdzenie 14.6.7. Jeśli A, B ∈ Mn(R), to [DA, DB] = D [A,B], gdzie [A, B] = AB − BA.<br />
Dowód. Niech X ∈ GLn oraz f ∈ C(GLn). Wykażemy najpierw, że prawdziwe są następujące<br />
dwie równości:<br />
Wykazujemy równość (14.5):<br />
<br />
ij<br />
DA(Bij) − DB(Aij) (X) = <br />
s,t<br />
Wykazujemy równość (14.6):<br />
<br />
ij<br />
<br />
BijDA( ∂f<br />
∂f<br />
) − AijDB(<br />
∂xij ∂xij )<br />
Z powyższych równości wynika:<br />
∂xij<br />
DA(Bij) − DB(Aij) = [A, B] ij , (14.5)<br />
<br />
BijDA( ∂f<br />
∂f<br />
) − AijDB(<br />
∂xij ∂xij )<br />
<br />
= 0. (14.6)<br />
<br />
14.6.4<br />
=<br />
=<br />
<br />
n<br />
t=1<br />
Ast(X) ∂Bij<br />
∂xst<br />
<br />
Ait(X) ∂Bij<br />
∂xit<br />
∂Aij<br />
(X) − Bst(X) ∂xst (X)<br />
<br />
(X) − Bit(X) ∂Aij<br />
∂xit (X)<br />
n<br />
t=1 ((XA)itBtj − (XB)itAtj)<br />
= ((XA)B − (XB)A)ij<br />
= (X(AB − BA))ij<br />
= [A, B] ij (X).<br />
= <br />
ij<br />
Bij<br />
= <br />
ij<br />
= 0.<br />
p,q Apq<br />
∂ 2 f<br />
− Aij<br />
∂xpqxij<br />
pq BijApq<br />
∂ 2 f<br />
∂xpqxij<br />
− <br />
ij<br />
<br />
<br />
<br />
p,q ( ∂2f ∂xpqxij )<br />
<br />
pq AijBpq<br />
∂ 2 f<br />
∂xpqxij<br />
[DA, DB](f)(X) = (DADB(f) − DBDA(f))(X)<br />
<br />
= DA( ∂f <br />
∂f<br />
i,j<br />
Bij − DB( ∂xij i,j<br />
Aij (X)<br />
∂xij<br />
<br />
= i,j<br />
DA(Bij) ∂f<br />
∂f<br />
∂f<br />
∂f<br />
+ BijDA( ) − DB(Aij) − AijDB(<br />
∂xij ∂xij ∂xij ∂xij )<br />
<br />
(X)<br />
<br />
(14.6) <br />
= i,j<br />
DA(Bij) − DB(Aij) <br />
∂f<br />
(X)<br />
∂xij<br />
<br />
(14.5) <br />
= ij [A, B] <br />
∂f<br />
ij (X)<br />
= D [A,B](f)(X).<br />
Zatem [DA, DB] = D [A,B]. ⊠<br />
Udowodniliśmy więc:<br />
Twierdzenie 14.6.8 (PH440). Algebrą Liego grupy Liego GLn(R) jest przestrzeń liniowa<br />
Mn(R), wszystkich (n × n)-macierzy nad R, z nawiasem Liego [A, B] = AB − BA. ⊠<br />
14.7 Algebry Liego pewnych podgrup grupy GLn<br />
Przez K oznaczamy ciało R lub C. Grupa GLn(K) (dla n > 1) nie jest zwarta ([27] 44). Algebrą<br />
Liego grupy Liego GLn(K) jest przestrzeń Mn(K), wszystkich (n × n)-macierzy nad K, z nawiasem<br />
Liego [A, B] = AB − BA.<br />
Grupa specjalna SLn.<br />
SLn(K) = {A ∈ GLn(K); det A = 1}.
86 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
SLn(R) nazywamy specjalną grupą rzeczywistą, a SLn(C) specjalną grupą zespoloną. Grupy te (dla<br />
n > 1) nie są zwarte ([27] 44). Algebry Liego tych grup oznacza się odpowiednio przez sln(R) i<br />
sln(C).<br />
Twierdzenie 14.7.1 ([27] 125). sln(K) = L(SLn(K)) = {A ∈ Mn(K); trA = 0}. ⊠<br />
Grupa ortogonalna On. Mówimy, że macierz A ∈ GLn(K) jest ortogonalna jeśli A T A =<br />
E. Zbiór wszystkich macierzy ortogonalnych, należących do GLn(K), jest podgrupą (Liego) grupy<br />
GLn(K), którą oznaczamy przez On(K). Zatem:<br />
On(K) = {A ∈ GLn(K); A T A = E}.<br />
On(R) nazywamy ortogonalną grupą rzeczywistą, a On(C) ortogonalną grupą zespoloną. Rzeczywista<br />
grupa ortogonalna jest zwarta, natomiast zespolona (dla n > 1) nie jest zwarta ([27] 45). Algebry<br />
Liego tych grup oznacza się odpowiednio przez on(R) i on(C).<br />
indexgrupa*Liego*ortogonalna<br />
Twierdzenie 14.7.2 ([27] 125). on(K) = L(On(K)) = {A ∈ Mn(K); A T = −A}. ⊠<br />
Mówimy, że macierz A ∈ Mn(K) jest antysymetryczna, jeśli A T = −A. Algebra on(K) jest więc<br />
zbiorem wszystkich (n×n)-macierzy antysymetrycznych (o współczynnikach należących do K). Pewne<br />
informacje o on(K) znajdziemy w PH442.<br />
Specjalna grupa ortogonalna SOn.<br />
SOn(K) = SLn(K) ∩ On(K) = {A ∈ GLn(K); det = 1, A T A = E}.<br />
SOn(R) nazywamy specjalną grupą ortogonalną rzeczywistą, a SOn(C) specjalną grupą ortogonalną<br />
zespoloną. Specjalna grupa ortogonalna rzeczywista jest zwarta, natomiast zespolona (dla n > 1) nie<br />
jest zwarta ([27] 45). Algebry Liego tych grup oznacza się odpowiednio przez son(R) i son(C).<br />
Twierdzenie 14.7.3 ([27] 125).<br />
son(K) = L(SOn(K)) = sln(K) ∩ on(K) = {A ∈ Mn(K); A T = −A, trA = 0}. ⊠<br />
Pewne informacje o son(K) znajdziemy w PH441.<br />
Grupa unitarna Un. Mówimy, że macierz A ∈ GLn(C) jest unitarna jeśli A = (A T ) −1 , gdzie A<br />
jest macierzą sprzężoną do macierzy A. Zbiór wszystkich macierzy unitarnych, należących do GLn(C),<br />
jest podgrupą (Liego) grupy GLn(C), którą oznaczamy przez Un i nazywamy grupą unitarną. Zatem:<br />
Un = {A ∈ GLn(C); A = (A T ) −1 }.<br />
Grupa unitarna jest zwarta ([27] 45). Algebrę Liego grupy unitarnej Un oznaczamy przez un.<br />
Twierdzenie 14.7.4 ([27] 125). un = L(Un) = {A ∈ Mn(C); A = −A}. ⊠<br />
Specjalna grupa unitarna SUn.<br />
SUn = SLn(C) ∩ Un = {A ∈ GLn(C); det = 1, A = (A T ) −1 }.<br />
SUn nazywamy specjalną grupą unitarną. Specjalna grupa unitarna jest zwarta ([27] 45). Algebrę<br />
Liego tej grupy oznacza się przez sun.<br />
Twierdzenie 14.7.5 ([27] 125).<br />
sun = L(SUn) = sln(C) ∩ un = {A ∈ Mn(C); A = −A, trA = 0}. ⊠
14. Grupy Liego i ich algebry Liego 87<br />
Grupy symplektyczne Spn. Opiszemy teraz trzy grupy: Spn, Spn(R) i Spn(C). Niech En<br />
będzie (n × n)-macierzą jednostkową i niech Ω będzie (2n × 2n)-macierzą zdefiniowaną wzorem<br />
<br />
Ω =<br />
0<br />
−En<br />
En<br />
0<br />
<br />
.<br />
Definiujemy następujące trzy grupy macierzy zachowujących macierz Ω.<br />
Sp n = {A ∈ U2n; A T ΩA = Ω},<br />
Sp n(R) = {A ∈ GL2n(R); A T ΩA = Ω},<br />
Sp n(C) = {A ∈ GL2n(C); A T ΩA = Ω}.<br />
Grupy te nazywamy odpowiednio: symplektyczną, liniową symplektyczną rzeczywistą, liniową symplektyczną<br />
zespoloną. Grupa symplektyczna Spn jest zwarta. Pozostałe dwie grupy nie są zwarte ([27]<br />
45). Algebry Liego tych grup oznaczamy odpowiednio przez spn, spn(R), spn(C).<br />
Twierdzenie 14.7.6 ([27] 125).<br />
spn(R) = L(Sp n(R)) = {A ∈ M2n(R); A T Ω = −ΩA},<br />
spn(C) = L(Sp n(C)) = {A ∈ M2n(C); A T Ω = −ΩA},<br />
spn = L(Sp n) = {A ∈ M2n(C); A T Ω = −ΩA, A = −A} = spn(C) ∩ u2n. ⊠<br />
Grupy zwarte. Wszystkie powyższe grupy są lokalnie zwarte (bo są rozmaitościami gładkimi).<br />
Każda z nich jest domkniętą podgrupą pewnej grupy postaci GLn(K). Podczas przedstawiania tych<br />
grup zaznaczaliśmy, które z nich są zwarte, a które nie.<br />
Stwierdzenie 14.7.7 ([27] 44). Grupy On(R), SOn(R), Un, SUn, Sp n są zwarte. Pozostałe grupy,<br />
tzn. GLn(R), GLn(C), SLn(R), SLn(C), On(C), SOn(C), Sp n(R), Sp n(C) nie są zwarte.<br />
Wymiary. (Patrz [27] 44).<br />
GLn(C) 2n 2<br />
GLn(R) n 2<br />
SLn(C) 2n 2 − 2<br />
SLn(R) n 2 − 1<br />
On(C) n 2 − n<br />
On(R) (n 2 − n)/2<br />
14.8 Informacje o lokalnych grupach Liego<br />
SOn(C) n2 − n − 1<br />
SOn(R) (n2 − n)/2<br />
Un<br />
n 2<br />
SUn n2 − 1<br />
Spn(C) 4n2 + 2n<br />
Spn(R) n2 + n2<br />
Spn 2n2 + n<br />
Wiemy już, że z każdą grupą Liego G stowarzyszona jest algebra Liego L(G). Może się tak zdarzyć,<br />
że dwie grupy Liego nie są izomorficzne, natomiast odpowiadające im algebry Liego są izomorficzne.<br />
Takimi nieizomorficznymi grupami Liego są np. (R 1 , +) i (S 1 , ·). Grupy te mają wspólną algebrę<br />
Liego, którą jest R 1 z zerowym nawiasem.<br />
Podobna niejednoznaczność już nie zachodzi, gdy zamiast grup Liego rozpatrzymy lokalne grupy<br />
Liego.<br />
W Encyklopedii [17] lokalna grupa Liego zdefiniowana jest następująco.<br />
Definicja 14.8.1 ([17]). Lokalną grupą Liego nazywamy rozmaitość gładką G wraz z elementem<br />
e ∈ G (zwanym jedynką) i parą gładkich odwzorowań · : U × U −→ U, −1 : U −→ U, gdzie U ∋ e jest<br />
otwartym podzbiorem w G, przy czym spełnione są warunki:<br />
(1) Istnieje otoczenie otwarte V takie, że e ∈ V ⊆ U oraz xe = ex = x, dla x ∈ V .<br />
(2) Istnieje otoczenie otwarte V ′ takie, że e ∈ V ′ ⊆ U oraz xx −1 = x −1 x = e, dla x ∈ V ′ .<br />
(3) Istnieje otoczenie otwarte W takie, że e ∈ W ⊆ U oraz x(yz) = (xy)z, dla x, y, z ∈ W .
88 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Kiriłow [15], lokalną grupę Liego definiuje tak:<br />
Definicja 14.8.2 ([15]). Lokalną grupą Liego nazywamy parę (V, ϕ), w której V jest otwartym<br />
podzbiorem w R n zawierającym 0, a ϕ : V × V −→ R n jest odwzorowaniem gładkim. Zakładamy<br />
ponadto, że:<br />
(1) ϕ(x, ϕ(y, z)) = ϕ(ϕ(x, y), z),<br />
(2) ϕ(0, x) = ϕ(x, 0) = x,<br />
(3) istnieje odwzorowanie gładkie η : V −→ R n takie, że ϕ(x, η(x)) = ϕ(η(x), x) = 0;<br />
przy czym warunki te są spełnione o ile mają sens.<br />
Przyjmijmy pierwszą z tych definicji. Odcinek (−1, 1) z dodawaniem jest oczywiście lokalną grupą<br />
Liego. Każdy przedział otwarty w R 1 , zawierający 0 jest też taką grupą. Każdy zbiór otwarty w R<br />
zawierający 1 jest lokalną grupą Liego, ze względu na mnożenie.<br />
Definicja 14.8.3. Homomorfizmem lokalnych grup Liego (G1, e1) i (G2, e2) nazywamy każde odwzorowanie<br />
gładkie f : U1 −→ G2, gdzie U1 ∋ e1 jest otwartym podzbiorem w G1, takie, że:<br />
(1) f(e1) = e2,<br />
(2) f(ab) = f(a)f(b), dla a, b ∈ U ′ 1 ⊆ U1 (o ile to ma sens).<br />
Homomorfizm taki oznaczamy jako f : G1 −→ G2.<br />
Złożenie homomorfizmów lokalnych jest homomorfizmem lokalnym. Można więc zdefiniować izomorfizm<br />
lokalnych grup Liego.<br />
Z każdej grupy Liego można otrzymać nieskończenie wiele lokalnych grup Liego. Są one wszystkie<br />
izomorficzne.<br />
Załóżmy, że dane są dwie grupy Liego G1 i G2 i rozpatrzmy dwie lokalne grupy Liego G ′ 1 i G ′ 2,<br />
otrzymane odpowiednio z G1 i G2. Może się tak zdarzyć, że grupy lokalne G ′ 1, G ′ 2 są izomorficzne,<br />
natomiast grupy G1, G2 nie są izomorficzne.<br />
Przykład 14.8.4 (PH468). G1 = R 1 , G2 = S 1 , G ′ 1 = (−π, π), G ′ 2 = S 1 {−1}. Lokalne grupy G ′ 1,<br />
G ′ 2 są izomorficzne, gdyż np. odwzorowanie α(x) = e ix jest dyfeomorfizmem. Grupy Liego G1, G2 nie<br />
są izomorficzne (bo np. π1(R) = 0, π1(S 1 ) = Z). ⊠<br />
Z każdą lokalną grupą Liego można stowarzyszyć algebrę Liego. Konstruuje się ją dokładnie tak<br />
samo, jak algebrę Liego grupy Liego.<br />
Twierdzenie 14.8.5 ([15]).<br />
(1) Każda skończenie wymiarowa R-algebra Liego jest algebrą Liego pewnej lokalnej grupy Liego.<br />
(2) Dwie lokalne grupy Liego są izomorficzne ⇐⇒ odpowiadające im algebry Liego są izomorficzne.<br />
⊠<br />
Twierdzenie 14.8.6 (o monodromii, [15]). Niech G będzie spójną, jednospójną grupą Liego i<br />
niech H będzie dowolną grupą Liego. Wtedy każdy lokalny homomorfizm z G do H przedłuża się<br />
jednoznacznie do globalnego homomorfizmu z G do H. ⊠<br />
Twierdzenie 14.8.7 ([15]). Niech G będzie grupą Liego. Każda jednowymiarowa lokalna podgrupa<br />
Liego w G przedłuża się do podgrupy Liego (już nie lokalnej). ⊠<br />
14.9 Jednoparametrowe podgrupy i odwzorowanie wykładnicze<br />
Niech G będzie grupą Liego. Przypomnijmy najpierw pewne fakty z Podrozdziałów 13.4 i 13.6.<br />
Jeśli s : G −→ TG jest polem wektorowym i a ∈ G, to istnieje (dokładnie jedna) krzywa całkowa<br />
σa : J −→ G, o środku w a, określona w pewnym otoczeniu liczby 0. Można udowodnić następujące<br />
stwierdzenie.<br />
Stwierdzenie 14.9.1 ([27] 116). Jeśli s : G −→ TG jest niezmienniczym polem wektorowym grupy<br />
Liego G i a ∈ G, to krzywa σa (jedyna krzywa całkowa pola s, o środku w a) jest określona na całym<br />
zbiorze liczb rzeczywistych. ⊠
14. Grupy Liego i ich algebry Liego 89<br />
Mówimy, że dane pole wektorowe jest specjalne (patrz Podrozdział 13.6), jeśli jego jedyne krzywe<br />
całkowe są określone na całym zbiorze liczb rzeczywistych. Z powyższego stwierdzenia wynika zatem,<br />
że jeśli G jest grupą Liego, to każde jej niezmiennicze pole wektorowe jest specjalne, a zatem wyznacza<br />
(na mocy Stwierdzenia 13.6.6) jednoparametrową grupę dyfeomorfizmów rozmaitości G. Wiemy<br />
ponadto, że niezmiennicze pola wektorowe na G są jednoznacznie wyznaczone przez wektory należące<br />
do przestrzeni TeG, czyli do algebry Liego L(G). Mamy zatem:<br />
Stwierdzenie 14.9.2. Jeśli G jest grupą Liego, to dla każdego wektora v ∈ L(G) istnieje dokładnie<br />
jedna krzywa σv : R −→ G, o środku w e taka, że [σv] = v oraz<br />
dla wszystkich t1, t2 ∈ R. ⊠<br />
σv(t1)σv(t2) = σv(t1 + t2),<br />
Niech v ∈ L(G) i niech σv będzie krzywą taką, jak w powyższym stwierdzeniu. Można pokazać,<br />
że w otoczeniu liczby 0 krzywa ta jest różnowartościowa. Ponieważ σv(t1)σv(t2) = σv(t1 + t2), (oraz<br />
σv(0) = e), więc:<br />
Wniosek 14.9.3. Krzywa σv : (R, +) −→ G jest homomorfizmem grup Liego. W szczególności, obraz<br />
σv(R) jest 1-wymiarową podgrupą Liego grupy Liego G. ⊠<br />
Teraz możmy zdefiniować odwzorowanie wykładnicze.<br />
Definicja 14.9.4. Niech G będzie grupą Liego i L = L(G) jej algebrą Liego. Odwzorowaniem wykładniczym<br />
grupy G nazywamy odwzorowanie exp : L −→ G określone wzorem<br />
dla wszystkich v ∈ L.<br />
exp(v) = σv(1),<br />
Odwzorowanie wykładnicze ma własności funktorialne.<br />
Stwierdzenie 14.9.5 (PH470).<br />
jący diagram<br />
Jeśli ϕ : G1 −→ G2 jest homomorfizmem grup Liego, to następu-<br />
L(G1) L(ϕ)<br />
−→ L(G2)<br />
exp ↓ ↓ exp<br />
G1<br />
ϕ<br />
−→ G2<br />
jest przemienny. (Odwzorowanie L(ϕ) : L(G1) −→ L(G2) jest przekształceniem liniowym Teϕ :<br />
Te1 G1 −→ Te2 G2, gdzie e1, e2 są elementami neutralnymi odpowiednio grup G1, G2). ⊠<br />
Załóżmy teraz, że G = GLn = GLn(R) jest grupą Liego wszystkich odwracalnych (n×n)-macierzy<br />
nad R. Wiemy, że algebra Liego L(GLn) jest n 2 -wymiarową przestrzenią liniową Mn(R), wszystkich<br />
(n × n)-macierzy nad R, z nawiasem Liego [A, B] = AB − BA. Jeśli A ∈ Mn(R), to macierz exp(A) ∈<br />
GLn oznacza się często przez e A . Nie jest trudno wykazać:<br />
Stwierdzenie 14.9.6 ([27] 116). e A = exp(A) = ∞<br />
p=0 1<br />
p! Ap . ⊠<br />
Przez ∞ p=0 1<br />
zbieżność jest względem normy:<br />
p! Ap rozumiemy, tak jak zwykle, granicę odpowiednich sum cząstkowych, przy czym<br />
||A|| =<br />
<br />
ij A2 ij ,<br />
a zatem po współrzędnych (patrz [27] 40). Mamy w szczególności:<br />
Stwierdzenie 14.9.7. Niech A, B ∈ Mn(R).<br />
(1) Jeśli AB = BA, to e A e B = e A+B ,<br />
(2) e 0 = E,<br />
(3) (e A ) −1 = e −A ,<br />
(4) Odwzorowanie σA : (R, +) −→ GLn, t ↦→ e tA jest homomorfizmem grup Liego. ⊠
90 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
14.10 Związek między grupami Liego i algebrami Liego<br />
Przypomnijmy jeszcze raz, że każdej grupie Liego G można przyporządkować jej algebrę Liego<br />
L(G). Przyporządkowanie to nie jest jednak jednoznaczne. Istnieją nieizomorficzne grupy Liego posiadające<br />
te same algebry Liego (np. (R 1 , +) i (S 1 , ·)). Przy pewnych dodatkowych założeniach można<br />
jednak tę niejednoznaczność ominąć. Wyjaśnijmy to dokładniej.<br />
W Podrozdziale 1.9 zdefiniowaliśmy nakrycia. Nakryciem jest każda ciągła (otwarta) surjekcja<br />
p : E −→ X (gdzie E, X są przestrzeniami topologicznymi) spełniająca pewne warunki. Przestrzeń<br />
E nazywa się wtedy przestrzenią nakrywającą. Jeśli przestrzeń nakrywająca jest jednospójna (tzn.<br />
jeśli jej grupa podstawowa jest trywialna), to mówi się, że dane nakrycie jest uniwersalne. Można<br />
udowodnić, że każda spójna grupa Liego posiada uniwersalne nakrycie. Dokładniej:<br />
Twierdzenie 14.10.1 (PH449). Dla każdej spójnej grupy Liego G istnieją grupa Liego ˜ G oraz<br />
gładka surjekcja p : ˜ G −→ G takie, że:<br />
(1) p jest lokalnym homeomorfizmem,<br />
(2) p jest homomorfizmem grup Liego,<br />
(3) grupa ˜ G jest spójna i jednospójna.<br />
Stąd w szczególności wynika, że algebry Liego L(G) i L( ˜ G) są izomorficzne. ⊠<br />
Można udowodnić również:<br />
Twierdzenie 14.10.2. Jeśli G1, G2 są spójnymi i jednospójnymi grupami Liego, to grupy te są izomorficzne<br />
wtedy i tylko wtedy, gdy algebry Liego L(G1), L(G2) są izomorficzne. ⊠<br />
Wspominaliśmy w poprzednim podrozdziale, że każda (skończenie wymiarowa) R-algebra Liego<br />
jest algebrą Liego pewnej lokalnej grupy Liego. Można udowodnić więcej:<br />
Twierdzenie 14.10.3 (Cartan). Każda skończenie wymiarowa R-algebra Liego jest algebrą Liego<br />
pewnej grupy Liego. ⊠<br />
Dokładniejsze sformułowanie tego twierdzenia przedstawia się następująco:<br />
Twierdzenie 14.10.4. Niech L będzie skończenie wymiarową R-algebrą Liego.<br />
(1) Istnieje dokładnie jedna (z dokładnością do izomorfizmu) spójna i jednospójna grupa Liego G<br />
taka, że L = L(G).<br />
(2) Wszystkie spójne grupy Liego G ′ takie, że L(G ′ ) = L, są postaci G/D, gdzie G jest taką grupą<br />
Liego, jak w (1), a D jest dyskretnym dzielnikiem normalnym grupy G, leżącym w jej centrum. ⊠<br />
Funktor L ustala więc równoważność kategorii spójnych i jednospójnych grup Liego z kategorią<br />
skończenie wymiarowych R-algebr Liego.<br />
Zanotujmy pewne dodatkowe własności funktora L.<br />
Twierdzenie 14.10.5 ([17]III 247).<br />
(1) L(G1 × G2) ≈ L(G1) ⊕ L(G2).<br />
(2) Jeśli H jest podgrupą Liego grupy Liego G, to L(H) jest podalgebrą Liego w L(G). Jeśli podgrupa<br />
H jest normalna, to L(H) jest ideałem Liego w L(G) oraz L(G/H) ≈ L(G)/L(H).<br />
(3) (char = 0). L( <br />
i Gi) ≈ <br />
i L(Gi).<br />
(4) Jeśli f : G1 −→ G2 jest homomorfizmem grup Liego, to L(Kerf) ≈ KerL(f).<br />
(5) Jeśli L ′ jest podalgebrą Liego w L(G), to istnieje jedyna podgrupa Liego H ⊆ G taka. że<br />
L(H) = L ′ . Podgrupa H nie musi być domknięta.<br />
(5) Algebra Liego L(G) jest rozwiązalna (odpowiednio: nilpotentna, półprosta) ⇐⇒ grup Liego G<br />
jest taka. ⊠<br />
Fakty przedstawione w powyższym twierdzeniu zapisaliśmy na podstawie Encyklopedii [17]III 247.<br />
W innym miejscu tej encyklopedii (patrz III 255) czytamy: Grupa Liego jest dość trudnym obiektem<br />
do badania. Pewne problemy można zredukować do problemów czysto algebraicznych. Grupie Liego<br />
przyporządkowuje się algebrę Liego. Algebry Liego to obiekty bardziej uchwytne i mniej złożone.
14. Grupy Liego i ich algebry Liego 91<br />
Twierdzenie 14.10.6 ([17]III). Niech H będzie podgrupą Liego spójnej grupy Liego H. Wtedy<br />
podgrupa H jest normalna ⇐⇒ L(H) jest ideałem w L(G). Jeśli przy tym H jest domknięte, to<br />
L(G/H) ≈ L(G)/L(H). ⊠<br />
Twierdzenie 14.10.7 ([17]III). Grupa Aut(G), automorfizmów spójnej grupy Liego G, jest grupą<br />
Liego, którą utożsamia się z podgrupą grupy Aut(L(G)). W szczególności, jeśli grupa G jest jednospójna,<br />
to Aut(G) ≈ Aut(L(G) oraz L(Aut(G)) ≈ Der(L(G)). ⊠<br />
Twierdzenia Liego. W Encyklopedii [17] (III 282) czytamy: Twierdzenia Liego, to trzy klasyczne<br />
twierdzenia teorii grup Liego, opisujące związek lokalnej grupy Liego z jej algebrą Liego. Są to<br />
podstawowe twierdzenia pochodzące z dziewiętnastego wieku, udowodnione przez Liego i jego uczniów.<br />
Wysłowienie tych twierdzeń w takiej formie, jak to przedstawiono we wspomnianej encyklopedii,<br />
wymaga skomplikowanych zapisów. Dzisiaj te twierdzenia można przedstawić (mniej więcej) w<br />
następuącej postaci (o wszystkich faktach wspominaliśmy już wcześniej).<br />
Twierdzenie 14.10.8 (Liego).<br />
(1) Niech H będzie podzbiorem spójnej grupy Liego G. Wtedy<br />
(a) H jest spójną podgrupą Liego ⇐⇒ L(H) jest podalgebrą Liego w L(G).<br />
(b) H jest spójnym dzielnikiem normalnym w G ⇐⇒ L(H) jest ideałem Liego w L(G).<br />
Ponadto, L(G)/L(H) ≈ L(G/H).<br />
(2) Algebra Liego wyznacza jednoznacznie (z dokładnością do lokalnego izomorfizmu) lokalną grupę<br />
Liego.<br />
(3) Dla każdej (skończenie wymiarowej) R-algebry Liego L istnieje grupa Liego G taka, że L(G) ≈<br />
L. ⊠<br />
14.11 Grupy formalne<br />
Na podstawie zeszytu A. Prószyńskiego [21].<br />
Przedstawimy pewien związek pomiędzy grupami Liego, algebrami Liego i grupami formalnymi.<br />
Niech k będzie ciałem. Grupy formalne to ciągłe (względem ⊗) struktury Hopfa na algebrach<br />
szeregów k[[X]] = k[[x1, . . . , xn]].<br />
Definicja 14.11.1. Grupą formalną nad ciałem k nazywamy każdą trójkę (k[[X]], ∆, ε), w której<br />
∆ : k[[X]] −→ k[[X]]⊗k[[X]] = k[[X, Y ]], ε : k[[X]] −→ k,<br />
(gdzie X = {x1, . . . , xn}, Y = {y1, . . . , yn}), są k-algebrowymi homomorfizmami spełniającymi warunki:<br />
(1) ε(xi) = 0, dla i = 1, . . . , n,<br />
(2) (1 ⊗ ∆)∆ = (∆ ⊗ 1)∆,<br />
(3) (1 ⊗ ε)∆ = 1 = (ε ⊗ 1)∆.<br />
Liczbę n (ilość zmiennych) nazywamy wymiarem grupy formalnej.<br />
Zauważmy, że warunki (2), (3) występują w definicji koalgebry.<br />
Przyjmując ∆(xi) = Fi(X, Y ) otrzymujemy:<br />
Stwierdzenie 14.11.2. n-Wymiarową grupą formalną nad ciałem k jest każdy ciąg szeregów<br />
F = (F1, . . . , Fn), spełniający następujące trzy warunki:<br />
(a) Fi = Fi(X, Y ) ∈ k[[x1, . . . , xn, y1, . . . , yn]], i = 1, . . . , n;<br />
(b) F (X, Fi(Y, Z)) = F (Fi(X, Y ), Z), i = 1, . . . , n;<br />
(c) F (X, 0) = X, F (0, Y ) = Y . ⊠<br />
Oto dwa przykłady 1-wymiarowych grup formalnych:<br />
Przykład 14.11.3. (n = 1), F (x, y) = x + y. ⊠
92 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Przykład 14.11.4. (n = 1), F (x, y) = x + y + xy. ⊠<br />
W naturalny sposób definiuje się homomorfizm grup formalnych. Wszystkie grupy formalne tworzą<br />
więc pewną kategorię. Oznaczmy ją przez GF. Oznaczmy ponadto przez GL i AL kategorie odpowiednio<br />
grup Liego (analitycznych) i skończenie wymiarowych algebr Liego. Wprowadzimy teraz dwa<br />
funktory H : GF −→ AL oraz M : GL −→ GF.<br />
Niech F = (F1, . . . , Fn) będzie grupą formalną. Wtedy<br />
F (X, Y ) = X + Y + B(X, Y ) + C(X, Y ),<br />
gdzie B(X, Y ) jest ciągiem wielomianów jednorodnych stopnia 2, a C(X, Y ) jest ciągiem szeregów bez<br />
składowych jednorodnych stopni 2. W tej sytuacji definiujemy k-algebrę Liego<br />
H(F ) = (k n , [ , ]F ), gdzie [u, v]F = B(u, v) − B(v, u), dla u, v ∈ k n .<br />
Chcąc wykazać, że H(F ) jest istotnie algebrą Liego, pokazuje się najpierw, że B(X, B(Y, Z)) =<br />
B(B(X, Y ), Z) co oznacza, że działanie ∗ : k n × k n −→ k n , a ∗ b = B(a, b), jest łączne. Wtedy<br />
[a, b] = a ∗ b − b ∗ a i dalej następują standardowe przeliczenia.<br />
Określa się też H na morfizmach. Mamy więc kowariantny funktor H : GF −→ AL. Można<br />
udowodnić:<br />
Twierdzenie 14.11.5. Jeśli char(k) = 0, to funktor H ustala równowa ˙ność kategorii GF, grup formalnych,<br />
z kategorią AL, skończenie wymiarowych k-algebr Liego. ⊠<br />
Na grupy formalne (w przypadku zerowej charakterystyki) można więc patrzeć jak na kategorię<br />
skończenie wymiarowych algebr Liego.<br />
Przejdźmy do zdefiniowania funktora M : GL −→ GF. Załóżmy, że G jest grupą Liego. Niech<br />
(U, ϕ) będzie mapą w G taką, że U ∋ e, ϕ(e) = 0, U · U ⊆ U. Określamy odwzorowania analityczne<br />
Ψi : U × U<br />
·<br />
−→ U<br />
ϕ<br />
−→ k n πi<br />
−→ k,<br />
dla i = 1, . . . , n. W pewnym otoczeniu punktu (e, e) każde odwzorowanie postaci Ψi jest jednoznacznie<br />
wyznaczone przez szereg formalny Fi(X, Y ). Przyjmujemy wtedy:<br />
M(G) = (F1, . . . , Fn).<br />
Sprawdza się teraz, że M(G) jest grupą formalną. Łączność mnożenia w G implikuje kołączność w<br />
M(F ). Ponadto, Fi(X, 0) = X, F (0, Y ) = Y . Dalej określa się M na morfizmach i w ten sposób<br />
otrzymuje się kowariantny funktor M : GL −→ GF. Można udowodnić (dla k = R):<br />
Twierdzenie 14.11.6. Funktor L : GL −→ AL, przyporządkowujący każdej grupie Liego jej algebrę<br />
Liego, jest złożeniem funktorów M : GL −→ GF i H : GF −→ AL. ⊠<br />
14.12 Uwagi<br />
14.1 Ponieważ grupy Liego są szczególnymi grupami topologicznymi, powstaje naturalne pytanie czy istnieje<br />
ich charakteryzacja jedynie w terminach algebraiczno-topologicznych. Problem ten (zwany piątym problemem<br />
Hilberta) był przez wiele lat jednym z centralnych zagadnień teorii grup Liego. Jego całkowite (pozytywne)<br />
rozwiązanie podali Gleason, D. Montgomery i Zippin w latach pięćdziesiątych (patrz [27] 110). Pokazano<br />
wtedy (patrz [15]), że każda grupa topologiczna, będąca rozmitością klasy C 0 , ma strukturę grupy Liego.<br />
14.2 Grupę Liego zdefiniowaliśmy jako zwykłą grupę, będącą rozmaitośćią gładką z gładkimi działaniami.<br />
Co się stanie, gdy ”gładkość” zamienimy na ”analityczność”? Można pokazać ([27]), że każda grupa topologiczna<br />
ma co najwyżej jedną strukturę rozmaitości gładkiej, w której działania grupowe są odwzorowaniami<br />
gładkimi. Innymi słowy: każda grupa topologiczna ma co najwyżej jedną strukturę (gładkiej) grupy Liego. Z<br />
faktu tego można wywnioskować, że (gładkie) grupy Liego i analityczne grupy Liego, to dokładnie te same<br />
obiekty.
15. Algebry Liego 93<br />
15 Algebry Liego<br />
Niniejszy rozdzial (jak również następny) został opracowany na podstawie książek [3], [13], [14], [15],<br />
[11] oraz zeszytów [21], AL, PH1, PH4 i PN2. Przedstawiamy w nim podstawowe pojęcia i fakty dotczące<br />
k-algebr Liego, gdzie k jest ciałem. Zajmujemy się głównie skończenie wymiarowymi algebrami<br />
Liego.<br />
15.1 Podstawowe definicje<br />
Definicję algebry Liego podaliśmy w Podrozdziale 9.7. Przepiszmy ją jeszcze raz.<br />
Definicja 15.1.1. Algebrą Liego nad ciałem k (lub k-algebrą Liego) nazywamy przestrzeń liniową L<br />
wraz z dwuliniowym odwzorowaniem [ , ] : L × L −→ L (zwanym nawiasem Liego w L) spełniającym<br />
warunki:<br />
(1) [a, a] = 0, dla a ∈ A,<br />
(2) [[a, b], c] + [[b, c], a] + [[c, a], b] = 0, dla a, b, c ∈ A (tożsamość Jacobiego).<br />
Z warunku (1) wynika, że [a, b] = −[b, a], dla a, b ∈ L. Mówimy, że algebra Liego L jest przemienna,<br />
jeśli [ , ] = 0.<br />
Stwierdzenie 15.1.2. Niech L będzie przestrzenią liniową nad ciałem k i niech [ , ] : L × L −→ L<br />
będzie k-dwuliniowym odwzorowaniem. Niech {ei; i ∈ I} będzie bazą przestrzeni L nad k. Para (L, [ , ])<br />
jest k-algebrą Liego wtedy i tylko wtedy, gdy:<br />
(a) [ei, ei] = 0, dla i ∈ I,<br />
(b) [ei, ej] = −[ej, ei], dla i, j ∈ I,<br />
(c) [[ei, ej], ep] + [[ej, ep], ei] + [[ep, ei], ej] = 0, dla i, j, p ∈ I. ⊠<br />
Dla małych wymiarów można założyć mniej:<br />
Przykład 15.1.3. Niech L = ke1 ⊕ke2 oraz [e1, e1] = [e2, e2] = 0, [e1, e2] = −[e2, e1]. Wtedy (L, [ , ])<br />
jest k-algebrą Liego. ⊠<br />
Przykład 15.1.4. Niech L = ke1 ⊕ ke2 ⊕ ke3, [ei, ei] = 0, [ei, ej] = −[ej, ei], dla i, j = 1, 2, 3, oraz<br />
[[e1, e2], e3] + [[e2, e3], e1] + [[e3, e1], e2] = 0. Wtedy (L, [ , ]) jest k-algebrą Liego. ⊠<br />
Stwierdzenie 15.1.5 (AL 41). Niech L będzie przestrzenią liniową nad ciałem k i niech [ , ] :<br />
L × L −→ L będzie k-dwuliniowym odwzorowaniem. Niech {ei; i ∈ I} będzie bazą przestrzeni L nad<br />
k. Jeśli i, j ∈ I, to niech<br />
[ei, ej] = <br />
p∈I cijpep, gdzie cijp ∈ k.<br />
Para (L, [ , ]) jest k-algebrą Liego wtedy i tylko wtedy, gdy:<br />
(a) ciip = 0,<br />
(b) cijp = −cjip,<br />
(c) <br />
r∈I (cijrcrpq + cjprcriq + cpircrjq) = 0,<br />
dla wszystkich i, j, p, q ∈ I. ⊠<br />
Definicja 15.1.6. Jeśli L1, L2 są k-algebrami Liego, to ich homomorfizmem nazywamy każde przekształcenie<br />
k-liniowe f : L1 −→ L2 spełniające warunek:<br />
f([a, b]) = [f(a), f(b)], dla wszystkich a, b ∈ L1.<br />
Niech L będzie k-algebrą Liego.<br />
Jeśli A, B ⊆ L są podzbiorami, to przez [A, B] oznaczamy podprzestrzeń k-liniową w L generowaną<br />
przez zbiór {[a, b]; a ∈ A, b ∈ B}.<br />
Definicja 15.1.7. Podprzestrzeń k-liniową M ⊆ L nazywamy:<br />
(a) podalgebrą Liego w L, jeśli [M, M] ⊆ M;<br />
(b) ideałem Liego w L, jeśli [M, L] ⊆ M.
94 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Jeśli M ⊆ L jest ideałem Liego w L, to k-przestrzeń liniowa L/M jest k-algebrą Liego zwaną<br />
ilorazową algebrą Liego. Nawias Liego w L/M określony jest wzorem<br />
[a + M, b + M] = [a, b] + M, dla a, b ∈ L.<br />
Jeżeli podzbiory A, B ⊆ L są ideałami Liego w L, to [A, B] również jest ideałem Liego.<br />
Jeżeli L1, L2 są k-algebrami Liego, to ich produktem nazywamy k-przestrzeń L = L1 × L2 =<br />
{(a, b); a ∈ L1, b ∈ L2} z nawiasem Liego<br />
[(a1, b1), (a2, b2)] = ([a1, a2], [b1, b2]), a1, a2 ∈ L1, b1, b2 ∈ L2.<br />
Rzutowania L1 × L2 −→ L1, L2 są homomorfizmami algebr Liego.<br />
Centrum k-algebry Liego L, to zbiór<br />
Centrum Z(L) jest ideałem Liego w L.<br />
Z(L) = {x ∈ L; [x, y] = 0 dla y ∈ L}.<br />
Mówimy, że k-algebra Liego L jest łączna jeśli [[a, b], c] = [a, [b, c]], dla wszystkich a, b, c ∈ L.<br />
Stwierdzenie 15.1.8 (AL 49). Algebra Liego L jest łączna ⇐⇒ [L, L] ⊆ Z(L).<br />
Dowód. Jeśli [L, L] ⊆ Z(L), to [[a, b], c] = [a, [b, c]], gdyż wtedy [[a, b], c] = 0 oraz [a, [b, c]] = 0.<br />
Załóżmy teraz, że algebra L jest łączna i niech a, b, c ∈ L. Wtedy<br />
a zatem [L, L] ⊆ Z(L). ⊠<br />
15.2 Przykłady<br />
0 = [a, [b, c]] + [b, [c, a]] + [c, [a, b]]<br />
= [[a, b], c] + [c, [a, b]] + [b, [c, a]]<br />
= [b, [c, a]],<br />
Przykład 15.2.1. Jeśli A jest łączną k-algebrą, to A jest k-algebrą Liego z nawiasem [a, b] = ab−ba,<br />
a, b ∈ A. ⊠<br />
Szczególnym przypadkiem tego przykładu jest:<br />
Przykład 15.2.2. Niech V będzie przestrzenią liniową nad ciałem k i niech A = Endk(V ) będzie<br />
algebrą wszystkich k-endomorfizmów przestrzeni V . Wtedy A, z nawiasem [f, g] − f ◦ g − g ◦ f, jest<br />
k-algebrą Liego. ⊠<br />
W szczególności, jeśli V jest przestrzenią skończenie wymiarową, to otrzymujemy, dobrze nam<br />
znany przykład k-algebry Liego Mn(k), wszystkich (n×n)-macierzy nad k, z nawiasem Liego [A, B] =<br />
AB − BA. Tę k-algebrę Liego oznacza się zwykle przez gln(k).<br />
W Podrozdziale 14.7 opisaliśmy pewne algebry Liego nad R, pochodzące od grup Liego. Godnym<br />
zapamiętania jest fakt (Twierdzenie Cartana), że każda skończenie wymiarowa R-algebra Liego jest<br />
algebrą Liego pewnej grupy Liego.<br />
Algebry Liego przedstawione w Podrozdziale 14.7 są podalgebrami Liego w gln(k), gdzie k jest<br />
ciałem R, liczb rzeczywistych. Takie same algebry Liego istnieją dla dowolnego ciała k. Mamy zatem<br />
następujące przykłady k-algebr Liego:<br />
sln(k) = {A ∈ gl(k); trA = 0} specjalna,<br />
on(k) = {A ∈ gln(k); A T = −A} ortogonalna<br />
son(k) = {A ∈ gln(k); A T = −A, trA = 0} specjalna ortogonalna<br />
spn(k) = {A ∈ gl2n(k); A T Ω = −ΩA}, symplektyczna.
15. Algebry Liego 95<br />
Macierz Ω, występująca w symplektycznej algebrze Liego jest (2n×2n)-macierzą zdefiniowaną wzorem<br />
Ω =<br />
<br />
0 En<br />
−En 0<br />
Istnieją jeszcze co najmniej dwie ważne algebry Liego:<br />
15.3 Małe wymiary<br />
tn(k) = {A ∈ gl(k); Aij = 0, dla i > j} trójkątna,<br />
tn(k) = {A ∈ gl(k); Aij = 0, dla i j} trójkątna z zerami.<br />
Przedstawiamy opis (pochodzący z [15]102) wszystkich k-algebr Liego L wymiaru 3, gdzie k jest<br />
ciałem charakterystyki zero.<br />
dim L = 1. [ , ] = 0 (tylko przemienna).<br />
dim L = 2. Są tylko dwie algebry Liego dwuwymiarowe:<br />
1. przemienna,<br />
2. L = ke1 ⊕ ke2, [e1, e2] = e1 (patrz ZAlg389).<br />
dim L = 3. Niech L1 = [L, L]. Wtedy 0 dim L1 3.<br />
1. dim L1 = 0. Wtedy [ , ] = 0 (algebra przemienna).<br />
2. dim L1 = 1. Niech {x, y, z} będzie bazą przestrzeni L nad k. Istnieją wtedy dwie nieizomorficzne<br />
algebry Liego:<br />
(a) [x, y] = z, [x, z] = [y, z] = 0,<br />
(b) [x, z] = z, [x, y] = [y, z] = 0.<br />
3. dim L1 = 2. Niech {x, y} będzie bazą przestrzeni L1 i niech z będzie wektorem dopełniającym<br />
do bazy przestrzeni L. Wtedy musi zachodzić równość [x, y] = 0. Ponadto,<br />
[x, z] = ax + by, [y, z] = cx + dy, gdzie macierz A =<br />
<br />
.<br />
a b<br />
c d<br />
<br />
jest nieosobliwa.<br />
Każda nieosobliwa macierz A zadaje strukturę k-algebry Liego na L. Dwie macierze nieosobliwe<br />
A i B zadają izomorficzne struktury Liego wtedy i tylko wtedy, gdy istnieją α ∈ k {0} oraz<br />
nieosobliwa (2 × 2)-macierz C takie, że αA = CBC −1 . W szczególności, macierze postaci<br />
1 0<br />
0 2 n<br />
wyznaczają serię parami nieizomorficznych k-algebr Liego (char(k)=0).<br />
4. dim L1 = 3. Wtedy L1 = [L, L] = L. W tym przypadku istnieją dwie nieizomorficzne k-algebry<br />
Liego:<br />
(a) [x, y] = z, [y, z] = x, [z, x] = y (iloczyn wektorowy);<br />
(b) [x, y] = 2y, [y, z] = x, [z, x] = 2z.<br />
Istnieje również opis (patrz [15] 103) wszystkich k-algebr Liego wymiaru 4.
96 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
15.4 Derywacje<br />
Dobrze wiadomo, że jeśli A jest łączną k-algebrą, to zbiór Derk(A), wszystkich k-derywacji z A do<br />
A, wraz z nawiasem [d1, d2] = d1d2 − d2d1, jest k-algebrą Liego. Tę samą własność ma zbiór Der(L),<br />
wszystkich derywacji algebry Liego L.<br />
Derywacją k-algebry Liego L nazywamy każde k-liniowe przekształcenie d : L −→ L takie, że<br />
d([a, b]) = [d(a), b] + [a, d(b)], dla a, b ∈ L.<br />
Stwierdzenie 15.4.1. Zbiór Der(L), z nawiasem [d1, d2] = d1d2 − d2d1, jest k-algebrą Liego. Jest to<br />
podalgebra Liego w Endk(L).<br />
Dowód.<br />
(d1d2 − d2d1)([a, b]) = d1([d2(a), b] + [a, d2(b)]) − d2([d1(a), b] + [a, d1(b)])<br />
= [d1d2(a), b] + [d2(a), d1(b)] + [d1(a), d2(b)] + [a, d1d2(b)]<br />
−[d2d1(a), b] − [d1(a), d2(b)] − [d2(a), d1(b)] − [a, d2d1(b)]<br />
= [d1d2(a), b] + [a, d1d2(b)] − [d2d1(a), b] − [a, d2d1(b)]<br />
= [(d1d2 − d2d1)(a), b] + [a, (d1d2 − d2d1)(b)]. ⊠<br />
Niech L będzie k-algebrą Liego. Jeśli x ∈ L, to przez adx oznaczamy odwzorowanie<br />
adx : L −→ L, y ↦−→ [x, y].<br />
Stwierdzenie 15.4.2 (AL 11).<br />
(1) Odwzorowanie adx jest derywacją algebry Liego L.<br />
(2) Odwzorowanie ad : L −→ Der(L), x ↦−→ adx, jest homomorfizmem k-algebr Liego. Jądrem<br />
tego homomorfizmu jest centrum Z(L).<br />
(3) Jeśli δ ∈ Der(L), x ∈ L, to [δ, adx] = ad δ(x). ⊠<br />
Z tego stwierdzenia wynika:<br />
Wniosek 15.4.3 (AL 56). Jeśli L jest k-algebrą Liego z zerowym centrum Z(L), to L można utożsamiać<br />
z ideałem Liego w Der(L).<br />
Dowód. Ponieważ Z(L) = 0, więc z (2) wynika, że homomorfizm ad: L −→ Der(L) jest injekcją.<br />
Jego obraz ad(L) jest, na mocy (3), ideałem w Der(L). ⊠<br />
Definicja 15.4.4. Każdą derywację postaci adx nazywamy wewnętrzną.<br />
Stwierdzenie 15.4.5 ([3] 92, AL 57). Jeśli L jest k-algebrą Liego taką, że Z(L) = 0 i [L, L] = L,<br />
to każda derywacja algebry Liego Der(L) jest wewnętrzna. ⊠<br />
15.5 Reprezentacje<br />
Definicja 15.5.1. Reprezentacją k-algebry Liego L nazywamy każdy homomorfizm k-algebr Liego<br />
ϕ : L −→ Endk(V ),<br />
gdzie V jest przestrzenią liniową nad k. Mówimy, że reprezentacja ϕ : L −→ Endk(V ) jest:<br />
(a) skończenie wymiarowa, jeśli przestrzeń V jest skończenie wymiarowa nad k;<br />
(b) wierna, jeśli ϕ jest injekcją.<br />
Ze Stwierdzenia 15.4.2 wynika:
15. Algebry Liego 97<br />
Wniosek 15.5.2. Jeśli L jest k-algebrą Liego, to odwzorowanie<br />
jest jej reprezentacją. ⊠<br />
ad : L −→ Der(L) ↩→ Endk(L)<br />
Przykład 15.5.3 (PH451). Rozpatrzmy R-algebrę Liego R 3 z nawiasem [u, v] = u × v, gdzie ×<br />
jest iloczynem wektorowym w R 3 . Niech {x, y, z} będzie ortonormalną bazą przestrzeni R 3 nad R.<br />
Wtedy [x, y] = z, [y, z] = x oraz [z, x] = y. Reprezentacja<br />
jest wtedy określona wzorem:<br />
ad : R 3 −→ EndR(R 3 ) ≈ gl3(R)<br />
⎡<br />
ad((a, b, c)) = ⎣<br />
0 c −b<br />
−c 0 a<br />
b −a 0<br />
Reprezentacja ta jest oczywiście wierna. Widzimy zatem, że algebra Liego (R 3 , [ , ]) jest izomorficzna<br />
z ortogonalną algebrą Liego o3(R). ⊠<br />
Można udowodnić:<br />
Twierdzenie 15.5.4 (Ado). Każda skończenie wymiarowa k-algebra Liego posiada wierną, skończenie<br />
wymiarową reprezentację. ⊠<br />
Stąd wynika:<br />
Wniosek 15.5.5. Każda skończenie wymiarowa k-algebra Liego jest podalgebrą Liego algebry Liego<br />
gln(k), dla pewnego n.<br />
Definicja 15.5.6. Niech ϕ : L −→ Endk(V ), ϕ ′ : L −→ Endk(V ′ ) będą reprezentacjami k-algebry<br />
Liego L. Homomorfizmem tych reprezentacji nazywamy każde przekształcenie k-liniowe f : V −→ V ′<br />
takie, że dla każdego x ∈ L, przemienny jest diagram<br />
V<br />
f<br />
−→ V ′<br />
ϕx ↓ ↓ ϕ ′ x<br />
V<br />
f<br />
−→ V ′<br />
Definicja 15.5.7. Jeśli L jest k-algebrą Liego, to L-modułem nazywamy każdą przestrzeń k-liniową<br />
M, wraz z odwzorowaniem · : L × M −→ M, spełniającym warunki:<br />
(a) (αx + βy)m = α(xm) + β(ym),<br />
(b) [x, y]m = x(ym) − y(xm),<br />
dla wszystkich α, β ∈ k, x, y ∈ L, m ∈ M.<br />
Definicja 15.5.8. Jeśli M, M ′ są L-modułami, to ich homomorfizmem nazywamy każde przekształcenie<br />
k-liniowe f : M −→ M ′ taki, że<br />
.<br />
⎤<br />
⎦ .<br />
f(xm) = xf(m), dla x ∈ L, m ∈ M.<br />
Jeśli ϕ : L −→ Endk(V ) jest reprezentacją k-algebry Liego L, to przestrzeń V jest L-modułem, z<br />
mnożeniem<br />
(x, v) ↦−→ ϕ(x)(v).<br />
Zachodzi również odwrotnie. Jeśli V jest L-modułem, to odwzorowanie<br />
ϕ : L −→ Endk(V ), ϕ(x)(v) = xv,<br />
jest reprezentacją k-algebry Liego L. Podobna wzajemnie jednoznaczna odpowiedniość istnieje dla<br />
homomorfizmów reprezentacji i homomorfizmów L-modułów.<br />
Zdefiniowaliśmy dwie kategorie: kategorię R(L), wszystkich reprezentacji k-algebry Liego L oraz<br />
kategorię L-Mod, wszystkich L-modułów. Kategorie te są równoważne. Kategorię L-Mod nazywa się<br />
kategorią Grothendiecka.
98 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
15.6 Rozwiązalne i nilpotentne algebry Liego<br />
Niech L będzie k-algebrą Liego. Definiujemy dwa zstępujące ciągi ideałów Liego w L:<br />
przyjmując:<br />
L0 = L ⊇ L1 ⊇ L2 ⊇ . . . oraz L 1 ⊇ L 2 ⊇ L 3 ⊇ . . . ,<br />
L1 = [L, L], L2 = [L, L1], L3 = [L, L2], . . . ,<br />
L 1 = L1 = [L, L], L 2 = [L1, L1], L 3 = [L2, L2], . . . .<br />
Wtedy L n ⊆ Ln, dla wszystkich n. Ponadto, ilorazowe algebry Liego Ln/Ln+1 oraz L n /L n+1 są<br />
przemienne.<br />
Definicja 15.6.1. Mówimy, że k-algebra Liego L jest:<br />
(1) rozwiązalna, jeśli istnieje n takie, że Ln = 0,<br />
(2) nilpotentna, jeśli istnieje n takie, że L n = 0.<br />
Każda przemienna algebra Liego jest nilpotentna. Każda nilpotentna k-algebra Liego jest oczywiście<br />
rozwiązalna. Przykładem rozwiązalnej k-algebry Liego, nie będącej algebrą nilpotentną, jest<br />
algebra trójkątna<br />
tn(k) = {A ∈ gln(k); Aij = 0, dla i > j}.<br />
Przykład 15.6.2 (PH476).<br />
(1) Każda k-algebra Liego wymiaru 2, jest rozwiązalna. Niech L = kx ⊕ ky. Jeśli [x, y] = x, to<br />
algebra L nie jest nilpotentna.<br />
(2) Niech L = kx ⊕ ky ⊕ kz.<br />
(a) Jeśli [y, z] = x, [x, z] = [x, y] = 0, to algebra L jest nilpotentna.<br />
(b) Jeśli [x, y] = x, [z, y] = az, [x, z] = 0, gdzie a ∈ k 0, to algebra L jest rozwiązalna, ale nie<br />
jest nilpotentna.<br />
(c) Niech [x, y] = z, [y, z] = x, [z, x] = y, (iloczyn wektorowy). Wtedy algebra L nie jest<br />
rozwiązalna. ⊠<br />
Nazwa ”rozwiązalna algebra Liego” pochodzi od rozwiązalnych grup Liego. Te zaś zostały tak nazwane<br />
w związku z równaniami różniczkowymi, rozwiązalnymi w kwadraturach (podobnie, jak zwykłe<br />
grupy rozwiązalne w związku z rozwiązalnością w pierwiastnikach).<br />
Nazwa ”nilpotentna algebra Liego” ma swoje uzasadnienie dzięki następującemu twierdzeniu.<br />
Twierdzenie 15.6.3 (Engel). Skończenie wymiarowa k-algebra Liego L jest nilpotentna ⇐⇒ dla<br />
każdego x ∈ L istnieje n takie, że ad n x = 0. ⊠<br />
Zanotujmy kilka własności rozwiązalnych i nilpotentnych algebr Liego. Zakładamy, że k-algebra<br />
Liego L ma skończony wymiar.<br />
Stwierdzenie 15.6.4.<br />
(1) Podalgebra Liego i obraz homomorficzny rozwiązalnej (odp. nilpotentnej) algebry Liego są rozwiązalnymi<br />
(odp. nilpotentnymi) algebrami Liego.<br />
(2) Niech A będzie ideałem Liego w L. Wówczas algebra Liego L jest rozwiązalna ⇐⇒ algebry<br />
Liego A i L/A są rozwiązalne.<br />
(3) Własność (2) nie zachodzi, na ogół , dla nilpotentnych algebr Liego.<br />
(4) Niezerowa algebra Liego nilpotentna ma niezerowe centrum.<br />
(5) Jeśli algebra Liego L/Z(L) jest nilpotentna, to L jest nilpotentną algebrą Liego. ⊠<br />
Twierdzenie 15.6.5. Niech L będzie skończenie wymiarową k-algebrą Liego, gdzie k jest ciałem charakterystyki<br />
zero. Wówczas L jest rozwiązalne ⇐⇒ [L, L] jest nilpotentne. ⊠
15. Algebry Liego 99<br />
Następne twierdzenie jest pewnym wzmocnieniem twierdzenia Ado (patrz Twierdzenie 15.5.4)<br />
o reprezentacjch.<br />
Twierdzenie 15.6.6 (Lie, Kolchin). Niech L będzie rozwiązalną (skończenie wymiarową) algebrą<br />
Liego nad algebraicznie domkniętym ciałem k, charakterystyki zero. Niech ϕ : L −→ Endk(V ) będzie<br />
skończenie wymiarową reprezentacją. Wtedy reprezentacja ta jest równoważna z pewną reprezentacją<br />
trójkątną, tzn. jest równoważna z reprezentacją postaci ϕ ′ : L −→ Endk(k n ), dla pewnego n, gdzie<br />
wszystkie macierze ϕ ′ (x) (dla x ∈ L) należą do tn(k). ⊠<br />
Równoważność reprezentacji rozumie się tak jak zwykle. Reprezentacje ϕ : L −→ Endk(V ), ϕ ′ :<br />
L −→ Endk(V ′ ) są równoważne jeśli istnieje izomorfizm k-liniowy f : V −→ V ′ taki, że dla każdego<br />
x ∈ L, przemienny jest diagram<br />
V<br />
f<br />
−→ V ′<br />
ϕx ↓ ↓ ϕ ′ x<br />
V<br />
f<br />
−→ V ′<br />
Istotną rolę w dowodzie powyższego twierdzenia odgrywa następujący lemat (który oczywiście<br />
wynika z tego twierdzenia).<br />
Lemat 15.6.7. Niech L będzie rozwiązalną (skończenie wymiarową) algebrą Liego nad algebraicznie<br />
domkniętym ciałem k, charakterystyki zero. Niech ϕ : L −→ Endk(V ) będzie skończenie wymiarową<br />
reprezentacją. Istnieje wtedy niezerowy wektor v ∈ V , będący wspólnym wektorem własnym dla<br />
wszystkich endomorfizmów ϕx : V −→ V , x ∈ L. ⊠<br />
Z powyższego twierdzenia Lie-Kolchina wynika:<br />
Wniosek 15.6.8 (Lie, Kolchin). Niech L będzie skończenie wymiarową algebrą Liego nad algebraicznie<br />
domkniętym ciałem charakterystyki zero. Jeśli L jest rozwiązalne, to L jest podalgebrą Liego<br />
trójkątnej algebry tn(k), dla pewnego n. ⊠<br />
Wniosek ten nie zachodzi, na ogół, dla ciał char p > 0.<br />
Przykład 15.6.9 (PH480). Niech p = 3, L = kx ⊕ ky ⊂ gl3(k), gdzie<br />
⎡<br />
0 0<br />
⎤<br />
0<br />
⎡<br />
0 1<br />
⎤<br />
0<br />
x = ⎣ 0 1 0 ⎦ , y = ⎣ 0 0 1 ⎦ , [x, y] = −y.<br />
0 0 2<br />
1 0 0<br />
Łatwo zauważyć, że x, y nie mają wspólnego wektora własnego w k 3 , a zatem k 3 nie ma L-podmodułu<br />
wymiaru 1. ⊠<br />
Zanotujmy jeszcze odpowiednik Wniosku 15.6.8 dla nilpotentnych algebr Liego.<br />
Twierdzenie 15.6.10. Niech L będzie skończenie wymiarową algebrą Liego nad algebraicznie domkniętym<br />
ciałem charakterystyki zero. Jeśli L jest nilpotentne, to L jest podalgebrą Liego trójkątnej<br />
algebry z zerami tn(k), dla pewnego n. ⊠<br />
Definicja 15.6.11. Jeśli L jest skończenie wymiarową k-algebrą Liego, to przez BL : L × L −→ k<br />
oznaczamy dwuliniową formę symetryczną, zwaną formą Killinga algebry L, określoną wzorem<br />
BL(x, y) = tr(adx ◦ ady), dla x, y ∈ L.<br />
Twierdzenie 15.6.12 (Cartan). Niech L będzie skończenie wymiarową k-algebrą Liego.<br />
(1) L jest rozwiązalne ⇐⇒ BL(x, y) = 0, dla x ∈ L, y ∈ [L, L].<br />
(2) L jest nilpotentne ⇐⇒ BL(x, y) = 0, dla x, y ∈ L. ⊠<br />
.
100 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
16 Systemy pierwiastków i diagramy Dynkina<br />
16.1 Systemy pierwiastków<br />
Przez E oznaczamy skończenie wymiarową przestrzeń euklidesową nad ciałem Q liczb wymiernych, z<br />
iloczynem skalarnym ( , ).<br />
Definicja 16.1.1. Jeśli α = 0, β ∈ E, to przez n(α, β) oznaczamy liczbę rzeczywistą, zwaną współczynnikiem<br />
Cartana, określoną wzorem:<br />
n(α, β) = 2 (β,α)<br />
(α,α) .<br />
Jak zwykle w przestrzeni euklidesowej, kąt ϕ pomiędzy niezerowymi wektorami α, β ∈ E, określony<br />
jest przez warunek:<br />
cos ϕ = (α,β)<br />
||α||·||β|| , gdzie ||α|| = (α, α), ||β|| = (β, β).<br />
Lemat 16.1.2. Jeśli ϕ jest kątem pomiędzy niezerowymi wektorami α, β ∈ E, to<br />
Dowód.<br />
0 n(α, β)n(β, α) = 4 cos 2 ϕ 4.<br />
n(α, β)n(β, α) = 2 (β,α)<br />
2 (α,β) (α,β)<br />
(α,α) · 2 (β,β) = 4 ||α||·||β|| = 4 cos2 ϕ 4. ⊠<br />
Definicja 16.1.3. Systemem pierwiastków w E nazywamy każdy niepusty podzbiór ∆ w E spełniający<br />
następujące warunki.<br />
(1) ∆ generuje przestrzeń E nad Q oraz 0 ∈ ∆.<br />
(2) α ∈ ∆ =⇒ −α ∈ ∆.<br />
(3) α, β ∈ ∆ =⇒ n(α, β) ∈ Z.<br />
(4) α, β ∈ ∆ =⇒ β − n(α, β)α ∈ ∆.<br />
Mówimy, że system pierwiastków ∆ jest zredukowany jeśli spełniony jest dodatkowo warunek:<br />
(2 ′ ) α ∈ ∆, c ∈ Z =⇒ (cα ∈ ∆ ⇐⇒ c = ∓1).<br />
Uwaga 16.1.4. Warunek (2) wynika z warunku (4). Jeśli bowiem α ∈ ∆, to<br />
Z Lematu 16.1.2 wynika:<br />
−α = α − 2α = α − 2 (α,α)<br />
(α,α) α = α − n(α, α)α ∈ Z. ⊠<br />
Stwierdzenie 16.1.5. Jeśli ∆ jest systemem pierwiastków w E, to:<br />
(a) wszystkie liczby postaci n(α, β), gdzie α, β ∈ ∆, należą do zbioru<br />
{0, ∓1, ∓2, ∓3, ∓4};<br />
(b) kąt pomiędzy dwoma elementami z ∆ należy do zbioru<br />
{0, π<br />
6<br />
, π<br />
4<br />
, π<br />
3<br />
, π<br />
2<br />
, 2π<br />
3<br />
, 3π<br />
4<br />
5π , 6 , π};<br />
(c) jeśli α, β ∈ ∆ i n(α, β)n(β, α) = 4, to wektory α, β są współliniowe. ⊠<br />
Stwierdzenie 16.1.6. Niech ∆ będzie zredukowanym systemem pierwiastków w E. Niech α, β ∈ ∆.<br />
Jeśli wektory α, β są współliniowe, to α = ∓β.<br />
Dowód. Niech α = qβ, gdzie q ∈ Q. Wtedy n(α, β) = 2q ∈ Z oraz n(β, α) = 2/q ∈ Z. Stąd łatwo<br />
wynika, że β = ∓α, β = 2 ∓ α lub α = 2 ∓ β. Dwa ostatnie przypadki są wykluczone, gdyż system ∆<br />
jest zredukowany. ⊠
16. Systemy pierwiastków i diagramy Dynkina 101<br />
Stwierdzenie 16.1.7 (PH4101). Każdy system pierwiastków E jest zbiorem skończonym.<br />
Dowód. Niech ∆ będzie systemem pierwiastków w E. Wtedy na każdej prostej przechodzącej<br />
przez 0 leży co najwyżej 6 pierwiastków należących do ∆. Jeśli bowiem α, β ∈ ∆ i α = qβ, gdzie<br />
q ∈ Q, to q = ∓1, ∓2, ∓1/2 (pokazaliśmy to w dowodzie poprzedniego stwierdzenia).<br />
Niech {α1, . . . , αn} ⊆ ∆ będzie bazą przestrzeni E nad Q (baza jest skończona, bo dimQ E < ∞).<br />
Każda prosta w E przechodząca przez 0, na której leżą pierwiastki z ∆, jest wyznaczona przez kąty,<br />
jakie tworzy z wektorami α1, . . . , αn. Wiemy (na mocy Stwierdzenia 16.1.5(2)), że kątów takich jest<br />
tylko skończona ilość. Stąd wynika, że ∆ jest zbiorem skończonym. ⊠<br />
Niech α, β będą niezerowymi wektorami z E. Jeśli n(α, β) = 0, to (α, β) = 0, więc n(β, α) = 0 i<br />
wtedy wektory α, β są prostopadłe. Jeśli (α, β) = 0, to<br />
2 .<br />
n(α,β)<br />
n(β,α) =<br />
||β||<br />
||α||<br />
Stwierdzenie 16.1.8 (PH4 66, 99). Niech ∆ będzie systemem pierwiastków w E. Załóżmy, że wektory<br />
α, β ∈ ∆ nie są równoległe i nie są prostopadłe. Oznaczmy przez ϕ kąt pomiędzy α i β. Zachodzić<br />
wtedy może dokładnie jeden (z dokładnością do permutacji) z natępujących przypadków:<br />
(1) n(α, β) = 1, n(β, α) = 1, ϕ = π<br />
3 , ||α|| = ||β||;<br />
(2) n(α, β) = −1, n(β, α) = −1, ϕ = 2π<br />
3 , ||α|| = ||β||;<br />
(3) n(α, β) = 1, n(β, α) = 2, ϕ = π<br />
4 , ||α|| = √ 2 · ||β||;<br />
(4) n(α, β) = −1, n(β, α) = −2, ϕ = 3π<br />
4 , ||α|| = √ 2 · ||β||;<br />
(5) n(α, β) = 1, n(β, α) = 3, ϕ = π<br />
6 , ||α|| = √ 3 · ||β||;<br />
(6) n(α, β) = −1, n(β, α) = −3, ϕ = 5π<br />
6 , ||α|| = √ 3 · ||β||. ⊠<br />
Przykład 16.1.9 (PH499). Jeśli dimQ E = 2, to każdy zredukowany sytem pierwiastków ∆ w E<br />
jest postaci<br />
∆ = U ∪ −U,<br />
gdzie U jest jednym z następujących czterech zbiorów (przez ϕ oznaczamy kąt pomiędzy α i β):<br />
(A1 × A1) U = {α, β}, ϕ = π<br />
2 ;<br />
(A2) U = {α, α + β, β}, ϕ = 2π<br />
3 ; ||α|| = ||β||;<br />
(B2) U = {α, 2α + β, α + β, β}, ϕ = 3π<br />
4 ; ||α|| = √ 2 · ||β||;<br />
(G2) U = {α, 3α + β, 2α + β, 3α + 2β, α + β, β}, ϕ = 5π<br />
6 ; ||α|| = √ 3 · ||β||. ⊠<br />
16.2 Grupa Weyla<br />
Niech ∆ będzie systemem pierwiastków w E.<br />
Definicja 16.2.1. Jeśli α ∈ ∆, to przez Sα : E −→ E oznaczamy odwzorowanie określone wzorem<br />
Łatwo sprawdzić:<br />
Lemat 16.2.2 (PH4100).<br />
(1) Sα(α) = −α,<br />
(2) (x, α) = 0 =⇒ Sα(x) = x,<br />
(3) Sα = S−α,<br />
(4) S 2 α = idE,<br />
(5) (Sα(x), Sα(y)) = (x, y),<br />
(6) Sα(∆) = ∆. ⊠<br />
Sα(x) = x − n(α, x)α = x − 2 (α,x)<br />
(α,α) α, dla x ∈ E.
102 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 16.2.3 (PH4100). Odwzorowanie Sα jest automorfizmem Q-przestrzeni E. ⊠<br />
Definicja 16.2.4. Grupą Weyla systemu pierwiastków ∆ nazywamy podgrupę W = W (∆) grupy<br />
AutQ(E), wszystkich automorfizmów Q-przestrzeni E, generowaną przez wszystkie automorfizmy<br />
postaci Sα, α ∈ ∆.<br />
Przykład 16.2.5. Niech ∆ = A1 × A1 będzie systemem pierwiastków z Przykładu 16.1.9. Wtedy<br />
W (A1 × A1) = Z2 ⊕ Z2. ⊠<br />
Stwierdzenie 16.2.6. Grupa Weyla W (∆) jest skończona.<br />
Dowód. Niech Sym(∆) będzie grupą permutacji zbioru ∆. Grupa ta jest skończona, gdyż wiemy<br />
(Stwierdzenie 16.1.7), że ∆ jest zbiorem skończonym. Rozważmy odwzorowanie<br />
W (∆) −→ Sym(∆), σ ↦−→ σ | ∆.<br />
Jeśli σ ∈ W (∆), to σ(∆) = ∆ (patrz Lemat 16.2.2(6)). Powyższe odwzorowanie jest więc dobrze<br />
określone. Jest ono ponadto różnowartościowe (ponieważ zbiór ∆ generuje przestrzeń E nad Q). Zatem<br />
grupa W (∆) ma co najwyżej tyle elementów ile ma grupa Sym(∆). ⊠<br />
16.3 Pierwiastki proste<br />
Niech E, tak jak poprzednio, będzie skończenie wymiarową przestrzenią euklidesową nad Q. W<br />
przestrzeni E można wprowadzić liniowy porządek w taki sposób, że E będzie przestrzenią uporządkowaną,<br />
tzn.:<br />
(1) x > y ⇐⇒ x − y > 0,<br />
(2) x > 0, y > 0 =⇒ x + y > 0,<br />
(3) x > 0, q ∈ Q, q > 0 =⇒ qx > 0.<br />
Można to zrobić np. w następujący sposób. Niech {e1, . . . , en} będzie bazą przestrzeni E nad Q. Wprowadzamy<br />
w E porządek leksykograficzny: a1e1+· · ·+anen > b1+· · ·+bnen ⇐⇒ istnieje i ∈ {1, . . . , n}<br />
takie, że a1 = b1, · · · , ai1 = bi−1 oraz ai > bi (lub a1 > b1). Jest oczywiste, że porządek ten spełnia<br />
wszystkie powyższe warunki.<br />
Załóżmy więc, że ustalony jest porządek liniowy na E i niech ∆ będzie zredukowanym systemem<br />
pierwiastków w E.<br />
Definicja 16.3.1. Mówimy, że pierwiastek α ∈ ∆ jest dodatni, jeśli α > 0. Zbiór wszystkich pierwiastków<br />
dodatnich w ∆ oznaczamy przez ∆ + .<br />
Oczywiście ∆ = ∆ + . ∪ − ∆ + .<br />
Definicja 16.3.2. Mówimy, że pierwiastek α ∈ ∆ jest prosty, jeśli α ∈ ∆ + oraz α nie jest sumą<br />
dwóch pierwiastków z ∆ + .<br />
Stwierdzenie 16.3.3 (PH4102). Niech r = dimQ E.<br />
(1) W systemie ∆ istnieje dokładnie r pierwiastków prostych.<br />
(2) Niech α1, . . . , αr będą wszystkimi, parami różnymi, pierwiastkami prostymi w ∆. Wtedy:<br />
(a) zbiór {α1, . . . , αr} jest bazą przestrzeni E nad Q;<br />
(b) jeśli β ∈ ∆ + , to β = c1α1 + · · · + crαr, gdzie c1, . . . , cr 0. ⊠<br />
16.4 Macierz Cartana i V-graf<br />
Niech ∆ będzie zredukowanym systemem pierwiastków w E. Niech r = dimQ E i niech {α1, . . . , αr}<br />
będzie zbiorem wszystkich parami różnych pierwiastków prostych w ∆. Wprowadzamy nowe oznacze-<br />
nie:<br />
dij = −n(αj, αi) = −2 (αi,αj)<br />
(αj,αj) , dla i, j = 1, . . . , r.
16. Systemy pierwiastków i diagramy Dynkina 103<br />
Definicja 16.4.1. Macierz [dij] nazywamy macierzą Cartana systemu ∆.<br />
Stwierdzenie 16.4.2 (PH4103).<br />
(1) dii = −2;<br />
(2) dij 0, dla i = j;<br />
(3) dijdji 3, dla i = j;<br />
(4) (αj, αj)dij = (αi, αi)dji. ⊠<br />
Stwierdzenie 16.4.3 (PH4104).<br />
(1) Niech x ∈ E. Jeśli x = x1α1 + · · · xrαr, gdzie x1, . . . , xr ∈ Q, to<br />
<br />
Sαi(x) = x1α1 + · · · + xi−1αi−1 + −xi + <br />
j=i djixj<br />
<br />
αi + xi+1αi+1 + · · · + xrαr.<br />
(2) Niech x ∈ E. Wtedy x ∈ ∆ ⇐⇒ x = σ(αi), dla pewnego i ∈ {1, . . . , r} oraz pewnego<br />
automorfizmu σ należącego do grupy Weyla W (∆).<br />
(3) Grupa Weyla W (∆) jest generowana przez automorfizmy Sα1, . . . , Sαr. ⊠<br />
Definicja 16.4.4. V -grafem systemu ∆ nazywamy graf, o wierzchołkach 1, . . . , r i krawędziach:<br />
(dij, dji)<br />
• −−−−−−−− •<br />
i j<br />
W podobny sposób definiuje się grafy Coxetera systemu ∆ (patrz PH4103). Tym nie będziemy się tu zajmować.<br />
Definicja 16.4.5. Mówimy, że zredukowany system pierwiastków ∆ ⊂ E jest sumą prostą swoich<br />
podzbiorów ∆1 i ∆2, jeśli:<br />
(1) ∆ = ∆1 ∪ ∆2,<br />
(2) ∆1 ∩ ∆2 = ∅,<br />
(3) (∆1, ∆2) = 0, tzn. (α, β) = 0, dla wszystkich α ∈ ∆1, β ∈ ∆2.<br />
Stwierdzenie 16.4.6 (PH4104). Jeśli zredukowany system ∆ ⊂ E jest sumą prostą podzbiorów ∆1 i<br />
∆2, to przestrzeń E jest sumą prostą podprzestrzeni E1 i E2, gdzie E1 = Q∆1 oraz E2 = Q∆2. Wtedy<br />
∆1 jest zredukowanym systemem pierwiastków w E1, a ∆2 jest zredukowanym systemem pierwiastków<br />
w E2. ⊠<br />
Stwierdzenie 16.4.7 (PH4104). Załóżmy, że zredukowany system pierwiastków ∆ ⊂ E jest sumą<br />
prostą podzbiorów ∆1 i ∆2. Niech (Γ, d) będzie V -grafem systemu ∆ i niech (Γ ′ , d ′ ), (Γ ′′ , d ′′ ) będą<br />
V -grafami odpowiednio systemów ∆1 i ∆2. Wtedy (Γ, d) = (Γ ′ , d ′ ) . ∪ (Γ ′′ , d ′′ ). ⊠<br />
Stwierdzenie 16.4.8 (PH4104).<br />
(1) Każdy zredukowany system pierwiastków jest sumą prostą nierozkładalnych systemów pierwiastków.<br />
(2) System ∆ jest nierozkładalny ⇐⇒ V -graf systemu ∆ jest spójny. ⊠
104 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
16.5 Diagramy Dynkina<br />
Twierdzenie 16.5.1 (PH4104). Niech ∆ ⊂ E będzie zredukowanym systemem pierwiastków i niech<br />
(Γ, d) będzie V -grafem dla ∆. Załóżmy, że graf ten jest spójny. Niech • − • oznacza •<br />
(1, 1)<br />
−−−−− • .<br />
Wtedy graf (Γ, d) jest izomorficzny z dokładnie jednym grafem następującej listy:<br />
An<br />
Bn<br />
Cn<br />
Dn<br />
E6<br />
E7<br />
E8<br />
F4<br />
G2<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− • · · · • −−−−− •<br />
1 2 3 4 n − 1 n<br />
(1, 2)<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− • · · · • −−−−− •<br />
1 2 3 4 n − 1 n<br />
(2, 1)<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− • · · · • −−−−− •<br />
1 2 3 4 n − 1 n<br />
2<br />
•<br />
|<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− • · · · • −−−−− •<br />
1 3 4 5 n − 1 n<br />
•<br />
|<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− • −−−−− •<br />
•<br />
|<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− • −−−−− • −−−−− •<br />
•<br />
|<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− • −−−−− • −−−−− • −−−−− •<br />
(1, 2)<br />
• −−−−− • −−−−− • −−−−− •<br />
(1, 3)<br />
• −−−−− • ⊠<br />
Uwaga 16.5.2. C2 ≈ B2, D3 ≈ A3. ⊠<br />
(n 1)<br />
(n 2)<br />
(n 3)<br />
(n 4)<br />
Definicja 16.5.3. Wszystkie grafy występujące w powyższym twierdzeniu nazywamy diagramami<br />
Dynkina.<br />
Istnieją również tzw. rozszerzone diagramy Dynkina (patrz PH4105).
17. Półproste algebry Liego 105<br />
17 Półproste algebry Liego<br />
Zakładamy, że k jest algebraicznie domkniętym ciałem charakterystyki zero oraz, że L jest skończenie<br />
wymiarową k-algebrą Liego.<br />
17.1 Proste i półproste algebry Liego<br />
Każdy ideał Liego w L jest oczywiście podalgebrą Liego w L. Mówimy, że ideał Liego jest rozwiązalny,<br />
jeśli jest rozwiązalny jako algebra Liego.<br />
Rozpoczynamy od następującego lematu.<br />
Lemat 17.1.1 (PH484). Jeśli A, B są rozwiązalnymi ideałami Liego w L, to ideał Liego A + B<br />
również jest rozwiązalny.<br />
Dowód. Wynika to ze Stwierdzenia 15.6.4 oraz z izomorfizmu (A + B)/A ≈ B/(A ∩ B). Rozwiązalność<br />
ideału B implikuje bowiem rozwiązalność algebry Liego B/(A ∩ B) (jako algebry ilorazowej),<br />
czyli rozwiązalność algebry (A + B)/A. Ponieważ A jest też rozwiązalne, więc (Stwierdzenie 15.6.4)<br />
A + B jest rozwiązalne. ⊠<br />
Korzystając z tego lematu można wykazać:<br />
Wniosek 17.1.2. Istnieje jedyny maksymalny rozwiązalny ideał Liego w L. Ideał ten jest sumą<br />
(algebraiczną) wszystkich rozwiązalnych ideałów Liego w L. ⊠<br />
Definicja 17.1.3. Jedyny maksymalny ideał rozwiązalny w L oznaczamy przez rad(L) i nazywamy<br />
radykałem algebry Liego L.<br />
Definicja 17.1.4. Mówimy, że k-algebra Liego L jest prosta, jeśli [L, L] = 0 i jedynymi ideałami<br />
Liego w L są 0 i L.<br />
Definicja 17.1.5. Mówimy, że k-algebra Liego L jest półprosta, jeśli rad(L) = 0.<br />
Jeśli algebra Liego L jest prosta, to Z(L) = 0 i [L, L] = L. Każda prosta algebra Liego jest<br />
oczywiście półprosta. Jeśli L jest dowolną (skończenie wymiarową) k-algebrą Liego, to ilorazowa kalgebra<br />
Liego L/Rad(L) jest półprosta.<br />
Twierdzenie 17.1.6. Jeśli L jest skończenie wymiarową k-algebrą Liego (gdzie k jest algebraicznie<br />
domkniętym ciałem charakterystyki zero), to następujące warunki są równoważne.<br />
(1) Algebra L jest półprosta.<br />
(2) Każdy przemienny ideał Liego w L jest zerowy, tzn. jeśli I jest ideałem Liego w L, to<br />
[I, I] = 0 =⇒ I = 0.<br />
(3) L jest skończoną sumą prostą pewnych prostych nieprzemiennych ideałów Liego w L.<br />
(4) (Cartan). Forma Killinga BL jest nieosobliwa.<br />
(5) (Weyl). Każdy skończenie generowany L-moduł jest półprosty. ⊠<br />
Wyjaśnijmy pewne pojęcia potrzebne do zrozumienia treści powyższego twierdzenia.<br />
Punkt (3) mówi, że L = I1 ⊕ · · · ⊕ Is, gdzie I1, . . . , Is są prostymi ideałami Liego (czyli prostymi jako podalgebry<br />
Liego) w L. Stąd wynika, że algebra Liego L jest izomorficzna z produktem postaci I1 × · · · × Is, gdzie I1, . . . , Is są<br />
prostymi k-algebrami Liego.<br />
W punkcie (4) mówi się o formie Killinga BL : L × L −→ k. Wprowadziliśmy ją w Podrozdziale 15.6. Nieosobliwość<br />
tej formy oznacza, że ideał {x ∈ L; B(x, L) = 0} jest zerowy.<br />
Nie mówiliśmy jeszcze co to znaczy, że L-moduł jest półprosty. Pojęcie takie występuje w (5). L-moduł M nazywamy<br />
prostym, jeśli M = 0 oraz M nie posiada istotnych L-podmodułów. Mówimy, że dany L-moduł M jest półprosty,<br />
jeśli jest sumą prostą prostych L-modułów lub równoważnie, jeśli każdy L-podmoduł w M wydziela się jako składnik<br />
prosty. Charakteryzacja L-modułów półprostych jest dokładnie taka sama, jak dobrze znana charakteryzacja zwykłych<br />
modułów półprostych (nad dowolnym pierścieniem). Dodadkowe informacje o półprostych L-modułach znajdziemy w<br />
PH4 86. Wspomnijmy jeszcze, że dla prostych L-modułów zachodzi Lemat Schura. W tym przypadku oznacza to, że jeśli<br />
f : M −→ M jest endomorfizmem prostego L-modułu M, to istnieje a ∈ k takie, że f = a · 1M , (czyli EndL(M) ≈ k).<br />
Zanotujmy kilka własności półprostych algebr Liego.
106 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 17.1.7 (PH485). Załóżmy, że k-algebra Liego L jest półprosta. Wtedy:<br />
(1) Z(L) = 0;<br />
(2) [L, L] = L;<br />
(3) Podalgebry Liego w L i ilorazowe algebry Liego postaci L/A, są półproste. ⊠<br />
Stwierdzenie 17.1.8 (PH485). Jeśli k-algebra Liego L jest półprosta, to homomorfizm Liego ad :<br />
L −→ Der(L) jest izomorfizmem. ⊠<br />
Stąd wynika:<br />
Wniosek 17.1.9. Jeśli L jest półprostą k-algebrą Liego, to każda derywacja d : L −→ L jest wewnętrzna.<br />
⊠<br />
W następnym stwierdzeniu spotykamy sią z ważnym przykładem półprostej algebry Liego.<br />
Stwierdzenie 17.1.10. Specjalna algebra Liego sln(k) = {A ∈ gln(k); tr(A) = 0} jest półprosta. ⊠<br />
Dowód dla n = 2 przedstawimy w następnym podrozdziale.<br />
Można udowodnić:<br />
Twierdzenie 17.1.11. Niech L będzie półprostą, skończenie wymiarową, k-algebrą Liego. Jeśli ϕ :<br />
L −→ Endk(k n ) jest reprezentacją, to ϕ(L) ⊆ sln(k). ⊠<br />
Stąd w szczególności otrzymujemy:<br />
Wniosek 17.1.12. Każda skończenie wymiarowa półprosta k-algebra Liego jest podalgebrą Liego w<br />
sln(k), dla pewnego n. ⊠<br />
17.2 Specjalna algebra Liego sl2(k)<br />
W poprzednim podrozdziale wspomnieliśmy, że algebra sln(k), jest ważnym przykładem półprostej<br />
k-algebry Liego. Każda skończenie wymiarowa i półprosta k-algebra Liego jest podalgebrą Liego tej<br />
algebry.<br />
W tym podrozdziale zajmiemy się przypadkiem n = 2. Wykażemy, że algebra sl2(k), jest istotnie<br />
półprosta. Podamy również pewne informacje dotyczące prostych sl2(k)-modułów.<br />
Przypomnijmy, że sl2(k) jest zbiorem wszystkich (2 × 2)-macierzy<br />
a b<br />
c d<br />
<br />
, przy czym a + d = 0.<br />
Rozpatrzmy następujące trzy macierze, należące do sl2(k):<br />
A =<br />
0 1<br />
0 0<br />
<br />
0 0<br />
, B =<br />
1 0<br />
<br />
1 0<br />
, C =<br />
0 −1<br />
Lemat 17.2.1. Macierze A, B, C tworzą bazę przestrzeni sl2(k) nad k<br />
Dowód. Liniowa niezależność jest oczywista. Generowanie wynika z równości:<br />
<br />
a<br />
c<br />
b<br />
d<br />
<br />
a<br />
=<br />
c<br />
<br />
b<br />
= aC + bA + cB. ⊠<br />
−a<br />
Bez trudu sprawdzamy następne dwa lematy.<br />
Lemat 17.2.2. [C, A] = 2A, [C, B] = −2B, [A, B] = C. ⊠<br />
<br />
.
17. Półproste algebry Liego 107<br />
Lemat 17.2.3. Macierze przekształceń liniowych adA, adB, adC, są odpowiednio następujące:<br />
⎡<br />
⎤ ⎡<br />
⎤ ⎡<br />
⎤<br />
0 0 −2 0 0 0 2 0 0<br />
⎣ 0 0 0 ⎦ , ⎣ 0 0 2 ⎦ , ⎣ 0 −2 0 ⎦ . ⊠<br />
0 1 0 −1 0 0 0 0 0<br />
Wykażemy teraz następny lemat.<br />
Lemat 17.2.4. Forma Killinga algebry sl2(k) ma macierz:<br />
⎡ ⎤<br />
0 4 0<br />
⎣ 4 0 0 ⎦ ,<br />
0 0 8<br />
której wyznacznik jest równy −128.<br />
Dowód. Niech B będzie formą Killinga algebry sl2(k). Wiemy, że B(X, Y ) =tr(adX ◦ adY ), dla<br />
wszystkich macierzy X, Y ∈ sl2(k). Mamy zatem:<br />
⎡<br />
⎤ ⎡<br />
0 0 −2 0<br />
B(A, A) = tr( ⎣ 0 0 0 ⎦ · ⎣ 0<br />
0<br />
0<br />
−2<br />
0<br />
⎤ ⎡<br />
0<br />
⎦) = tr ⎣ 0<br />
−2<br />
0<br />
⎤<br />
0<br />
0 ⎦ = 0,<br />
0 1 0 0 1 0<br />
0 0 0<br />
itd. ⊠<br />
⎡<br />
B(A, B) = tr( ⎣<br />
0 0 −2<br />
0 0 0<br />
0 1 0<br />
⎤<br />
⎡<br />
⎦ · ⎣<br />
0 0 0<br />
0 0 2<br />
−1 0 0<br />
Z ostatniego lematu i Twierdzenia 17.1.6(4) otrzymujemy:<br />
⎤<br />
⎡<br />
⎦) = tr ⎣<br />
2 0 0<br />
0 0 0<br />
0 0 2<br />
Wniosek 17.2.5 (PH491). Algebra sl2(k) jest półprostą k-algebrą Liego. ⊠<br />
⎤<br />
⎦ = 4,<br />
W następnym twierdzeniu zawarta jest klasyfikacja wszystkich prostych i skończenie wymiarowych<br />
sl2(k)-modułów.<br />
Twierdzenie 17.2.6. Dla dowolnej liczby całkowitej n 0 istnieje dokładnie jeden (z dokładnością<br />
do izomorfizmu) sl2(k)-moduł prosty Vn, wymiaru n + 1. Każdy skończenie wymiarowy sl2(k)-moduł<br />
prosty jest izomorficzny z pewnym sl2(k)-modułem postaci Vn. ⊠<br />
Struktura sl2(k)-modułu na przestrzeni liniowej Vn (występującej w powyższym twierdzeniu) zadana<br />
je poprzez reprezentację<br />
ϕ (n) : sl2(k) −→ gln+1(k),<br />
określoną na bazie {A, B, C} wzorami:<br />
ϕ (n) ⎡<br />
n<br />
⎢ 0<br />
⎢<br />
(A) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣ .<br />
0<br />
n − 2<br />
0<br />
.<br />
0<br />
0<br />
n − 4<br />
.<br />
. . .<br />
. . .<br />
. . .<br />
0<br />
0<br />
0<br />
.<br />
⎤<br />
⎥ ,<br />
⎥<br />
⎦<br />
ϕ<br />
0 0 0 . . . −n<br />
(n) ⎡<br />
0<br />
⎢ 1<br />
⎢<br />
(B) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣ .<br />
0<br />
0<br />
2<br />
.<br />
0<br />
0<br />
0<br />
.<br />
. . .<br />
. . .<br />
. . .<br />
0<br />
0<br />
0<br />
.<br />
0<br />
0<br />
0<br />
.<br />
⎤<br />
⎥ ,<br />
⎥<br />
⎦<br />
0 0 0 . . . n 0<br />
ϕ (n) ⎡<br />
0<br />
⎢ 0<br />
⎢ 0<br />
(C) = ⎢ .<br />
⎣ 0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
.<br />
0<br />
0<br />
2<br />
0<br />
.<br />
0<br />
. . .<br />
. . .<br />
. . .<br />
. . .<br />
0<br />
0<br />
0<br />
.<br />
n<br />
⎤<br />
⎥ .<br />
⎥<br />
⎦<br />
0 0 0 . . . 0<br />
Uwaga 17.2.7. Istnieją sl2(k)-moduły proste nieskończonego wymiaru. Istnieje również nieskończenie<br />
wymiarowy sl2(k)-moduł, który nie jest półprosty. ⊠
108 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
17.3 Rozkład Cartana-Levi-Malceva<br />
Twierdzenie 17.3.1 (Cartan, Levi, Malcev). Jeśli L jest skończenie wymiarową k-algebrą Liego,<br />
to istnieje półprosta podalgebra Liego S w L taka, że<br />
L = Rad(L) ⊕ S (suma prosta przestrzeni liniowych).<br />
Jeśli S ′ jest drugą półprostą podalgebrą Liego w L taką, że L = Rad(L)⊕S ′ , to istnieje k-automorfizm<br />
Liego ϕ : L −→ L taki, że ϕ | Rad(L) jest tożsamością oraz ϕ(S) = S ′ .<br />
Z powyższego twierdzenia wynika, że problem klasyfikacji skończenie wymiarowych algebr Liego<br />
sprowadza się do opisu wszystkich rozwiązalnych i półprostych algebr Liego. Algebry rozwiązalne<br />
do tej pory nie zostały sklasyfikowane. Istnieje natomiast pełna klasyfikacja wszystkich skończenie<br />
wymiarowych półprostych algebr Liego nad algebraicznie domkniętym ciałem k, charakterystyki zero.<br />
Wszystkie następne podrozdziały tego rozdziału zmierzają do przedstawienia tej klasyfikacji.<br />
17.4 Podalgebry Cartana i torusy<br />
Niech L będzie skończenie wymiarową k-algebrą Liego.<br />
Definicja 17.4.1. Jeśli P jest zbiorem zawartym w L, to centralizatorem zbioru P w L nazywamy<br />
ideał Liego<br />
CP (L) = {x ∈ L; [x, P ] = 0} = <br />
p∈P Ker adp.<br />
W szczególności centralizator CL(L) pokrywa się z centrum Z(L).<br />
Definicja 17.4.2. Podalgebrą Cartana w L nazywamy każdą nilpotentną podalgebrę Liego H w L<br />
taką, że CL(H) = H.<br />
Stwierdzenie 17.4.3. Podalgebra Cartana jest przemienną algebrą Liego (tzn. [H, H] = 0). ⊠<br />
Przykład 17.4.4. Podalgebrą Cartana w gln(k) jest k-algebra Liego wszystkich (n × n)-macierzy<br />
diagonalnych. Podalgebrą Cartana w sln(k) jest k-algebra Liego wszystkich (n × n)-macierzy diagonalnych<br />
z zerowym śladem. ⊠<br />
W przypadku skończenie wymiarowych półprostych k-algebr Liego (char(k) = 0) podalgebry Cartana<br />
pokrywają się z maksymalnymi torusami.<br />
Co to jest torus w L? Wiemy, że jeśli L jest półproste (i skończenie wymiarowe), to odwzorowanie<br />
ad: L −→ Der(L) jest izomorfizmem algebr Liego. Każdy element x ∈ L możemy więc utożsamiać z<br />
przekształceniem k-liniowym adx : L −→ L. Wiemy ponadto, że każdy k-endomorfizm ϕ : L −→ L<br />
(ciało k jest algebraicznie domknięte!) ma jednoznaczny rozkład Jordana-Chevalley (patrz [13] lub [18])<br />
ϕ = ϕn + ϕs. W szczególności więc każdy element x ∈ L ma (dzięki wspomnianemu utożsamieniu)<br />
rozkład x = xn + xs. Rozkład ten nazywamy abstrakcyjnym rozkładem Jordana-Chevalley.<br />
Definicja 17.4.5. Torusem w L (ang. toral subalgebra) nazywamy każdą podalgebrę Liego H w L<br />
taką, że: x ∈ H =⇒ xn = 0.<br />
Mówimy, że dany torus w L jest maksymalny, jeśli jest maksymalny w sensie inkluzji.<br />
Zanotujmy zatem:<br />
Stwierdzenie 17.4.6. Dla skończenie wymiarowych półprostych k-algebr Liego pojęcia maksymalny<br />
torus i podalgebra Cartana pokrywają się. ⊠<br />
Wykażemy teraz:<br />
Stwierdzenie 17.4.7 (PH492). Każda skończenie wymiarowa półprosta k-algebra Liego L posiada<br />
torus.
17. Półproste algebry Liego 109<br />
Dowód. Ponieważ [L, L] = L, więc L nie jest nilpotentne. Istnieje więc (na mocy twierdzenia Engela)<br />
x ∈ L takie, że endomorfizm adx nie jest nilpotentny. Zatem, jeśli x = xn +xs jest abstrakcyjnym<br />
rozkładem Jordana-Chevalley, to xs = 0. Wówczas K = kxs jest torusem w L. ⊠<br />
Stąd wynika:<br />
Wniosek 17.4.8. Każda skończenie wymiarowa półprosta k-algebra Liego posiada podalgebrę Cartana.<br />
⊠<br />
Można, ponadto udowodnić:<br />
Stwierdzenie 17.4.9 (PH4109). Jeśli H i H ′ są podalgebrami Cartana w L, to istnieje automorfizm<br />
Liego σ : L −→ L taki, że σ(H) = H ′ . ⊠<br />
Podalgebra Cartana w L jest więc wyznaczona jednoznacznie, z dokładnością do izomorfizmu.<br />
17.5 Podprzestrzenie stowarzyszone z podalgebrą Cartana<br />
Niech L będzie skończenie wymiarową półprostą k-algebrą Liego i niech H będzie jej podalgebrą<br />
Cartana (tzn. maksymalnym torusem). Przez H ∗ oznaczamy przestrzeń Homk(H, k), wszystkich<br />
przekształceń k-liniowych z H do k.<br />
Definicja 17.5.1. Jeśli α ∈ H ∗ , to przez Lα oznaczamy podzbiór w L, określony następująco:<br />
Lα = {x ∈ L; [u, x] = α(u)x, dla wszystkich u ∈ H}.<br />
Stwierdzenie 17.5.2.<br />
(1) Lα jest podprzestrzenią liniową w L.<br />
(2) Lα nie jest, na ogół, podalgebrą Liego w L.<br />
(3) L0 = CL(H) = H.<br />
Dowód. (1). Wynika to z równości:<br />
[u, ax + by] = a[u, x] + b[u, y] = aα(u)x + bα(u)y = α(u)(ax + by),<br />
dla u =∈ H, a, b ∈ k, x, y ∈ L.<br />
(2). Łatwo sprawdzić, że jeśli x, y ∈ Lα i u ∈ H, to<br />
[u, [x, y]] = 2α(u)[x, y].<br />
(3). Podalgebra Cartana spełnia, na mocy definicji, warunek CL(H) = H. ⊠<br />
Stwierdzenie 17.5.3 (PH493).<br />
(1) Jeśli α, β ∈ H ∗ , to [Lα, Lβ] ⊆ Lα+β.<br />
(2) Jeśli x ∈ Lα i α = 0, to odwzorowanie adx jest nilpotentne.<br />
(3) Niech BL : L×L −→ k będzie formą Killinga algebry Liego L. Niech α, β ∈ H ∗ . Jeśli α+β = 0,<br />
to BL(x, y) = 0 dla wszystkich x ∈ Lα, y ∈ Lβ.<br />
(4) Forma Killinga BL, obcięta do podalgebry L0, jest niezdegenerowana. ⊠<br />
17.6 Zredukowany system pierwiastków półprostej algebry Liego<br />
Zakładamy, tak jak poprzednio: L jest skończenie wymiarową półprostą k-algebrą Liego, H jest<br />
podalgebrą Cartana w L. W poprzednim podrozdziale wprowadziliśmy podprzestrzenie liniowe w L,<br />
postaci Lα, gdzie α ∈ H ∗ = Homk(H, k).<br />
Definicja 17.6.1. Przez Φ oznaczamy zbiór wszystkich niezerowych przekształceń α ∈ H ∗ takich,<br />
że Lα = 0.<br />
Można wykazać:
110 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
Stwierdzenie 17.6.2.<br />
(1) Φ jest zbiorem skończonym.<br />
(2) Φ generuje przestrzeń H ∗ = Homk(H, k).<br />
(3) Jeśli α ∈ Φ, to −α ∈ Φ.<br />
(4) Jeśli α ∈ Φ, to dimk Lα = 1. ⊠<br />
Twierdzenie 17.6.3 (Cartan).<br />
L = H ⊕ <br />
Lα. ⊠<br />
α∈Φ<br />
Jest to tzw. rozkład Cartana półprostej k-algebry Liego L względem maksymalnego torusa H (ang.<br />
root space decomposition).<br />
Przypomnijmy, że przez BL : L × L −→ k oznaczamy formę Killinga algebry L.<br />
Stwierdzenie 17.6.4. Odwzorowanie<br />
jest izomorfizmem przestrzeni k-liniowych. ⊠<br />
H −→ H ∗ , u ↦−→ BL(u, ),<br />
Definicja 17.6.5. Jeśli α ∈ Φ ⊂ H ∗ , to przez tα oznaczamy jedyny element z H (istniejący na mocy<br />
powyższego stwierdzenia) taki, że α = BL(tα, ).<br />
Stwierdzenie 17.6.6 (PH494). Jeśli α ∈ Φ, to:<br />
(1) [x, y] = BL(x, y)tα, dla wszystkich x ∈ Lα, y ∈ L−α;<br />
(2) [Lα, L−α] = k · tα;<br />
(3) α(tα) = BL(tα, tα). ⊠<br />
Definicja 17.6.7. Jeśli α ∈ Φ, 0 = x ∈ Lα, 0 = y ∈ L−α, to przez Aα(x, y) oznaczamy liniową<br />
podprzestrzeń w L określoną wzorem:<br />
Aα(x, y) = k · x + k · y + k · [x, y].<br />
Podprzestrzeń Aα(x, y) ma szczególne własności:<br />
Stwierdzenie 17.6.8 (PH495).<br />
(1) Podprzestrzeń Aα(x, y) nie zależy od wyboru punktów x, y. Dokładniej, jeśli 0 = x ∈ Lα,<br />
0 = y ∈ L−α, to<br />
Aα(x, y) = Lα + L−α + [Lα, L−α].<br />
(2) Podprzestrzeń Aα(x, y) jest podalgebrą Liego w L.<br />
(3) Algebra Liego Aα(x, y) jest izomorficzna z sl2(k). Izomorfizm zadaje przyporządkowanie:<br />
<br />
<br />
0 1<br />
0 0<br />
1 0<br />
x ↦−→ , y ↦−→ , [x, y] ↦−→<br />
. ⊠<br />
0 0<br />
1 0<br />
0 −1<br />
Dzięki powyższym faktom można udowodnić następujące dwa stwierdzenia.<br />
Stwierdzenie 17.6.9 (PH496). Jeśli α, β ∈ Φ, to BL(tα, tβ) ∈ Q. ⊠<br />
Stwierdzenie 17.6.10 (PH495). Jeśli u, v ∈ H, to<br />
BL(u, v) = <br />
α(u)α(v). ⊠<br />
Definicja 17.6.11. Przez EH oznaczamy Q-podprzestrzeń w H ∗ generowaną przez zbiór Φ.<br />
α∈Φ<br />
Można udowodnć (korzystając z powyższych stwierdzeń):
17. Półproste algebry Liego 111<br />
Stwierdzenie 17.6.12. EH jest przestrzenią euklidesową z iloczynem skalarnym<br />
określonym (na generatorach α, β ∈ Φ) wzorem:<br />
( , ) : EH × Eφ −→ Q,<br />
(α, β) = BL(tα, tβ) = α(tβ). ⊠<br />
Teraz już nie jest trudno udowodnić następujące twierdzenie.<br />
Twierdzenie 17.6.13 (PH496). Zbiór Φ jest zredukowanym systemem pierwiastków w EH, tzn.:<br />
(1) Φ generuje przestrzeń EH nad Q;<br />
(2) α ∈ Φ, c ∈ Z =⇒ (cα ∈ Φ ⇐⇒ c = ∓1);<br />
(3) α, β ∈ Φ =⇒ 2 (β,α)<br />
(α,α) ∈ Z;<br />
(3) α, β ∈ Φ =⇒ β − 2 (β,α)<br />
(α,α) α ∈ Φ. ⊠<br />
Można ponadto udowodnić:<br />
Stwierdzenie 17.6.14 (PH496). Jeśli elementy α1, . . . , αs ∈ Φ tworzą bazę przestrzeni H ∗ =<br />
Homk(H, k), to dowolny element α ∈ Φ ma postać<br />
gdzie c1, . . . , cs ∈ Q. ⊠<br />
Stąd można otrzymać:<br />
α = c1α1 + · · · + csαs,<br />
Wniosek 17.6.15. dimQ EH = dimk H ∗ , H ∗ ≈ EH ⊗Q k. ⊠<br />
17.7 Klasyfikacja prostych i półprostych algebr Liego<br />
Niech L będzie skończenie wymiarową półprostą algebrą Liego nad algebraicznie domkniętym<br />
ciałem k charakterystyki zero.<br />
Niech H będzie podalgebrą Cartana w L. Wiemy, że z algebrą H stowarzyszony jest zredukowany<br />
system pierwiastków ΦH = Φ. Z systemem ΦH stowarzyszony jest natomiast V -graf ΓH.<br />
Obiekty te są wyznaczone jednoznacznie, z dokładnością do izomorfizmu. Jeśli H i H ′ są podal-<br />
gebrami Cartana w L, to istnieje automorfizm Liego ϕ : L −→ L taki, że ϕ(H) = H ′ i wtedy mamy<br />
indukowane izomorfizmy: ΦH ≈ ΦH ′, ΓH ≈ ΓH ′. Ta jednoznaczność jest jeszcze w głębszym sensie:<br />
Stwierdzenie 17.7.1. Załóżmy, że L i L ′ są izomorficznymi, półprostymi k-algebrami Liego (skończenie<br />
wymiarowymi). Istnieje wtedy k-izomorfizm Liego ϕ : L −→ L ′ ustalający izomorfizm odpowiednich<br />
algebr Cartana H, H ′ oraz zredukowanych systemów pierwiastków ΦH, ΦH ′, jak również V -grafów ΓH,<br />
′. ⊠<br />
ΓH<br />
Istnieje więc wzajemnie jednoznaczna odpowiedniość pomiędzy rozważanymi obiektami. Co więcej,<br />
jeśli V -grafy odpowiednich półprostych algebr Liego L i L ′ są izomorficzne, to istnieje izomorfizm kalgebr<br />
Liego L −→ L ′ indukujący izomorfizmy odpowiednich zredukowanych systemów pierwiastków,<br />
podalgebr Cartana, itd.<br />
Przy tej odpowiedniości prostym algebrom Liego odpowiadają nierozkładalne systemy pierwiastków<br />
i konsekwentnie, spójne V -grafy czyli (na mocy Twierdzenia 16.5.1) diagramy Dynkina.<br />
Istnieje zatem pełna klasyfikacja prostych, skończenie wymiarowych, algebr Liego na algebraicznie<br />
domkniętym ciałem charakterystyki zero (np. nad ciałem C liczb zespolonych).<br />
Każda półprosta, skończenie wymiarowa, k-algebra Liego jest sumą prostą prostych algebr Liego.<br />
Rozkład jest jednoznaczny. Mamy zatem pełną klasyfikację wszystkich półprostych (skończenie<br />
wymiarowych) algebr Liego na algebraicznie domkniętym ciałem charakterystyki zero.<br />
Spójrzmy jeszcze raz na diagramy Dynkina (Twierdzenie 16.5.1). Z powyższych rozważań wynika,<br />
że istnieje nieskończenie wiele, parami nieizomorficznych, prostych k-algebr Liego (skończenie
112 A. Nowicki - Marzec 1995. <strong>Topologia</strong> i <strong>geometria</strong> <strong>różniczkowa</strong><br />
wymiarowych). Są cztery nieskończone serie, odpowiadające diagramom An, Bn, Cn, Dn oraz pięc<br />
”sporadycznych” algebr, odpowiadających diagramom E6, E7, E8, F4 i G2.<br />
Wymiary (nad k) algebr sporadycznych wynoszą odpowiednio: 84, 133, 248, 52 i 14. Algebry<br />
Liego (wraz z ich wymiarami d i nazwami) odpowiadające nieskończonym seriom przedstawiają się<br />
następująco:<br />
An : {X ∈ gln+1(k); trX = 0} d = n 2 + 2n (specjalna),<br />
Bn : {X ∈ gl2n+1(k); XB + B T X = 0} d = 2n 2 + n (ortogonalna),<br />
Cn : {X ∈ gl2n(k); XC + C T X = 0} d = 2n 2 + n (symplektyczna),<br />
Dn : {X ∈ gl2n(k); XD + D T X = 0} d = 2n 2 − n (ortogonalna).<br />
Macierze B, C, D, występujące powyżej, są odpowiednio (2n + 1 × 2n + 1), (2n × 2n), (2n × 2n)<br />
macierzami zdefiniowanymi następująco:<br />
⎡<br />
⎤<br />
1 0 0<br />
<br />
<br />
B = ⎣ 0 0 En ⎦ 0 En<br />
0 En<br />
, C =<br />
, D =<br />
,<br />
−En 0<br />
En 0<br />
0 −En 0<br />
gdzie En jest (n × n)-macierzą jednostkową.<br />
Tak jest dla ciała algebraicznie domkniętego, charakterystyki zero (w szczególności dla C). Istnieje<br />
również klasyfikacja prostych, skończenie wymiarowych, algebr Liego nad ciałem R, liczb rzeczywistych.<br />
W tym przypadku mamy 12 nieskończonych serii (wśród których są cztery powyższe serie) oraz<br />
23 algebry sporadyczne (patrz np. [15] 106).
Literatura 113<br />
Literatura<br />
[1] R. Abraham, J. E. Marsden, T. Ratiu, Manifolds, Tensor Analysis and Applications, Addison-<br />
Wesley Publ. Comp., 1983.<br />
[2] L. Auslander, R. E. Mac Kenzie, Introduction to differentiable manifolds, McGraw-Hill Book<br />
Company, 1963 (Przekład polski: Rozmaitości <strong>różniczkowa</strong>lne, PWN, Warszawa 1969).<br />
[3] N. Bourbaki, Groupes et Algebras de Lie, I, II, III, Herman Paris, 1972 (tł. ros. Moskwa 1976).<br />
[4] K. Cegiełka, Geometria <strong>różniczkowa</strong>, Skrypt UW, Warszawa, 1981.<br />
[5] L. M. Drużkowski, Henri Poincaré - matematyk, fizyk, astronom i filozof, Wiadomości Matematyczne<br />
30(1993), 73 - 84.<br />
[6] R. Duda, Wprowadzenie do topologii, Część II, <strong>Topologia</strong> algebraiczna. <strong>Topologia</strong> rozmaitości,<br />
PWN, Warszawa, 1986.<br />
[7] R. Engelking, Zarys topologii ogólnej, PWN, Warszawa, 1965.<br />
[8] R. Engelking, <strong>Topologia</strong> ogólna, PWN, Warszawa, 1975.<br />
[9] R. Engelking, K. Sieklucki, Geometria i topologia, PWN, Warszawa, 1980.<br />
[10] J. Gancarzewicz, Geometria <strong>różniczkowa</strong>, PWN, Warszawa, 1987.<br />
[11] M. Goto, F. D. Grosshans, Semisimple Lie Algebras, Marcel Deker, Inc., 1978 (tł. ros., MIR,<br />
Moskwa, 1981).<br />
[12] M. J. Greenberg, Lectures on Algebraic Topology, W. A. Benjamin, Inc., 1967 (tł. polskie PWN,<br />
Warszawa, 1980).<br />
[13] J. E. Humphreys, Introduction to Lie Algebras and Representation Theory, Springer-Verlag, New<br />
York Heidelberg Berlin, 1972.<br />
[14] J. E. Humphreys, Linear Algebraic Groups, Springer-Verlag, New York Heidelberg Berlin, 1981.<br />
[15] A. A. Kirillow, Elementy teorii predstawlenij, Nauka, Moskwa 1972.<br />
[16] Cz. Kosniowski, A first course in algebraic topology, Cambridge University Press, 1980 (tł. rosyjskie<br />
Moskwa MIR, 1983).<br />
[17] Matematyczna Encyklopedia, Tomy 1 - 5, Moskwa, 1977 - 1985.<br />
[18] A. Nowicki, Polynomial derivations and their rings of constants, UMK, Toruń, 1994.<br />
[19] A. Nowicki, Moduł różniczek, Preprint 1995.<br />
[20] A. Nowicki, Elementy geometrii algebraicznej, Preprint 1995.<br />
[21] A. Prószyński, Algebry Liego, Wykład D. Simsona, Zeszyt 1977 - 1978.<br />
[22] A. Prószyński, <strong>Topologia</strong> <strong>różniczkowa</strong>, Wykład S. Balcerzyka, Zeszyt 1971 - 1972.<br />
[23] A. Prószyński, Wiązki wektorowe, Zeszyt.<br />
[24] M. Skwarczyński, Geometria rozmaitości Riemanna, PWN, Warszawa, 1993.<br />
[25] M. Spivak, Analiza na rozmaitościach, Warszawa, 1977.<br />
[26] F. W. Warner, Foundations of Differentiable Manifolds and Lie Groups, Springer-Verlag, 1983<br />
(tł. rosyjskie: Moskwa 1987).<br />
[27] W. Wojtyński, Grupy i algebry Liego, PWN, Warszawa, 1986.
Skorowidz<br />
algebra<br />
form różniczkowych 65<br />
funkcji<br />
ciągłych 22<br />
gładkich 35<br />
ograniczonych 23<br />
Liego 62, 97<br />
grupy Liego 85, 93<br />
ilorazowa 98, 110<br />
łączna 98<br />
małego wymiaru 99<br />
nilpotentna 102<br />
ortogonalna 89, 99, 117<br />
półprosta 110, 117<br />
prosta 110<br />
przemienna 97, 113<br />
rozwiązalna 102, 110<br />
specjalna 89, 99, 111, 117<br />
specjalna ortogonalna 89, 99<br />
specjalna unitarna 90<br />
symplektyczna 90, 99, 117<br />
trójkątna 99, 102-103<br />
trójkątna z zerami 99<br />
unitarna 90<br />
atlas 2, 33<br />
maksymalny 33<br />
automorfizm 38<br />
liniowy 26, 29<br />
Balcerzyk St. 23<br />
baza<br />
derywacji lokalnych 44, 68<br />
lokalna 58<br />
modułu przekrojów 58<br />
brzeg kostki 14<br />
butelka Kleina 5<br />
całkowanie pól wektorowych 75<br />
centralizator 113<br />
centrum algebry Liego 98, 100<br />
algebry Liego 113<br />
ciało kwaternionów 81<br />
coordinate transformations 29<br />
cylinder 4<br />
derywacja 23, 41, 57, 68<br />
algebry Liego 100<br />
wewnętrzna 100, 111<br />
lokalna 23, 41, 48, 55, 68<br />
modułu 41<br />
niezmiennicza 85, 87<br />
pierścienia funkcji gładkich 58, 68, 85<br />
diagram Dynkina 109, 117<br />
droga 7, 9<br />
odwrotna 9<br />
stała 9<br />
zamknięta 9<br />
114<br />
dyfeomorfizm 34, 78, 91<br />
działanie<br />
funktora na wiązkę 63<br />
grupy<br />
na przestrzeń topologiczną 3-4, 15<br />
na zbiór 15<br />
wolne 18<br />
wspólnie rozłączne 17-18<br />
exp 92<br />
forma<br />
df 65, 70<br />
dokładna 73<br />
Killinga 104, 110, 112, 115<br />
<strong>różniczkowa</strong> 65, 71<br />
wyższego rzędu 72<br />
zamknięta 73<br />
formalne rozwiązanie 78<br />
Friedman M. 14<br />
funkcja<br />
analityczna 33<br />
gładka 34-35<br />
odwracalna 22<br />
przejścia 29, 53, 63<br />
<strong>różniczkowa</strong>lna 31<br />
funktor<br />
addytywny 63<br />
ciągły 63<br />
grupy podstawowej 11<br />
homologii 9<br />
kontrawariantny 20, 25, 35-36, 39, 63<br />
kowariantny 28, 63, 95<br />
G-przestrzeń 16-17, 19<br />
G-zbiór 15<br />
Gleason 96<br />
graf-Coxetera 108<br />
grupa<br />
abelowa 13, 19<br />
addytywna<br />
liczb wymiernych 19<br />
cykliczna 13, 19<br />
dyfeomorfizmów 78, 92<br />
formalna 94<br />
homotopii 11<br />
wyższa 14<br />
ilorazowa 13<br />
kohomologii 66<br />
Liego 81, 93<br />
analityczna 96<br />
GLn(C) 81<br />
GLn(R) 81, 86<br />
jednospójna 93<br />
lokalna 91, 93<br />
przekształceń afinicznych 81<br />
Rn 85
Indeks 115<br />
rozwiązalna 102<br />
specjalna 89<br />
specjalna ortogonalna 89<br />
specjalna unitarna 90<br />
spójna 93<br />
symplektyczna 90<br />
symplektyczna liniowa 90<br />
unitarna 89<br />
zwarta 90<br />
multyplikatywna 81<br />
podstawowa 9, 11, 18<br />
skończona 16-17<br />
topologiczna 6, 13, 81, 96<br />
Weyla 106<br />
gwiaździsty zbiór 74<br />
hipoteza<br />
Poincar’e 14<br />
homomorfizm<br />
ad 100, 111<br />
algebr Liego 97<br />
grup Liego 81<br />
lokalnych grup Liego 91<br />
reprezentacji algebr Liego 101<br />
homotopia 9<br />
odwzorowań 12<br />
homotopijna równoważność 4, 13<br />
dróg 9<br />
ideał<br />
Liego 98, 110<br />
rozwiązalny 110<br />
maksymalny 22, 24, 37-38<br />
iloczyn skalarny 30, 116<br />
iloczyn wektorowy 101-102<br />
jednoparametrowa grupa dyfeomorfizmów 78, 92<br />
Jordan 7<br />
kategoria<br />
Grothendiecka 102<br />
kąt między wektorami 105<br />
kiełek 24, 38<br />
kompleks<br />
de Rhama 66, 73, 80<br />
koniec drogi 9<br />
krzywa 46, 53, 67<br />
całkowa 75-76, 92<br />
formalna 78<br />
Jordana 7<br />
równoważność 46<br />
L-moduł 102, 110<br />
lemat Schura 111<br />
lokalny homeomorfizm 5<br />
macierz<br />
Cartana 108<br />
Jacobiego 32<br />
ortogonalna 89<br />
unitarna 89<br />
maksymalny torus 114-115<br />
mapa 2<br />
moduł<br />
form różniczkowych 64-65, 72<br />
pól wektorowych grupy Liego 84<br />
projektywny 30<br />
przekrojów 28, 58, 83<br />
różniczek 24, 72<br />
wolny 30, 68, 84<br />
Montgomery D. 96<br />
morfizm<br />
przestrzeni stycznych 50<br />
rodzin wektorowych 27<br />
wiązek wektorowych 29<br />
nakrycie 5-6, 17-18, 93<br />
uniwersalne 93<br />
naleśniki 7<br />
nawias Liego 62, 70<br />
Liego 97<br />
niezmiennik typu homotopii 13<br />
gładkich dyfeomorfizmów 39<br />
homeomorfizmów 25<br />
nośnik 1, 23<br />
odwzorowanie wykładnicze 92<br />
ograniczenie 20<br />
rodziny wektorowej 27<br />
wiązki 57<br />
okrąg 81<br />
orbita 15<br />
Peano 7<br />
pętla 9<br />
pierścień<br />
kiełków<br />
ciągłych 24<br />
gładkich 38<br />
kołowy 13<br />
lokalny 24, 38<br />
ułamków 42<br />
pierwiastek<br />
dodatni 107<br />
prosty 107<br />
pochodna 31<br />
cząstkowa 32<br />
mieszana 32<br />
początek drogi 9<br />
podalgebra<br />
Cartana 113-114<br />
Liego 98<br />
podwiązka 30<br />
Poincaré H. 9, 14<br />
pokrycie 2, 20<br />
lokalnie skończone 1-2<br />
trywializujące 29<br />
wpisane 1<br />
pole wektorowe 57-58, 69, 75<br />
nawias Liego 62, 70
116 Indeks<br />
niezmiennicze 82<br />
specjalne 79, 92<br />
potęga zewnętrzna 64-65<br />
potok 78<br />
formalny 78<br />
powierzchnia 5, 18<br />
presnop 20-21<br />
produkt<br />
algebr Liego 98<br />
G-przestrzeni 16<br />
grup Liego 82<br />
przestrzeni topologicznych 1<br />
rozmaitości różniczkowych 34<br />
Prószyński 94<br />
Prószyński A. 30<br />
przekrój<br />
rodziny wektorowej 28<br />
wiązki 57<br />
przestrzeń<br />
derywacji lokalnych 41, 68<br />
liniowa<br />
M(s)/M(s+1) 42<br />
nakrywająca 93<br />
orbit 3-4, 15, 17-18<br />
rzutowa 2, 5, 13, 16-17<br />
styczna 46, 48, 67<br />
topologiczna<br />
dyskretna 5, 22<br />
Hausdorffa 1, 17-19, 34<br />
ilorazowa 1-5, 15<br />
jednospójna 12-13, 18<br />
lokalnie zwarta 1, 34<br />
łukowo spójna 11-12, 34<br />
metryczna 1, 6<br />
nakrywająca 5<br />
normalna 1<br />
ośrodkowa 1, 34, 37<br />
parazwarta 1-2, 30, 34, 37-38<br />
quasi-zwarta 17<br />
spójna 3-4, 18, 29, 34<br />
ściągalna 12<br />
Tichonowa 1, 23<br />
wektorowa 26<br />
zwarta 1, 3, 17-18, 22, 30, 37, 77, 79, 90<br />
przesunięcie 82<br />
punkt bazowy 11<br />
radykał algebry Liego 110, 113<br />
reprezentacja algebry Liego 101, 111<br />
skończenie wymiarowa 101<br />
wierna 101<br />
retrakt 13<br />
rodzina<br />
lokalnie skończona 1<br />
wektorowa 27<br />
trywialna 27<br />
zgodna 20<br />
root space decomposition 115<br />
rozkład Cartana 115<br />
rozkład Cartana-Levi-Malceva 113<br />
rozkład jedności 1, 37<br />
rozmaitość<br />
gładka 34<br />
Grassmanna 40<br />
R1 75<br />
Rn 67, 76, 85<br />
<strong>różniczkowa</strong> 33<br />
topologiczna 2-3, 18, 33<br />
spójna 5<br />
zwarta 5<br />
równoważność<br />
krzywych 46<br />
metryk 6<br />
różniczka 31<br />
odwzorowania 50<br />
sfera 7-9, 13, 62, 81<br />
sklejanie 21<br />
Smale S. 14<br />
snop 20-21<br />
rozmaitości 37<br />
stabilizator 16, 18<br />
struktura <strong>różniczkowa</strong> 33<br />
suma<br />
powierzchni 5<br />
systemów pierwiastków 108<br />
Whithey’a 30<br />
wiązek 30<br />
system pierwiastków<br />
nierozkładalny 108<br />
zredukowany 105, 115<br />
pierwiastków 105<br />
teoria<br />
homotopii 62<br />
równań różniczkowych 76<br />
snopów 21<br />
topologia przestrzeni wektorowej 26<br />
toral subalgebra 114<br />
torus 5, 13, 17, 113<br />
tożsamość Jacobiego 62, 97<br />
twierdzenie<br />
Ado 101, 103<br />
Borsuka i Ulama 8<br />
Brouwera 13<br />
Cartana 93, 98, 104, 110, 115<br />
Cartana-Levi-Malceva 113<br />
de Rhama 66, 73<br />
Dynkina 109<br />
Engela 103<br />
Frobeniusa 80<br />
Jordana 7<br />
Lie-Kolchina 103<br />
Liego 94<br />
Milnora 30<br />
o istnieniu krzywych całkowych 76<br />
o kanapce 8<br />
o monodromii 92
Indeks 117<br />
o zaczesaniu 62<br />
Poincaré 14, 74<br />
Weyla 110<br />
Whitney’a 40<br />
typ homotopii 13<br />
układ równań różniczkowych 76<br />
autonomiczny 76, 78<br />
formalny 77<br />
p-wymiarowy 80<br />
stacjonarny 76, 78<br />
V-graf 108<br />
wiązka wektorowa 29<br />
gładka 57<br />
kostyczna 64<br />
styczna 53, 55, 69, 75<br />
trywialna 30, 84<br />
włókno 27<br />
współczynnik Cartana 105<br />
wstęga Möbiusa 3-4, 13, 16<br />
wymiar<br />
grupy Liego 81, 90<br />
rozmaitości 33<br />
Zippin 96