stringtranslate.com

Distribución (geometría diferencial)

En geometría diferencial , una disciplina dentro de las matemáticas , una distribución en una variedad es una asignación de subespacios vectoriales que satisfacen ciertas propiedades. En las situaciones más comunes, se pide que una distribución sea un subfibrado vectorial del fibrado tangente .

Las distribuciones que satisfacen una condición de integrabilidad adicional dan lugar a foliaciones , es decir, particiones de la variedad en subvariedades más pequeñas. Estas nociones tienen varias aplicaciones en muchos campos de las matemáticas, incluidos los sistemas integrables , la geometría de Poisson , la geometría no conmutativa , la geometría subriemanniana y la topología diferencial .

Aunque comparten el mismo nombre, las distribuciones presentadas en este artículo no tienen nada que ver con distribuciones en el sentido del análisis.

Definición

Sea una variedad suave; una distribución (suave) asigna a cualquier punto un subespacio vectorial de forma suave. Más precisamente, consiste en una colección de subespacios vectoriales con la siguiente propiedad: Alrededor de cualquier existe un entorno y una colección de campos vectoriales tales que, para cualquier punto , abarcan

El conjunto de campos vectoriales suaves también se denomina base local de . No es necesario que sean linealmente independientes en cada punto y, por lo tanto, no son formalmente una base de espacio vectorial en cada punto; por lo tanto, el término conjunto generador local puede ser más apropiado. La notación se utiliza para denotar tanto la asignación como el subconjunto .

Distribuciones regulares

Dado un entero , una distribución uniforme en se llama regular de rango si todos los subespacios tienen la misma dimensión . Localmente, esto equivale a pedir que cada base local esté dada por campos vectoriales linealmente independientes .

De manera más compacta, una distribución regular es un subfibrado vectorial de rango (de hecho, esta es la definición más utilizada). A veces, una distribución de rango se denomina distribución de plano y, cuando se habla de distribuciones de hiperplano .

Clases especiales de distribuciones

A menos que se indique lo contrario, por "distribución" nos referimos a una distribución regular suave (en el sentido explicado anteriormente).

Distribuciones involutivas

Dada una distribución , sus secciones consisten en campos vectoriales en que forman un subespacio vectorial del espacio de todos los campos vectoriales en . (Notación: es el espacio de secciones de ) Una distribución se llama involutiva si también es una subálgebra de Lie : en otras palabras, para cualesquiera dos campos vectoriales , el corchete de Lie pertenece a .

Localmente, esta condición significa que para cada punto existe una base local de la distribución en un entorno de tal que, para todo , el corchete de Lie está en el espacio de , es decir, es una combinación lineal de

Las distribuciones involutivas son un ingrediente fundamental en el estudio de los sistemas integrables . Una idea relacionada aparece en la mecánica hamiltoniana : se dice que dos funciones y en una variedad simpléctica están en involución mutua si su corchete de Poisson se anula.

Distribuciones y foliaciones integrables

Una variedad integral para una distribución de rangos es una subvariedad de dimensión tal que para cada . Una distribución se llama integrable si a través de cualquier punto hay una variedad integral. Los espacios base del fibrado son, por lo tanto, variedades integrales disjuntas, maximales y conexas , también llamadas hojas ; es decir, define una foliación n-dimensional de .

Localmente, la integrabilidad significa que para cada punto existe una carta local tal que, para cada , el espacio está abarcado por los vectores de coordenadas . En otras palabras, cada punto admite una carta de foliación, es decir, la distribución es tangente a las hojas de una foliación. Además, esta caracterización local coincide con la definición de integrabilidad para las estructuras a , cuando es el grupo de matrices de bloques triangulares superiores reales invertibles (con bloques y ).

Es fácil ver que cualquier distribución integrable es automáticamente involutiva. La inversa es menos trivial pero se cumple según el teorema de Frobenius .

Distribuciones débilmente regulares

Dada cualquier distribución , la bandera de Lie asociada es una calificación, definida como

donde , y . En otras palabras, denota el conjunto de campos vectoriales abarcados por los corchetes de Lie iterados de elementos en . Algunos autores utilizan una gradación decreciente negativa para la definición.

Entonces se llama débilmente regular (o simplemente regular por algunos autores) si existe una secuencia de subconjuntos de vectores anidados tales que (por lo tanto ). [1] Nótese que, en tal caso, la bandera de Lie asociada se estabiliza en un cierto punto , ya que los rangos de están acotados desde arriba por . La cadena de números enteros se llama entonces vector de crecimiento de .

Toda distribución débilmente regular tiene asociado un fibrado vectorial graduado. Además, el corchete de Lie de los cuerpos vectoriales desciende, para cualquier , a un morfismo de fibrado -lineal , llamado -curvatura . En particular, la -curvatura se desvanece de manera idéntica si y solo si la distribución es involutiva.

Juntando las curvaturas se obtiene un morfismo , también llamado corchete de Levi , que forma un haz de álgebras de Lie nilpotentes; por esta razón, también se llama nilpoten- ización de . [1]

El fibrado , sin embargo, en general no es trivial localmente, ya que las álgebras de Lie no son isomorfas cuando se varía el punto . Si esto sucede, la distribución débilmente regular también se llama regular (o fuertemente regular por algunos autores). [ aclaración necesaria ] Nótese que los nombres (fuertemente, débilmente) regulares utilizados aquí no tienen ninguna relación con la noción de regularidad discutida anteriormente (que siempre se supone), es decir, la dimensión de los espacios es constante.

Distribuciones generadoras de corchetes

Una distribución se denomina generadora de corchetes (o no holonómica , o se dice que satisface la condición de Hörmander ) si tomar un número finito de corchetes de Lie de elementos en es suficiente para generar todo el espacio de campos vectoriales en . Con la notación introducida anteriormente, dicha condición se puede escribir como con certeza ; entonces se dice también que es generadora de corchetes en pasos o tiene profundidad .

Claramente, la bandera de Lie asociada de una distribución generadora de corchetes se estabiliza en el punto . Aunque ser débilmente regular y ser generadora de corchetes son dos propiedades independientes (ver los ejemplos a continuación), cuando una distribución satisface ambas, el entero de las dos definiciones es el mismo.

Gracias al teorema de Chow-Rashevskii , dada una distribución generadora de corchetes en una variedad conexa, dos puntos cualesquiera en pueden unirse mediante una trayectoria tangente a la distribución. [2] [3]

Ejemplos de distribuciones regulares

Distribuciones integrables

Distribuciones no integrables

Distribuciones singulares

Una distribución singular , una distribución generalizada o una distribución de Stefan-Sussmann es una distribución uniforme que no es regular. Esto significa que los subespacios pueden tener dimensiones diferentes y, por lo tanto, el subconjunto ya no es un subconjunto uniforme.

En particular, la cantidad de elementos en una base local que abarca cambiará con , y esos campos vectoriales ya no serán linealmente independientes en todas partes. No es difícil ver que la dimensión de es menor que la de semicontinua , de modo que en puntos especiales la dimensión es menor que en puntos cercanos.

Integrabilidad y foliaciones singulares

Las definiciones de variedades integrales y de integrabilidad dadas anteriormente se aplican también al caso singular (eliminando el requisito de la dimensión fija). Sin embargo, el teorema de Frobenius no se cumple en este contexto y la involutividad en general no es suficiente para la integrabilidad (existen contraejemplos en dimensiones bajas).

Después de varios resultados parciales, [5] el problema de integrabilidad para distribuciones singulares fue resuelto completamente mediante un teorema demostrado independientemente por Stefan [6] [7] y Sussmann. [8] [9] Este afirma que una distribución singular es integrable si y solo si se cumplen las dos propiedades siguientes:

De manera similar al caso regular, una distribución singular integrable define una foliación singular , que intuitivamente consiste en una partición de en subvariedades (las variedades integrales máximas de ) de diferentes dimensiones.

La definición de foliación singular se puede precisar de varias maneras equivalentes. En realidad, en la literatura hay una plétora de variaciones, reformulaciones y generalizaciones del teorema de Stefan-Sussman, que utilizan diferentes nociones de foliación singular según las aplicaciones que se tengan en mente, por ejemplo, geometría de Poisson [10] [11] o geometría no conmutativa . [12] [13]

Ejemplos

Referencias

  1. ^ ab Tanaka, Noboru (1970-01-01). "Sobre sistemas diferenciales, álgebras de Lie graduadas y pseudogrupos". Kyoto Journal of Mathematics . 10 (1). doi : 10.1215/kjm/1250523814 . ISSN  2156-2261.
  2. ^ Chow, Wei-Liang (1 de diciembre de 1940). "Über Systeme von liearren partiellen Differentialgleichungen erster Ordnung". Mathematische Annalen (en alemán). 117 (1): 98-105. doi :10.1007/BF01450011. ISSN  1432-1807. S2CID  121523670.
  3. ^ Rashevsky, PK (1938). "Dos puntos cualesquiera de un espacio totalmente no holonómico pueden estar conectados por una línea admisible". Uch. Zap. Ped. Inst. Im. Liebknechta, Ser. Phys. Math. (en ruso). 2 : 83–94.
  4. ^ Engel, Friedrich (1889). "Zur Invariantentheorie der Systeme Pfaff'scher Gleichungen". Leipzig. Ber. (en alemán). 41 : 157-176.
  5. ^ Lavau, Sylvain (1 de diciembre de 2018). "Una breve guía sobre teoremas de integración de distribuciones generalizadas". Geometría diferencial y sus aplicaciones . 61 : 42–58. arXiv : 1710.01627 . doi :10.1016/j.difgeo.2018.07.005. ISSN  0926-2245. S2CID  119669163.
  6. ^ Stefan, P. (1974). "Accesibilidad y foliaciones con singularidades". Boletín de la Sociedad Matemática Americana . 80 (6): 1142–1145. doi : 10.1090/S0002-9904-1974-13648-7 . ISSN  0002-9904.
  7. ^ Stefan, P. (1974). "Conjuntos accesibles, órbitas y foliaciones con singularidades". Actas de la London Mathematical Society . s3-29 (4): 699–713. doi :10.1112/plms/s3-29.4.699. ISSN  1460-244X.
  8. ^ Sussmann, Hector J. (1973). "Órbitas de familias de campos vectoriales e integrabilidad de sistemas con singularidades". Boletín de la Sociedad Matemática Americana . 79 (1): 197–199. doi : 10.1090/S0002-9904-1973-13152-0 . ISSN  0002-9904.
  9. ^ Sussmann, Héctor J. (1973). "Órbitas de familias de campos vectoriales e integrabilidad de distribuciones". Transactions of the American Mathematical Society . 180 : 171–188. doi : 10.1090/S0002-9947-1973-0321133-2 . ​​ISSN  0002-9947.
  10. ^ Androulidakis, Iakovos; Zambon, Marco (28 de abril de 2016). "Foliaciones singulares de Stefan–Sussmann, subalgebroides singulares y sus haces asociados". Revista internacional de métodos geométricos en física moderna . 13 (Supp. 1): 1641001–1641267. Código Bibliográfico :2016IJGMM..1341001A. doi :10.1142/S0219887816410012. ISSN  0219-8878.
  11. ^ Laurent-Gengoux, Camille; Lavau, Sylvain; Strobl, Thomas (2020). "El ∞-algebroide de mentira universal de una foliación singular". ELibM – Doc. Math . 25 (2020): 1571–1652. doi :10.25537/dm.2020v25.1571-1652.
  12. ^ Debord, Claire (1 de julio de 2001). "Grupoides holonomicos de foliaciones singulares". Journal of Differential Geometry . 58 (3). doi : 10.4310/jdg/1090348356 . ISSN  0022-040X. S2CID  54714044.
  13. ^ Androulidakis, Iakovos; Skandalis, Georges (1 de enero de 2009). "El grupoide holonómico de una foliación singular". Journal für die reine und angewandte Mathematik (Diario de Crelle) . 2009 (626): 1–37. arXiv : matemáticas/0612370 . doi :10.1515/CRELLE.2009.001. ISSN  1435-5345. S2CID  14450917.

Libros, apuntes y enlaces externos

Este artículo incorpora material de Distribución en PlanetMath , que se encuentra bajo la licencia Creative Commons Attribution/Share-Alike License .