Кіріспе
Дифференциалдық геометрияда аффиндік байланыс — тегіс көптіктегі геометриялық нысан, ол жақын орналасқан тангенттік кеңістіктерді байланыстырады, соның арқасында тангенттік векторлық өрістерді көптіктегі функциялар сияқты, белгілі бір векторлық кеңістіктегі мәндермен дифференциалдауға болады. Байланыстар — векторлық бундельдердің қималарын дифференциалдауды анықтаудың ең қарапайым әдістерінің бірі. Аффиндік байланыс тұжырымы 19 ғасыр геометриясы мен тензорлық есептеуде қалыптасқан, бірақ 1920 жылдардың басына дейін толық дамымады, Эли Картан (оның жалпы байланыстар теориясының бір бөлігі ретінде) және Герман Вейл (бұл тұжырымды жалпы салыстырмалылық теориясының негіздерін құру үшін қолданды). Терминология Картанға тиесілі және оның бастауы Евклид кеңістігіндегі тангенттік кеңістіктерді аударма арқылы сәйкестендіруден басталады: идеясы — аффиндік байланысты таңдау көптіктің Евклид кеңістігіне ұқсас етуін қамтамасыз етеді, жай ғана тегіс емес, сонымен қатар аффиндік кеңістік ретінде. Кез келген оң өлшемді көптікте шексіз көп аффиндік байланыстар бар. Егер көптікке метрикалық тензор берілсе, онда Леви-Чивита байланысы деп аталатын аффиндік байланыстың табиғи таңдауы болады. Аффиндік байланысты таңдау — бірнеше ақылға қонымды қасиеттерге (сызықтық және Лейбниц ережесі) сәйкес келетін векторлық өрістерді дифференциалдау тәсілін анықтаумен тең. Бұл аффиндік байланыстың ковариантты туындысы немесе тангенттік бундельдегі (сызықтық) байланысы ретіндегі анықтамасын береді. Аффиндік байланысты таңдау сонымен қатар параллель көшіру түсінігімен тең, бұл tangent векторларын қисық бойымен көшіру әдісі. Бұл фрейм бундельінде де параллель көшіруді анықтайды. Фрейм бундельіндегі шексіз кішкентай параллель көшіру аффиндік байланыстың тағы бір сипаттамасын береді, аффиндік топ үшін Картан байланысы немесе фрейм бундельіндегі бас байланыс ретінде. Аффиндік байланыстың негізгі инварианттары — оның бұрылысы және қисықтығы. Бұрылыс векторлық өрістердің Ли жақшасын аффиндік байланыс арқылы қаншалықты жақын қалпына келтіруге болатынын өлшейді. Аффиндік байланыстарды көптіктерде (аффиндік) геодезияны анықтау үшін де пайдалануға болады, бұл Эвклид кеңістігінің түзу сызықтарын жалпылайды, бірақ осы түзу сызықтардың геометриясы әдеттегі Эвклид геометриясынан өте ерекше болуы мүмкін; негізгі айырмашылықтар байланыстың қисықтығында жатыр.
In differential geometry, an affine connection is a geometric object on a smooth manifold which connects nearby tangent spaces, so it permits tangent vector fields to be differentiated as if they were functions on the manifold with values in a fixed vector space. Connections are among the simplest methods of defining differentiation of the sections of vector bundles. The notion of an affine connection has its roots in 19th century geometry and tensor calculus, but was not fully developed until the early 1920s, by Élie Cartan (as part of his general theory of connections) and Hermann Weyl (who used the notion as a part of his foundations for general relativity). The terminology is due to Cartan and has its origins in the identification of tangent spaces in Euclidean space 'R'^(n) by translation: the idea is that a choice of affine connection makes a manifold look infinitesimally like Euclidean space not just smoothly, but as an affine space. On any manifold of positive dimension there are infinitely many affine connections. If the manifold is further endowed with a metric tensor then there is a natural choice of affine connection, called the Levi Civita connection. The choice of an affine connection is equivalent to prescribing a way of differentiating vector fields which satisfies several reasonable properties (linearity and the Leibniz rule). This yields a possible definition of an affine connection as a covariant derivative or (linear) connection on the tangent bundle. A choice of affine connection is also equivalent to a notion of parallel transport, which is a method for transporting tangent vectors along curves. This also defines a parallel transport on the frame bundle. Infinitesimal parallel transport in the frame bundle yields another description of an affine connection, either as a Cartan connection for the affine group or as a principal connection on the frame bundle. The main invariants of an affine connection are its torsion and its curvature. The torsion measures how closely the Lie bracket of vector fields can be recovered from the affine connection. Affine connections may also be used to define (affine) geodesics on a manifold, generalizing the straight lines of Euclidean space, although the geometry of those straight lines can be very different from usual Euclidean geometry; the main differences are encapsulated in the curvature of the connection.
Қозғалысы мен тарихы
Тегіс көптүрлілік – жергілікті түрде Евклид кеңістігі R^n-нің тегіс деформациясына ұқсайтын математикалық объект: мысалы, тегіс қисық немесе бет жергілікті түрде сәуле немесе жазықтықтың тегіс деформациясына ұқсайды. Тегіс функциялар мен векторлық өрістерді Евклид кеңістігіндегідей көптүрлілікте де анықтауға болады, ал көптүрліліктегі скалярлық функцияларды табиғи жолмен дифференциалдауға болады. Дегенмен, векторлық өрістерді дифференциалдау оңай емес: Евклид кеңістігінде бұл қарапайым мәселе, себебі p нүктесіндегі базистік векторлардың жанама кеңістігі, жақын орналасқан q нүктесіндегі жанама кеңістікпен табиғи түрде (ауыстыру арқылы) сәйкестендіріледі. Ал жалпы көптүрлілікте жақын орналасқан жанама кеңістіктер арасында мұндай табиғи сәйкестендіру болмайды, сондықтан жақын орналасқан нүктелердегі жанама векторларды дұрыс анықталған тәсілмен салыстыру мүмкін емес. Осы мәселені шешу үшін жанама кеңістіктерді байланыстыратын аффиндік байланыс ұғымы енгізілді. Бұл идеяның бастаулары екі негізгі көзден: беттер теориясы мен тензорлық есептеуден бастау алады.
Жер бетінің теориясынан мотивация
3 өлшемді Евклид кеңістігіндегі S тегіс бетін қарастырайық. Кез келген нүктеге жақын S-ті сол нүктедегі оның тангенстік жазықтығымен, яғни Евклид кеңістігінің аффиндік субкеңістігімен жуықтауға болады. 19 ғасырдағы дифференциалдық геометрия мамандары бір беттің екінші бет бойынша сырғалмай немесе бұрылмастан домалап өтуі, яғни даму идеясына қызығушылық танытты. Атап айтқанда, S нүктесіне жанасатын жазықтықты S бетімен домалатуға болады: мұны S-тің 2 сфера сияқты бет болған жағдайда көзге елестету оңай, себебі ол дөңгелек аймақтың тегіс шекарасы болып табылады. Тангенттік жазықтық S-пен домалағанда, жанасу нүктесі S бетінде қисық сызықтың бойымен қозғалады. Керісінше, S бетіндегі қисық сызық берілгенде, тангенттік жазықтықты сол қисық бойымен домалатуға болады. Бұл қисық сызықтың әртүрлі нүктелеріндегі тангенстік жазықтықтарды сәйкестендіруге мүмкіндік береді: атап айтқанда, қисықтың бір нүктесіндегі тангенстік кеңістіктегі тангенстік вектор, қисықтың кез келген нүктесіндегі бірегей тангенстік вектормен сәйкестендіріледі. Бұл сәйкестендірулер әрқашан бір тангенстік жазықтықтан екіншісіне аффиндік түрлендірулер арқылы жүзеге асырылады. Тангенттік векторларды аффиндік түрлендірулер арқылы қисық бойымен параллель көшірудің бұл түсінігі ерекше қасиетке ие: тангенттік жазықтықтың бетпен жанасу нүктесі әрқашан қисықпен бірге параллель көшіріледі (яғни тангенттік жазықтықты бетпен домалатқанда, жанасу нүктесі де қозғалады). Бұл жалпы жағдай Картан байланыстарына тән. Заманауи тәсілдерде жанасу нүктесі тангенстік жазықтықтағы бастапқы нүкте ретінде қарастырылады (ол векторлық кеңістік болып табылады), ал бастапқы нүктенің қозғалысы аударма арқылы түзетіледі, сондықтан параллель көшіру аффиндік емес, сызықтық болады. Бірақ Картан байланыстары тұрғысынан алғанда, Евклид кеңістігінің аффиндік субкеңістіктері үлгілік беттер болып табылады – олар Евклидтік 3 кеңістіктегі ең қарапайым беттер және жазықтықтың аффиндік тобына қатысты біртекті болып табылады, – және әрбір тегіс беттің әрбір нүктесінде оған жанасатын бірегей үлгілік беті болады. Бұл үлгілік беттер Феликс Клейннің Эрланген бағдарламасы мағынасында Клейн геометриялары болып табылады. Жалпы алғанда, n өлшемді аффиндік кеңістік аффиндік топ Aff(n) үшін Клейн геометриясы болып табылады, ал нүктенің тұрақтандырғышы жалпы сызықтық топ GL(n) болып табылады. Аффиндік n-көптік – бұл n өлшемді аффиндік кеңістікке ұқсас көптік.
Тензорлық есептеуден мотивация
Аффиналық байланыстардың екінші түрткісі векторлық өрістердің ковариантты туындысы ұғымынан туындайды. Координаттардан тәуелсіз әдістер пайда болғанға дейін векторлық өрістермен жұмыс істеу үшін олардың тиісті Евклидтік векторларын атласқа енгізу қажет болды. Бұл компоненттерді дифференциалдауға болады, бірақ туындылар координаттардың өзгеруі кезінде тиімді түрде трансформацияланбайды. 1870 жылдары Эльвин Бруно Кристоффель (Бернхард Риманның идеяларын негізге ала отырып) түзету мүшелерін енгізді, соның арқасында бір векторлық өрістің (түзетілген) туындысы екіншісімен бірге координаттық трансформациялар кезінде ковариантты түрде трансформацияланатын болды. Бұл түзету мүшелері кейіннен Кристоффель символдары деп аталды. Грегорио Риччи Курбастро мен оның шәкірті Туллио Леви-Чивита 1880 жылдан бастап 20 ғасырдың басына дейін бұл идеяны абсолютті дифференциалдық есептеу теориясына (қазір тензорлық есептеу деп аталады) дамытты. Дегенмен, тензорлық есептеу 1915 жылы Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының пайда болуымен толыққанды өмірге келді. Осыдан кейін бірнеше жыл өткен соң Леви-Чивита Риманн метрикасымен байланысты бірегей байланысты формалдады, ол қазір Леви-Чивита байланысы деп танылады. 1920 жылдар шамасында Герман Вейль жалпы салыстырмалылық теориясының толық математикалық негізін жасады, ал Эли Картан бұл теорияны беттік теориядан келген геометриялық идеялармен байланыстырды, соның нәтижесінде көбірек жалпы аффиналық байланыстар зерттелді.
Қадамдар
Күрделі тарих аффиналық байланыс тұжырымдамасының әртүрлі тәсілдері мен жалпыламалауларына алып келді. Ең көп таралған тәсіл, ковариантты туындыларға негізделген анықтама болуы мүмкін. Бір жағынан, Вейлдің идеяларын физиктер өлшеу теориясы және өлшеу ковариантты туындылары түрінде қабылдады. Екінші жағынан, Жан Луи Козуль ковариантты дифференциалдау ұғымын абстракциялады, ол векторлық жиынтықтардағы (сызықтық немесе Козуль) байланыстарды анықтады. Осы тілде аффиналық байланыс – бұл жай ғана ковариантты туынды немесе тангенциалды жиынтықтағы (сызықтық) байланыс. Дегенмен, бұл тәсіл аффиналық байланыстардың геометриясын және олардың атауын қалай алғандарын түсіндірмейді. Бұл терминнің шынайы бастауы – Евклид кеңістігіндегі тангенциалды кеңістіктерді аударма арқылы сәйкестендіруден: бұл қасиет Евклидтік n кеңістігінің аффиналық кеңістік екенін көрсетеді. (Балама ретінде, Евклид кеңістігі – аударма тобының аффиналық топтың кіші тобы болатын негізгі біртекті кеңістік немесе торсор.) Кіріспеде айтылғандай, мұны нақтылаудың бірнеше жолы бар: біреуі аффиналық байланыс векторлық өрістерді қисық бойымен параллель көшіру ұғымын анықтайтынын пайдаланады. Бұл сондай-ақ кадр жиынтығында параллель көшіруді анықтайды. Кадр жиынтығындағы инфинитезималды параллель көшіру аффиналық байланыстың тағы бір сипаттамасын береді, аффиналық топ үшін Картан байланысы немесе кадр жиынтығындағы негізгі GL(n) байланысы ретінде.
Элементарлық қасиеттері
Жоғарыдағы 1-қасиеттен, XY-нің x ∈ M нүктесіндегі мәні тек X-тің x-тегі мәніне ғана тәуелді екендігі, ал 1=M − {x} жиынындағы X-тің мәніне тәуелді емес екендігі көрінеді. Сондай-ақ, жоғарыдағы 2-қасиеттен, XY-нің x ∈ M нүктесіндегі мәні тек Y-тің x нүктесінің маңындағы мәніне ғана байланысты екендігі шығады. Егер ∇^(1), ∇^(2) аффиндік байланыстар болса, онда x нүктесіндегі мәні Γx(Xx, Yx) түрінде жазылуы мүмкін, мұндағы Γ билинейлі және x-ке тегіс тәуелді (яғни, ол тегіс бундельді гомоморфизмді анықтайды). Керісінше, егер ∇ аффиндік байланыс болса және Γ осындай тегіс билинейлі бундельді гомоморфизм болса (M-дегі байланыс пішіні деп аталады), онда ∇ + Γ аффиндік байланыс болады. Егер M – R'^{n}-нің ашық ішкі жиыны болса, онда M-нің жанама бундели M × R'^{n} тривиалды бундели болып табылады. Бұл жағдайда M-де d канондық аффиндік байланысы бар: кез келген Y векторлық өрісі M-ден R'^{n}-ге дейінгі V тегіс функциясымен беріледі; онда dXY – M-ден R'^{n}-ге дейінгі тегіс функцияға сәйкес келетін векторлық өріс. Сондықтан, M-дегі кез келген басқа аффиндік байланыс ∇, ∇ = d + Γ түрінде жазылуы мүмкін, мұндағы Γ – M-дегі байланыс пішіні. Әрі жалпы алғанда, жанама бундельдің жергілікті тривиализациясы – TM-ді M-нің ашық U жиынына шектеу арасындағы бундель изоморфизмі және U × R'^{n}. Аффиндік байланыстың ∇-ның U жиынына шектеуі d + Γ түрінде жазылуы мүмкін, мұндағы Γ – U жиынындағы байланыс пішіні.
More generally, a local trivialization of the tangent bundle is a bundle isomorphism between the restriction of TM to an open subset U of M, and U × 'R'^(n). The restriction of an affine connection ∇ to U may then be written in the form d + Γ where Γ is a connection form on U.
Афиналық кеңістіктің анықтамасы
Бейресми түрде аффиндік кеңістік – бастапқы нүктесі бекітілмеген векторлық кеңістік. Ол кеңістіктегі нүктелер мен еркін векторлардың геометриясын сипаттайды. Бастапқы нүкте болмауының салдарынан аффиндік кеңістіктегі нүктелерді қосу мүмкін емес, себебі бұл векторларды қосу үшін параллелограмм заңына сәйкес бастапқы нүктені таңдау қажет. Дегенмен, v векторын p нүктесіне вектордың бастапқы нүктесін p нүктесіне орналастырып, содан кейін p нүктесін соңғы нүктеге жылжыту арқылы қосуға болады. Осылайша сипатталған p → p + v операциясы – p-нің v бойынша трансляциясы. Техникалық тұрғыдан алғанда, аффиндік n кеңістік – бұл "A"^(n) жиынтығы, ол векторлық топ "R"^(n) -нің оған еркін транзитивті әсерімен жабдықталған, бұл нүктелерді трансляциялау операциясы арқылы жүзеге асырылады: "A"^(n) – "R"^(n) векторлық тобы үшін негізгі біртекті кеңістік. Жалпы сызықтық топ GL(n) – "R"^(n) -нің сызықтық құрылымын сақтайтын "R"^(n) -нің түрлендірулер тобы, яғни. Аналогия бойынша, аффиндік топ Aff(n) – аффиндік құрылымын сақтайтын "A"^(n) -нің түрлендірулер тобы. Осылайша, φ ∈ Aff(n) трансляцияларды сақтауы керек, мұнда T – жалпы сызықтық түрлендіру. φ ∈ Aff(n) -ді T ∈ GL(n) -ге жіберу картасы – топтық гомоморфизм болып табылады. Оның ядросы – аудармалар тобы "R"^(n). Осылайша, A-дағы кез келген p нүктесінің тұрақтандырғышы осы проекцияны пайдалана отырып GL(n) -мен сәйкестендіріледі: бұл аффиндік топты GL(n) және "R"^(n) -нің жартылай тура көбейтіндісі ретінде, ал аффиндік кеңістікті гомогенді кеңістік ретінде іске асырады Aff(n)/GL(n).
where T is a general linear transformation. The map sending φ ∈ Aff(n) to T ∈ GL(n) is a group homomorphism. Its kernel is the group of translations 'R'^(n). The stabilizer of any point p in A can thus be identified with GL(n) using this projection: this realises the affine group as a semidirect product of GL(n) and 'R'^(n), and affine space as the homogeneous space Aff(n)/GL(n).
Жалпы аффинді геометриялар: формальды анықтамалар
Аффиндік кеңістік, тіпті кез келген тегіс Клейн геометриясындай, жалпақ Картан байланысымен жабдықталған көпқырлы болып табылады. Аффиндік көпқырлылар немесе аффиндік геометриялар Маурер-Картан теңдеулерімен берілген жазықтық шартын алып тастау арқылы оңай алынады. Анықтамаға бірнеше жол бар, және екеуі келтіріледі. Екі анықтама да жазық модельдегі 1-формалардың Lie алгебрасы 'aff'(n) аффиндік топтың Aff(n) мәндеріндегі 1-форманы құрауы арқылы жеңілдетіледі. Бұл анықтамаларда M – тегіс n-көпқырлылық, ал – сол өлшемдегі аффиндік кеңістік.
Негізгі аффиндік байланыс ретінде анықтамасы
M-дегі аффиндік байланыс – M-дегі негізгі Aff(n) бунделі Q, сонымен қатар Q-дағы негізгі GL(n) суббунделі P және 'aff'(n) мәндері бар 1-форма ретіндегі негізгі Aff(n) байланысы α, келесі (жалпы) Картан шартын қанағаттандырады. α-ның P-ға кері көтерілімінің 'R'^(n) компоненті көлденең эквивариантты 1-форма болып табылады және осылайша TM-ден P ×GL(n) 'R'^(n-ге дейінгі бундельді гомоморфизмді анықтайды: мұның изоморфизм болуы талап етіледі.
Мотивациямен байланыс
Aff(n) A-ға әсер ететіндіктен, негізгі бундель Q-мен байланысты бундель бар, ол M-дегі әрбір x нүктесіндегі талшығы аффиндік кеңістік Ax болатын M үстіндегі талшықтық бундель болып табылады. A-ның a қимасы (әр x ∈ M үшін Ax-тегі белгіленген нүкте ax-ті анықтайды) Q-ның негізгі GL(n) қосалқы бунделін P-ні (осы белгіленген нүктелердің тұрақтандырғыштарының бунделі ретінде) анықтайды, және керісінше. Негізгі байланыс α осы бундельдегі Эресманн байланысын анықтайды, демек, параллель көшіру ұғымын анықтайды. Картан шарты ерекшеленген қима a-ның параллель көшіру кезінде әрқашан жылғалысын қамтамасыз етеді.
Даму
Аффиндік байланыс қисықтардың дамуын анықтайды. Интуитивті түрде, егер xt қисығы M-де жатса, онда x0 нүктесіндегі аффиндік жанама кеңістік осы қисық бойымен домалап өте алады. Осы домалап өту кезінде, жанама кеңістік пен көпқырлы бет арасындағы жанасу нүктесі осы аффиндік кеңістікте Ct қисығын жасайды: xt қисығының дамуы. Формальды түрде, аффиндік байланысқа сәйкес келетін сызықтық параллель көшіру операторын қарастырайық. Онда Ct дамуы – Tx0M кеңістігіндегі қисық, ол 0 нүктесінен басталып, барлық t уақытында xt қисығының жанамасына параллель болады. Атап айтқанда, xt геодезиялық болады, егер және тек қана оның дамуы Tx0M кеңістігінде аффиндік параметрленген түзу сызық болса.
In particular, xt is a geodesic if and only if its development is an affinely parametrized straight line in Tx0M.
Жер бетінің теориясы қайта қаралды
Егер M – 'R'^(3) кеңістігіндегі бет болса, онда M табиғи аффиндік байланысқа ие екенін көру оңай. Сызықтық байланыс тұрғысынан алғанда, векторлық өрістің ковариантты туындысы – векторлық өрісті M-ден 'R'^(3) кеңістігіне бағытталған функция ретінде қарастырып, дифференциалдау арқылы анықталады, содан кейін нәтиже M бетінің жанама кеңістіктеріне ортогональды түрде проекцияланады. Бұл аффиндік байланыстың бұрылыссыз екенін көру оңай. Бұдан әрі, бұл 'R'^(3) кеңістігіндегі ішкі көбейтінді арқылы M бетіндегі Риман метрикасына қатысты метрикалық байланыс болып табылады, сондықтан ол осы метриканың Леви-Чивита байланысы.
Негізгі тарихи дереккөздер
Картанның аффиналық байланыстарды салыстырмалылық теориясын зерттеуге байланысты қарастыруы. Анықтамалық жүйелердің физикасы туралы толыққанды талқылау, сондай-ақ байланыстың әлемдік сызық бойымен тасымалдаудың физикалық ұғымын қалай бейнелейтіні жайлы мәліметтер келтірілген. Аффиналық байланыстардың математикалық тұрғыдан негізделген қарастырылуы. Риман геометриясының көзқарасынан аффиналық байланыстар. Роберт Германның қосымшаларында беттер теориясынан алынған түрткі, сондай-ақ Козульдің заманауи түсінігіндегі аффиналық байланыстар туралы мәліметтер талқыланады. Ол дифференциалдық оператор ∇-ның негізгі қасиеттерін жасайды және оларды Картанның мағынасындағы классикалық аффиналық байланыстармен байланыстырады.