Кіріспе
Векторлық кеңістіктің реттелген негізін жалпылау. Математикада, жылжымалы кадр – гомогенді кеңістікте орналасқан тегіс көптүрліліктердің сыртқы дифференциалдық геометриясын зерттеу үшін жиі қолданылатын, векторлық кеңістіктің реттелген негізі түсінігінің икемді жалпылауы болып табылады.
In mathematics, a moving frame is a flexible generalization of the notion of an ordered basis of a vector space often used to study the extrinsic differential geometry of smooth manifolds embedded in a homogeneous space.
Кіріспе
Жай тілмен айтқанда, анықтамалық жүйе – бұл бақылаушының айналасындағы кеңістікті координаталар беру арқылы өлшеуі үшін қолданатын өлшеу таяқшаларының жиынтығы. Қозғалмалы анықтамалық жүйе – бұл бақылаушымен бірге траектория (қисық) бойымен қозғалатын анықтамалық жүйе. Осы қарапайым мысалда, қозғалмалы анықтамалық жүйе әдісі бақылаушының кинематикалық қасиеттерінен «жақсырақ» қозғалмалы анықтамалық жүйені жасауға тырысады. Геометриялық тұрғыдан бұл мәселені 19 ғасырдың ортасында Жан-Фредерик Френе және Жозеф Альфред Серре шешкен. Френе–Серре анықтамалық жүйесі – қисық сызықта анықталатын және тек қисықтың жылдамдығы мен үдеуінен құрастырылатын қозғалмалы анықтамалық жүйе. Френе–Серре анықтамалық жүйесі қисықтардың дифференциалдық геометриясында маңызды рөл атқарады және Евклид кеңістігіндегі тегіс қисықтарды конгруенцияға дейін толық жіктеуге мүмкіндік береді. Френе–Серре формулалары қисықта анықталған бұрылыс және қисықтық сияқты екі функцияның бар екенін көрсетеді, олар анықтамалық жүйені дифференциациялау арқылы алынады және қисық бойымен уақыт өте келе анықтамалық жүйенің қалай өзгеретінін толық сипаттайды. Жалпы әдістің негізгі ерекшелігі – егер анықталса, таңдалған қозғалмалы анықтамалық жүйе қисықтың толық кинематикалық сипаттамасын береді. 19 ғасырдың соңында Гастон Дарбукс қисық орнына Евклид кеңістігіндегі бетке арналған жақсырақ қозғалмалы анықтамалық жүйені, яғни Дарбукс анықтамалық жүйесін (немесе сол кездегі триэдр мобильді) құру мәселесін зерттеді. Мұндай анықтамалық жүйені құрудың жалпы жағдайда мүмкін емес екені және оны құру үшін интегралдану шарттарын орындау қажеттігі анықталды. Аффиндік кеңістіктің Евклид анықтамалық жүйесі – бұл айырмашылық кеңістігінің ортонормалды базисімен бірге бастапқы нүктенің таңдауы. n өлшемді проективті кеңістіктегі проективті анықтамалық жүйе – бұл n+2 нүктенің реттелген жиынтығы, мұнда кез келген n+1 нүктенің кіші жиынтығы сызықтық тәуелсіз болады. Жалпы салыстырмалылық теориясындағы анықтамалық өрістер – төрт өлшемді анықтамалық жүйелер немесе неміс тілінде vierbein. Осы мысалдардың әрқайсысында анықтамалық жүйелердің жиынтығы белгілі бір мағынада біртекті болады. Мысалы, сызықтық анықтамалық жүйелер үшін кез келген екі анықтамалық жүйе жалпы сызықтық топтың элементімен байланысты. Проективті анықтамалық жүйелер проективті сызықтық топпен байланысты. Анықтамалық жүйелер класының осы біртектілігі немесе симметриясы сызықтық, аффиндік, Евклидтік немесе проективті кеңістіктің геометриялық ерекшеліктерін көрсетеді. Осы жағдайда қозғалмалы анықтамалық жүйе – бұл нүктеден нүктеге өзгеретін анықтамалық жүйе. Формальды түрде, G/H біртекті кеңістігіндегі анықтамалық жүйе G → G/H таутологиялық шоғырындағы нүктеден тұрады. Қозғалмалы анықтамалық жүйе – бұл шоғырдың қимасы. Ол қозғалмалы, өйткені негіздің нүктесі өзгерер кезде, шоғырдағы анықтамалық жүйе симметрия тобының элементімен өзгереді. G/H-нің M кіші көптігіндегі қозғалмалы анықтамалық жүйе – бұл таутологиялық шоғырдың M-ге кері тартылуының қимасы. Өзіндік түрде қозғалмалы анықтамалық жүйені көптік үстіндегі P негізгі шоғырында анықтауға болады. Бұл жағдайда қозғалмалы анықтамалық жүйе G эквивариантты бейнелеу φ: P → G арқылы беріледі, осылайша көптікті Лай тобының элементтерімен анықтайды. Рамс ұғымын жалпы жағдайға дейін кеңейтуге болады: талшықтық шоғырды тегіс көптікке «тұяуға» болады, осылайша талшықтар соққыға ұқсайды. Талшықтық шоғыр біртекті кеңістік болған кезде, бұл жоғарыда сипатталған анықтамалық өріске дейін қысқарады. Біртекті кеңістік арнайы ортогональды топтардың үлесі болған кезде, бұл vierbein стандартты түсінігіне дейін қысқарады. Сыртқы және ішкі қозғалмалы анықтамалық жүйелер арасында формальды айырмашылықтар болғанымен, олардың екеуі де қозғалмалы анықтамалық жүйенің әрқашан G-ге бейнелеу арқылы берілетінімен ұқсас. Картанның теңдестік әдісінде қысқаша сипатталғандай, қозғалмалы анықтамалық жүйелер әдісінің стратегиясы – көптік үстінде табиғи қозғалмалы анықтамалық жүйені табу, содан кейін оның Дарбукс туындысын алу, яғни G-нің Маурер-Картан түрін M-ге (немесе P-ге) кері қайтару және осылайша көптік үшін құрылымдық инварианттардың толық жиынтығын алу.
One can extend the notion of frames to a more general case: one can "solder" a fiber bundle to a smooth manifold, in such a way that the fibers behave as if they were tangent. When the fiber bundle is a homogenous space, this reduces to the above described frame field. When the homogenous space is a quotient of special orthogonal groups, this reduces to the standard conception of a vierbein. Although there is a substantial formal difference between extrinsic and intrinsic moving frames, they are both alike in the sense that a moving frame is always given by a mapping into G. The strategy in Cartan's method of moving frames, as outlined briefly in Cartan's equivalence method, is to find a natural moving frame on the manifold and then to take its Darboux derivative, in other words pullback the Maurer Cartan form of G to M (or P), and thus obtain a complete set of structural invariants for the manifold.
Қозғалатын тангенстік фреймдер
Жылжымалы кадрдың ең көп кездесетін жағдайы – жанама кадрлар жиынтығы (немесе кадр жиынтығы) көптігі. Бұл жағдайда, M көптігіндегі жылжымалы жанама кадр – ашық жиын U ⊂ M-нің әр нүктесіндегі жанама кеңістіктің негізін құрайтын e1, e2, ..., en векторлық өрістер жиынтығынан тұрады. Егер U-де координаталық жүйе болса, онда әрбір векторлық өріс ej координаталық векторлық өрістерінің сызықтық комбинациясы түрінде өрнектеледі: мұнда әрқайсысы U-дегі функция. Бұл матрицаның компоненттері ретінде қарастырылуы мүмкін. Бұл матрица келесі бөлімде түсіндірілгендей, қосарлы кофреймнің координаталық өрнегін табуға көмектеседі.
If is a coordinate system on U, then each vector field ej can be expressed as a linear combination of the coordinate vector fields :where each is a function on U. These can be seen as the components of a matrix This matrix is useful for finding the coordinate expression of the dual coframe, as explained in the next section.
Қолданылуы
Қозғалыстағы кадрлар жалпы салыстырмалылық теориясында маңызды, себебі оқиға p (көпөлшемді кеңістік-уақыттағы нүкте, төрт өлшемді) кезінде таңдалған кадрды жақын нүктелерге кеңейтудің ерекше жолы жоқ, сондықтан таңдау жасау қажет. Керісінше, ерекше салыстырмалылық теориясында M – V векторлық кеңістігі (төрт өлшемді) деп қарастырылады. Осы жағдайда, p нүктесіндегі кадрды p-ден кез келген басқа q нүктесіне анықталған тәсілмен ауыстыруға болады. Жалпы айтқанда, қозғалыстағы кадр бақылаушыға сәйкес келеді, ал ерекше салыстырмалылық теориясындағы ерекше кадрлар инерциялық бақылаушыларды көрсетеді. Салыстырмалылық теориясында және Риман геометриясында ең тиімді қозғалыстағы кадрлар – ортогональды және ортонормальды кадрлар, яғни әрбір нүктеде ортогональды (бірлік) векторлардан құралған кадрлар. Белгілі бір p нүктесіндегі кез келген кадрды ортонормалдастыру арқылы ортонормальді етуге болады; тіпті мұны тегіс түрде жасауға болады, сондықтан қозғалыстағы кадрдың болуы қозғалыстағы ортонормальді кадрдың бар екенін білдіреді.
Қосымша мәліметтер
Жылжымалы кадр әрқашан жергілікті түрде, яғни М-дегі кез келген p нүктесінің U аймағында болады; алайда, М-де жаһандық жылжымалы кадрдың болуы топологиялық шарттарды талап етеді. Мысалы, М шеңбер немесе жалпы алғанда, тор болса, мұндай кадрлар бар; бірақ М 2 сферасы болғанда жоқ. Жаһандық жылжымалы кадрға ие болатын көпқырлы параллельді деп аталады. Мысалы, жер бетіндегі ендік және бойлықтың бірлік бағыттары солтүстік және оңтүстік полюстерде жылжымалы кадр ретінде қалай бұзылатынын қараңыз. Эли Картанның жылжымалы кадрлар әдісі зерттеліп отырған нақты мәселеге бейімделген жылжымалы кадрды таңдауға негізделген. Мысалы, кеңістіктегі қисық берілген болса, қисықтың алғашқы үш туынды векторы оның бір нүктесінде кадрды анықтай алады (қ. торт тензоры – сандық сипаттама үшін, бұл жерде торт нөл емес деп есептеледі). Шындығында, жылжымалы кадрлар әдісінде кадрлардың өзінен гөрі көбінесе кокадрлармен жұмыс істеледі. Жалпы алғанда, жылжымалы кадрларды ашық жиындардағы бас пакеттердің қималары ретінде қарастыруға болады. Жалпы Картан әдісі осы абстракцияны Картан байланысы ұғымын пайдаланып жүзеге асырады.
Атластар
Көп жағдайларда, бүкіл әлем үшін жарамды бір анықтама жүйесін анықтау мүмкін емес. Бұл қиындықтың шешімі ретінде кадрлар жиналып, атлас құрастырылады, осылайша жергілікті кадр туралы түсінік пайда болады. Сонымен қатар, мұндай атластарға тегіс құрылым беру жиі қажет, нәтижесінде кадрлар өрістері туындыланады.
Жалпылау
Бұл мақалада кадрлық өрістер көптіктің тангенциалдық бунделіндегі координаттар жүйесі ретінде құрастырылғанмен, негізгі идеялар векторлық бундель түсінігіне оңай көшеді. Векторлық бундель – бұл әрбір нүктесінде векторлық кеңістікпен жабдықталған көптік, ондағы векторлық кеңістік кез келген болуы мүмкін және әдетте тангенциалдық бундельмен байланысты емес.
Қолданбалар
Ұшақтың маневрлерін ұшқыш сипаттағанда, оларды қозғалатын координат жүйесі (ұшақтың бас осі) арқылы түсіндіруге болады.