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定义Definition

辛流形

Symplectic manifold

区分辛形式的闭性与非退化,计算球面面积,并用体积积分排除S4上的辛结构。

形式陈述 ​

逐点的辛配对怎样成为整体几何结构?一个辛流形是光滑流形 M 与光滑二形式 ω 的组合,满足两个条件:

  1. 每点的 (TxM,ωx) 都是辛向量空间,即 ωx 非退化。
  2. ω 的外微分为零,即 dω=0。

于是 dim⁡M=2n,且 ωn/n! 是处处非零的顶次形式,为 M 给出定向和辛体积。这里也允许 n=0:零切空间上的零二形式满足同样的非退化条件,并约定 ω0=1。下面涉及 ωn−1 的紧闭恰当性障碍只讨论 n≥1。

微分同胚 F:(M,ω)→(N,η) 若满足 F∗η=ω,称为辛同胚。若 ω=dα 对某个全局一形式成立,称这个辛形式恰当。闭与恰当是不同条件。

直觉

非退化是每点的线性代数要求:它让向量与一形式可以互相识别。闭性则要求相邻点上的配对变化彼此相容,是一个微分方程。

在二维,所有二形式的外微分自动为零,因而处处非零的面积形式就是辛形式。在更高维,非退化不会自动带来闭性。辛几何把这两个要求同时保留下来,才能得到Hamilton流、Poisson括号和局部标准坐标。

例子与边界

两个条件必须分别检查 ​

R4 上的 η=dx1∧dy1 是闭形式,但有二维核。另一个形式

ζ=dx1∧dy1+ex1dx2∧dy2

处处非退化,因为

ζ2=2ex1dx1∧dy1∧dx2∧dy2≠0.

然而 dζ=ex1dx1∧dx2∧dy2≠0。因此两者都不是辛形式,各自失败的原因不同。

球面有辛面积,却没有全局原始形式 ​

把单位球面 S2 放在 R3 中,定义

ωx(u,v)=x⋅(u×v),u,v∈TxS2.

这是全局光滑的面积形式。对非零切向量 u,取 v=x×u,便有 ωx(u,v)=|u|2>0,所以非退化;闭性来自维数。

在球坐标中它是 sin⁡θdθ∧dϕ,积分为 4π。两极处球坐标失效不表示形式退化,真正的判断由上面的无坐标式给出。

如果 ω=dα 全局成立,Stokes定理会给出 ∫S2ω=0,与 4π 矛盾。它在小坐标片中可以恰当,却不能全局恰当。

推论与应用

体积为何成为拓扑障碍 ​

在每点选辛基,ωn/n! 就是对应的非零标准体积形式。这证明辛流形必可定向,但并不要求预先选择Riemann度量。

若 M 非空、紧且无边界,n≥1,并按辛形式给出的方向定向,则

∫Mωn>0.

如果 ω=dα,由于 dω=0,

ωn=d(α∧ωn−1),

Stokes定理却会让该积分为零。因此任何非空正维紧闭辛流形都有非零的de Rham类 [ω]∈HdR2(M);更强地,其 n 次幂非零。

例如 HdR2(S4)=0。若 S4 有辛形式,它必恰当,而它的平方又是正体积,产生上述矛盾。因此“偶数维且可定向”并不足以保证存在辛结构。相同论证排除所有 S2n(n>1)。

局部与整体分工 ​

Darboux定理会说明辛形式局部总能写为 ∑dqi∧dpi。这里并没有抹掉球面面积或上同调类:局部坐标片中的原始形式未必能接成一个全局一形式。

另一方面,余切丛的典范形式给出大量恰当辛流形。当 Q 非空且具有正维数时,每根余切纤维都是非紧的 Rdim⁡Q,且作为一点的逆像是总空间中的闭子集,因此总空间必非紧,不与上面的紧闭障碍冲突。判断存在性时,必须同时记住底空间拓扑和紧性条件。

参考资料
关系图谱18 个相邻概念 · 3 类关系

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