完整群

微分幾何的概念

微分几何中,一个微分流形上的联络完整[1](英语:holonomy,又译和乐),描述向量绕闭圈平行移动一周回到起点后,与原先相异的现象。平联络的和乐是一种单值性英语monodromy现象,其于全域有定义。曲联络的和乐则有非平凡的局域和全域特点。

流形上任意一种联络,都可由其平行移动映射给出相应的和乐。常见的和乐由具有特定对称的联络给出,例如黎曼几何列维-奇维塔联络的和乐(称为黎曼和乐)。向量丛联络的和乐、嘉当联络的和乐,以及主丛联络的和乐。在该些例子中,联络的和乐可用一个李群描述,称为和乐群。联络的和乐与其曲率密切相关,见安布罗斯-辛格定理

对黎曼和乐的研究导致了若干重要的发现。其最早由Élie Cartan (1926引入,以用于对称空间英语symmetric space的分类上。然而,很久以后,和乐群才用于更一般的黎曼几何上。1952年, 乔治·德拉姆证明了德拉姆分解定理:若黎曼流形的切丛可分解成局域和乐群作用下不变的子空间,则该流形分解为黎曼流形的笛卡儿积。稍后,于1953年,马塞尔·伯格英语Marcel Berger 给出所有不可约和乐的分类[2]。黎曼和乐的分解和分类适用于物理和弦论

定义

向量丛联络的和乐

M光滑流形E 为其上的 k向量丛,∇ 为 E 上的联络。给定 M 上一点 x 和以 x 为基点的分段光滑环圈 γ : [0,1] → M, 该联络定义了一个平行移动映射 Pγ : ExEx. 该映射是可逆线性映射,因此是一般线性群 GL(Ex) 的元素。∇ 以 x 为基点的和乐群定义为

 

x 为基点的限制和乐群是由可缩英语contractible环圈 γ 给出的子群 .

M 连通,则不同基点 x 的和乐群 仅相差 GL(k, R) 的共轭作用。更具体说,若 γM 中由 xy 的路径,则

 

选取 Ex 的另一组基(即以另一种方式将 Ex 视为与 Rk 等同)同样会使和乐群变成 GL(k, R) 中另一个共轭子群。非完全严格的讨论中(下同),可将基点略去,但倘如此行,则和乐群仅在共轭意义下有良好定义。

和乐群的重要性质包括:

  •   是 GL(k, R) 的连通李子群
  •   单位连通支英语identity component
  • 存在自然的群同态   其中  M 的基本群。该同态将同伦类   映到陪集  
  • M 单连通,则  
  • ∇ 为平(即曲率恒零)当且仅当   为平凡群。

在物理学中,威尔森循环是 tr(P)(特征标理论)。

主丛联络的和乐

主丛联络的和乐与向量丛相仿。设 G李群P仿紧光滑流形 M 上的G。设 ωP 上的联络。给定 M 中一点 x, 以 x 为基点的分段光滑环圈 γ : [0,1] → M, 以及 x 纤维上一点 p, 该联络定义了唯一的水平提升   使得   水平提升的终点   未必是 p, 因为其可为 x 纤维上的另一点 p·g. 若两点 pq 之间有分段光滑的水平提升路径连接,则称 p ~ q. 如此,~ 是 P 上的等价关系

ωp 为基点的和乐群定义为

 

若在定义中仅允许可缩英语contractible环圈 γ 的水平提升,则得到以 p 为基点的受限和乐群  . 其为和乐群  的子群。

MP连通,则不同基点 p 的和乐群仅在 G 互为共轭。更具体说,若 q 是另一个基点,则有唯一的 gG 使得 q ~ p·g. 于是,

 

特别地,

 

再者,若 p ~ q, 则   因此,有时可省略基点不写,但须留意这会使得和乐群仅在共轭意义下有良好定义。

和乐群的若干性质包括:

  •  G 的连通李子群
  •   单位连通支英语identity component
  • 存在自然的群同态 
  • M 单连通,则  
  • ω 为平(即曲率恒零)当且仅当   为平凡群。

和乐丛

同上,设 M 为连通仿紧流形,P 为其上的主 G 丛,ωP 上的联络。设 pP 为主丛上的任意一点。以 H (p) 表示 P 中可与 p 用水平曲线相连的点的集合。则可证明 H (p) 连同其到 M 的投影也构成 M 上的主丛,且具有结构群  (即 H (p) 是主   丛)。 此主丛称为该联络 ω 经过 p和乐丛ω 限制到 H (p) 上也是一个联络,因为其平行移动映射保持 H (p) 不变。故 H (p) 是该联络的约化主丛。此外,H (p) 任何真子丛都不被平行移动保持,所以其在该类约化主丛之中为最小。[3]

与和乐群类似,和乐丛在环绕它的主丛 P等变。具体说,若 qP 是另一个基点,则有 gG 使得 q ~ p g(按假设,M 是路连通的)。故 H (q) = H (p) g. 于是,两者在和乐丛上导出的联络是相容的,即:两个联络的平行移动映射恰好相差了群元素 g.

单延拓群

和乐丛 H (p) 是主   丛,因此受限和乐群  (作为全个和乐群的正规子群)也作用在 H (p) 上。离散群   称为联络的单延拓英语Monodromy。其作用在商丛   上。存在满同态  使得   作用在   上。基本群的这个群作用称为基本群的单延拓表示[4]

局域及无穷小和乐

若 π: PM 为主丛,ω 为 P 的联络,则 ω 的和乐可限制到 M 的开集的纤维上。若 UM 的连通开集,则将 ω 限制到 U 上可得丛 π−1U 的联络。该丛的和乐群记为   而受限和乐群则记为   其中 p 为满足 π(p) ∈ U 的点。

UV 为包含 π(p) 的两个开集,则有包含关系

 

p 点的局域和乐群定义为

 

其中 Uk 为任意一族满足   的递降(即   )连通开集。

局域和乐群有以下性质:

  1. 其为受限和乐群   的连通李子群。
  2. 每点 p 都有邻域 V 使得   局域和乐群仅取决于 p, 而非序列 Uk 的选取。
  3. 局域和乐群在结构群 G 的作用下等变,即对任意 gG,  (注意由性质 1, 局域和乐群是 G 的连通李子群,故伴随 Ad 有定义。

局域和乐群不一定有全域的良好性质,例如流形的不同点上的局域和乐群不一定具有相同的维数。然而,有以下的定理:

  • 若局域和乐群的维数恒定,则局域和乐群与受限和乐群相等,即 

词源

英文Holonomy与“全纯”(Holomorphic)相似,"Holomorphic"一词由柯西的两个学生夏尔·布里奥法语Charles Briot(1817–1882)和让-克劳迪·波桂法语Jean-Claude Bouquet(1819–1895)引入,来自希腊文ὅλοςholos)和μορφήmorphē),意思分别是“全”、“形态”。[5]

"Holonomy"与"holomorphic"的前半(holos)一样。至于后半:

非常难在网络上找出holonomic(或holonomy)的词源。我找到(鸣谢普林斯顿约翰·康威):

我相信潘索(Louis Poinsot)最早在他对刚体运动的分析用到它。这个理论中,若某种意义下,能够从一个系统的局域资讯得悉其全局资讯,就叫一个和乐的 ("holonomic")系统,所以它的意思“整体法则”("entire-law")很贴切。球在桌上滚动并不和乐,因为沿不同的路径滚到同一点,可以使球的方向不同。然而,将“和乐”理解成“整体法则”恐怕有点过于简化。希腊文的"nom"词根有多层互相交织的意思,可能更多时解“数算”(counting)。它与我们的词数字"number"来自同一个印欧词根

——S. Golwala[6]

参见νόμοςnomos)和-nomy

安布罗斯-辛格定理

安布罗斯-辛格定理(得名自Warren Ambrose and Isadore M. Singer (1953)描述主丛联络的和乐与该联络的曲率形式之间的关系。为理解此定理,先考虑较熟知的情况,如仿射联络、切丛联络(或其特例列维-奇维塔联络)。沿无穷小平行四边形的边界走一圈,就会感受到曲率。

引入更多细节,若  中某曲面的坐标表示,则向量 可以沿 的边界平行移动,由原点出发,先沿 ,再沿 ,再  反方向,即由 递减至 ),最后 ,回到原点。此为和乐环圈的特例,因为向量 沿该圈平行移动的结果,相当于 边界的提升,对应的和乐群元素,作用在 上。当平行四边形缩至无穷小时(即沿更小的平行四边形圈,对应 坐标中的区域 ,而 趋向于 ),就会明确得到曲率。换言之,取平行移动映射于 处的导数:

 

其中 曲率张量[7]所以,粗略而言,曲率给出闭环圈(无穷小平行四边形)上的无穷小和乐。更严格地,曲率是和乐作用于和乐群单位元处的导数。换言之,  李代数的元素。

一般来说,考虑结构群为 的主丛 某联络的和乐。以 表示 的李代数,则联络的曲率形式 上的 值2-形式 。安布罗斯-辛格定理断言:[8]

 的李代数,是由 中所有形如 的元素线性张成,其中 取遍所有可以用水平曲线  连接的点,而 皆是 处的水平切向量。

亦可用和乐丛的说法,复述如下:[9]

 的李代数,是 中形如 的元素张成的线性子空间,其中 取遍 的元素,而 取遍 处的水平向量。

黎曼和乐

可约和乐与德拉姆分解

 为任意一点,则和乐群 作用在切空间 上。视之为群的表示,则可能不可约,亦可能可约,即可以将 分解成正交子空间的直和

 

而两个子空间皆在 作用下不变。此时亦称 可约

 为可约流形。上式说明,在每一点 处,切空间可以约化分解成  ,所以当 变动时,就定义出向量丛  ,两者皆光滑分布,且是弗比尼斯可积。两个分布的积分流形英语integral manifold皆为完全测地英语Totally geodesic子流形,换言之,子流形的测地线皆为原流形的测地线。所以局部观察 ,是笛卡尔积 。重复上述分解,直到切空间完全约化,则得到(局部)德拉姆同构:[10]

 单连通黎曼流形,[11]又设在和乐群的作用下, 为切丛的完全约化分解,而和乐群在 上的作用平凡(恒等映射),则 局部等距同构于乘积

 

其中 欧氏开集,而每个  的积分流形。更甚者,  的直积(  过某点的极大积分流形)。

若同时假设 测地完备英语geodesically complete(每点每个方向的测地线皆可无限延伸),则定理不仅局部成立,而是全域成立,且各 本身也是测地完备流形。[12]

伯格分类

1955年,马塞尔·伯格英语Marcel Berger将不可约(并非局部等同积空间)、非对称(并非局部地黎曼对称英语Riemannian symmetric space)、单连通的黎曼流形,可能具有的和乐群,完全分类。伯格分类表如下:

    流形类型 备注
正交群    可定向流形
酉群    凯勒流形 凯勒
特殊酉群    卡拉比–丘流形 里奇平、凯勒
辛群    超凯勒流形英语Hyperkähler manifold 里奇平、凯勒
    四元数凯勒流形英语Quaternion-Kähler manifold 爱因斯坦英语Einstein manifold
例外单李群英语G2 (mathematics)    G2流形英语G2 manifold 里奇平
旋量群    Spin(7)流形英语Spin(7) manifold 里奇平

1965年,爱德蒙·博南英语Edmond BonanVivian Yoh Kraines同时研究和乐群为 的流形,构造出其平行4形式。

爱德蒙·博南英语Edmond Bonan于1966年最早引入和乐群为  的流形,他构造出全部平行形式,并证明该些流形皆为里奇平。

伯格原先的表中,未排除 (作为 的子群)。后来,迪米特里·阿列克谢耶夫斯基(Dmitri V. Alekseevsky)一人,与布朗(Brown)、格雷(Gray)二人,分别证明具此和乐群的黎曼流形必然局部对称,即与凯莱平面英语Cayley plane 局部等距同构,或局部平坦,故上表不列。上表列出的各可能,现已确实知道是某黎曼流形的和乐群。末尾两个例外情况的流形最难发现,见 流形英语G2 manifold 流形英语Spin(7) manifold

注意 ,故超凯勒流形英语hyperkähler manifold必为卡拉比-丘卡拉比-丘流形必为凯勒,而凯勒流形可定向

以上看似奇怪的列表(伯格定理),可由西蒙斯(Simons)的证明解释。另有一个简单几何证明,由卡洛斯·奥尔莫斯(Carlos E. Olmos)于2005年给出。[13]第一步要证,若黎曼流形并非局部对称空间英语locally symmetric space,而约化和乐在切空间上的作用不可约,则递移地作用在单位球面上。但已知有何种李群递移作用于球面:上表所列各项,以及两个额外情况,分别是 (作用于 ),以及 (作用于 )。最后,要验证前者只能作为局部对称空间(局部同构于的凯莱射影平面英语Cayley projective plane)的和乐群,而后者则根本不能作为和乐群出现。

伯格的原分类,尚有涵盖非正定的伪黎曼度量,其给出非局部对称和乐的可能列表为:

和乐群 度量符号英语Metric signature
   
   
   
   
   
   
   
分裂   
   
   
   
   
   

但是,标 的两种和乐群(分裂 及复化 ),如同正定的情况,只能在局部对称空间出现,故应予删去。至于复化和乐群 三种,可以将实解析黎曼流形复化得到。而和乐群为 子群的流形,R. McLean证明其为局部平。[14]

对称黎曼空间,因为局部与齐性空间 同构,其局部和乐群同构于 ,经已分类完毕

最后,伯格的论文亦有列举仅得无挠仿射联络的流形的可能和乐群,见下节

特殊和乐及旋量

一些流形具特殊的和乐,该性质亦可藉平行旋量是否存在来刻划(平行旋量即协变导数为零的旋量场),[15]尤其有以下各项命题成立:

  •  ,当且仅当 上存在平行的射影纯旋量场。
  •  旋量流形英语spin structure,则 ,当且仅当 具有至少两个线性独立的平行纯旋量场。事实上,平行纯旋量场足以确定由结构群 的典范归约。
  •  是七维旋量流形,则 具有非平凡平行旋量场,当且仅当和乐群是 的子群。
  •  为八维旋量流形,则 具有非平凡平行旋量场,当且仅当和乐群是 的子群。

幺正与特殊幺正和乐经常连带扭量理论[16]殆复流形[15]一同研究。

应用

弦论

具特殊和乐的黎曼流形,对弦论紧化很重要。[17]原因是,特殊和乐流形上,存在共变常值(即平行)旋量,于是保一部分超对称。较重要的紧化是在具  和乐的卡拉比–丘流形上,以及 流形英语G2 manifold上。

机器学习

机器学习,尤其流形学习英语manifold learning方面,曾有人提出,藉计算黎曼流形的和乐,得出数据流形的结构。由于和乐群包含数据流形的全域结构,其适用于判断数据流形可能如何分解成子流形之积。由于取样有限,无法完全准确计算出和乐群,但利用来自谱图论的思想(类似向量扩散映射英语Diffusion map),有可能构造出数值近似。所得的算法“几何流形分量估计量”(英语:Geometric Manifold Component Estimator,简写GeoManCEr探地者”),能给出德拉姆分解的数值近似,并应用于现实数据。[18]

仿射和乐

仿射和乐群(英语:affine holonomy groups),是无挠仿射联络的和乐群;其中一些不能作为(伪)黎曼和乐群出现,称为非度量和乐群(英语:non-metric holonomy groups)。德拉姆分解定理不适用于仿射和乐群,所以离完成分类尚有很远,但仍可以将不可约的仿射和乐分类。

伯格在证明黎曼和乐分类定理的过程中,发现对于非局部对称英语symmetric space的无挠仿射联络而言,和乐群的李代数必定符合两个条件。伯格第一准则(英语:Berger's first criterion)是安布罗斯-辛格定理(即曲率张量生成和乐的李代数,见前节)的后果;而第二准则,来自联络非局部对称的条件。伯格列举了满足此两个准则,且作用不可约的群,可以视之为不可约仿射和乐群的可能情况表。

但伯格的列表,其后证实并未齐全。罗伯特·布莱恩特英语Robert Bryant (mathematician)(1991)和Q. Chi、S. Merkulov、L. Schwachhöfer(1996)找到未在列表的例子,有时称为“怪和乐”(exotic holonomies)。努力搜索例子之后,最终由Merkulov和Schwachhöfer(1999年)完成不可约仿射和乐群的分类,而反方向的结果则由布莱恩特(2000年)证明,即列表上所有群皆确实能作为仿射和乐群。

观察到表中的群和埃尔米特对称空间英语hermitian symmetric space四元数凯勒对称空间英语quaternion-Kähler symmetric space之间有联系之后,Merkulov–Schwachhöfer分类会变得更清晰。此种联系在复仿射和乐的情况尤其明确,见于Schwachhöfer(2001)。

 为有限维复向量空间, 为不可约半单复连通李子群,又设 为极大紧子群。

  1. 若有不可约埃尔米特对称空间形如 ,则  两者皆为非对称不可约仿射和乐群,其中  的切表示。
  2. 若有不可约四元数凯勒对称空间形如 ,则 为非对称不可约仿射和乐群,而当 时, 亦然。此时, 的复化切表示是 ,而  上某个复辛形式

上述两族已涵盖大部分非对称不可约复仿射和乐群,例外仅有:

 

利用埃尔米特对称空间的分类,第一族的复仿射和乐群有:

 

其中 可取平凡群,亦可取为 

同样,用四元数凯勒对称空间的分类,第二族复辛和乐群有:

 

(第二行中, 必须取为平凡群,除非 ,此时可取为 。)

从以上各列表,可以观察出一个结论,类似西蒙斯断言黎曼和乐群递移作用于球面:复和乐表示皆为预齐性向量空间英语prehomogeneous vector space。但是,未知此事实的概念性证明。

不可约实仿射和乐的分类,用“实仿射和乐复化成复仿射和乐”此结论,结合上表,仔细分析便得。

参见

脚注

  1. ^ holonomy. 乐词网. 国家教育研究院.  (繁体中文)
  2. ^ Wu, Hongxi. On the de Rham decomposition theorem. DSpace@MIT. [2020-02-18]. (原始内容存档于2020-02-18). 
  3. ^ Kobayashi & Nomizu 1963,§II.7
  4. ^ Sharpe 1997,§3.7
  5. ^ Markushevich, A.I. 2005
  6. ^ Golwala 2007,第65–66页
  7. ^ Spivak 1999,第241页
  8. ^ Sternberg 1964,Theorem VII.1.2
  9. ^ Kobayashi & Nomizu 1963,Volume I, §II.8
  10. ^ Kobayashi & Nomizu,§IV.5
  11. ^ 定理亦可推广至非单连通流形,但叙述更复杂。
  12. ^ Kobayashi, Nomizu & §IV.6
  13. ^ Olmos, Carlos E. A geometric proof of the Berger Holonomy Theorem [伯格和乐定理的几何证明]. Annals of Mathematics. 2005, 161: 579–588. doi:10.4007/annals.2005.161.579 (英语). 
  14. ^ Bryant, Robert L. Classical, exceptional, and exotic holonomies: a status report. Basse, Arthur L. (编). Actes de la table ronde de Géométrie Différentielle en l'honneur de Marcel Berger. Séminaires & Congrès 1. 1996: 93–165 [2021-10-02]. ISBN 2-85629-047-7. (原始内容存档于2020-07-31) (英语). 
  15. ^ 15.0 15.1 Lawson & Michelsohn 1989,§IV.9–10
  16. ^ Baum 1991
  17. ^ Gubser, S., Gubser S.; et al , 编, Special holonomy in string theory and M-theory  +Gubser, Steven S., Strings, branes and extra dimensions, TASI 2001. Lectures presented at the 2001 TASI school, Boulder, Colorado, USA, 4–29 June 2001., River Edge, NJ: World Scientific: 197–233, 2004, ISBN 978-981-238-788-2, arXiv:hep-th/0201114  .
  18. ^ Pfau, David; Higgins, Irina; Botev, Aleksandar; Racanière, Sébastien, Disentangling by Subspace Diffusion, Advances in Neural Information Processing Systems, 2020, arXiv:2006.12982  

参考文献