定义
向量叢聯絡的和樂
設 M 為光滑流形 ,E 為其上的 k 維向量丛 ,∇ 為 E 上的聯絡 。給定 M 上一點 x 和以 x 為基點的分段 光滑環圈 γ : [0,1] → M , 該聯絡定義了一個平行移动 映射 P γ : Ex → Ex . 該映射是可逆線性映射,因此是一般线性群 GL(Ex ) 的元素。∇ 以 x 為基點的和樂群 定義為
Hol
x
(
∇
)
=
{
P
γ
∈
G
L
(
E
x
)
∣
γ
为 以
x
为 基 点 的 环 圈
}
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{x}(\nabla )=\{P_{\gamma }\in \mathrm {GL} (E_{x})\mid \gamma {\text{ 为 以}}\ \ x{\text{ 为 基 点 的 环 圈 }}\}.}
以 x 為基點的限制和樂群 是由可縮 環圈 γ 給出的子群
Hol
x
0
(
∇
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{x}^{0}(\nabla )}
.
若 M 連通 ,則不同基點 x 的和樂群 僅相差 GL(k , R ) 的共軛作用 。更具體說,若 γ 為 M 中由 x 到 y 的路徑,則
Hol
y
(
∇
)
=
P
γ
Hol
x
(
∇
)
P
γ
−
1
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{y}(\nabla )=P_{\gamma }\operatorname {Hol} _{x}(\nabla )P_{\gamma }^{-1}.}
選取 Ex 的另一組基(即以另一種方式將 Ex 視為與 R k 等同)同樣會使和樂群變成 GL(k , R ) 中另一個共軛子群。非完全嚴格的討論中(下同),可將基點略去,但倘如此行,則和樂群僅在共軛意義下有良好定義。
和樂群的重要性質包括:
Hol
0
(
∇
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} ^{0}(\nabla )}
是 GL(k , R ) 的連通李子群 。
Hol
0
(
∇
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} ^{0}(\nabla )}
是
Hol
(
∇
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} (\nabla )}
的單位連通支 。
存在自然的滿 群同態
π
1
(
M
)
→
Hol
(
∇
)
/
Hol
0
(
∇
)
,
{\displaystyle \pi _{1}(M)\to \operatorname {Hol} (\nabla )/\operatorname {Hol} ^{0}(\nabla ),}
其中
π
1
(
M
)
{\displaystyle \pi _{1}(M)}
是 M 的基本群。該同態將同倫類
[
γ
]
{\displaystyle [\gamma ]}
映到陪集
P
γ
⋅
Hol
0
(
∇
)
.
{\displaystyle P_{\gamma }\cdot \operatorname {Hol} ^{0}(\nabla ).}
若 M 單連通 ,則
Hol
(
∇
)
=
Hol
0
(
∇
)
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} (\nabla )=\operatorname {Hol} ^{0}(\nabla ).}
∇ 為平(即曲率恆零)当且仅当
Hol
0
(
∇
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} ^{0}(\nabla )}
為平凡群。
在物理学中,威爾森迴圈 是 tr(P )(特徵標理論 的跡 )。
主叢聯絡的和樂
主叢聯絡的和樂與向量叢相倣。設 G 為李群 ,P 為仿緊 光滑流形 M 上的主 G 叢 。設 ω 為 P 上的聯絡 。給定 M 中一點 x , 以 x 為基點的分段光滑環圈 γ : [0,1] → M , 以及 x 纖維上一點 p , 該聯絡定義了唯一的水平提升
γ
~
:
[
0
,
1
]
→
P
{\displaystyle {\tilde {\gamma }}:[0,1]\to P}
使得
γ
~
(
0
)
=
p
.
{\displaystyle {\tilde {\gamma }}(0)=p.}
水平提升的終點
γ
~
(
1
)
{\displaystyle {\tilde {\gamma }}(1)}
未必是 p , 因為其可為 x 纖維上的另一點 p ·g . 若兩點 p 和 q 之間有分段光滑的水平提升路徑連接,則稱 p ~ q . 如此,~ 是 P 上的等價關係 。
ω 以 p 為基點的和樂群 定義為
Hol
p
(
ω
)
=
{
g
∈
G
∣
p
∼
p
⋅
g
}
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )=\{g\in G\mid p\sim p\cdot g\}.}
若在定義中僅允許可縮 環圈 γ 的水平提升,則得到以 p 為基點的受限和樂群
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
. 其為和樂群
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
的子群。
若 M 和 P 皆連通 ,則不同基點 p 的和樂群僅在 G 互為共軛。更具體說,若 q 是另一個基點,則有唯一的 g ∈ G 使得 q ~ p ·g . 於是,
Hol
q
(
ω
)
=
g
−
1
Hol
p
(
ω
)
g
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{q}(\omega )=g^{-1}\operatorname {Hol} _{p}(\omega )g.}
特別地,
Hol
p
⋅
g
(
ω
)
=
g
−
1
Hol
p
(
ω
)
g
,
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p\cdot g}(\omega )=g^{-1}\operatorname {Hol} _{p}(\omega )g,}
再者,若 p ~ q , 則
Hol
p
(
ω
)
=
Hol
q
(
ω
)
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )=\operatorname {Hol} _{q}(\omega ).}
因此,有時可省略基點不寫,但須留意這會使得和樂群僅在共軛意義下有良好定義。
和樂群的若干性質包括:
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
是 G 的連通李子群 。
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
是
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
的單位連通支 。
存在自然的滿 群同態
π
1
(
M
)
→
Hol
p
(
ω
)
/
Hol
p
0
(
ω
)
.
{\displaystyle \pi _{1}(M)\to \operatorname {Hol} _{p}(\omega )/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ).}
若 M 單連通 ,則
Hol
p
(
ω
)
=
Hol
p
0
(
ω
)
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )=\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ).}
ω 為平(即曲率恆零)当且仅当
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
為平凡群。
和樂叢
同上,設 M 為連通仿緊流形,P 為其上的主 G 叢,ω 為 P 上的聯絡。設 p ∈ P 為主叢上的任意一點。以 H (p ) 表示 P 中可與 p 用水平曲線相連的點的集合。則可證明 H (p ) 連同其到 M 的投影也構成 M 上的主叢,且具有結構群
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
(即 H (p ) 是主
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
叢)。 此主叢稱為該聯絡 ω 經過 p 的和樂叢 。ω 限制到 H (p ) 上也是一個聯絡,因為其平行移動映射保持 H (p ) 不變。故 H (p ) 是該聯絡的約化主叢 。此外,H (p ) 任何真子叢都不被平行移動保持,所以其在該類約化主叢之中為最小。[ 3]
與和樂群類似,和樂叢在環繞它的主叢 P 中等變 。具體說,若 q ∈ P 是另一個基點,則有 g ∈ G 使得 q ~ p g (按假設,M 是路連通的)。故 H (q ) = H (p ) g . 於是,兩者在和樂叢上導出的聯絡是相容的,即:兩個聯絡的平行移動映射恰好相差了群元素 g .
單延拓群
和樂叢 H (p ) 是主
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
叢,因此受限和樂群
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
(作為全個和樂群的正規子群)也作用在 H (p ) 上。離散群
Hol
p
(
ω
)
/
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
稱為聯絡的單延拓 群 。其作用在商叢
H
(
p
)
/
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle H(p)/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
上。存在滿同態
φ
:
π
1
→
Hol
p
(
ω
)
/
Hol
p
0
(
ω
)
,
{\displaystyle \varphi :\pi _{1}\to \operatorname {Hol} _{p}(\omega )/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ),}
使得
φ
(
π
1
(
M
)
)
{\displaystyle \varphi (\pi _{1}(M))}
作用在
H
(
p
)
/
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle H(p)/\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
上。基本群的這個群作用稱為基本群的單延拓表示 。[ 4]
局域及無窮小和樂
若 π: P → M 為主叢,ω 為 P 的聯絡,則 ω 的和樂可限制到 M 的開集的纖維上。若 U 為 M 的連通開集,則將 ω 限制到 U 上可得叢 π−1 U 的聯絡。該叢的和樂群記為
Hol
p
(
ω
,
U
)
,
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega ,U),}
而受限和樂群則記為
Hol
p
0
(
ω
,
U
)
,
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,U),}
其中 p 為滿足 π(p ) ∈ U 的點。
若 U ⊂ V 為包含 π(p ) 的兩個開集,則有包含關係
Hol
p
0
(
ω
,
U
)
⊂
Hol
p
0
(
ω
,
V
)
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,U)\subset \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,V).}
p 點的局域和樂群 定義為
Hol
p
∗
(
ω
)
=
⋂
k
=
1
∞
Hol
p
0
(
ω
,
U
k
)
,
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{*}(\omega )=\bigcap _{k=1}^{\infty }\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,U_{k}),}
其中 U k 為任意一族滿足
⋂
k
U
k
=
π
(
p
)
{\displaystyle \bigcap _{k}U_{k}=\pi (p)}
的遞降(即
U
k
⊂
U
k
+
1
∀
k
{\displaystyle U_{k}\subset U_{k+1}\ \forall k}
)連通開集。
局域和樂群有以下性質:
其為受限和樂群
Hol
p
0
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega )}
的連通李子群。
每點 p 都有鄰域 V 使得
Hol
p
∗
(
ω
)
=
Hol
p
0
(
ω
,
V
)
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{*}(\omega )=\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ,V).}
局域和樂群僅取決於 p , 而非序列 U k 的選取。
局域和樂群在結構群 G 的作用下等變,即對任意 g ∈ G ,
Hol
p
g
∗
(
ω
)
=
Ad
(
g
−
1
)
Hol
p
∗
(
ω
)
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{pg}^{*}(\omega )=\operatorname {Ad} (g^{-1})\operatorname {Hol} _{p}^{*}(\omega ).}
(注意由性質 1, 局域和樂群是 G 的連通李子群,故伴隨 Ad 有定義。
局域和樂群不一定有全域的良好性質,例如流形的不同點上的局域和樂群不一定具有相同的維數。然而,有以下的定理:
若局域和樂群的維數恆定,則局域和樂群與受限和樂群相等,即
Hol
p
∗
(
ω
)
=
Hol
p
0
(
ω
)
.
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}^{*}(\omega )=\operatorname {Hol} _{p}^{0}(\omega ).}
詞源
英文Holonomy 與「全純 」(Holomorphic )相似,"Holomorphic"一詞由柯西 的兩個學生夏爾·布里奧 (1817–1882)和讓-克勞迪·波桂 (1819–1895)引入,來自希臘文ὅλος (holos )和μορφή (morphē ),意思分別是「全」、「形態」。[ 5]
"Holonomy "與"holomorphic "的前半(holos )一樣。至於後半:
非常難在網絡上找出holonomic (或holonomy )的詞源。我找到(鳴謝普林斯頓 的約翰·康威 ):
我相信潘索(Louis Poinsot )最早在他對剛體運動的分析用到它。這個理論中,若某種意義下,能夠從一個系統的局域資訊得悉其全局資訊,就叫一個和樂的 ("holonomic ")系統,所以它的意思「整體法則」("entire-law ")很貼切。球在桌上滾動並不和樂,因為沿不同的路徑滾到同一點,可以使球的方向不同。然而,將「和樂」理解成「整體法則」恐怕有點過於簡化。希臘文的"nom"詞根有多層互相交織的意思,可能更多時解「數算」(counting )。它與我們的詞數字"number "來自同一個印歐詞根 。
——S. Golwala[ 6]
參見νόμος (nomos )和-nomy 。
安布羅斯-辛格定理
安布羅斯-辛格定理 (得名自Warren Ambrose and Isadore M. Singer (1953 ) )描述主叢聯絡 的和樂與該聯絡的曲率形式 之間的關係。為理解此定理,先考慮較熟知的情況,如仿射联络 、切叢聯絡(或其特例列維-奇維塔聯絡 )。沿無窮小平行四邊形的邊界走一圈,就會感受到曲率。
引入更多細節,若
σ
:
[
0
,
1
]
×
[
0
,
1
]
→
M
{\displaystyle \sigma :[0,1]\times [0,1]\to M}
是
M
{\displaystyle M}
中某曲面的坐標表示,則向量
V
{\displaystyle V}
可以沿
σ
{\displaystyle \sigma }
的邊界平行移動,由原點出發,先沿
(
x
,
0
)
{\displaystyle (x,0)}
,再沿
(
1
,
y
)
{\displaystyle (1,y)}
,再
(
x
,
1
)
{\displaystyle (x,1)}
(
x
{\displaystyle x}
反方向,即由
1
{\displaystyle 1}
遞減至
0
{\displaystyle 0}
),最後
(
0
,
y
)
{\displaystyle (0,y)}
,回到原點。此為和樂環圈的特例,因為向量
V
{\displaystyle V}
沿該圈平行移動的結果,相當於
σ
{\displaystyle \sigma }
邊界的提升,對應的和樂群元素,作用在
V
{\displaystyle V}
上。當平行四邊形縮至無窮小時(即沿更小的平行四邊形圈,對應
σ
{\displaystyle \sigma }
坐標中的區域
[
0
,
x
]
×
[
0
,
y
]
{\displaystyle [0,x]\times [0,y]}
,而
x
,
y
{\displaystyle x,y}
趨向於
0
{\displaystyle 0}
),就會明確得到曲率。換言之,取平行移動映射於
x
=
y
=
0
{\displaystyle x=y=0}
處的導數:
D
d
x
D
d
y
V
−
D
d
y
D
d
x
V
=
R
(
∂
σ
∂
x
,
∂
σ
∂
y
)
V
{\displaystyle {\frac {D}{dx}}{\frac {D}{dy}}V-{\frac {D}{dy}}{\frac {D}{dx}}V=R\left({\frac {\partial \sigma }{\partial x}},{\frac {\partial \sigma }{\partial y}}\right)V}
其中
R
{\displaystyle R}
為曲率張量 。[ 7] 所以,粗略而言,曲率給出閉環圈(無窮小平行四邊形)上的無窮小和樂。更嚴格地,曲率是和樂作用於和樂群單位元處的導數。換言之,
R
(
X
,
Y
)
{\displaystyle R(X,Y)}
是
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
的李代數 的元素。
一般來說,考慮結構群為
G
{\displaystyle G}
的主叢
P
→
M
{\displaystyle P\to M}
某聯絡的和樂。以
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
表示
G
{\displaystyle G}
的李代數,則聯絡的曲率形式 是
P
{\displaystyle P}
上的
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
值2-形式
Ω
{\displaystyle \Omega }
。安布羅斯-辛格定理斷言:[ 8]
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
的李代數,是由
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
中所有形如
Ω
q
(
X
,
Y
)
{\displaystyle \Omega _{q}(X,Y)}
的元素線性張成,其中
q
{\displaystyle q}
取遍所有可以用水平曲線
(
q
∼
p
)
{\displaystyle (q\sim p)}
與
p
{\displaystyle p}
連接的點,而
X
,
Y
{\displaystyle X,Y}
皆是
q
{\displaystyle q}
處的水平切向量。
亦可用和樂叢的說法,複述如下:[ 9]
Hol
p
(
ω
)
{\displaystyle \operatorname {Hol} _{p}(\omega )}
的李代數,是
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
中形如
Ω
q
(
X
,
Y
)
{\displaystyle \Omega _{q}(X,Y)}
的元素張成的線性子空間,其中
q
{\displaystyle q}
取遍
H
(
p
)
{\displaystyle H(p)}
的元素,而
X
,
Y
{\displaystyle X,Y}
取遍
q
{\displaystyle q}
處的水平向量。
黎曼和樂
可約和樂與德拉姆分解
設
x
∈
M
{\displaystyle x\in M}
為任意一點,則和樂群
H
o
l
(
M
)
{\displaystyle \mathrm {Hol} (M)}
作用在切空間
T
x
M
{\displaystyle T_{x}M}
上。視之為群的表示 ,則可能不可約 ,亦可能可約,即可以將
T
x
M
{\displaystyle T_{x}M}
分解成正交子空間的直和
T
x
M
=
T
x
′
M
⊕
T
x
″
M
,
{\displaystyle T_{x}M=T'_{x}M\oplus T''_{x}M,}
而兩個子空間皆在
H
o
l
(
M
)
{\displaystyle \mathrm {Hol} (M)}
作用下不變。此時亦稱
M
{\displaystyle M}
可約 。
設
M
{\displaystyle M}
為可約流形。上式說明,在每一點
x
{\displaystyle x}
處,切空間可以約化分解成
T
x
′
M
{\displaystyle T'_{x}M}
和
T
x
″
M
{\displaystyle T''_{x}M}
,所以當
x
{\displaystyle x}
變動時,就定義出向量叢
T
′
M
{\displaystyle T'M}
和
T
″
M
{\displaystyle T''M}
,兩者皆光滑分佈,且是弗比尼斯可積 。兩個分佈的積分流形 皆為完全測地 子流形,換言之,子流形的測地線皆為原流形的測地線。所以局部觀察
M
{\displaystyle M}
,是笛卡爾積
M
′
×
M
″
{\displaystyle M'\times M''}
。重複上述分解,直到切空間完全約化,則得到(局部)德拉姆同構:[ 10]
設
M
{\displaystyle M}
為單連通 黎曼流形,[ 11] 又設在和樂群的作用下,
T
M
=
T
(
0
)
M
⊕
T
(
1
)
M
⊕
⋯
⊕
T
(
k
)
M
{\displaystyle TM=T^{(0)}M\oplus T^{(1)}M\oplus \cdots \oplus T^{(k)}M}
為切叢的完全約化分解,而和樂群在
T
(
0
)
M
{\displaystyle T^{(0)}M}
上的作用平凡(恆等映射),則
M
{\displaystyle M}
局部等距同構 於乘積
V
0
×
V
1
×
⋯
×
V
k
,
{\displaystyle V_{0}\times V_{1}\times \cdots \times V_{k},}
其中
V
0
{\displaystyle V_{0}}
是歐氏 開集,而每個
V
i
{\displaystyle V_{i}}
是
T
(
i
)
M
{\displaystyle T^{(i)}M}
的積分流形。更甚者,
H
o
l
(
M
)
{\displaystyle \mathrm {Hol} (M)}
是
H
o
l
(
M
i
)
{\displaystyle \mathrm {Hol} (M_{i})}
的直積(
M
i
{\displaystyle M_{i}}
是
T
(
i
)
{\displaystyle T^{(i)}}
過某點的極大積分流形)。
若同時假設
M
{\displaystyle M}
測地完備 (每點每個方向的測地線皆可無限延伸),則定理不僅局部成立,而是全域成立,且各
M
i
{\displaystyle M_{i}}
本身也是測地完備流形。[ 12]
伯格分类
1955年,馬塞爾·伯格 將不可約(並非局部 等同積空間)、非對稱(並非局部地黎曼對稱 )、單連通的黎曼流形,可能具有的和樂群,完全分類。伯格分類 表如下:
H
o
l
(
g
)
{\displaystyle \mathrm {Hol} (g)}
d
i
m
(
M
)
{\displaystyle \mathrm {dim} (M)}
流形類型
備註
正交群
S
O
(
n
)
{\displaystyle SO(n)}
n
{\displaystyle n}
可定向流形
—
酉群
U
(
n
)
{\displaystyle U(n)}
2
n
{\displaystyle 2n}
凯勒流形
凱勒
特殊酉群
S
U
(
n
)
{\displaystyle SU(n)}
2
n
{\displaystyle 2n}
卡拉比–丘流形
里奇平 、凱勒
辛群
S
p
(
n
)
{\displaystyle \mathrm {Sp} (n)}
4
n
{\displaystyle 4n}
超凱勒流形
里奇平 、凱勒
S
p
(
n
)
⋅
S
p
(
1
)
{\displaystyle \mathrm {Sp} (n)\cdot \mathrm {Sp} (1)}
4
n
{\displaystyle 4n}
四元數凱勒流形
愛因斯坦
例外單李群
G
2
{\displaystyle G_{2}}
7
{\displaystyle 7}
G2流形
里奇平
旋量群
S
p
i
n
(
7
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (7)}
8
{\displaystyle 8}
Spin(7)流形
里奇平
1965年,愛德蒙·博南 及Vivian Yoh Kraines 同時研究和樂群為
S
p
(
n
)
⋅
S
p
(
1
)
{\displaystyle \mathrm {Sp} (n)\cdot \mathrm {Sp} (1)}
的流形,構造出其平行4形式。
愛德蒙·博南 於1966年最早引入和樂群為
G
2
{\displaystyle G_{2}}
或
S
p
i
n
(
7
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (7)}
的流形,他構造出全部平行形式,並證明該些流形皆為里奇平。
伯格原先的表中,未排除
S
p
i
n
(
9
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}
(作為
S
O
(
16
)
{\displaystyle SO(16)}
的子群)。後來,迪米特里·阿列克謝耶夫斯基(Dmitri V. Alekseevsky )一人,與布朗(Brown )、格雷(Gray )二人,分別證明具此和樂群的黎曼流形必然局部對稱,即與凱萊平面
F
4
/
S
p
i
n
(
9
)
{\displaystyle F_{4}/\mathrm {Spin} (9)}
局部等距同構,或局部平坦,故上表不列。上表列出的各可能,現已確實知道是某黎曼流形的和樂群。末尾兩個例外情況的流形最難發現,見
G
2
{\displaystyle G_{2}}
流形 和
S
p
i
n
(
7
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (7)}
流形 。
注意
S
p
(
n
)
⊂
S
U
(
2
n
)
⊂
U
(
2
n
)
⊂
S
O
(
4
n
)
{\displaystyle \mathrm {Sp} (n)\subset SU(2n)\subset U(2n)\subset SO(4n)}
,故超凱勒流形 必為卡拉比-丘 ,卡拉比-丘流形 必為凱勒 ,而凯勒流形 必可定向 。
以上看似奇怪的列表(伯格定理),可由西蒙斯(Simons)的證明解釋。另有一個簡單幾何證明,由卡洛斯·奧爾莫斯(Carlos E. Olmos )於2005年給出。[ 13] 第一步要證,若黎曼流形並非局部對稱空間 ,而約化和樂在切空間上的作用不可約,則遞移地作用在單位球面上。但已知有何種李群 遞移作用於球面:上表所列各項,以及兩個額外情況,分別是
S
p
i
n
(
9
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}
(作用於
R
16
{\displaystyle \mathbb {R} ^{16}}
),以及
U
(
1
)
⋅
S
p
(
m
)
{\displaystyle U(1)\cdot \mathrm {Sp} (m)}
(作用於
R
4
m
{\displaystyle \mathbb {R} ^{4m}}
)。最後,要驗證前者只能作為局部對稱空間(局部同構於的凱萊射影平面 )的和樂群,而後者則根本不能作為和樂群出現。
伯格的原分類,尚有涵蓋非正定的偽黎曼度量 ,其給出非局部對稱和樂的可能列表為:
和樂群
度量符號
S
O
(
p
,
q
)
{\displaystyle SO(p,q)}
(
p
,
q
)
{\displaystyle (p,q)}
U
(
p
,
q
)
{\displaystyle U(p,q)}
(
2
p
,
2
q
)
{\displaystyle (2p,2q)}
S
U
(
p
,
q
)
{\displaystyle SU(p,q)}
(
2
p
,
2
q
)
{\displaystyle (2p,2q)}
S
p
(
p
,
q
)
{\displaystyle \mathrm {Sp} (p,q)}
(
4
p
,
4
q
)
{\displaystyle (4p,4q)}
S
p
(
p
,
q
)
⋅
S
p
(
1
)
{\displaystyle \mathrm {Sp} (p,q)\cdot \mathrm {Sp} (1)}
(
4
p
,
4
q
)
{\displaystyle (4p,4q)}
S
O
(
n
,
C
)
{\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}
(
n
,
n
)
{\displaystyle (n,n)}
S
O
(
n
,
H
)
{\displaystyle SO(n,\mathbb {H} )}
(
2
n
,
2
n
)
{\displaystyle (2n,2n)}
分裂
G
2
{\displaystyle G_{2}}
(
4
,
3
)
{\displaystyle (4,3)}
G
2
(
C
)
{\displaystyle G_{2}(\mathbb {C} )}
(
7
,
7
)
{\displaystyle (7,7)}
S
p
i
n
(
4
,
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (4,3)}
(
4
,
4
)
{\displaystyle (4,4)}
S
p
i
n
(
7
,
C
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (7,\mathbb {C} )}
(
7
,
7
)
{\displaystyle (7,7)}
(
∗
)
S
p
i
n
(
5
,
4
)
{\displaystyle (*)\ \mathrm {Spin} (5,4)}
(
8
,
8
)
{\displaystyle (8,8)}
(
∗
)
S
p
i
n
(
9
,
C
)
{\displaystyle (*)\ \mathrm {Spin} (9,\mathbb {C} )}
(
16
,
16
)
{\displaystyle (16,16)}
但是,標
(
∗
)
{\displaystyle (*)}
的兩種和樂群(分裂
S
p
i
n
(
9
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}
及複化
S
p
i
n
(
9
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (9)}
),如同正定的情況,只能在局部對稱空間出現,故應予刪去。至於複化和樂群
S
O
(
n
,
C
)
,
G
2
(
C
)
,
S
p
i
n
(
7
,
C
)
{\displaystyle SO(n,\mathbb {C} ),G_{2}(\mathbb {C} ),\mathrm {Spin} (7,\mathbb {C} )}
三種,可以將實解析黎曼流形複化得到。而和樂群為
S
O
(
n
,
H
)
{\displaystyle SO(n,\mathbb {H} )}
子群的流形,R. McLean證明其為局部平。[ 14]
對稱黎曼空間,因為局部與齊性空間
G
/
H
{\displaystyle G/H}
同構,其局部和樂群同構於
H
{\displaystyle H}
,經已分類完畢 。
最後,伯格的論文亦有列舉僅得無撓仿射联络 的流形的可能和樂群,見下節 。
特殊和樂及旋量
一些流形具特殊的和樂,該性質亦可藉平行旋量 是否存在來刻劃(平行旋量即協變導數 為零的旋量場),[ 15] 尤其有以下各項命題成立:
H
o
l
(
ω
)
⊆
U
(
n
)
{\displaystyle \mathrm {Hol} (\omega )\subseteq U(n)}
,當且僅當
M
{\displaystyle M}
上存在平行的射影純旋量場。
若
M
{\displaystyle M}
為旋量流形 ,則
H
o
l
(
ω
)
⊆
S
U
(
n
)
{\displaystyle \mathrm {Hol} (\omega )\subseteq SU(n)}
,當且僅當
M
{\displaystyle M}
具有至少兩個線性獨立的平行純旋量場。事實上,平行純旋量場足以確定由結構群 到
S
U
(
n
)
{\displaystyle SU(n)}
的典範歸約。
若
M
{\displaystyle M}
是七維旋量流形,則
M
{\displaystyle M}
具有非平凡平行旋量場,當且僅當和樂群是
G
2
{\displaystyle G_{2}}
的子群。
若
M
{\displaystyle M}
為八維旋量流形,則
M
{\displaystyle M}
具有非平凡平行旋量場,當且僅當和樂群是
S
p
i
n
(
7
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (7)}
的子群。
么正與特殊么正和樂經常連帶扭量理论 [ 16] 、殆复流形 [ 15] 一同研究。
應用
弦論
具特殊和樂的黎曼流形,對弦論 緊化 很重要。[ 17] 原因是,特殊和樂流形上,存在共變 常值(即平行)旋量 ,於是保一部分超对称 。較重要的緊化是在具
S
U
(
2
)
{\displaystyle SU(2)}
或
S
U
(
3
)
{\displaystyle SU(3)}
和樂的卡拉比–丘流形 上,以及
G
2
{\displaystyle G_{2}}
流形 上。
機器學習
在机器学习 ,尤其流形學習 方面,曾有人提出,藉計算黎曼流形的和樂,得出數據流形的結構。由於和樂群包含數據流形的全域結構,其適用於判斷數據流形可能如何分解成子流形之積。由於取樣有限,無法完全準確計算出和樂群,但利用來自譜圖論 的思想(類似向量擴散映射 ),有可能構造出數值近似。所得的算法「幾何流形分量估計量」(英語:Geometric Manifold Component Estimator ,簡寫GeoManCEr 「探地者 」),能給出德拉姆分解的數值近似,並應用於現實數據。[ 18]
仿射和樂
仿射和樂群 (英語:affine holonomy groups ),是無撓仿射联络 的和樂群;其中一些不能作為(偽)黎曼和樂群出現,稱為非度量和樂群 (英語:non-metric holonomy groups )。德拉姆分解定理不適用於仿射和樂群,所以離完成分類尚有很遠,但仍可以將不可約的仿射和樂分類。
伯格在證明黎曼和樂分類定理的過程中,發現對於非局部對稱 的無撓仿射聯絡而言,和樂群的李代數必定符合兩個條件。伯格第一準則(英語:Berger's first criterion )是安布羅斯-辛格定理(即曲率張量生成和樂的李代數,見前節 )的後果;而第二準則,來自聯絡非局部對稱的條件。伯格列舉了滿足此兩個準則,且作用不可約的群,可以視之為不可約仿射和樂群的可能情況表。
但伯格的列表,其後證實並未齊全。羅伯特·布萊恩特 (1991)和Q. Chi、S. Merkulov、L. Schwachhöfer(1996)找到未在列表的例子,有時稱為「怪和樂」(exotic holonomies )。努力搜索例子之後,最終由Merkulov和Schwachhöfer(1999年)完成不可約仿射和樂群的分類,而反方向的結果則由布萊恩特(2000年)證明,即列表上所有群皆確實能作為仿射和樂群。
觀察到表中的群和埃爾米特對稱空間 、四元數凱勒對稱空間 之間有聯繫之後,Merkulov–Schwachhöfer分類會變得更清晰。此種聯繫在複仿射和樂的情況尤其明確,見於Schwachhöfer(2001)。
設
V
{\displaystyle V}
為有限維複向量空間,
H
⊆
A
u
t
(
V
)
{\displaystyle H\subseteq \mathrm {Aut} (V)}
為不可約半單複連通李子群,又設
K
⊆
H
{\displaystyle K\subseteq H}
為極大緊子群。
若有不可約埃爾米特對稱空間形如
G
/
(
U
(
1
)
⋅
K
)
{\displaystyle G/(U(1)\cdot K)}
,則
H
{\displaystyle H}
和
C
∗
⋅
H
{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}\cdot H}
兩者皆為非對稱不可約仿射和樂群,其中
V
{\displaystyle V}
為
K
{\displaystyle K}
的切表示。
若有不可約四元數凱勒對稱空間形如
G
/
(
S
p
(
1
)
⋅
K
)
{\displaystyle G/(\mathrm {Sp} (1)\cdot K)}
,則
H
{\displaystyle H}
為非對稱不可約仿射和樂群,而當
dim
V
=
4
{\displaystyle \dim V=4}
時,
C
∗
⋅
H
{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}\cdot H}
亦然。此時,
S
p
(
1
)
⋅
K
{\displaystyle \mathrm {Sp} (1)\cdot K}
的複化切表示是
C
2
⊗
V
{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}\otimes V}
,而
H
{\displaystyle H}
保
V
{\displaystyle V}
上某個複辛形式 。
上述兩族已涵蓋大部分非對稱不可約複仿射和樂群,例外僅有:
S
p
(
2
,
C
)
⋅
S
p
(
2
n
,
C
)
⊂
A
u
t
(
C
2
⊗
C
2
n
)
,
G
2
(
C
)
⊂
A
u
t
(
C
7
)
,
S
p
i
n
(
7
,
C
)
⊂
A
u
t
(
C
8
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Sp} (2,\mathbb {C} )\cdot \mathrm {Sp} (2n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{2}\otimes \mathbb {C} ^{2n}\right),\\G_{2}(\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{7}\right),\\\mathrm {Spin} (7,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{8}\right).\end{aligned}}}
利用埃爾米特對稱空間的分類,第一族的複仿射和樂群有:
Z
C
⋅
S
L
(
m
,
C
)
⋅
S
L
(
n
,
C
)
⊂
A
u
t
(
C
m
⊗
C
n
)
,
Z
C
⋅
S
L
(
n
,
C
)
⊂
A
u
t
(
∧
2
C
n
)
,
Z
C
⋅
S
L
(
n
,
C
)
⊂
A
u
t
(
S
2
C
n
)
,
Z
C
⋅
S
O
(
n
,
C
)
⊂
A
u
t
(
C
n
)
,
Z
C
⋅
S
p
i
n
(
10
,
C
)
⊂
A
u
t
(
Δ
10
+
)
≅
A
u
t
(
C
16
)
,
Z
C
⋅
E
6
(
C
)
⊂
A
u
t
(
C
27
)
,
{\displaystyle {\begin{aligned}Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(m,\mathbf {C} )\cdot SL(n,\mathbf {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{m}\otimes \mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\wedge ^{2}\mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(S^{2}\mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SO(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot \mathrm {Spin} (10,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\Delta _{10}^{+}\right)\cong \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{16}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot E_{6}(\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{27}\right),\end{aligned}}}
其中
Z
C
{\displaystyle Z_{\mathbb {C} }}
可取平凡群,亦可取為
C
∗
{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}}
。
同樣,用四元數凱勒對稱空間的分類,第二族複辛和樂群有:
S
p
(
2
,
C
)
⋅
S
O
(
n
,
C
)
⊂
A
u
t
(
C
2
⊗
C
n
)
,
(
Z
C
⋅
)
S
p
(
2
n
,
C
)
⊂
A
u
t
(
C
2
n
)
,
Z
C
⋅
S
L
(
2
,
C
)
⊂
A
u
t
(
S
3
C
2
)
,
S
p
(
6
,
C
)
⊂
A
u
t
(
∧
0
3
C
6
)
≅
A
u
t
(
C
14
)
,
S
L
(
6
,
C
)
⊂
A
u
t
(
∧
3
C
6
)
,
S
p
i
n
(
12
,
C
)
⊂
A
u
t
(
Δ
12
+
)
≅
A
u
t
(
C
32
)
,
E
7
(
C
)
⊂
A
u
t
(
C
56
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Sp} (2,\mathbb {C} )\cdot SO(n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{2}\otimes \mathbb {C} ^{n}\right),\\(Z_{\mathbb {C} }\,\cdot )\,\mathrm {Sp} (2n,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{2n}\right),\\Z_{\mathbb {C} }\cdot SL(2,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(S^{3}\mathbb {C} ^{2}\right),\\\mathrm {Sp} (6,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\wedge _{0}^{3}\mathbb {C} ^{6}\right)\cong \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{14}\right),\\SL(6,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\wedge ^{3}\mathbb {C} ^{6}\right),\\\mathrm {Spin} (12,\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\Delta _{12}^{+}\right)\cong \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{32}\right),\\E_{7}(\mathbb {C} )&\subset \mathrm {Aut} \left(\mathbb {C} ^{56}\right).\\\end{aligned}}}
(第二行中,
Z
C
{\displaystyle Z_{\mathbb {C} }}
必須取為平凡群,除非
n
=
2
{\displaystyle n=2}
,此時可取為
C
∗
{\displaystyle \mathbb {C} ^{*}}
。)
從以上各列表,可以觀察出一個結論,類似西蒙斯斷言黎曼和樂群遞移作用於球面:複和樂表示皆為預齊性向量空間 。但是,未知此事實的概念性證明。
不可約實仿射和樂的分類,用「實仿射和樂複化成複仿射和樂」此結論,結合上表,仔細分析便得。
参见
脚注
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^ Markushevich, A.I. 2005 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFMarkushevich,_A.I.2005 (幫助 )
^ Golwala 2007 ,第65–66頁
^ Spivak 1999 ,第241頁
^ Sternberg 1964 ,Theorem VII.1.2
^ Kobayashi & Nomizu 1963 ,Volume I, §II.8
^ Kobayashi & Nomizu ,§IV.5 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFKobayashiNomizu (幫助 )
^ 定理亦可推廣至非單連通流形,但敍述更複雜。
^ Kobayashi, Nomizu & §IV.6 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFKobayashiNomizu§IV.6 (幫助 )
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