流形,英文manifold01,直译似为“多层空间”,:磁场强度H沿任何闭合路径的线积分nq0:等于这闭合路径所包围的各个电流之

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流形,英文manifold,直译似为“多层空间”,

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btsmth 数学科学 Atiyah-Singer指标定理漫谈(谨以此文纪念几何大师陈省身陈老)
2011-10-28 22:37:58
一位普通的业余数学漫步者。∮ω=∫dω-----知道这个公式就没白学过微积分.
∑ind p = χ(M), ∫∫K(x)dA = 2πχ(M), χ(M) = V-E+F = 2(1-g)
H^p ≌ H_{n-p}
↓ ↓ ω = dα + δβ + γ , △γ=0 , y^2=x(x-a^p)(x+b^p)
H_p ≌ H^{n-p}
A-S: dim kerD - dim cokerD = ∫_{T^*M}Ch[σ(D)]∧Td(M)


Atiyah-Singer指标定理漫谈(谨以此文纪念几何大师陈省身陈老)

http://www.btsmth.com/show_topic.php?en_name=Mathematics&gid=108674
楼主 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方)
谨以此文纪念几何大师陈省身陈老诞辰100周年∫∫K(x)dA = 2πχ(M)

Atiyah-Singer指标定理漫谈

今天是几何大师陈省身陈老诞辰100周年,为表示对陈老纪念,破例写篇长文以自己的方式缅怀陈老!
按陈老的观点,如果从20世纪众多数学成果中选出两个代表,那几乎必然是费马大定理(FLT)和Atiyah-Singer指标定理(A-S)了。
本文根据张伟平院士关于《Atiyah-Singer指标定理简介》的科普讲座(见下方链接),以及个人对指标定理的理解简单整理成文。

http://www.nim.nankai.edu.cn/activites/lecture_2007.htm(第31讲)

按我个人的理解,尽管数学中很多大定理的证明细节是琐碎和巨大的,但如果抽丝剥茧后,其核心思路是清晰的。记得网上有几篇网
友写的关于指标定理的文章,试图尽力解释A-S,但似乎不太理想。本文也试图尝试解释下A-S,不过限于篇幅和精力,本文以漫谈形
式简单回顾下Atiyah-Singer指标定理。注:不过也不能指望本文很通俗易懂。

似乎数学中每一个大定理都要涉及如下问题:许多研究对象、一堆概念以及这些对象之间的关系(如映射等)。Atiyah-Singer指标
定理横跨分析、微分几何和拓扑三大领域,涉及了许多现代数学概念,以至于要明白这个定理在说些什么都不是一件太容易的事情。
为避免文章内容过于庞大,而迷失重点,诸如流形,度量,联络,曲率形式,微分形式,de Rham上同调,流形上Stokes公式,向量
丛(如切丛和余切丛)和截面等概念,可参看陈老的名著《微分几何讲义》,里面说的很细致,这里不细说了。

个人观点:了解以上概念,并有一些拓扑知识,再通过适当默认某些概念和结论,应该可以认识Atiyah-Singer指标定理的轮廓了。
当然,想了解数学细节还是那句老话---看原始作者的原创文章,即Atiyah和Singer的五篇经典论文,别无二法。

先给出Atiyah-Singer指标定理的一个粗略描述:
设M是n维紧致可定向光滑流形, D是M上的所谓椭圆微分算子(一种线性算子),满足核空间ker D和余核空间coker D都是有限维的
(学过泛函分析的人易知这个D是Fredholm型算子)。因此可以定义一个整数 a-ind(D):= dim ker D - dim coker D,称为D的解析指标。

指标定理说明: dim ker D - dim coker D = ∫_{M}{陈类} (这是张伟平院士习惯的科普写法)

其中,陈类是流形上的拓扑不变量,由de Rham定理知陈类可由微分形式表示,{陈类}则表示与陈类有关的多项式,∫_{M}{陈类}
可称为拓扑指标。因此,指标定理定理也可表述为:解析指标 = 拓扑指标。

解析指标的定义比较自然,而拓扑指标就有些复杂了,{陈类}具体展开其形式十分复杂---神奇的是它在底流形M上的积分为整数。
以这两种截然不同的方式定义了两个整数是相等的,这就是解析指标 = 拓扑指标的含义。

流形,英文manifold,直译似为“多层空间”,此概念最早由Riemann提出,后由外尔给出严格表述。“流形”的中文译名据说出自
拓扑学家江泽涵,取自文天祥的正气歌里一句“天地有正气,杂然赋流形。”这里的流形有多样化的意思,与Riemann的原始想法很
接近。数学老师们(如科大的龚升老先生)在讲流形时喜欢用“局部欧”来相容流形,即在同胚意义下,局部看流形就是欧式空间。
整体看却十分复杂。流形的严格数学定义很抽象,这里不细说了。

联络的英文直译似为“联系”,但究竟联系着什么,伍鸿熙老师的解释是“联系着切空间”,在其著作《黎曼几何初步》一书中伍鸿
熙老师花了30页的篇幅来讲联络,对联络这一概念进行相当详细地剖析,推荐一看。

曲率这个名字有些神秘,高维空间究竟“曲”在哪里?如果说联络是方向导数的推广,那么在欧式空间中对光滑函数累次求导与顺序
无关(相当于求导次序可交换)这一性质推广到联络未必成立,那么曲率形式R(X,Y)=[D_X,D_Y]-D_[X,Y]意味着某种非交换性,以此
来体现空间的非对称性,这算是对“曲”的一种解释。也有人说,平行移动可以解释“曲”的性质,还有人说和乐群也能解释空间弯
曲,这已经超过了我的能力范围了。希望有明白人能详细说说。

陈老的书似乎更注重向量丛上的曲率形式(二次微分形式),记ω为联络方阵,则曲率方阵为 Ω=dω+ωΛω,在坐标变换下曲率方
阵有着很好的齐次性质。曲率方阵里的元素为2次形式,是可以交换的,这样可以引进微分形式的“多项式”,陈类就源于此思路。

陈老曾经评论说:线性代数研究一个线性空间,自然考虑一族线性空间,这就引出了向量丛的概念;平面曲线的曲率是二阶导数,曲率
形式是二阶导数在高维空间的推广。关于向量丛有一个比喻很形象:将脑袋视作一个底流形,头发就是向量丛,每根头发相当于一个线
性空间。当然这个例子对应的是平凡从,而向量丛E通常是局部平凡而整体不平凡的,由流形M来参数化。

向量丛的代表是切丛和余切丛,为直观理解还得退回到低维情形。注意到流形是曲面的某种高维类似物,切空间是切平面的高维推广。
一族切空间就是切丛。余切空间似乎就没有几何直观可类比了。不过对于充满“对偶精神”的人,他/她认为显然,切空间的对偶空间
(切空间上的线性函数所成空间)就是余切空间,一堆余切空间就是余切丛了。

为什么要研究向量丛呢?一个理由是向量丛是线性空间之集合,其结构性质通常要比底流形好(操作相对容易等等),又因为向量丛是“种”
在底流形上的,这样我们可以使用“逼近”思想。很多底流形上难处理的问题可以“飞到”向量丛上来处理,然后在拉回底流形上去。


截面可视作函数的推广,设π:E-->M为投影映射,截面s:M-->E,使得复合映射 πs:M-->M为恒等映射。例子:切丛上的截面为向量场。
有时候为了方便形象,人们不区分映射s与其像集s(x),下面的例子可以形象地描述下截面s(x):考虑二维平面,X-轴视作底流形M,
与X-轴相交(例如垂直)的一族平行直线可视作向量丛E,则s(x)的图像是一条曲线,这是通常的函数图像。

前面提及了向量丛通常是整体非平凡的,那么如何来区分不等价的向量丛呢?这就引出了示性类的概念,它是底流形上的上同调不变量。
借助de Rham定理,我们可以用微分形式来表示某些示性类。陈老的贡献是利用曲率形式构造了“陈类”,这是底流形M上的一种重要的
拓扑不变量,同时陈老也给出了获得陈类的可操作实用方法(这一点可能更重要)。注:陈类可能是陈老最重要的数学贡献!

陈类的构造思路大致如下:对流形M上的复n维向量丛E,取定联络方阵ω,则对应曲率方阵为 Ω=dω+ωΛω,

考虑 det(I + (i/2π)Ω) = 1 + c_1(Ω)+...+c_n(Ω)

其中c_k(Ω)为2k次微分形式,称为第k个陈类,陈老证明它们属于de Rham上同调,且与联络的选取无关,对应到一个de Rham上同调类
c_k(E)∈H^2k(M,Z),记c(E)=1 + c_1(E)+...+c_n(E),称为总陈类。


我们前面指出曲率形式是2次形式可交换,因而有了类似多项式环的结构。从陈类构造角度看,要从代数不变量入手,这些陈类是“矩阵
特征值”的对称多项式。假定存在分解 c(E)=(1+x_1)(1+x_2)...(1+x_n),展开可知

c_1(E)=x_1+x_2+...+x_n
... ...
c_n(E)=x_1x_2...x_n
即这些陈类为x_1,x_2,...,x_n的初等对称多项式。

当然,上面c(E)=(1+x_1)(1+x_2)...(1+x_n)是形式分解.当复向量丛E可以表示成复线丛L1,L2,...,Ln的直和时,
因为c(Li)=1+c_1(Li)=1+x_i,所以此时存在分解c(E)=(1+x_1)(1+x_2)...(1+x_n)。

不过好在我们有下面的“分裂原理”:该原理说,为证明关于陈类的多项式恒等式成立,只需要证明在“线丛分解”假设成立情况下,即
假设存在分解c(E)=(1+x_1)(1+x_2)...(1+x_n),证明恒等式成立即可。


x_1,x_2,...,x_n称为幻影不定元或陈根。由对称多项式理论知关于x_1,x_2,...,x_n的任意对称多项式都可以由初等对称多项
式c_1(E),...,c_n(E)表示。这样结合分裂原理,我们得到一种操作方法:先代入x_1,x_2,...,x_n进行形式计算,得到结果后再用
c_1(E),...,c_n(E)来替换x_1,x_2,...,x_n。

由此我们可以定义“陈特征”Ch:Ch(E):= e^{x_1}+...+e^{x_n}

和Todd类:Td(E)=(x_1/(1-e^{-x_1}))...(x_n/(1-e^{-x_n}))

上面的定义都是形式幂级数,不过因为紧致流形M是有限维的,所以幂级数实际是多项式。


下面说说椭圆微分算子D

设M是紧致光滑可定向流形,E,F是M上的复向量丛,记T(E)和T(F)分别表示E,F截面的集合。椭圆微分算子定义为D:T(E)-->T(F),
这是一个整体的定义,其局部表示为
D = ∑a_p(x)D^p, p<=N,N为微分算子的最高阶。D^p是一些偏导数算子(这里不方便表示),不同坐标下可能会引进一些低次
交叉项(类比直角坐标和极坐标下Laplace方程形式)。

我们仅仅关心最高阶项,引入“主象征”这一概念。即用 i*dx^j(i为虚数),代替偏导算子d/dx_j,这实质上在做Fourier变换。

得到σ(x,ζ)=∑a_p(x)ζ^p , p=N

若固定x,得到 σ( ,ζ):E_x --> F_x是一个同构(对所以x成立),则称微分算子D是椭圆的(自然要求E,F维数相同)。
举个平凡例子:C-R算子--- D= d/dx + i*d/dy, 则其主象征σ(D)= i*ζ_1-ζ_2= i*(ζ_1+i*ζ_2)可逆,故C-R算子是椭圆的。

对椭圆微分算子D定义核空间 ker D={s∈T(E):Ds=0} ,余核空间 coker D= T(F)/Im(D) ,Im(D)=DT(E)
它们都是有限维的,因而可以定义解析指标 a-ind(D):= dim ker D - dim coker D
大数学家盖尔芳得曾猜想解析指标a-ind(D)应该是一个拓扑不变量,但他不知道是哪些拓扑不变量。

Atiyah和Singer经过努力证明了下面:
(Atiyah-Singer指标定理)dim ker D - dim coker D = ∫_{M} Ch(D)Td(M)

Atiyah最早使用了配边理论,后来改用简化K-理论简化了原证明,第三种证法是热方程方法。下面简单介绍下指标定理的K-理论证明
思路。思路还是很简单的:利用K-理论,Atiyah用一种抽象方法重新定义了“拓扑指标t-ind”,并且证明t-ind的上同调表示为
t-ind(D)=∫_{M} Ch(D)Td(M)

为证明“解析指标=拓扑指标”,Atiyah采用了公理化方法,建立了两条公理A和B,并证明满足公理A和B的拓扑指标是惟一的。剩下的
工作就是分别“验证”解析指标和拓扑指标满足公理A和B,由惟一性等号成立。当然,验证过程还有很多细节要处理的。

K-理论被Atiyah称为线性空间上代数拓扑,用来处理流形上的复向量丛同构类的。设X为一紧豪斯多夫空间,V(X)代表X上的所有复向量
丛等价类。设P(V)表示V(X)中元素对(E,F)的集合,引入等价关系“~”:
称(E,F)~(E1,F1) ,若存在丛G,使得E+F1+G = E1+F+G。再做商集 P(V)/~ =:K(X),K(X)是一个Abei群。

设M是紧致光滑可定向流形,对切丛TM,Atiyah诱导定义出了K(TM). 因为M紧致,故对充分大的整数m,M可嵌入到高维欧式空间R^m中,
对嵌入i:M-->R^m,扩充为嵌入i:TM-->TR^m. Atiyah由此抽象地定义了一个同态 i_{!}满足
i_{!}: K(TM)-->K(TR^m)

特别地,设P为单点集,嵌入j:P-->R^m映到原点,由此定义出的j_{!}:K(TP)-->K(TR^m)是一个同构。(TP也是单点集,K(TP)同构于
整数集Z)

拓扑指标定义为复合映射 t-ind : K(TM)-->K(TR^m)-->K(TP) ≌ Z,即t-ind=j_{!}^{-1}(i_{!}),
Atiyah证明了这样定义的拓扑指标不依赖于嵌入的选取,因而是个well定义。
K(TM)中的元素u称为象征,给定u,Atiyah导出了拓扑指标的上同调形式(配合),

t-ind(u)= {Ch(u)Td(TM⊙C)}[TM], 其中TM⊙C表示复化切丛。(在拓扑中不区分切丛和余切丛)

注:陈特征有这个性质,它是一个环同态 Ch:K(X)-->H^*(X;Q). 若X满足其它条件(如X是CW复形),则Ch是环同构。

对椭圆微分算子D,其对应的象征类[E,F,σ(D)]∈K(TM),[E,F,σ(D)]有时也记作σ(D),所以写成积分形式

t-ind σ(D) = ∫_{T^*M} Ch[σ(D)]Td(TM⊙C)

在处理解析指标时发现两个问题:1.主象征相同的椭圆微分算子具有相同的解析指标;2.对奇数维流形,任取u∈K(T^*M),未必存在一个
椭圆微分算子D,使得σ(D)=u。

问题1使得我们集中讨论主象征;问题2通过引入所谓椭圆拟-微分算子来解决。

因而Atiyah-Singer指标定理的标准形式如下:

dim ker D - dim coker D = ∫_{T^*M} Ch[σ(D)]Td(TM⊙C)

说明:这里使用的是紧支上同调。

另外一种常见表示是底流形M上的,这就需要利用Thom同构φ^{-1}拉回到底流形M上。记Ch(D)=φ^{-1}(Ch[σ(D)]),Td(M)=Td(TM⊙C)


dim ker D - dim coker D = ∫_{M} Ch(D)Td(M)

注:1. 有的A-S定理表述带有正负号,可通过约定定向规避。
2. 可定义ind(u)=a-ind(D),其中σ(D)=u. 然后利用公理化方法证明 ind(u)=t-ind(u)。
3. 拓扑表达式中为什么出现Todd类Td(M)? 因为证明要使用交换图表,为使得陈特征能与Thom同构交换,必须乘以一个“关联因子”,
而Todd类与这个关联因子有关。
4. Atiyah最初发现所谓Spin流形的A-亏格是整数,始终不解。他像Singer请教,Singer起初也想不明白,后来有一天来了灵感,
发现A-亏格是Dirac算子的解析指标,因而Atiyah和Singer开始专研Dirac算子。后来Smale(证明4维以上Poincare猜想那位大师)
路过牛津,与Atiyah聊起彼此工作时提到了那个问题。Smale说前几天他看到盖尔芳得的一篇讲椭圆算子指标的文章,建议Atiyah去看看。
Atiyah后来感慨到,需要突破Dirac算子的局限而考虑更广泛的椭圆算子,才有了Atiyah-Singer指标定理。

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djh89 (Joshiwa)
welcome back! O(∩_∩)O~


【 在 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方) 的大作中提到: 】
: 谨以此文纪念几何大师陈省身陈老诞辰100周年∫∫K(x)dA = 2πχ(M)
: Atiyah-Singer指标定理漫谈
: 今天是几何大师陈省身陈老诞辰100周年,为表示对陈老纪念,破例写篇长文以自己的
方式缅怀陈老!
: ...................
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2011-10-28 23:48:51
nowheredense (dudu)
流形周易里就有了,品物流形
支持 回复 删除
2011-10-29 19:11:55
veeka1 (阿莱)
请问你是学什么专业的呀,对数学这么有兴趣,发过数学类的论文吗?


【 在 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方) 的大作中提到: 】
: 谨以此文纪念几何大师陈省身陈老诞辰100周年∫∫K(x)dA = 2πχ(M)
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2011-10-29 19:45:16
sesame (飧粮斛)
这关闭得也太久了吧
【 在 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方) 的大作中提到: 】
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2011-10-29 21:14:46
一位普通的业余数学漫步者。∮ω=∫dω-----知道这个公式就没白学过微积分.
∑ind p = χ(M), ∫∫K(x)dA = 2πχ(M), χ(M) = V-E+F = 2(1-g)
H^p ≌ H_{n-p}
↓ ↓ ω = dα + δβ + γ , △γ=0 , y^2=x(x-a^p)(x+b^p)
H_p ≌ H^{n-p}
A-S: dim kerD - dim cokerD = ∫_{T^*M}Ch[σ(D)]∧Td(M)


楼主 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方)
隔了一天再看,小错误还不少,比如主象征那块应该是用i*ζ_j代替d/dx_j,不过大体思路还是对的。btw,大家可以练习下改错。

另外,补充几个关于陈老的视频资料


陈省身:数学之美
http://v.youku.com/v_show/id_XMjIwMzg1MTY0.html

山长水远:陈省身的一生(英文)
http://v.youku.com/v_show/id_XMjE0NTY2NTU2.html

陈省身香港科大演讲经典(大实话)
http://v.youku.com/v_show/id_XMTE1OTc3MDQ4.html

最近科学出版社翻印了关于陈老的《陈省身文选》,等价78元,够狠!粗略看了下,感觉内容90%以上同华东师大出版社的《陈省身文集》。

今日国内外众多院士汇集南开纪念陈老诞辰100周年,想来应该有不少活动吧!


【 在 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方) 的大作中提到: 】
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: Atiyah-Singer指标定理漫谈
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: ...................
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2011-10-30 08:09:37
djh89 (Joshiwa)
谢谢 scibird, 这两天从优酷下了不少东西,慢慢看。
不过,我发现,找专业的东西,右边的相关还算相关,
但是我昨天找高中数学,右边的相关都是色情。这算什么事儿啊,O(∩_∩)O~

陈省身曾经到我们学校讲过一次课,关于不变量和某个什么东西的存在性,
我有幸听了,但是完全没有听懂。O(∩_∩)O~
那个时候如果也做录像,现在就可以再看看,或许能理解一部分。

印象较深的还有周光绍在我们学校做的关于天体物理的演讲。
也是不懂。O(∩_∩)O~,只记得周先生夸自己的秘书字写得好,
制作的幻灯片很漂亮。真是伟人风范啊,O(∩_∩)O~


【 在 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方) 的大作中提到: 】
: 隔了一天再看,小错误还不少,比如主象征那块应该是用i*ζ_j代替d/dx_j,不过大
体思路还是对的。btw,大家可以练习下改错。
: 另外,补充几个关于陈老的视频资料
: 陈省身:数学之美
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2011-10-30 11:27:49
djh89 (Joshiwa)
这算什么视频资料啊,看了俩小时,睡了一个半。
里头根本就没有数学,除了马屁还是马屁,除了名利还是名利。
连strongart都不如。纯粹的垃圾视频。

后面的同学不要再上当啦。O(∩_∩)O~



【 在 SCIbird (自然,深刻与神奇是数学最吸引我的地方) 的大作中提到: 】
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思路还是对的。btw,大家可以练习下改错。
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