Теория Ходжа - Hodge theory

В математике , теория Ходжи , названная в честь Ходж , является методом для изучения когомологий групп из более гладкого многообразия М с помощью дифференциальных уравнений . Ключевое наблюдение состоит в том, что при наличии римановой метрики на M каждый класс когомологий имеет канонического представителя - дифференциальную форму, которая обращается в нуль под действием лапласовского оператора метрики. Такие формы называются гармоническими .

Теория была разработана Ходжем в 1930-х годах для изучения алгебраической геометрии и основана на работе Жоржа де Рама по когомологиям де Рама . Он имеет основные приложения в двух средах: римановы многообразия и кэлеровы многообразия . Первичная мотивация Ходжа - изучение сложных проективных многообразий - охватывается последним случаем. Теория Ходжа стала важным инструментом в алгебраической геометрии, особенно благодаря ее связи с изучением алгебраических циклов .

Хотя теория Ходжа по сути зависит от действительных и комплексных чисел, ее можно применить к вопросам теории чисел . В арифметических ситуациях инструменты p -адической теории Ходжа дали альтернативные доказательства или результаты, аналогичные классической теории Ходжа.

История

Область алгебраической топологии еще только зарождалась в 1920-х годах. В нем еще не было развито понятие когомологий , а взаимодействие между дифференциальными формами и топологией было плохо изучено. В 1928 году Эли Картан опубликовал заметку под названием Sur les nombres de Betti des espaces de groupes clos, в которой он предположил, но не доказал, что дифференциальные формы и топология должны быть связаны. Прочитав ее, Жорж де Рам, тогда еще студент, сразу же почувствовал вдохновение. В своей диссертации 1931 года он доказал впечатляющий результат, который теперь называется теоремой де Рама . По теореме Стокса интегрирование дифференциальных форм по сингулярным цепям индуцирует для любого компактного гладкого многообразия M билинейное спаривание

Как было первоначально заявлено, теорема де Рама утверждает, что это идеальное спаривание , и что, следовательно, каждый из членов в левой части является двойным векторным пространством друг друга. На современном языке теорема де Рама чаще формулируется как утверждение, что особые когомологии с действительными коэффициентами изоморфны когомологиям де Рама:

Таким образом, первоначальное утверждение де Рама является следствием двойственности Пуанкаре .

Отдельно в 1927 году работа Соломона Лефшеца использовала топологические методы для опровержения теорем Римана . Говоря современным языком, если ω 1 и ω 2 являются голоморфными дифференциалами на алгебраической кривой C , то их произведение клина обязательно равно нулю, потому что C имеет только одну комплексную размерность; следовательно, чашечное произведение их классов когомологий равно нулю, и, когда его сделали явным, это дало Лефшецу новое доказательство соотношений Римана . Кроме того, если ω - ненулевой голоморфный дифференциал, то это форма положительного объема, из которой Лефшец смог заново вывести неравенства Римана. В 1929 году У. В. Д. Ходж узнал о статье Лефшеца. Он сразу заметил, что аналогичные принципы применимы к алгебраическим поверхностям. Точнее, если ω - ненулевая голоморфная форма на алгебраической поверхности, то положительна, поэтому чашечное произведение и должно быть ненулевым. Отсюда следует, что ω сам должен представлять ненулевой класс когомологий, поэтому все его периоды не могут быть нулевыми. Это решило вопрос Севери.

Ходж считал, что эти методы должны быть применимы и к многомерным разновидностям. Его коллега Питер Фрейзер рекомендовал ему диссертацию де Рама. Читая тезис де Рама, Ходж понял, что действительная и мнимая части голоморфной 1-формы на римановой поверхности в некотором смысле двойственны друг другу. Он подозревал, что подобная двойственность должна существовать и в более высоких измерениях; эта двойственность теперь известна как звездный оператор Ходжа . Далее он предположил, что у каждого класса когомологий должен быть выделенный представитель, обладающий тем свойством, что и он, и двойственный ему обращаются в нуль под действием оператора внешней производной; теперь они называются гармоническими формами. Ходж посвятил этой проблеме большую часть 1930-х годов. Его первая опубликованная попытка доказательства появилась в 1933 году, но он считал ее «в высшей степени грубой». Герман Вейль , один из самых блестящих математиков того времени, обнаружил, что не может определить, было ли доказательство Ходжа правильным или нет. В 1936 году Ходж опубликовал новое доказательство. Хотя Ходж считал новое доказательство намного превосходящим его, Боненбласт обнаружил серьезный недостаток. Независимо, Герман Вейль и Кунихико Кодаира модифицировали доказательство Ходжа, чтобы исправить ошибку. Это установило искомый Ходжем изоморфизм между гармоническими формами и классами когомологий.

Оглядываясь назад, становится ясно, что технические трудности теоремы существования на самом деле не требовали каких-либо значительных новых идей, а просто тщательного расширения классических методов. Настоящая новизна, которая была главным вкладом Ходжа, заключалась в концепции гармонических интегралов и их связи с алгебраической геометрией. Этот триумф концепции над техникой напоминает аналогичный эпизод в творчестве великого предшественника Ходжа Бернхарда Римана.

- MF Atiyah , William Vallance Douglas Hodge, 17 июня 1903 - 7 июля 1975, Биографические воспоминания членов Королевского общества , т. 22, 1976, стр. 169–192.

Теория Ходжа для вещественных многообразий

Когомологии де Рама

Теория Ходжа ссылается на комплекс де Рама . Пусть M - гладкое многообразие . Для натурального числа к , пусть Ω к ( М ) является реальным векторное пространство гладких дифференциальных форм степени к на М . Комплекс де Рама - это последовательность дифференциальных операторов

где d k обозначает внешнюю производную на Ω k ( M ). Это коцепной комплекс в том смысле, что d k +1d k = 0 (также пишется d 2 = 0 ). Теорема де Рама говорит , что единственное число когомологий из M с вещественными коэффициентами вычисляется де Рама комплекса:

Операторы в теории Ходжа

Выберем риманову метрику g на M и вспомним, что:

Метрические дает скалярное произведение на каждом слое путем расширения (см Определитель Грама ) скалярное произведение , индуцированное г от каждого кокасательному волокна к его внешнему продукта : . Затем внутренний продукт определяется как интеграл точечного внутреннего произведения данной пары k -форм над M относительно формы объема, связанной с g . Явно, учитывая некоторые, мы имеем

Естественно, что указанное выше внутреннее произведение индуцирует норму, если эта норма конечна на некоторой фиксированной k- форме:

тогда подынтегральное выражение - это вещественнозначная квадратично интегрируемая функция на M , вычисляемая в данной точке через ее точечные нормы,

Рассмотрим сопряженный оператор из D относительно этих внутренних продуктов:

Тогда лапласиан на формах определяется формулой

Это линейный дифференциальный оператор второго порядка, обобщающий лапласиан для функций на R n . По определению форма на M является гармонической, если ее лапласиан равен нулю:

Лапласиан впервые появился в математической физике . В частности, уравнения Максвелла говорят, что электромагнитный потенциал в вакууме представляет собой 1-форму A, которая имеет внешнюю производную dA = F , где F - 2-форма, представляющая электромагнитное поле, такое что Δ A = 0 в пространстве-времени, рассматриваемом как Минковский пространство размерности 4.

Каждая гармоническая форма α на замкнутом римановом многообразии замкнута , что означает, что = 0 . В результате получается каноническое отображение . Теорема Ходжа утверждает, что это изоморфизм векторных пространств. Другими словами, каждый класс вещественных когомологий на M имеет единственного гармонического представителя. В частности, гармонический представитель является единственной замкнутой формой минимальной L 2 нормы , что представляет собой данный класс когомологий. Теорема Ходжа была доказана с использованием теории эллиптических уравнений в частных производных, причем первоначальные аргументы Ходжа были дополнены Кодаирой и другими в 1940-х годах.

Например, из теоремы Ходжа следует, что группы когомологий с вещественными коэффициентами замкнутого многообразия конечномерны . (Правда, есть и другие способы доказать это.) Действительно, операторы Δ эллиптические, и ядро эллиптического оператора на замкнутом многообразии всегда является конечномерным векторным пространством. Другое следствие теоремы Ходжа состоит в том, что риманова метрика на замкнутом многообразии M определяет вещественнозначное скалярное произведение на интегральных когомологиях M по модулю кручения . Из этого следует, что , например, образ изометрии группы из М в общей линейной группе GL ( Н * ( М , Z )) конечен (так как группа изометрий решетки конечна).

Вариантом теоремы Ходжа является разложение Ходжа . Это говорит о том, что существует единственное разложение любой дифференциальной формы ω на замкнутом римановом многообразии в сумму трех частей в виде

в котором γ гармонический: Δ γ = 0 . В терминах L 2 метрики на дифференциальных формах, это дает ортогональную прямую сумму разложения:

Разложение Ходжа является обобщением разложения Гельмгольца для комплекса де Рама.

Теория Ходжа эллиптических комплексов

Атья и Ботт определили эллиптические комплексы как обобщение комплекса де Рама. Теорема Ходжа распространяется на этот случай следующим образом. Пусть - векторные расслоения , снабженные метрикой, на замкнутом гладком многообразии M с формой объема  dV . Предположим, что

- линейные дифференциальные операторы, действующие на C сечениях этих векторных расслоений, и что индуцированная последовательность

представляет собой эллиптический комплекс. Введите прямые суммы:

и пусть L * является сопряженным к L . Определим эллиптический оператор А = LL * + L * L . Как и в случае де Рама, это дает векторное пространство гармонических сечений

Пусть ортогональная проекция, и пусть G будет в оператор Грина для А. Теорема Ходжа утверждает следующее:

  1. H и G определены правильно.
  2. Id = H + Δ G = H + G Δ
  3. LG = GL , L G = GL
  4. Когомологии комплекса канонически изоморфны пространству гармонических секций в том смысле, что каждый класс когомологий имеет единственного гармонического представителя.

В этой ситуации также существует разложение Ходжа, обобщающее приведенное выше утверждение для комплекса де Рама.

Теория Ходжа для комплексных проективных многообразий

Пусть X является гладким комплексное проективное многообразие, а это означает , что X является замкнутым комплексным подмногообразием некоторого комплексного проективного пространства СР N . По теореме Ей , комплексные проективные многообразия автоматически алгебраические: они определяются в нуле однородных полиномиальных уравнений на CP N . Стандартная риманова метрика на СР N индуцирует риманову метрику на X , который имеет сильную совместимость со сложной структурой, что делает X Кэлерово многообразия .

Для комплексного многообразия X и натурального числа r любую C r -форму на X (с комплексными коэффициентами) можно однозначно записать как сумму форм типа ( p , q ) с p + q = r , что означает формы, которые локально можно записать в виде конечной суммы членов, причем каждый член принимает вид

где f - функция C ∞, а z s и w s голоморфные функции . На кэлеровом многообразии ( p , q ) компоненты гармонической формы снова гармоничны. Поэтому для любого компактного кэлерова многообразия X , Ходжа теорема дает разложение когомологий на X с комплексными коэффициентами как прямая суммой комплексных векторных пространств:

Фактически, это разложение не зависит от выбора кэлеровой метрики (но для общего компактного комплексного многообразия аналогичного разложения нет). С другой стороны, разложение Ходжи действительно зависит от структуры X как комплексное многообразие, тогда как в группе Н г ( Х , С ) зависит только от лежащего в основе топологического пространства в X .

Кусок H p , q ( X ) разложения Ходжа можно отождествить с группой когерентных пучков когомологий , которая зависит только от X как комплексного многообразия (а не от выбора кэлеровой метрики):

где Ω р обозначает пучок голоморфных р -форм на X . Например, Н р , 0 ( Х ) является пространство голоморфных р -форм на X . (Если X проективно, Серра «s GAGA теоремы следует , что голоморфная р -форма на все X фактически является алгебраической.)

Число Ходжа h p , q ( X ) означает размерность комплексного векторного пространства H p . q ( X ). Это важные инварианты гладкого комплексного проективного многообразия; они не меняются при непрерывном изменении комплексной структуры X , и все же в общем случае они не являются топологическими инвариантами. К свойствам чисел Ходжа относятся симметрия Ходжа h p , q = h q , p (поскольку H p , q ( X ) является комплексно сопряженным с H q , p ( X )) и h p , q = h n - p , n - q (по двойственности Серра ).

Числа Ходжа гладкого комплексного проективного многообразия (или компактного кэлерова многообразия) можно перечислить в ромбе Ходжа (показанном в случае комплексной размерности 2):

h 2,2
ч 2,1 h 1,2
h 2,0 h 1,1 ч 0,2
h 1,0 ч 0,1
ч 0,0

Например, любая гладкая проективная кривая из рода г имеет Hodge алмаз

1
грамм грамм
1

В качестве другого примера, каждая поверхность K3 имеет ромб Ходжа

1
0 0
1 20 1
0 0
1

Эти числа Бетти из X представляют собой сумму чисел Ходжа в данной строке. Основное применение теории Ходжа состоит в том, что нечетные числа Бетти b 2 a +1 гладкого комплексного проективного многообразия (или компактного кэлерова многообразия) четны в силу симметрии Ходжа. Это не верно для компактных комплексных многообразий в целом, как показано на примере на поверхности Хопфа , которая является диффеоморфен к S 1 × S 3 и , следовательно , имеет б 1 = 1 .

«Кэлеровский пакет» - это мощный набор ограничений на когомологии гладких комплексных проективных многообразий (или компактных кэлеровых многообразий), основанный на теории Ходжа. Результаты включают теорему Лефшеца о гиперплоскости , жесткую теорему Лефшеца и билинейные отношения Ходжа-Римана . Теория Ходжа и расширения, такие как неабелева теория Ходжа, также дают сильные ограничения на возможные фундаментальные группы компактных кэлеровых многообразий.

Алгебраические циклы и гипотеза Ходжа

Пусть X - гладкое комплексное проективное многообразие. Комплекс подмногообразие Y в X в коразмерности р определяет элемент группы когомологий . Кроме того, в результате класса имеет особое свойство: его образ в сложном когомологическом лежит в средней части разложения Ходжи . Гипотеза Ходжи предсказывает обратную: каждый элемент , образ которого в сложных когомологиях лежат в подпространстве должен иметь положительное целое кратное , что является -линейным сочетанием классов комплексных подмногообразие X . (Такая линейная комбинация называется алгебраическим циклом на X. )

Ключевым моментом является то, что разложение Ходжа - это разложение когомологий с комплексными коэффициентами, которое обычно не получается из разложения когомологий с целыми (или рациональными) коэффициентами. В результате пересечение

может быть намного меньше, чем кручение всей группы , даже если число Ходжа велико. Короче говоря, гипотеза Ходжа предсказывает , что возможные «формы» комплексных подмногообразий X (как описано на когомологии) определяются структурой Ходжа из X (комбинация целочисленных когомологий с разложением Ходжа комплексных когомологий).

Lefschetz (1,1) -теореме говорит о том , что гипотеза Ходжа верна для р = 1 (даже как единое целое, то есть без необходимости положительного кратному в заявлении).

Структура Ходж многообразия X описывает интегралы алгебраических дифференциальных форм на X над гомологическими классами в X . В этом смысле теория Ходжа связана с фундаментальной проблемой в исчислении : вообще не существует «формулы» для интеграла от алгебраической функции . В частности, определенные интегралы алгебраических функций, известные как периоды , могут быть трансцендентными числами . Сложность гипотезы Ходжа отражает непонимание таких интегралов в целом.

Пример: для гладкой комплексной проективной K3-поверхности X группа H 2 ( X , Z ) изоморфна Z 22 , а H 1,1 ( X ) изоморфна C 20 . Их пересечение может иметь ранг от 1 до 20; этот чин называется число Пикара из X . Пространство модулей всех проективных K3-поверхностей имеет счетно бесконечное множество компонент, каждая из которых имеет комплексную размерность 19. Подпространство K3-поверхностей с числом Пикара a имеет размерность 20− a . (Таким образом, для большинства проективных поверхностей K3 пересечение H 2 ( X , Z ) с H 1,1 ( X ) изоморфно Z , но для «специальных» поверхностей K3 пересечение может быть больше.)

Этот пример предлагает несколько различных ролей, которые теория Ходжа играет в комплексной алгебраической геометрии. Во-первых, теория Ходжа дает ограничения на то, какие топологические пространства могут иметь структуру гладкого комплексного проективного многообразия. Во-вторых, теория Ходжа дает информацию о пространстве модулей гладких комплексных проективных многообразий с заданным топологическим типом. Наилучший случай - это когда выполняется теорема Торелли , означающая, что многообразие определяется с точностью до изоморфизма своей структурой Ходжа. Наконец, теория Ходжа дает информацию о группе Чжоу алгебраических циклов на данном многообразии. Гипотеза Ходжа касается образа отображения цикла из групп Чоу в обычные когомологии, но теория Ходжа также дает информацию о ядре отображения цикла, например, с использованием промежуточных якобианов, которые построены из структуры Ходжа.

Обобщения

Смешанная теория Ходжа , разработанная Пьером Делинем , расширяет теорию Ходжа на все комплексные алгебраические многообразия, не обязательно гладкие или компактные. А именно, когомологии любого комплексного алгебраического многообразия имеют более общий тип разложения - смешанную структуру Ходжа .

Другое обобщение теории Ходжа на особые многообразия обеспечивается гомологиями пересечений . А именно, Морихико Сайто показал, что гомологии пересечений любого комплексного проективного многообразия (не обязательно гладкого) имеют чистую структуру Ходжа, как и в гладком случае. Фактически, весь пакет Кэлера продолжается до гомологий пересечений.

Фундаментальный аспект комплексной геометрии состоит в том, что существуют непрерывные семейства неизоморфных комплексных многообразий (которые все диффеоморфны как вещественные многообразия). Филлип Гриффитс понятие «ы о вариации структуры Ходжа описывает , как структура Ходжа гладкого комплексного проективного многообразия X изменяется , когда Х изменяется. С геометрической точки зрения, это равносильно изучению отображения периода, связанного с семейством разновидностей. Теория модулей Ходжа Сайто является обобщением. Грубо говоря, смешанный модуль Ходжа на многообразии X - это пучок смешанных структур Ходжа над X , который возник бы из семейства многообразий, которое не обязательно должно быть гладким или компактным.

Смотрите также

Примечания

использованная литература