霍奇理論
正文
關於調和微分形式的理論。19世紀德國數學家(G.F.)B.黎曼利用狄利克雷原理,將單復變數的代數函式及其積分,和一系列函式類的存在,建立在黎曼曲面的拓撲和勢的構造上。這門學問推廣到高維流形時,霍奇理論進一步揭示了分析與拓撲之間的深刻聯繫,給當代流形上分析的整體研究以巨大影響。這個理論為英國數學家W.V.D.霍奇首創於30年代,而後為小平邦彥等數學家大大發展與套用。
設M為n維黎曼流形,在局部坐標系(x1,x2,…,xn)中,黎曼度量表示成
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在Er上定義外微分運算元d如下:對於函式ƒ∈E0,dƒ=
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利用線性運算元*:Er→Enn-r(*運算元或霍奇運算元)可將δ,從而Δ明確地局部表示出來。運算元*滿足條件
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滿足方程dφ=0的φ稱為閉微分形式。若存在α,使φ=dα, 則φ稱為正合微分形式。由於d2=0,正合形式必是閉的。若dφ=0,δφ=0同時成立,稱φ為調和微分形式。德·拉姆定理指出,德·拉姆上同調群{閉的r階C∞微分形式}/{正合的r階C∞微分形式}與實係數的r 階奇異上同調群同構,而霍奇理論即要表明在每個上同調類中是否存在調和的微分形式。
緊黎曼流形 設M是緊的黎曼流形,則Δφ=0意味著φ調和,因為(Δφ,φ)=(dφ,dφ)+(δφ,δφ),從而dφ=0,δφ=0。記lr為Er按上述範數完備化的希爾伯特空間,那么d,δ,Δ均可擴充定義到整個lr上。這時δ為d的共軛運算元,Δ為自共軛的橢圓型運算元。對於Δφ=α的任一弱解φ,在α是C∞微分形式時,φ也是C∞的。因此任一調和微分形式均是C∞光滑的。以Hr記M的 r階調和微分形式全體,P:lr→Hr為射影運算元,那么霍奇理論的中心結果為下述分解:
①lr=Δ(lr)
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易知對任一α∈Δ(lr),Δφ =α在Δ(lr)中的解惟一。
② 存在格林運算元G:lr→Δ(lr),Gα=φ,對β∈Hr,Gβ=0。
由定義,GP=PG=0, P+ΔG =I,Gd=dG,Gδ=δG,於是對每個φ∈lr,dφ =0者, 由①得φ=dδGφ +Pφ。它表明調和形式Pφ與φ在同一個德·拉姆上同調類內,且是這個類中惟一的調和形式。
③ 實係數的r階奇異上同調群與 r階調和形式空間Hr同構。
④ Hr為有限維向量空間。若記hr=dimHr,ⅹ(M)為M的歐拉示性數,則ⅹ(M)=∑(-1)rhr。
如果考慮帶有某種奇性的微分形式所構成的希爾伯特空間時,就得到黎曼曲面上第二、三類阿貝爾微分的推廣。
全純向量叢 設π:E →M是秩為l的全純向量叢。M是緊的復m 維埃爾米特流形。令A(p,q)(E)為係數在E 中的C∞(p,q)形式全體。{Tjk}是定義在M的坐標覆蓋{Uj}上能確定E的轉移函式矩陣。這時 φ∈A(p,q)(E)在Uj上表示成
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E 的纖維上的埃爾米特形式是由每個Uj上給出一個正定形式
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令
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② 存在格林運算元G:lp,q→□(lp,q),在□(lp,q)上一一。Gφ=0,φ∈Hp,q。□G+P=I。
③ 若φ為閉形式,則Pφ與φ在同一個多博爾特上同調類即
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④Hp,q為有限維向量空間。
凱勒流形 設M為緊的凱勒流形,它的凱勒度量為
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當M是非緊流形時,對於不同的微分形式所構成的希爾伯特空間有相應的空間分解。當M為某個流形上有邊界的區域時,將導致各類紐曼問題。特別地, 當M是複流形中有光滑邊界的區域時,產生著名的扺-紐曼問題,它對於多複變函數論、超定微分方程組、擬微分運算元等學科的發展起了重大作用(見多複變函數論)。
由霍奇理論可知底流形的拓撲影響著調和形式的存在與否,存在多少;反過來,由流形的度量往往能夠知道調和形式的存在與否,從而產生了許多上同調群的消隱定理。
參考書目
W.V.D.Hodge,The Theory and Applications of harmonic Integrals,2nd ed., Cambridge Univ.Press, Cambridge, 1952.
K.Kodaira,Harmonic Fields in Riemannian Manifolds,Ann. of Math.,50, pp. 587~665, 1949.
K.Kodaira,On a Differential-Geometric Method in the Theory of Analytic Stacks,Proc. nat.Acad. Sci. U. S. A.,39, pp. 1268~1273, 1953.
J.J.Kohn,Harmonic Integrals on Strongly Pseudoconvex Manifolds, I,Ann. of Math.,78, pp. 112~148, 1963;Ⅱ,ibid,79, pp. 450~472, 1964.
S.Nakano,On Complex Analytic Vector Bundles,J. Math. Soc.Japan 7, pp. 1~12, 1955.