Експоненційне відображення
Експоненційне відображення — узагальнення поняття експоненційної функції та експоненти матриці в диференціальній геометрії і зокрема рімановій геометрії.
Для многовида на якому задано деяку афінну зв'язність експоненціальне відображення діє з дотичного розшарування у многовид .
Експоненційне відображення зазвичай позначається , а його звуження на дотичний простір в точці позначається і називається експоненційним відображенням в точці .
Визначення
Нехай — деякий гладкий многовид на якому задана афінна зв'язність і . Для кожного вектора існує єдина геодезична , що виходить з точки (тобто ), така що . Дана геодезична лінія визначена в деякому околі нуля в і також з властивостей геодезичних ліній там де значення в правій частині є визначеним. Зокрема є визначеним в деякому околі нуля простору .
Експоненційне відображення вектора визначається як . Воно є визначене загалом лише в деякому околі нуля дотичного простору.
Зокрема для ріманових многовидів існує канонічна афінна зв'язність (зв'язність Леві-Чивіти), що узгоджується з рімановою структурою многовида. Відображення визначене як вище для цієї конкретної зв'язності називається експоненційним відображенням для ріманових многовидів.
Властивості
- .
- Для кожної точки існує таке число , що експоненційне відображення визначене для всіх векторів , які задовольняють умову
- Більш того, є дифеоморфізмом в деякому околі нуля в дотичному просторі в деякий окіл точки многовида . Таким чином, в деякому околі точки многовида визначене обернене експоненційне відображення (що також називається логарифмом і позначається ), що набуває значень в деякому околі нуля дотичного простору .
- Нехай тепер , така що для (де ) відображення є визначене. Тоді множина є відкритою підмножиною в і відображення визначене на буде теж диференційовним.
- У метрично повному рімановому многовиді експоненційне відображення визначено для будь-якого дотичного вектора (Теорема Хопфа — Рінова).
- Диференціал експоненціального відображення в будь-якій точці є тотожним лінійним оператором. Тобто
- для будь-якого . Тут ми ототожнюємо простір, дотичний до , з самим простором .
- Для груп Лі дотичний простір у одиничному елементі можна ідентифікувати із простором лівоінваріантних векторних полів, тобто полів для яких де позначає відображення множення зліва на елемент тобто: Для ненульового елемента відновідне лівоінваріантне векторне поле є ненульовим у всіх точках і більш того для базису постору відповідні лівоінваріантні векторні поля задають базис у кожній точці групи Лі. Потоки лівоінваріантних векторних полів із точки є гомоморфізмами із адитивної групи дійсних чисел у групу і є визначеними для всіх дійсних чисел. Якщо є лівоінваріантними лінійно незалежними векторними полями, то на групі Лі можна задати афінну зв'язність як для всіх і всіх (тоді також для всіх лівоінваріантних полів ). Для цієї зв'язності геодезична лінія із точки у напрямку є рівною потоку лівоінваріантного векторного поля із точки . Таким чином експоненційне відображення збігається із експонентою визначеною в теорії груп Лі.
- Важливим частковим випадком попереднього є група невироджених квадратних матриць порядку . Одиничним елементом цієї групи є одинична матриця і дотичний простір в цьому елементі є рівним — простору усіх квадратних матриць порядку . Для відповідний потік для лівоінваріантного поля задається як Зокрема у точці значення потоку є рівним класичній експоненті матриці, що пояснює викоричтання цієї назви для аналогічних відображень у ширших класах груп Лі і диференційовних многовидів.
Приклади
- У випадку експоненційне відображення є канонічною ідентифікацією дотичного простору із при якій початок координат дотичного простору переходить у точку p. А саме
- Для одиничної сфери із «південним полюсом» у точці якщо на ввести полярні координати то кожен дотичний вектор можна записати як і розглядати експоненту як функцію і . Тоді можна записати у явному виді
- Зокрема образами кіл із радіусами є «екватор» кулі, образами кіл із радіусами є «північний полюс», а образами кіл із радіусами є «південний полюс». У цьому випадку експоненційне відображення є визначеним для всієї дотичної площини.
- Натомість для , тобто одиничної кулі без «північного полюса», експоненційне відображення із дотичної площини у «південному полюсі» є визначеним лише у крузі
Література
- Hicks, Noel (1965). Notes on Differential Geometry. Van Nostrand, Princeton, N. J.,. ISBN 0442034105. (англ.)