和乐群(向量丛)

             

预备知识 平行性(向量丛)

   本节采用爱因斯坦求和约定.

   设 $M$ 是 $n$ 维微分流形,$E$ 是其上秩为 $k$ 的光滑向量丛.设给定了 $E$ 上的联络 $D$.

1. 和乐群

   固定一点 $p\in M$.考虑纤维 $E_p$ 上所有形如 $P_\gamma:E_p\to E_p$ 的平行移动,其中 $\gamma$ 是起终点都在 $p$ 处的 $C^1$ 道路.容易验证:$P_\gamma\cdot P_\eta=P_{\gamma\cdot\eta}$, 其中 $\gamma\cdot\eta$ 表示道路的复合.也容易验证沿着常值道路的平行移动是恒等变换,以及 $P_\gamma^{-1}=P_{\gamma^{-1}}$.因此所有形如这样的变换构成了 $E_p$ 上的一般线性群 $GL(E_p)$ 的子群,叫做 $D$ 的基点在 $p$ 处的和乐群(holonomy group),常记为 $\text{Hol}_p(D)$.

   如果 $q\in M$ 是另外一点,那么 $\text{Hol}_q(D)$ 与 $\text{Hol}_p(D)$ 是同构的:只需要构造任何连接 $p$ 和 $q$ 的光滑道路就可以了.如果限于考虑沿着零伦的闭道路的平行移动构成的群,则得到限制和乐群(restricted holonomy group),记为 $\text{Hol}^0_p(D)$.容易看出商群 $\text{Hol}_p(D)/\text{Hol}_p^0(D)$ 可作为基本群 $\pi_1(M)$ 的商群.

   群 $\text{Hol}_p(D)$ 和 $\text{Hol}_p^0(D)$ 都作为一般线性群 $GL(E_p)$ 的子群赋予拓扑.如果 $\gamma:S^1\to M$ 是基点为 $p$ 的零伦闭道路,那么存在同伦 $\gamma_u(t):[0,1]\times S^1\to M$ 使得 $\gamma_0(t)=\gamma(t)$,$\gamma_1(t)\equiv p$.则每一个 $P_{\gamma_u}$ 都是 $\text{Hol}_p^0(D)$ 的元素,而且根据常微分方程的基本理论,$u\to P_{\gamma_u}$ 是连接 $P_\gamma$ 和 $\text{id}$ 的道路.这样一来 $\text{Hol}_p^0(D)$ 是 $GL(E_p)$ 的道路连通子群.山边英彦(Yamabe)定理说:李群的道路连通子群是李子群,因此$\text{Hol}_p^0(D)$ 是 $GL(E_p)$ 的李子群.同理 $\text{Hol}_p(D)$ 也是李子群.$\text{Hol}_p^0(D)$ 实际上是 $\text{Hol}_p^0(D)$ 的单位分支.

2. 和乐定理

   $\text{Hol}_p^0(D)$ 和 $\text{Hol}_p(D)$ 的李代数是一样的,因为二者的商群是可数的离散群.$\text{Hol}_p^0(D)$ 的李代数叫做联络 $D$ 的基点为 $p$ 的和乐代数(holonomy algebra),记为 $\mathfrak{h}_p(D)$. 它是 $\text{End}(E_p)$ 的李子代数.

   嘉当(E. Cartan)给出了曲率算子的一个直观解释,揭示了曲率算子与和乐群之间的关系.固定两个切向量 $X,Y\in T_pM$.考虑从二维三角形 $\Delta_2$ (二维方块 $[0,1]^2$ 的左下角) 到 $M$ 的光滑映射 $f:\Delta_2\to M$,使得 $f(0,0)=p$,$\partial_xf(0,0)=X$,$\partial_yf(0,0)=Y$.令 $f_u(x,y):=f(ux,uy)$,这给出了从周线 $f_{\partial\Delta_2}:\partial\Delta_2\to M$ 到点 $p$ 的一个收缩同伦.设 $t$ 是周线 $f_{\partial\Delta_2}$ 的弧长参数,并以 $\gamma_u$ 表示参数为 $u$ 的同伦闭道路.则 $\gamma_u(t)=f(ux(t),uy(t))$,而且容易算出 $$ \left.\frac{d}{du}P_u\right|_{u=0}=0,\,\left.\frac{d^2}{du^2}P_u\right|_{u=0}=-2R(X,Y). $$ 粗略来说,这表示"绕小周线一周"得到的平行移动算子实际上是由曲率算子给出的.将这个命题精细化,就可看出和乐群 $\text{Hol}_p^0(D)$ 的无穷小生成元(也就是 $\mathfrak{h}_p(D)$ 的元素)是曲率算子.由此可得到和乐定理(holonomy theorem):

定理 1 Ambrose-Singer 和乐定理,向量丛版本

   设 $R$ 是联络 $D$ 的曲率算子.则对于任何一点 $p\in M$,和乐代数 $\mathfrak{h}_p(D)$ 是由变换 $\{R(X,Y):X,Y\in T_pM\}$ 的集合生成的.

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