Wygodna przestrzeń wektorowa

W matematyce dogodne przestrzenie wektorowe lokalnie wypukłymi przestrzeniami wektorowymi spełniającymi bardzo łagodny warunek zupełności .

Tradycyjny rachunek różniczkowy jest skuteczny w analizie skończenie wymiarowych przestrzeni wektorowych i przestrzeni Banacha . Poza przestrzeniami Banacha zaczynają się pojawiać trudności; w szczególności złożenie ciągłych odwzorowań liniowych przestaje być łącznie ciągłe na poziomie przestrzeni Banacha, dla dowolnej kompatybilnej topologii na przestrzeniach ciągłych odwzorowań liniowych.

dogodnymi przestrzeniami wektorowymi są gładkie lub jeśli gładkie krzywe na gładkie krzywe Prowadzi to do kartezjańskiej zamkniętej kategorii odwzorowań między podzbiorami dogodnych przestrzeni wektorowych (patrz właściwość 6 poniżej) Odpowiedni rachunek gładkich odwzorowań nazywa się rachunkiem wygodnym . Jest słabsze niż jakiekolwiek inne rozsądne pojęcie różniczkowalności, jest łatwe do zastosowania, ale istnieją gładkie odwzorowania, które nie są ciągłe (patrz Uwaga 1). Sam ten rodzaj rachunku różniczkowego nie jest przydatny w rozwiązywaniu równań.

Topologia do

Niech będzie przestrzenią wektorową. Krzywa nazywana jest gładką lub, jeśli wszystkie pochodne istnieją i są ciągłe, do Niech będzie przestrzenią gładkich krzywych wykazać, że zbiór gładkich krzywych nie zależy całkowicie od topologii lokalnie wypukłej powiązanej z nią bornologii (system zbiorów ograniczonych); patrz [KM], 2.11. zestawów odwzorowań na pokrywają ; patrz [KM], 2.13.

  • Zbiór wszystkich krzywych Lipschitza (tak, że w dla każdego ).
  • Zbiór iniekcji gdzie przebiega przez wszystkie ograniczone absolutnie wypukłe podzbiory w gdzie rozpiętością liniową w funkcjonał Minkowskiego
  • Zbiór wszystkich zbieżnych sekwencji Mackeya ( sekwencja with bounded).

nazywana jest na mi \ dla wynikowej . Ogólnie (na przykład w przestrzeni funkcji ze zwartym wsparciem na linii rzeczywistej) jest drobniejsza niż dana topologia lokalnie wypukła, nie jest to topologia przestrzeni wektorowej, ponieważ dodawanie nie jest już łącznie re {\ displaystyle D ciągły. Mianowicie, nawet wśród wszystkie lokalnie wypukłe topologie na , które są bardziej zgrubne niż bornologizacją danej lokalnie wypukłej topologii. Jeśli przestrzenią Frécheta,

Wygodne przestrzenie wektorowe

że lokalnie wypukła przestrzeń wektorowa dogodną przestrzenią wektorową , jeśli zachodzi jeden z następujących równoważnych warunków (zwanych -zupełnością); do patrz [KM], 2.14.

  • dla Riemanna- istnieje w .
  • Każda krzywa Lipschitza w Riemanna.
  • Do krzywa jest do : Krzywa E kompozycja _ dla wszystkich gdzie jest liczbą podwójną wszystkich ciągłych funkcjonałów liniowych na .
    • , dla wszystkich liniowych.
    • Równoważnie dla wszystkich , jest podzbiorem mi który rozpoznaje ograniczone podzbiory w ; patrz [KM], 5.22.
  • Dowolna sekwencja Mackeya-Cauchy'ego (tj. dla pewnego w się w łagodnej kompletności.
  • Jeśli , absolutnie wypukła, to przestrzenią Banacha
  • Jeśli jest skalarna , to jest dla .
  • fa jest skalarnie mądry do różniczkowalna { .

odwzorowanie się { istnieją i są Lipschitz, lokalnie na .

Płynne odwzorowania

Niech i i _ _ Odwzorowanie gładkim lub , jeśli kompozycja ( dla wszystkich . Patrz [KM], 3.11.

Główne właściwości rachunku różniczkowego gładkiego

1. W przypadku map w przestrzeniach Frécheta to pojęcie gładkości pokrywa się ze wszystkimi innymi rozsądnymi definicjami. Jest to nietrywialne twierdzenie udowodnione przez Bomana, 1967. Zobacz także [KM]

2. Odwzorowania wieloliniowe są gładkie wtedy i tylko wtedy, gdy są ograniczone ([KM], 5.5).

3. Jeśli jest gładka, to pochodna a także jest , gdzie oznacza przestrzeń wszystkich ograniczonych odwzorowań liniowych z topologią jednostajnej zbieżności na ograniczonych podzbiorach; patrz [KM], 3.18.

4. Zasada łańcucha obowiązuje ([KM], 3.18).

5. Przestrzeń wszystkich gładkich odwzorowań dogodną przestrzenią wektorową podane przez następujący zastrzyk, gdzie pochodnej oddzielnie patrz [KM], 3.11 i 3.7.

6. Obowiązuje prawo wykładnicze [KM], 3,12): Dla -open następujące odwzorowanie jest liniowym dyfeomorfizmem wygodnego wektora spacje.

To jest główne założenie rachunku wariacyjnego. Tutaj jest to twierdzenie. Ta właściwość jest źródłem nazwy dogodna , która została zapożyczona od (Steenrod 1967).

7. Twierdzenie o gładkiej jednostajnej ograniczoności ([KM], twierdzenie 5.26). liniowe jest gładkie ograniczonemu jest gładki dla każdego .

8. Następujące odwzorowania kanoniczne są gładkie. Wynika to z prawa wykładniczego poprzez proste rozumowania kategoryczne, patrz [KM], 3.13.

Powiązane wygodne rachunki

Wygodny rachunek gładkich odwzorowań pojawił się po raz pierwszy w [Frölicher, 1981], [Kriegl 1982, 1983]. Wygodny rachunek różniczkowy (o właściwościach 6 i 7) istnieje również dla:

  • Realistyczne odwzorowania analityczne (Kriegl, Michor, 1990; zob. także [KM], rozdział II).
  • Odwzorowania holomorficzne (Kriegl, Nel, 1985; zob. także [KM], rozdział II). Pojęcie holomorfii pochodzi od [Fantappié, 1930-33].
  • Wiele klas funkcji ultraróżniczkowalnych Denjoya Carlemana, zarówno typu Beurlinga, jak i typu Roumieu [Kriegl, Michor, Rainer, 2009, 2011, 2015].
  • Z pewnymi modyfikacjami, , [FK].
  • Przy większej liczbie adaptacji nawet tj. jest Höldera Faure, 1989], [Faure, te Genewa, 1991]).

Odpowiednie pojęcie dogodnej przestrzeni wektorowej jest takie samo (dla leżącej u ich podstaw rzeczywistej przestrzeni wektorowej w przypadku złożonym) dla wszystkich tych teorii.

Zastosowanie: Rozmaitości odwzorowań między rozmaitościami skończonymi wymiarami

Prawo wykładnicze 6 wygodnego rachunku umożliwia bardzo proste dowody podstawowych faktów dotyczących rozmaitości odwzorowań. Niech i będą skończenie wymiarowymi gładkimi rozmaitościami gdzie jest zwarty Używamy pomocniczej metryki Riemanna na . Riemanna wykładnicze odwzorowanie jest opisane na poniższym diagramie:

ManifoldOfMappingsDiagram.svg

przestrzeni gładkich _ Wykres wyśrodkowany na , to:

Teraz podstawowe fakty następują z łatwością. Trywializacja wiązki wektorów wycofania i zastosowanie prawa wykładniczego 6 prowadzi do dyfeomorfizmu

Wszystkie mapowania zmian wykresów są gładkie ( ), ponieważ odwzorowują gładkie krzywe na gładkie krzywe: do

Zatem . Przestrzeń wszystkich gładkich krzywych w tej rozmaitości jest dana przez

Ponieważ w widoczny sposób odwzorowuje gładkie krzywe na gładkie krzywe, kompozycja

jest gładki. Konsekwencją struktury wykresu wiązka styczna rozmaitości odwzorowań

Regularne grupy kłamstw

Niech połączoną gładką grupą Liego wzorowaną na wygodnych przestrzeniach , z algebrą Lie . Mnożenie i inwersja są oznaczone przez:

Pojęcie regularnej grupy Liego pochodzi pierwotnie od Omori i in. dla grup Frécheta Liego, został osłabiony i uczyniony bardziej przejrzystym przez J. Milnora, a następnie przeniesiony do dogodnych grup Liego; patrz [KM], 38.4.

Grupa kłamstw nazywana jest regularną , jeśli spełnione są następujące dwa warunki:

  • gładkiej _ w grupie Lie, której prawa pochodna logarytmiczna to . Okazuje się, że przez swoją wartość początkową . To znaczy

Jeśli jest unikalnym rozwiązaniem dla krzywej , oznaczamy sol {

  • Następujące odwzorowanie musi być płynne:

Jeśli stałą krzywą w algebrze Liego, to to mapowanie wykładnicze grupy.

Twierdzenie. każdej grupa grupą przestrzeń wszystkich gładkich pól wektorowych na minusem zwykłego nawiasu jako

Dowód: grupa dyfeomorfizmu ponieważ jest podzbiorem otwartym w do . Kompozycja jest gładka przez ograniczenie. : Jeśli jest gładką krzywą w to f ( t , ) -1
spełnia ukryte równanie , więc według twierdzenia o funkcji uwikłanej o skończonych wymiarach \ Tak więc inwersja odwzorowuje gładkie krzywe na gładkie krzywe, a zatem inwersja jest gładka. Niech zależnym od czasu polem wektorowym na (in do . Następnie operator przepływu odpowiedniego autonomicznego pola wektorowego na indukuje operatora ewolucji poprzez

co spełnia równanie różniczkowe zwyczajne

Biorąc pod uwagę gładką krzywą w algebrze Liego, , to rozwiązanie równania różniczkowego zwyczajnego zależy płynnie również od dalszej zmiennej a więc odwzorowuje gładkie krzywe zależnych od czasu pól wektorowych na gładkie krzywe dyfeomorfizmu. CO BYŁO DO OKAZANIA.

Główny pakiet osadzeń

Dla skończonych wymiarowych rozmaitości i z kompaktowymi, przestrzeń wszystkie gładkie osadzenia w są otwarte w Displaystyle . Grupa dyfeomorfizmu działa swobodnie i płynnie od prawej strony .

Twierdzenie: to główna wiązka włókien z grupą strukturalną .

Dowód: Ponownie używa się pomocniczej metryki riemannowskiej na \ Biorąc pod uwagę , zobacz jako podrozmaitość i podziel ograniczenie wiązki stycznej fa na podwiązkę normalną do i styczną do jak . Wybierz sąsiedztwo rurowe

Jeśli \ jest do , to do

Jest to wymagany podział lokalny. CO BYŁO DO OKAZANIA

Dalsze zastosowania

Przegląd zastosowań wykorzystujących geometrię przestrzeni kształtu i grupy dyfeomorfizmu można znaleźć w [Bauer, Bruveris, Michor, 2014].

Notatki

  • M. Bauer, M. Bruveris, PW Michor: Przegląd geometrii przestrzeni kształtów i grup dyfeomorfizmu. Journal of Mathematical Imaging and Vision, 50, 1-2, 60-97, 2014. (arXiv: 1305.11500)
  • Boman J.: Różniczkowalność funkcji i jej składu funkcją jednej zmiennej, Mathematica Scandinavia vol. 20 (1967), 249–268.
  • Faure, CA: Sur un théorème de Boman, CR Acad. Sci., Paryż}, tom. 309 (1989), 1003–1006.
  • Faure, CA: Théorie de la différentiation dans les espaces convenables, These, Université de Genève, 1991.
  • Frölicher, A.: Applications lisses entre espaces et variétés de Fréchet, CR Acad. nauka Paryż, tom. 293 (1981), 125-127.
  • [FK] Frölicher A., ​​Kriegl A.: Przestrzenie liniowe i teoria różniczkowania. Matematyka czysta i stosowana, J. Wiley, Chichester, 1988.
  • Kriegl, A.: Die richtigen Räume für Analysis im Unendlich – Dimensionalen, Monatshefte für Mathematik vol. 94 (1982) 109-124.
  • Kriegl, A.: Eine kartesisch abgeschlossene Kategorie glatter Abbildungen zwischen beliebigen lokalkonvexen Vektorräumen, Monatshefte für Mathematik vol. 95 (1983) 287-309.
  • [KM] Kriegl, A., Michor, PW: Wygodne ustawienie analizy globalnej. Ankiety i monografie matematyczne, tom: 53, American Mathematical Society, Providence, 1997. (pdf)
  • Kriegl, A., Michor, PW, Rainer, A.: Wygodne ustawienie dla niequasanalitycznych mapowań różniczkowych Denjoya-Carlemana, Journal of Functional Analysis, tom. 256 (2009), 3510–3544. (arXiv:0804.2995)
  • Kriegl, A., Michor, PW, Rainer, A.: Wygodne ustawienie dla quasanalitycznych mapowań różniczkowych Denjoya-Carlemana, Journal of Functional Analysis, tom. 261 (2011), 1799–1834. (arXiv:0909.5632)
  • Kriegl, A., Michor, PW, Rainer, A.: Wygodne ustawienie różniczkowych odwzorowań Denjoya-Carlemana typu Beurlinga i Roumieu. Revista Matematica Complutense (2015). doi:10.1007/s13163-014-0167-1. (arXIV:1111.1819)
  • Michor PW: Rozmaitości odwzorowań i kształtów. (arXiv:1505.02359)
  • Steenrod, NE: Wygodna kategoria dla przestrzeni topologicznych, Michigan Mathematical Journal, tom. 14 (1967), 133–152.