라플라스-벨트라미 연산자

Laplace–Beltrami operator

차동 기하학에서 라플라스-벨트라미 연산자유클리드 공간서브매니폴드와 더 일반적으로 리만사이비-리만 다지관에 정의된 기능에 대한 라플라스 연산자의 일반화다. 피에르 시몬 라플레이스유제니오 벨트라미의 이름을 따서 지은 것이다.

유클리드 공간 Rn 정의된 두 번 구별 가능한 실제 값 함수 f에 대해, 라플라스 연산자(일명 라플라시아어)는 F그라데이션 벡터 필드의 분산을 f로 한다. n R에 대한 직교 기준의 각 벡터에 대한 f의 n 두 번째 파생물의 합이다. 라플라시안처럼 라플라스-벨트라미 연산자는 경사로의 분화로 정의되며, 기능을 함수로 하는 선형 연산자다. 운영자는 공변량 파생상품의 다양성으로 텐서 상에서 운영되도록 확장할 수 있다. 또는, 사업자를 일반화하여 발산외부 파생상품을 이용하여 차등형태로 운영할 수 있다. 결과 연산자는 라플라스-데 람 연산자(Georges de Rham의 이름을 따서 명명)라고 불린다.

세부 사항

라플라스-벨트라미 연산자는 라플라시안처럼 구배 차이있다.

지역 좌표에서 명시적인 공식은 가능하다.

먼저 M이 지향적리만 다지관이라고 가정해 보자. 방향은 방향 좌표계 xi 주어지는 M에 확실한 볼륨 형식을 지정할 수 있도록 한다.

여기서 g :=det(gij)미터법 텐서 결정요소절대값이며, dxi 프레임에 이중 프레임을 형성하는 1-102이다.

접선 번들 쐐기 제품.

그런 다음 다지관의 벡터장 X의 분산을 특성과 함께 스칼라 함수로 정의한다.

여기서 LX 벡터 필드 X를 따라가는 Lie 파생 모델이다. 로컬 좌표에서 한 사람이

여기서 아인슈타인 표기법이 함축되어 있어 반복적인 지수 i가 요약된다.

스칼라 함수 ƒ의 그라데이션은 product , { {\(를) 통해 정의할 수 있는 벡터장 gradd f이다.

x 지점에서 다지관의 접선 공간 TM에서x x 지점에 고정된 모든 벡터 vx. 여기서 는 함수 ƒ의 외부 파생어로서, 인수 vx 취하는 1형식이다. 국부 좌표에서는 다음과 같다.

여기서 gij 미터법 텐서 역의 성분으로, ggijjk = Δikik with Kronecker 델타.

그라데이션과 발산성의 정의를 조합하여 스칼라 함수 ƒ에 적용되는 라플라스-벨트라미 연산자의 공식은 국부좌표상이다.

만약 M이 방향을 정하지 않는다면, 볼륨 폼이 대신 볼륨 요소(양식이 아닌 밀도)로 대체되어야 한다는 것을 제외하고, 위의 계산은 제시된 그대로 수행된다. 경사도나 차이도 실제로 방향 선택에 의존하지 않기 때문에 라플라스-벨트라미 운영자 자체는 이 추가 구조에 의존하지 않는다.

형식적 자기성숙

외부 파생 모델 d 및 -1987은 ƒ에 대해 압축적으로 지원되는 기능이라는 점에서 형식적으로 조정된 것이다.

(증빙)

여기서 마지막 평등은 스톡스의 정리를 응용한 것이다. 듀얼라이징은

(2)

압축적으로 지원되는 모든 기능 ƒ 및 h. 반대로 (2) 라플라스-벨트라미 운영자는 이 속성을 가진 유일한 운영자라는 점에서 완전히 특성화한다.

그 결과, 라플라스-벨트라미 운영자는 음성이며 공식적으로 자기 적응력이 있으며, 이는 압축적으로 지원되는 기능인 ƒ과 h를 의미한다.

라플라스-벨트라미 운영자는 이러한 방식으로 정의된 바와 같이 양성이 아니라 음성이기 때문에, 종종 반대 기호로 정의된다.

라플라스-벨트라미 연산자의 고유값(리크네로위츠-오바타 정리)

M은 경계가 없는 콤팩트한 리만 다지관을 가리킨다. 우리는 고유값 방정식을 고려하고,

여기서 고유값 과(와) 관련된 고유함수로 위에 입증된 고유값 이(가) 실제라는 것을 나타낼 수 있다. 다지관 M의 콤팩트함을 통해 고유값이 이산적이라는 것을 알 수 있으며, 나아가 주어진 고유값 },즉, 아이겐스페이스는 모두 유한한 차원임을 알 수 있다. 상수함수를 고유함수로 취함으로써 = 0 이(가) 고유값임을 알 수 있다. 또한 우리가 - -\}을(를) 검토했기 때문에 부품별 통합 을(를) 통해 고유값 eqn을 고유함수 곱한 eqn을(표기법 사용) 더 정확하게 알 수 있다. V= )

부품별 통합 수행 또는 왼쪽 용어의 발산 정리 사용과 동일한 것, M{\에는 경계가 없기 때문에 우리는 얻는다.

마지막 두 방정식을 합치면

우리는 마지막 방정식에서 을(를) 결론짓는다

André Lichnerowicz[1] 기본적인 결과는 다음과 같다: 과 경계가 없는 컴팩트 n-차원 리만 다지관을 고려할때. Ricci 곡면성이 하한을 만족한다고 가정한다.

여기서 ( ,) g 메트릭 텐서이고 X M M의 접선 벡터다 그러면 고유값 방정식의 첫 번째 양의 고유값 }가 하한을 만족한다.

이 하한은 날카롭고 구체 ^{에 달성된다 실제로 S 2}} 1 }에 대한 Eigenspace는 3차원이며 좌표 함수 , 2, 의 제한으로 확장된다 from to . Using spherical coordinates , on the two dimensional sphere, set

우리는 아래에 표시된 구형 라플라시안 공식에서 쉽게 볼 수 있다.

이리하여 리히네로비치 정리에서의 하한은 적어도 2차원에서 달성된다.

로 경계 없는 n차원 콤팩트 리만 다지관이 첫 번째 양의 고유값manifold 1{\}에 대해 다음과 같은 경우, 오바타 모리오에 의해 증명되었다.[2]

then the manifold is isometric to the n-dimensional sphere , the sphere of radius . Proofs of all these statements may be found in the book by Isaac Chavel.[3] 유사한 날카로운 경계는 다른 기하학적 구조와 콤팩트한 CR 다지관의 콘 라플라시안(요셉 J. 콘 이후)과 같은 기하학적 구조와 연관된 특정 퇴보한 라플라시안에도 적용된다. n . 에 이러한 CR 매니폴드가 글로벌하게 내장되는 애플리케이션. [4]

텐서 라플라시안

라플라스-벨트라미 연산자는 Levi-Civita 연결과 관련된 반복 공변량 파생상품추적(또는 수축)을 사용하여 작성할 수 있다. f 헤시안(텐서) 대칭 2-텐서입니다.

, \equla

여기서 df는 함수 f(계속) 파생상품을 나타낸다.

Xi 접선 벡터 필드의 기초가 되게 한다(좌표계에 의해 반드시 유도되는 것은 아님). 그 다음 헤스 f의 구성 요소는 다음과 같다.

이것i X, Xj 각 인수에서 선형적이기 때문에, 십상적으로 변형되는 것을 쉽게 볼 수 있다. 라플라스-벨트라미 연산자는 측정기준에 관한 헤시안 추적(또는 수축)이다.

f (M) f .

더 정확히 말하자면, 이것은

( )= i= ( , X ) ,

또는 미터법으로.

추상적 지수에서 연산자는 종종 기록된다.

이 추적이 사실 헤시안 텐서의 추적임을 암묵적으로 이해한다면.

공변량 파생상품은 표준적으로 임의 텐서까지 확장되기 때문에 라플라스-벨트라미 연산자는 다음과 같이 텐서 T에 정의된다.

정리가 잘 되어 있다

라플라스-데 람 연산자

보다 일반적으로, 사이비-리만 다지관미분형 묶음 부분에 대해 라플라크 차동 연산자를 정의할 수 있다. 리만 다지관에서는 타원 연산자로, 로렌츠 다지관에서는 쌍곡선이다. Laplace-de Rham 연산자는 다음과 같이 정의된다.

여기서 d는 외부 파생형 또는 미분형이고 Δ는 k-forms에서 (-1)∗kn+n+1d∗로 작용하는 코드프렌더(codifferential)이며, 여기서 Δ는 호지별이다. 첫 번째 오더 연산자 + (는) Hodge-Dirac 연산자다.[5]

스칼라 함수 f로 라플라스-벨트라미 연산자를 계산할 때 Δf = 0이 있으므로,

전체적인 표지판까지, 라플라스-데 람 연산자는 스칼라 함수에 따라 행동할 때 라플라스-벨트라미 연산자의 이전 정의와 동일하다. 자세한 내용은 증거를 참조하라. 기능에서, 라플라스-데 람 연산자는 라플라스-델라미 연산자가 (형식적으로) 양적으로 확실하다는 것을 코디프추론적 정상화가 보장하고 있는 반면, 라플라스-벨트라미 연산자는 전형적으로 음성이라는 것을 보증하기 때문에 라플라스-벨트라미 연산자는 실제로 라플라스-벨라미 연산자의 음수다. 그 간판은 하나의 관습에 불과하며, 두 가지 모두 문헌에서 흔히 볼 수 있다. 라플라스-데 람 연산자는 스큐 대칭 텐더에 작용하도록 제한된 텐서 라플라시안과는 더 유의하게 다르다. 부수적인 신호와는 별도로, 두 운영자는 Ricci 곡률 텐서(tensor)를 명백히 포함하는 Weitzenböck 정체성에 의해 다르다.

라플라스-벨트라미 운영자의 많은 예는 명시적으로 해결할 수 있다.

유클리드 공간

유클리드 공간의 통상적인 (정통적인) 데카르트 좌표 x에서는i 측정지표가 크론커 델타까지 감소하고, g= g =1이 경우.

평범한 라플라시아인이야 구형 좌표나 원통형 좌표와 같은 곡선 좌표에서는 대체 식을 얻는다.

마찬가지로 서명(+++)이 있는 민코프스키 계량계에 해당하는 라플라스-벨트라미 연산자는 달렘베르트어다.

구면 라플라시안

구면 라플라시안은 (n - 1)-sphere의 라플라스-벨트라미 연산자로, 일정한 단면 곡률 1의 표준 측정 기준이다. Rn 등축되어 있는 구를 원점 중심으로 하는 단위 구라고 보는 것이 편리하다.다음n−1 S의 함수 f에 대해 구면 라플라시안(Laplacian)은 다음과 같이 정의된다.

여기서 f(x/ x )는 함수 fRn - {0}까지 0으로 균일한 확장이고, 주변 유클리드 공간의 라플라시안이다. 구체적으로는 구면 극좌표에서 유클리드 라플라시안의 잘 알려진 공식에 의해 암시된다.

좀 더 일반적으로, 사람들은 일반적인 묶음을 사용하여 유사한 트릭을 공식화하여 리만 다지관의 라플라스-벨트라미 연산자를 유클리드 공간의 초저면으로서 등축된 어떤 리만 다지관의 라플라스-벨트라미 연산자를 정의할 수 있다.

또한 라플라스-벨트라미 운영자에 대한 내적인 설명을 일반 좌표계의 구에 제공할 수 있다. (區)의 특정 지점 p("북극")에 대한 구체의 구면 좌표, 즉 p에 대한 지오데틱 극좌표(geodic polar 좌표)가 되도록 한다. 여기서 ϕp로부터 단위 속도 지오데틱을 따라 위도 측정을 나타내며, ξ S에서n−1 지오데틱 방향의 선택을 나타내는 파라미터를 나타낸다. 그리고 구형의 라플라시안에는 다음과 같은 형태가 있다.

여기서 (는) 보통 단위(n - 2)-sphere의 라플라스-벨트라미 연산자다. 특히 극좌표에 대한 표준 표기법을 사용하는 일반 2-sphere의 경우 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

쌍곡선 공간

쌍곡선 공간에서도 비슷한 기법이 통한다. 여기서 쌍곡선 공간 Hn−1 2차적 형태를 갖춘 실제 벡터 공간인 n차원 민코스키 공간에 삽입될 수 있다.

그 다음 Hn 민코프스키 공간에서의 미래 null con의 서브셋이다.

그러면

여기서 ( x /( ) / 2) 미래 null con의 내부에 대한 f의 0도 동종 확장이고 파형 연산자 입니다.

조작자는 극좌표로도 쓸 수 있다. (t, ξ)n−1 H의 특정 지점 p(예를 들어 푸앵카레 디스크의 중심)에 대해 구체의 구면 좌표가 되도록 한다. 여기서 tpξ로부터의 쌍곡선 거리를 나타내며, S에서n−2 지오데틱 방향의 선택을 나타내는 매개변수를 나타낸다. 그러면 쌍곡선 라플라시안은 다음과 같은 형태를 띠고 있다.

여기서 (는) 보통 단위(n - 2)-sphere의 라플라스-벨트라미 연산자다. 특히 극좌표에 대한 표준 표기법을 사용하는 쌍곡면의 경우 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

참고 항목

메모들

  1. ^ Lichnerowicz, Andre (1958). Geometrie des groupes de transformations. Paris: Dunod.
  2. ^ Obata, Morio (1962). "Certain conditions for a Riemannian manifold to be isometric with a sphere". J. Math. Soc. Jpn. 14 (3): 333–340. doi:10.2969/jmsj/01430333.
  3. ^ Chavel, Isaac (1984), Eigenvalues in Riemannian Geometry, Pure and Applied Mathematics, vol. 115 (2nd ed.), Academic Press, ISBN 978-0-12-170640-1
  4. ^ Chanillo, Sagun, Chiu, Hung-Lin and Yang, Paul C. (2012). "Embeddability for 3-dimensional CR manifolds and CR Yamabe Invariants". Duke Mathematical Journal. 161 (15): 2909–2921. arXiv:1007.5020. doi:10.1215/00127094-1902154. S2CID 304301.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  5. ^ Mcintosh, Alan; Monniaux, Sylvie (2016-08-05). "Hodge-Dirac, Hodge-Laplacian and Hodge-Stokes operators in L^p spaces on Lipschitz domains". arXiv:1608.01797 [math.AP].

참조