Дифференциальное исчисление над коммутативными алгебрами
Дифференциальное исчисление над коммутативными алгебрами — раздел коммутативной алгебры, возникший в семидесятых годах прошлого века.
Скалярные операторы
Пусть — поле, — алгебра над полем , коммутативная и с единицей и — -линейное отображение, . Всякий элемент алгебры можно понимать как оператор умножения: . Операторы и , вообще говоря, не коммутируют и равенство будет выполняться в том и только том случае, когда — -гомоморфизм.
Определение 1. называется дифференциальным оператором (ДО) порядка из в , если для любых
Множество всех ДО порядка из в обозначается . Сумма двух ДО порядка будет снова ДО порядка и множество устойчиво относительно как левого, так и правого умножения на элементы алгебры , поэтому оно снабжается естественной структурой бимодуля над .
Дифференцирования
Точками алгебры называются -гомоморфизмы из в . Обозначим множество всех точек алгебры , снабженное топологией Зарисского, через . Элементы алгебры можно понимать как функции на пространстве , положив .
Определение 2. Отображение называется касательным вектором к пространству в~точке , если оно удовлетворяет правилу Лейбница в этой точке:
Множество всех касательных векторов в~точке обладает естественной структурой векторного пространства над . Оно называется касательным пространством пространства в точке .
Определение 3. Отображение называется дифференцированием алгебры со значениями в , если оно удовлетворяет правилу Лейбница:
Множество всех дифференцирований алгебры со значениями в обладает естественной структурой левого -модуля. (Правое умножение не сохраняет это множество.) Всякое дифференцирование определяет семейство касательных векторов для всех точек : .
Дифференцирования, естественно, являются ДО порядка :
- .
Определен естественный изоморфизм левых -модулей
Гладкие функции
Если — алгебра гладких функций на многообразии , то естественным образом наделяется структурой гладкого многообразия и оказывается, что .
Теорема. Пусть и — система локальных координат в некоторой окрестности . Тогда ограничения и на могут быть записаны в следующем виде
Иными словами, для алгебры гладких функций на М "алгебраическое" определение ДО совпадает с классическим, а дифференцирования алгебры — это векторные поля на .
Общий случай
Пусть — модули над . Определения 1 и 3 без изменений переносятся на этот случай:
Определение 4. -гомоморфизм называется линейным дифференциальным оператором порядка из в~, если для любых
Определение 5. Отображение называется дифференцированием алгебры со значениями в , если оно удовлетворяет правилу Лейбница:
Множество всех ДО порядка из в является бимодулем над , а множество всех дифференцирований в — левым -модулем.
Если — алгебра гладких функций на многообразии , то проективные конечнопорождённые -модули есть не что иное, как модули сечений конечномерных векторных расслоений над . В этом случае определение 4 описывает ДО на векторнозначных функциях, переводящие их в векторнозначные функции, а определение 5 — векторнозначные векторные поля.
Представляющие объекты и геометризация
Функторы и представимы:
Теорема. 1. Существуют единственные -модуль и дифференцирование , такие, что для любого -модуля имеет место естественный изоморфизм
2. Существуют единственные -модуль и ДО порядка , такие, что для любого -модуля имеет место естественный изоморфизм
Дифференцирование и ДО называются универсальным дифференцированием и универсальным ДО порядка соответственно, а модули и — модулем дифференциальных форм первого порядка и модулем джетов порядка . (Иногда вместо термина "джет" употребляют термин "струя".)
Модули и довольно просто описываются "на пальцах". Именно, -модуль порожден всевозможными элементами вида , для которых выполнены следующие соотношения:
- ,
- ,
- где , и так далее.
Аналогично, -модуль порожден всевозможными элементами вида , для которых выполнены следующие соотношения:
- ,
- .
Естественно было бы и здесь ожидать, что для алгебры дифференциальные формы окажутся "обычными" дифференциальными формами на многообразии , а джеты — "обычными" джетами, но это не так. Причиной тому является существование в алгебраических конструкциях невидимых элементов, то есть ненулевых элементов, которые, тем не менее, равны нулю в каждой точке многообразия . Например, пусть , дифференциальная форма отлична от нуля, но . Модули над , не содержащие невидимых элементов, называют геометрическими. Для любого -модуля множество всех невидимых элементов образует подмодуль, фактор по которому является геометрическим модулем и обозначается . Модули и , где — геометрический модуль, будут представляющими объектами для функторов и в категории геометрических модулей над . Они оказываются изоморфными модулю "обычных" дифференциальных форм и модулю "обычных" джетов соответственно.
Градуированные алгебры
Эта теория легко переносятся на случай градуированных алгебр (в старой терминологии — супералгебр), где, в частности, дает новый взгляд на такие конструкции, как интегральные формы и интеграл Березина.
Приложения
Тот факт, что дифференциальное исчисление является разделом коммутативной алгебры, интересен сам по себе и тесно связан с одним из важнейших физических понятий --- понятием наблюдаемой. Инвариантные алгебраические конструкции позволяют работать там, где классический координатный подход слишком громоздок, или вообще невозможен, например в случае многообразий с особенностями или бесконечномерных. Они используются в гамильтоновой и лагранжевой механике, теории законов сохранения, вторичном исчислении, не говоря уже об алгебраической и дифференциальной геометрии.
Историческая справка
Определение ДО в категории модулей над коммутативными алгебрами появилось, независимо друг от друга, в работах П. Габриеля[1], С. Судзуки[2] и А. М. Виноградова[3]. Однако всю важность алгебраического подхода к ДО, видимо, осознал только А. М. Виноградов и основной вклад в развитие этой теории внесен им и его учениками.
См. также
- Коммутативная алгебра
- Гамильтонова механика
- Дифференциальная алгебра
- Дифференциальное исчисление
- Связность (некоммутативная геометрия)
Примечания
- ↑ P. Gabriel, Construction de préschémas-quotients (d’après Grothendieck A.), Généralités sur les groupes algébriques, Étude infinitésimale des schémas en groupes, SGA3 Schémas en groupes, Séminaire de Géométrie algébrique du Bois Marie (1962-1964), Lect. Notes in Math. 151, Springer (1970), 251-286, 287-317, 411-562.
- ↑ Satoshi Suzuki, Differentials of commutative rings, Queen's University papers in pure and applied mathematics, 29, Queen's University, Kingston, 1971.
- ↑ А. М. Виноградов, Алгебра логики теории линейных дифференциальных операторов Архивная копия от 12 декабря 2021 на Wayback Machine, ДАН 205:5 (1972), 1025-1028.
Литература
- Джет Неструев, Гладкие многообразия и наблюдаемые, МЦНМО, Москва, 2000.
- А. М. Виноградов, И. С. Красильщик, Что такое гамильтонов формализм? // Успехи математических наук. — 1975. — Т. 30, выпуск 1(181), — стр. 173–198.
- А. М. Виноградов, И. С. Красильщик, В. В. Лычагин, Введение в геометрию нелинейных дифференциальных уравнений, Глава 1. Линейные дифференциальные операторы в коммутативных алгебрах М., Наука, 1986.
- А. М. Виноградов, Некоторые гомологические системы, связанные с дифференциальным исчислением в коммутативных алгебрах // Успехи математических наук. — 1979. — Т. 34, выпуск 6(210), — стр. 145–150.
- I. S. Krasil’shchik, Lectures on Linear Differential Operators over Commutative Algebras. Eprint DIPS-01/98
- Algebraic aspects of differential calculus, edited by Joseph Krasil'shchik and Alexandre Vinogradov, — Special Issue of Acta Applicandae Mathematicae, Volume 49, Issue 3, December 1997, 321 pages, ISSN: 0167-8019. (Статьи этого выпуска по отдельности доступны в электронном виде: DIPS-01/96, DIPS-02/96, DIPS-03/96, DIPS-04/96, DIPS-05/96, DIPS-06/96, DIPS-07/96, DIPS-08/96).
- I. S. Krasil’shchik, A. M. Verbovetsky, Homological Methods in Equations of Mathematical Physics, Open Ed. and Sciences, Opava (Czech Rep.), 1998; Eprint arXiv:math/9808130v2.
- Alexandre M. Vinogradov, Logic of differential calculus and the zoo of geometric strujctures, arXiv:1511.06861.
- A. M. Vinogradov, Cohomological Analysis of Partial Differential Equations and Secondary Calculus, — AMS "Translation of Mathematical Monographs" series, vol. 204, 247 pages, 2001.