Produtos Triplos de Autofunções e Geometria Espectral

[VERIFICADO] Última atualização por em qui, 16 abr 2026    origem
 

Lawson's superfície mínima ξ6,1 Estereograficamente projetado a partir de S3 para R3

Autor

Joe Schaefer

Resumo

Usando técnicas elementares de Análise Geométrica, Equações Diferenciais Parciais e Abeliano CC^* Álgebras, descobrimos um romance, mas familiar, invariante geométrico global — a saber, o conjunto indexado de integrais de produtos triplos de autofunções do operador Laplace-Beltrami, para caracterizar com precisão quais variedades isospectrais Riemannianas fechadas são isométricas.

Introdução

Para uma variedade Riemanniana fechada (M,g)(M,g), caracterizando sua classe de manifolds não isométricos, isospectrais é um tipo de Problema Inverso [DH11] em geometria espectral. Naïvely alguém pode especular que esta classe seria sempre vazio. No entanto, a literatura acadêmica é rica em construções de décadas de pares específicos de contra-exemplos: começando em 1964 com John Milnor.’s 16-dimensional par de não-isométrico, tori plana isospectral [JM64], e continua [CS92] para a caracterização dimensional genérica do tori plano em Alexander Schiemann’s tese de doutorado de 1993 [AS94] — repleto de uma busca auxiliada por computador para o crítico dim=3\dim = 3 caso. Uma pesquisa moderna da história completa do tori plano aparece em [NRR22].

Ao longo do caminho foram ramificações perspicazes em espaços de cobertura simétricos não-euclidianos mais sofisticados; construindo tal isospectral, não isométrico “duplas” envolvendo tensores de curvatura não triviais (e suas características de Euler determinadas pelo espectro na dimensão 2) [MS67]Um exemplo desse esforço foi Toshikazu Sunada.’s 1985 [TS85] invenção de uma estrutura espacial de propósito geral, que ele então implantou no mesmo trabalho para construir duetos hiperbólicos nas dimensões 2 e 3.

Para métricas Riemannianas não homogêneas, Carolyn Gordon descobriu duetos que nem sequer são isométricos localmente. [CG93].

O trabalho continua em muitas áreas relacionadas [DH11], como determinar as características topológicas da classe de variedades isospectrais, não isométricas em geral (vazio [ST80], finito [AS94], rígido [GK80], e compacto [GZ97]) como um subconjunto de diferentes espaços de módulos das métricas Riemannianas.

O que oferecemos neste artigo é uma nova perspectiva sobre uma ferramenta familiar: coeficientes Fourier indexados de produtos em pares de autofunções como um discreto “invariante algébrico/topológico” para complementar o existente, discreto “invariante analítico” — o espectro não negativo do operador Laplace-Beltrami (aqui referido como o Laplacian) em H=L2(M,g)ℋ = L^2(M,g). Combinados, observamos que o par fornece um “representação geométrica global discreta” das classes de isometria de variedades isospectrais, Riemannianas fechadas.

Resultados


Teorema

Dado um (não decrescente sobre os autovalores) base ortonormal de autofunções {ei}i=0\set{e^i}_{i=0}^{\infty} para o (não-negativo) Laplaciano ΔM\Delta_M em L2(M,g)L^2(M,g) associado a uma variedade Riemanniana fechada (M,g)(M,g), definir

Mi,j,k:=Meiejekˉgdx=<eiej|ek> M^{i,j,k} := \int_M e^i e^j \bar{e^k} \sqrt{g} dx = \bra{e^i e^j}\ket{e^k}

Para ser isométrico (M,g)(M,g), é uma condição necessária e suficiente para outra variedade Riemanniana fechada isospectral ter uma base ortonormal de autofunções (para o seu Laplaciano) que preserva os autovalores associados e possui um invariante {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} em cada base.


*A simetria desempenha um papel importante em casos computacionalmente tratáveis [TF17] [LS18] [PS94], que é apropriadamente ilustrado em nosso tori plano Exemplo abaixo. No entanto, a força de nossa abordagem é talvez melhor feita aparente no caso de variedades com o menor número de simetrias Riemannianas, que é o caso genérico muitas vezes coincidindo com os autovalores sendo *único *(ou seja, sem multiplicidade não trivial). Neste caso, oferecemos o seguinte


Conjectura

Se cada valor próprio tem multiplicidade 11, dado um par de autovalor preservando bases ortormicas como descrito na hipótese do Teorema, as variedades são isométricas se e somente se {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} para uma base concorda, até o valor absoluto em termos individuais, com a outra base.


A motivação para o estudo de {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} é vagamente derivado do estudo do papel do operador de multiplicação bilinear Y:VVV((z))Y:V\otimes V\rightarrow V((z)) na definição de uma álgebra de operador de vértice [FBZ04] associado a uma teoria de campo conformal quiral. Aqui VV é o espaço vetorial dos Estados e V((z))V((z)) é o espaço da série Laurent formal em zz com coeficientes em VV. Desde VV muitas vezes vem equipado como um espaço Hilbert com uma base ortonormal tradicional série Fourier, indexação YY utilizando os elementos de base de Fourier do VV é um pouco mais envolvido do que o Mi,j,kM^{i,j,k} caso estudado aqui, mas bastante semelhante em espírito. No entanto, uma comparação detalhada está fora do escopo deste artigo.

Se considerarmos o mapa

(M,g,{ei}){λi,Mi,j,k} ,(M, g, \set{e^i}) \mapsto \set{\lambda_i, M^{i,j,k}}\ ,

este trabalho estabelece a injetividade deste mapa para variedades Riemannianas fechadas (até a isometria Riemanniana em seu domínio). Outros resultados que aplicam essas técnicas para descrever sua imagem (e inversa), dentro de espaços de métricas de módulos selecionados, estão apenas começando [AA25]. Lá, Anshul Adve aborda rigorosamente os espaços tangentes da unidade de 2 orbifolds compactos e hiperbólicos usando essas mesmas constantes de estrutura da Teoria do Campo Conformal.

Estes resultados foram demonstrados pela primeira vez durante uma palestra similarmente intitulada pelo autor em MSRI em 1997, mas eles aparecem aqui em forma publicada pela primeira vez.

Preliminares

Agora com M,g,ei,Mi,j,kM,g,e^i,M^{i,j,k} como acima, para fC(M)f \in C^\infty(M) e i0i \geq 0 Observe que os coeficientes de Fourier

f^(i):=Mf(x)eiˉ(x)g(x)dx    f(x)=i=0f^(i)ei(x).\begin{aligned} \hat{f}(i) &:= \int_M f(x)\bar{e^i}(x)\sqrt{g(x)}dx \\ \implies \\ f(x) &= \sum_{i=0}^{\infty}\hat{f}(i)e^i(x). \end{aligned}

desde ff é representável exclusivamente como sua convergência rápida Fourier Series (ΔM\Delta_M-específicos Sobolev Incorporações [MT13] [RS75]em conjunto com Weyl’Lei assintótica [HW11], implica que os termos na soma são o(in)o(i^{-n}) uniformemente em xx [LH68], nN\forall n\in\NEntão vemos que para f1,f2C(M)f_1, f_2 \in C^\infty(M), os coeficientes de Fourier do produto pointwise f1f2C(M)f_1 f_2 \in C^\infty(M) estão

f1f2^(k)=i,jf1^(i)f2^(j)Mi,j,k    f1f2(x)=i,j,kf1^(i)f2^(j)Mi,j,kek(x)f1=f2p, p>2    kf1^(k)ek(x)=i1,i2,...,i2p1f2^(i1)f2^(i2)f2^(i4)f2^(i6)...f2^(i2p2)Mi1,i2,i3Mi3,i4,i5...Mi2p3,i2p2,i2p1ei2p1(x).\begin{aligned} \widehat{f_1 f_2}(k) &= \sum_{i,j}^\infty\hat{f_1}(i)\hat{f_2}(j)M^{i,j,k} \\ \implies \\ f_1f_2(x) &= \sum_{i,j,k}\hat{f_1}(i)\hat{f_2}(j)M^{i,j,k}e^k(x) \\ f_1 = f^p_2,\space p > 2 \implies \\ \sum_{k}\hat{f_1}(k)e^k(x) &= \sum_{i_1,i_2,...,i_{2p-1}}\hat{f_2}(i_1)\hat{f_2}(i_2)\hat{f_2}(i_4)\hat {f_2}(i_6)...\hat{f_2}(i_{2p-2})M^{i_1,i_2,i_3}M^{i_3,i_4,i_5}...M^{i_{2p-3},i_{2p-2},i_{2p-1}}e^{i_{2p-1}}(x). \end{aligned}

e assim, criticamente, qualquer polinômio multivariado C[z1,,zl]\weierp \in \Complex[z_1,…,z_l] (em funções suaves) comuta com qualquer preservação de espectro Δ\Delta-eigenfunction mapa de base ortonormal F\vec{F} que preserva {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}}:

C(M, Cl)C(M)FFl timesFC(N, Cl)C(N)\begin{CD} C^\infty(M,\space\Complex^l) @>\weierp >> C^\infty(M)\\ @V\underbrace{\vec{F}\oplus\dots\oplus \vec{F}}_{l\space\text{times}}VV @VV\vec{F}V\\ C^\infty(N,\space\Complex^l) @>>\weierp > C^\infty(N) \end{CD}

Além disso, se AMA\subset M é mensurável por Borel, então os resultados acima mantêm-se pontuais para a função característica de AA em todos os lugares, exceto ao longo da fronteira de AA: se f=f2f = f^2 e A:={xMf(x)=1}A:=\set{x\in M|f(x)=1},

if^(i)ei(x)=i,j,kf^(i)f^(j)Mi,j,kek(x)={1xA˚0xA˚\sum_{i}\hat{f}(i)e^i(x) = \sum_{i,j,k}\hat{f}(i)\hat{f}(j)M^{i,j,k}e^k(x) = \begin{cases} 1 & x \in \mathring{A} \\ 0 & x \in \mathring{A^\complement}\end{cases}

e pela singularidade, temos a seguinte identidade

f^(k)=i,jf^(i)f^(j)Mi,j,k  k0    f=f2 a.e.\begin{aligned} \hat{f}(k) &= \sum_{i,j}\hat{f}(i)\hat{f}(j)M^{i,j,k}\space\space \forall k\geq 0 \\ \iff f&=f^2 \space a.e. \end{aligned}

Isto implica qualquer mapa de base como acima carrega funções características (como membros de L2(M,g)L1(M,g)L^2(M,g)\subset L^1(M,g)) para funções características de forma a preservar a medida.

O objetivo desses cálculos é enfatizar o fato de que {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} caracteriza a Análise Harmônica do operador de multiplicação pontual em C(M)C^\infty(M), que é uma subálgebra densa do Abelian CC^* álgebra C(M)C(M)pelo teorema de Stone-Weierstrass.

Para a rápida convergência dessas somas acima envolvendo Mi,j,kM^{i,j,k}, note que os produtos de autofunções são lisos, de modo que estes coeficientes de Fourier decaem como acima (em cada índice). Para mais detalhes, veja Emmett Wyman’trabalho em 2022 com esses coeficientes no que se refere à desigualdade do triângulo nos autovalores [EW22].

Note: Podemos sempre assumir

e0=M0,0,0=1/vol(M)    M0,j,k=Mj,0,k=δjk /vol(M)\begin{aligned} e^0 &= M^{0,0,0} = 1/\sqrt{vol(M)} \\ \implies \\ M^{0,j,k} &= M^{j,0,k} = \delta_{j-k}\space/\sqrt{vol(M)} \end{aligned}

onde δi\delta_i É o delta de Kronecker. Desde vol(M)vol(M) é um invariante espectral [HW11], esta informação já está disponível a partir de considerações de isospectralidade.

Prova de Teorema

Por necessidade, deixe F:(N,h)(M,g)F:(N,h)\rightarrow (M,g) ser uma isometria entre variedades Riemannianas fechadas, e deixar a base ortonormal alvo de autofunções em L2(N,h)L^2(N,h) seja o pull-back via FF da base ortonormal {ei}\set{e^i} em (M,g)(M,g) acima. Desde

Mi,j,k=Meiejekˉgdy=Nei(F(x))ej(F(x))ekˉ(F(x))hdx\begin{aligned} M^{i,j,k} &= \int_M e^i e^j \bar{e^k}\sqrt{g}dy \\ &= \int_N e^i(F(x)) e^j(F(x))\bar{e^k}(F(x))\sqrt{h}dx \end{aligned}

Nós somos feitos com o argumento da necessidade porque ΔN(fF)=(ΔMf)F,  fC(M)\Delta_N(f\circ F) = (\Delta_M f) \circ F,\ \ \forall f\in C^\infty(M).

Para a suficiência, nós consideramos agora o mapa linear, bijective da base da autofunção ortonormal F\vec{F} de C(M)C^\infty(M) para C(N)C^\infty(N) e observe que, a partir dos cálculos no Preliminares acima, F\vec{F} preserva produtos pontuais para funções suaves (e preserva funções características quando estendido a L2(M,g)L^2(M,g)) pela premissa de que {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} é invariante sob este mapa.

Lemma

F:C(M)C(N)\vec{F}: C^\infty(M)\rightarrow C^\infty(N) preserva a norma uniforme.

Prova de Lemma

Deixar {ai}\set{a_i} ser uma partição suave da unidade em MM.

1=iai(x)=i,jai^(j)ej(x)=jej(x)iai^(j)\begin{aligned} 1 &= \sum_i a_i(x) \\ &= \sum_{i,j} \hat{a_i}(j)e^j(x) \\ &= \sum_j e^j(x)\sum_i \hat{a_i}(j) \end{aligned}

Assim iai^(j)=δjvol(M)\sum_i\hat{a_i}(j) = \delta_j\sqrt{vol(M)} (Kronecker delta).

Pelo teorema da convergência dominada,

limpjajp^(k)=˙j{aj=1}ekˉ(x)gdx\lim_{p\rightarrow\infty} \sum_j\hat{a^p_j}(k) = \int_{\dot{\bigcup}_j\set{a_j=1}}\bar{e^k}(x)\sqrt{g}dx

que é uma função característica de medida positiva em cada subconjunto disjuntivo {xMaj(x)=1}\set{x\in M | a_j(x) = 1}. Isso significa que o Lemma é comprovado para cada aja_j, uma vez que a função característica limitante de um conjunto com medida positiva é preservada, e, portanto, tem norma uniforme 1, assim como ajp, F(ajp)=F(aj)p, pNa_j^p,\space \vec{F}(a_j^p)=\vec{F}(a_j)^p,\space p\in\N, por Diagrama (5).

Sem perda de generalidade, podemos aplicar o resultado de caso especial mostrado para a partição suave da unidade {f/f,1f/f}\lbrace|f|/\lVert f \rVert_\infty, 1 - |f|/\lVert f\rVert_\infty\rbrace, onde {xM f(x)=f} \set{x\in M|\space|f(x)| = \lVert f \rVert_\infty} tem medida positiva, e o Lemma é provado na íntegra.

Desde {eˉi}\set {\bar e^i} é também uma base de Fourier para L2(M,g)L^2(M,g), é claro da Equação (3) que F(fˉ)=Fˉ(f)\vec F(\bar f) = \bar{\vec F}(f). Isso significa que em um conjunto denso de C(M)C(M) (e C(N)C(N)), estabelecemos F\vec{F} como um isomorfismo de Abelian CC^* álgebras, e assim pode ser estendido a um isomorfismo de C(M)C(M) e C(N)C(N) na mesma categoria.

Agora, aplicamos o Teorema da Representação de Gelfand-Naimark (em forma de funtor contravariante) para o unital Abeliano. CC^* álgebras [JC19] para representar este isomorfismo por um homeomorfismo FF entre NN e MM. Como é bijetivo em funções suaves, também deve ser suave.

Como este agora diffeomorfismo FF preserva autovalores e autofunções (por hipótese sobre F(f)=fF\vec{F}(f) = f\circ F), deve preservar o Laplaciano em funções suaves. Por isso, também deve preservar os principais símbolos desses mesmos operadores elípticos. [MT13]. Os principais símbolos do Laplaciano são simplesmente outro meio de expressar a métrica Riemanniana nas variedades em questão.

Isso completa a prova do Teorema.

Discussão da Conjectura

Com {M0i,j,k}\set{M_0^{i,j,k}} e {M1i,j,k}\set{M_1^{i,j,k}} representando os dois conjuntos de triplo produto para as bases {e0i}\set{e_0^i} e {e1i}\set{e_1^i}, deixe zi{1,1}z_i \in \set{-1,1} seja o Z2\Z_2^\infty ação em tal R\R-base ortonormal valorizada {e1i}\set{e_1^i}. Assim, precisamos escolher ziz_i para que {zie1i}\set{z_ie_1^i} rendimentos {M1i,j,k}={zizjzkM0i,j,k}\set{M_1^{i,j,k}} = \set{z_i z_j z_kM_0^{i,j,k}}.

Por que é esse o caso? Em geral, o grupo de simetria que atua no espaço de possíveis bases ortonormais de autofunções é o espaço de Operadores Unitários U:HHU: \mathscr H\rightarrow\mathscr H que se deslocam com projeções PVλP_{\mathcal V_\lambda} para os eigenspaces de dimensão finita Vλ\mathcal V_{\lambda} associado a cada autovalor individual λ\lambda do Laplaciano. Portanto

PVλU(ei)=UPVλ(ei), U(ei)=λi=λjuijej    MUi,j,k:=MU(ei)U(ej)Uˉ(eˉk)gdx=λr=λi,λs=λj,λt=λkuirujsuˉtkMr,s,t\begin{aligned} P_{\mathcal V_{\lambda}}U(e^i) = UP_{\mathcal V_{\lambda}}(e^i),\ \therefore U(e^i) &= \sum_{\lambda_i = \lambda_j}u_{ij}e^j \implies \\ M_U^{i,j,k} := \int_M U(e^i)U(e^j)\bar U(\bar e^k)\sqrt g dx &= \sum_{\lambda_r = \lambda_i,\lambda_s=\lambda_j,\lambda_t=\lambda_k} u_{ir}u_{js}\bar u_{tk} M^{r,s,t} \end{aligned}

é a imagem de Mi,j,kM^{i,j,k} sob UU’ação base s eiU(ei)e^i \mapsto U(e^i).

Agora, sob as condições da conjectura, cada um dos Vλ\mathcal V_\lambda são espaços vetoriais unidimensionais sobre C\Complex, mas isso também significa que eles são espaços vetoriais unidimensionais R\Reals, e assim o grupo multiplicativo completo da simetria é O(1,R)=Z2O(1,\Reals)^\infty=\Z_2^\infty.

Sem a restrição de multiplicidade, a conjectura’s pré-requisito associado “acordo em valores absolutos” simplesmente se tornaria “preservação do conjunto ordenado de valores singulares de {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} (contado com multiplicidade), quando visto como uma coleção de mapas de VλiHom(Vλj,Vλk)\mathcal V_{\lambda_i} \rightarrow Hom(\mathcal V_{\lambda_j}, \mathcal V_{\lambda_k}^*)”, que são um conjunto robusto de invariantes unitários. Estamos significativamente menos confiantes de que esta conjectura generalizada é verdadeira, uma vez que pode ser possível produzir um contra-exemplo através de construção Sunada explícita.

Voltando à conjectura original, observamos que a prova envolve estabelecer esta implicação:

zk=M0i,i,k/M1i,i,k  i,kN,M0i,i,k0     r,s,tN ⋺ M0i,j,kM1i,j,k=M0r,r,iM0s,s,jM0t,t,kM1r,r,iM1s,s,jM1t,t,k.z_k = M_0^{i,i,k} / M_1^{i,i,k} \,\, \forall i,k\in\N,\, ⋺ M_0^{i,i,k} \ne 0 \, \implies \exists r,s,t \in \N\ ⋺\ \frac{M_0^{i,j,k}}{M_1^{i,j,k}} = \frac{M_0^{r,r,i}M_0^{s,s,j}M_0^{t,t,k}}{M_1^{r,r,i}M_1^{s,s,j}M_1^{t,t,k}}\, .

Podemos esperar que, para qualquer kk, M0i,i,kM_0^{i,i,k} não pode ser idêntico 00 para todos ii. Além disso, a fórmula para zkz_k requer ambos ii-independência, e suficiência, para estabelecer o mapa base e0izie1ie_0^i \mapsto z_i e_1^i preservas {M0i,j,k}\set{M_0^{i,j,k}}. Todos esses aspectos permanecem desconhecidos.

No entanto, vamos calcular algumas identidades relevantes para que algum futuro pesquisador intrépido possa se aprofundar nessa conjectura:

Δfg=fΔg+gΔf2dfdg    Mi,j,k=2<deidej|ek>λi+λjλk    <deidej|ek><eiej|ek>=λi+λjλk2  when Mi,j,k0 .inffHkdfdf2f2=λk+1 , with f=±ek+1 .and so the quadratic formQk(f,g):=<dfdg|ek>=i,jf^(i)g^(j)<deidej|ek>=12i,jf^(i)g^(j)(λi+λjλk)Mi,j,k.Now with J real-analyticQkJ(f,g):=12<(J(Δ)fgfJ(Δ)ggJ(Δ)f|ek>=12(<fg|J(Δ)ek><fJ(Δ)g+gJ(Δ)f|ek>)=12i,jf^(i)g^(j)(J(λi)+J(λj)J(λk)Mi,j,kQ~k(f,g):=12<ΔfgfΔggΔf|ek>=12i,jf^(i)g^(j)(λi+λjλk)Mi,j,kdfdg=kQk(f,g)ek=ΔfgfΔggΔf2Q0(f,f)=1vol(M)if^(i)2λiQ(f,f)e=12i,j,f^(i)f^(j)(λi+λjλ)Mi,j,e=14i,j,f^(i)f^(j)(λi+λjλ)(Mi,i,+Mj,j,<(eiej)2|e>)e=g2=i,j,g^(i)g^(j)Mi,j,e    12i,jf^(i)f^(j)(λi+λjλk)Mi,j,k=i,jg^(i)g^(j)Mi,j,k=g2^(k).\begin{aligned} \Delta fg &= f\Delta g + g\Delta f - 2 df \cdot dg \implies \\ M^{i,j,k} &= 2 \frac{\bra{de^i\cdot de^j}\ket{e^k}}{\lambda_i +\lambda_j -\lambda_k} \implies \\ \frac{\bra{de^i\cdot de^j}\ket{e^k}}{\bra{e^ie^j}\ket{e^k}} &= \frac{\lambda_i+\lambda_j-\lambda_k}{2}\ \text{ when }M^{i,j,k} \ne 0\ .\\ \inf_{f\in \mathscr H_k^\perp} \frac{||df \cdot df||^2}{||f||^2} &= \lambda_{k+1}\text{ , with }f=\pm e^{k+1}\ .\\ \text {and so the quadratic form} \\ Q_k(f,g) :&= \bra{df\cdot dg}\ket{e^k} = \sum_{i,j}\hat{f}(i)\hat{g}(j)\bra{de^i\cdot de^j}\ket{e^k} \\ &= \frac{1}{2}\sum_{i,j}\hat{f}(i)\hat{g}(j)(\lambda_i + \lambda_j - \lambda_k)M^{i,j,k} .\\ \text{Now with }J \text{ real-analytic}\\ Q^J_k(f,g) :&= -\frac{1}{2}\bra{(J(\sqrt{\Delta})fg - fJ(\sqrt{\Delta})g - gJ(\sqrt{\Delta})f}\ket{e^k} \\ &= -\frac{1}{2}(\bra{fg}\ket{J(\sqrt{\Delta}) e^k} - \bra{fJ(\sqrt{\Delta})g + gJ(\sqrt{\Delta})f}\ket{e^k})\\ &= \frac{1}{2}\sum_{i,j}\hat{f}(i)\hat{g}(j)(J(\sqrt{\lambda_i}) + J(\sqrt{\lambda_j}) - J(\sqrt{\lambda_k})M^{i,j,k}\\ \tilde{Q}_k(f,g) :&= -\frac{1}{2}\bra{\sqrt{\Delta} fg - f\sqrt{\Delta}g -g\sqrt{\Delta}f}\ket{e^k} \\ &= \frac{1}{2}\sum_{i,j} \hat{f}(i)\hat{g}(j)(\sqrt{\lambda_i} + \sqrt{\lambda_j} - \sqrt{\lambda_k})M^{i,j,k}\\ df \cdot dg &= \sum_k Q_k(f,g)e^k = -\frac{\Delta fg - f\Delta g - g\Delta f}{2}\\ Q_0(f,f) &= \frac{1}{\sqrt{vol(M)}}\sum_i \hat{f}(i)^2 \lambda_i\\ \sum_{\ell}Q_\ell(f,f)e^\ell &= \frac{1}{2}\sum_{i,j,\ell}\hat{f}(i)\hat{f}(j)(\lambda_i + \lambda_j -\lambda_\ell)M^{i,j,\ell}e^\ell\\ &= \frac{1}{4}\sum_{i,j,\ell}\hat{f}(i)\hat{f}(j)(\lambda_i + \lambda_j -\lambda_\ell)(M^{i,i,\ell} + M^{j,j,\ell} - \bra{(e^i-e^j)^2}\ket{e^\ell})e^\ell\\ = g^2 &= \sum_{i,j,\ell}\hat{g}(i)\hat{g}(j)M^{i,j,\ell}e^\ell\implies\\ \frac{1}{2}\sum_{i,j}\hat{f}(i)\hat{f}(j)(\lambda_i + \lambda_j - \lambda_k)M^{i,j,k} &= \sum_{i,j}\hat{g}(i)\hat{g}(j)M^{i,j,k} \\ &= \widehat{g^2}(k). \\ \end{aligned}

Note: para o caso unidimensional do flat-tori abaixo, Q~k(ei,ej)=0\tilde{Q}_k(e^i,e^j) = 0 desde Δ=1ddx\sqrt{\Delta} = \sqrt{-1}\frac{d}{dx} É uma verdadeira derivação.

Exemplo

Deixar {λi}Rn\set{\lambda_i} \subset \R^n ser indexado, classificação nn treliça de Lie Algebra pesos para a representação do espaço quociente de g=Rn\frak{g}=\Reals^n como campos vetoriais invariantes (i.e., constantes) de tradução em si mesmos, quando Rn\R^n também é visto como g\frak{g}’s associado Grupo Lie sobre um toro definido por Rn/AZn,AGL(n,R)\Reals^n/A\Z^n, A \in GL(n,\Reals). Esses pesos definem elevadores integráveis de 1 formas sobre o toro que se integram a funções lineares <xλi, xRn\bra{x} \lambda_i\rangle,\space x\in\Reals^n como seu grupo Lie (cobrindo o torus). Estes funcionais lineares podem então ser uniformemente redimensionados (por 2π12\pi \sqrt{-1}) e exponenciado para formar caracteres multiplicativos que descem para formar uma base ortonormal de L2(Rn/AZn,dx)L^2(\Reals^n/A\Z^n,dx), com medida Lebesgue (Haar) dxdx.

Além disso, esta base diagonaliza simultaneamente o toro plano’Laplaciano porque o Laplaciano é a imagem de um elemento quadrático simétrico, negativo-definido de Casimir sob esta (operador diferencial linear coeficiente constante) representação quociente do espaço da álgebra envolvente universal. Assim, seus autovalores estão em proporção constante (de 4π24\pi^2) ao Casimir-elemento-determinado-comprimento-quadrado de cada caractere’peso na rede.

Nós atualmente vemos a base acima

{e2π1xλi/detA}i=0\set{e^{2\pi\sqrt{-1}\langle{x}|\lambda_i\rangle}/\sqrt{|\det A|}}_{i=0}^\infty

ser nossa base de Fourier aplicável em Teorema de autofunções ortonormais (caracteres multiplicativos) (desta representação quociente do elemento Euclidiano Casimir (negativo) diretamente correspondente a {λi}\set{\lambda_i}. Por nosso Teorema’hipóteses, devemos ter i<j    λiλji < j \implies \lVert\lambda_i\rVert \leq \lVert\lambda_j\rVert (com a norma euclidiana sobre os pesos).

Agora podemos computar

Mi,j,k={1/detAλi+λjλk=00otherwiseM^{i,j,k} = \begin{cases} 1/\sqrt{|\det A|} & \lambda_i + \lambda_j - \lambda_k = 0 \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}

Como esta equação é only invariante sob transformações lineares na estrutura de peso (A1)tZn={λi}(A^{-1})^t\Z^n = \set{\lambda_i}, somente um L2L^2 Mapa de base de auto-função ortonormal que é induzido a partir de um mapa linear invertível de preservação de volume entre dois desses rank indexados nn as redes do peso manterão “algébrico/topológico” conjunto de dados indexados {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} invariante.

No entanto, para aplicar o nosso TeoremaÉ essencial que um mapa linear BB ser BSO(n,R)B\in SO(n,\Reals) sobre a rede do peso, porque o induzido L2L^2 mapa base de autofunção

{e2π1xBλi/detA}i=0\set{e^{2\pi\sqrt{-1}\langle x| B\lambda_i\rangle}/\sqrt{|\det A|}}_{i=0}^\infty

deve também preservar o “analítico” invariáveis — a figura induzida pelo elemento Casimir 4π2λi24\pi^2\lVert\lambda_i\rVert^2 para cada peso indexado, ou seja, os autovalores individuais do’Laplaciano.

Esta conta de representação-teórica [AK01] é exatamente equivalente ao desenvolvimento anterior da congruência *lattice *[NRR22] tradicionalmente utilizado para delinear classes de isometria de toros planos. Na verdade, a matriz transpõe tal mapa linear BSO(n,R)B\in SO(n,\Reals), conforme descrito no parágrafo anterior, é a contravariante isometria Riemanniana entre o tori, conforme previsto pela aplicação do Gelfand-Naimark Representation Theorem durante o Prova do nosso Teorema.

Agradecimentos

A pesquisa original foi financiada em parte por um gracioso Prêmio de Pesquisa James Simons em 1995-1996, e o generoso apoio de um Alfred P. Sloan Dissertation Fellowship em 1996-1997 na Universidade de Stony Brook.

O autor também gostaria de agradecer Tanya Christiansen, Carolyn Gordon, Hamid Hezari, Harish Seshadri, e especialmente Leon Takhtajan por sua assistência técnica e revisão na preparação deste manuscrito para publicação.