Produtos Triplos de Autofunções e Geometria Espectral
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 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 , 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 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 . Combinados, observamos que o par fornece um “representação geométrica global discreta” das classes de isometria de variedades isospectrais, Riemannianas fechadas.
Resultados
Dado um (não decrescente sobre os autovalores) base ortonormal de autofunções para o (não-negativo) Laplaciano em associado a uma variedade Riemanniana fechada , definir
Para ser isométrico , 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 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
Se cada valor próprio tem multiplicidade , dado um par de autovalor preservando bases ortormicas como descrito na hipótese do Teorema, as variedades são isométricas se e somente se para uma base concorda, até o valor absoluto em termos individuais, com a outra base.
A motivação para o estudo de é vagamente derivado do estudo do papel do operador de multiplicação bilinear na definição de uma álgebra de operador de vértice [FBZ04] associado a uma teoria de campo conformal quiral. Aqui é o espaço vetorial dos Estados e é o espaço da série Laurent formal em com coeficientes em . Desde muitas vezes vem equipado como um espaço Hilbert com uma base ortonormal tradicional série Fourier, indexação utilizando os elementos de base de Fourier do é um pouco mais envolvido do que o caso estudado aqui, mas bastante semelhante em espírito. No entanto, uma comparação detalhada está fora do escopo deste artigo.
Se considerarmos o mapa
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 como acima, para e Observe que os coeficientes de Fourier
desde é representável exclusivamente como sua convergência rápida Fourier Series (-específicos Sobolev Incorporações [MT13] [RS75]em conjunto com Weyl’Lei assintótica [HW11], implica que os termos na soma são uniformemente em [LH68], Então vemos que para , os coeficientes de Fourier do produto pointwise estão
e assim, criticamente, qualquer polinômio multivariado (em funções suaves) comuta com qualquer preservação de espectro -eigenfunction mapa de base ortonormal que preserva :
Além disso, se é mensurável por Borel, então os resultados acima mantêm-se pontuais para a função característica de em todos os lugares, exceto ao longo da fronteira de : se e ,
e pela singularidade, temos a seguinte identidade
Isto implica qualquer mapa de base como acima carrega funções características (como membros de ) para funções características de forma a preservar a medida.
O objetivo desses cálculos é enfatizar o fato de que caracteriza a Análise Harmônica do operador de multiplicação pontual em , que é uma subálgebra densa do Abelian álgebra pelo teorema de Stone-Weierstrass.
Para a rápida convergência dessas somas acima envolvendo , 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
onde É o delta de Kronecker. Desde é um invariante espectral [HW11], esta informação já está disponível a partir de considerações de isospectralidade.
Prova de Teorema
Por necessidade, deixe ser uma isometria entre variedades Riemannianas fechadas, e deixar a base ortonormal alvo de autofunções em seja o pull-back via da base ortonormal em acima. Desde
Nós somos feitos com o argumento da necessidade porque .
Para a suficiência, nós consideramos agora o mapa linear, bijective da base da autofunção ortonormal de para e observe que, a partir dos cálculos no Preliminares acima, preserva produtos pontuais para funções suaves (e preserva funções características quando estendido a ) pela premissa de que é invariante sob este mapa.
Lemma
preserva a norma uniforme.
Prova de Lemma
Deixar ser uma partição suave da unidade em .
Assim (Kronecker delta).
Pelo teorema da convergência dominada,
que é uma função característica de medida positiva em cada subconjunto disjuntivo . Isso significa que o Lemma é comprovado para cada , uma vez que a função característica limitante de um conjunto com medida positiva é preservada, e, portanto, tem norma uniforme 1, assim como , por Diagrama (5).
Sem perda de generalidade, podemos aplicar o resultado de caso especial mostrado para a partição suave da unidade , onde tem medida positiva, e o Lemma é provado na íntegra.
Desde é também uma base de Fourier para , é claro da Equação (3) que . Isso significa que em um conjunto denso de (e ), estabelecemos como um isomorfismo de Abelian álgebras, e assim pode ser estendido a um isomorfismo de e na mesma categoria.
Agora, aplicamos o Teorema da Representação de Gelfand-Naimark (em forma de funtor contravariante) para o unital Abeliano. álgebras [JC19] para representar este isomorfismo por um homeomorfismo entre e . Como é bijetivo em funções suaves, também deve ser suave.
Como este agora diffeomorfismo preserva autovalores e autofunções (por hipótese sobre ), 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 e representando os dois conjuntos de triplo produto para as bases e , deixe seja o ação em tal -base ortonormal valorizada . Assim, precisamos escolher para que rendimentos .
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 que se deslocam com projeções para os eigenspaces de dimensão finita associado a cada autovalor individual do Laplaciano. Portanto
é a imagem de sob ’ação base s .
Agora, sob as condições da conjectura, cada um dos são espaços vetoriais unidimensionais sobre , mas isso também significa que eles são espaços vetoriais unidimensionais , e assim o grupo multiplicativo completo da simetria é .
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 (contado com multiplicidade), quando visto como uma coleção de mapas de ”, 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:
Podemos esperar que, para qualquer , não pode ser idêntico para todos . Além disso, a fórmula para requer ambos -independência, e suficiência, para estabelecer o mapa base preservas . Todos esses aspectos permanecem desconhecidos.
No entanto, vamos calcular algumas identidades relevantes para que algum futuro pesquisador intrépido possa se aprofundar nessa conjectura:
Note: para o caso unidimensional do flat-tori abaixo, desde É uma verdadeira derivação.
Exemplo
Deixar ser indexado, classificação treliça de Lie Algebra pesos para a representação do espaço quociente de como campos vetoriais invariantes (i.e., constantes) de tradução em si mesmos, quando também é visto como ’s associado Grupo Lie sobre um toro definido por . Esses pesos definem elevadores integráveis de 1 formas sobre o toro que se integram a funções lineares como seu grupo Lie (cobrindo o torus). Estes funcionais lineares podem então ser uniformemente redimensionados (por ) e exponenciado para formar caracteres multiplicativos que descem para formar uma base ortonormal de , com medida Lebesgue (Haar) .
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 ) ao Casimir-elemento-determinado-comprimento-quadrado de cada caractere’peso na rede.
Nós atualmente vemos a base acima
ser nossa base de Fourier aplicável em Teorema de autofunções ortonormais (caracteres multiplicativos) (desta representação quociente do elemento Euclidiano Casimir (negativo) diretamente correspondente a . Por nosso Teorema’hipóteses, devemos ter (com a norma euclidiana sobre os pesos).
Agora podemos computar
Como esta equação é only invariante sob transformações lineares na estrutura de peso , somente um 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 as redes do peso manterão “algébrico/topológico” conjunto de dados indexados invariante.
No entanto, para aplicar o nosso TeoremaÉ essencial que um mapa linear ser sobre a rede do peso, porque o induzido mapa base de autofunção
deve também preservar o “analítico” invariáveis — a figura induzida pelo elemento Casimir 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 , 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.
