Trippelprodukter av Eigenfunktioner och spektral geometri

[VERIFIERAD] Senast uppdaterad av Joe Schaefer den Mon, 16 Feb 2026    källa
 

Lawsons minimala yta 6,1 stereografiskt projicerad från S3 till R3

Författare

Joe Schaefer

Sammandrag

Använda elementära tekniker från geometrisk analys, partiella differentialekvationer och abeliska CC^* Algebror, Vi avslöjar en roman, men ändå bekant, global geometrisk invariant — nämligen den indexerade uppsättningen integraler av tredubbla produkter av egenfunktioner hos Laplace-Beltrami-operatören, för att exakt karakterisera vilka isospektrala slutna Riemanniska grenrör som är isometriska.

Introduktion

För en stängd Riemannian mångfald (M,g)(M,g), som karakteriserar sin ** klass** av icke-isometriska, isospektrala grenrör är en typ av omvänd problem [DH11] i spektral geometri. Naiv man kan spekulera i att denna klass alltid skulle vara tom. Men den akademiska litteraturen är rik med decennier gamla konstruktioner av specifika parningar av motexempel: börjar 1964 med John Milnors 16-dimensionella par icke-isometriska, isospektrala platta tori [JM64]och fortsätter [CS92] mot den generiska dimensionella karaktäriseringen av platt tori i Alexander Schiemanns doktorsavhandling från 1993 [AS94] — Fyll i med en datorstödd sökning efter den kritiska dim=3\dim = 3 ärende En modern undersökning av hela platt tori historia visas i [NRR22].

Längs vägen var insiktsfulla utlöpare till mer sofistikerade, icke-euklidiska symmetriska täckutrymmen; konstruera sådana isospektrala, icke-isometriska “duetter” som involverar icke-triviala krökningstensorer (och deras spektrumbestämda Euler-egenskaper i dimension 2 [MS67]Ett utmärkt exempel på denna insats var Toshikazu Sunadas 1985. [TS85] Uppfinning av ett allmänt syfte som täcker rymdramverk, som han sedan distribuerade i samma arbete för att bygga hyperboliska duetter i dimensionerna 2 och 3.

För inhomogena riemanniska mätvärden upptäckte Carolyn Gordon duetter som inte ens lokalt isometriska [CG93].

Arbetet fortsätter inom många närliggande områden [DH11], såsom bestämning av topologiska egenskaper hos klassen av isospektrala, icke-isometriska grenrör i allmänhet (tomt) [ST80], ändlig [AS94], styv [GK80]och kompakt [GZ97]) som en delmängd av olika modulutrymmen för Riemannian-mätvärden.

Vad vi erbjuder i den här artikeln är ett nytt perspektiv på ett välbekant verktyg: indexerade Fourier-koefficienter för parvisa produkter av egenfunktioner som en diskret “algebraisk / topologisk invariant” för att komplettera den befintliga, diskreta “analytisk invariant” — det icke-negativa spektrumet hos Laplace-Beltrami-operatören (här kallad Laplacian) på H=L2(M,g)ℋ = L^2(M,g). Tillsammans observerar vi paret ger en “diskret global geometrisk representation” av isometriklasserna av isospektrala, slutna Riemannianförgreningsrör.

resultat


sats

Med tanke på en (icke-minskande på egenvärdena) ortonormal grund av egenfunktioner {ei}i=0\set{e^i}_{i=0}^{\infty} för (icke-negativa) Lappland ΔM\Delta_ML2(M,g)L^2(M,g) förknippas med en sluten Riemannian mångfald (M,g)(M,g), definiera

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}

Att vara isometrisk för (M,g)(M,g), det är ett nödvändigt och tillräckligt villkor för en annan **isospektral ** stängt Riemannian mångfald för att ha en ortonormal grund för egenfunktioner (för sin Lappland) att båda bevarar tillhörande egenvärden och har en oföränderlig {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} under varje grund.


Symmetri spelar en viktig roll i beräkningsrelaterade fall [TF17] [LS18] [PS94], som är lämpligt illustrerad i vår platta tori Exempel nedan. Styrkan i vårt tillvägagångssätt är dock kanske bäst uppenbar när det gäller mångfalder med det minsta antalet Riemanniska symmetrier, vilket är det generiska fallet som ofta sammanfaller med att egenvärdena är *unika * (dvs. utan icke-trivial mångfald.) I detta fall erbjuder vi följande


Förmodan

Om varje egenvärde har mångfald 11Med tanke på ett par egenvärde som bevarar ortormala baser som beskrivs i teoremens hypotes är grenrör isometriska om och endast om {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} för den ena grunden överensstämmer, upp till absolutvärdet i de enskilda termerna, med den andra grunden.


Motivationen för studiet av {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} är löst härledd från studien av den bilineära multiplikationsoperatorns roll Y:VVV((z))Y:V\otimes V\rightarrow V((z)) i definitionen av en Vertex-operatoralgebra [FBZ04] Det är en Chiral Conformal Field Theory. Här VV är vektorrummet av stater och V((z))V((z)) är den formella Laurent-serien i zz med koefficienter i VV. Sedan VV ofta kommer utrustad som en Hilbert Space med en traditionell Fourier-serie ortonormal grund, indexering YY använda Fourier-grundelementen för VV är bara lite mer involverad än Mi,j,kM^{i,j,k} Fallet studerades här, men ganska lika i anden. En detaljerad jämförelse ligger dock utanför artikelns tillämpningsområde.

Om vi tänker på kartan

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

Detta papper fastställer injicerbarhet av denna karta för slutna Riemannian grenrör (upp till Riemannian isometry i dess domän). Ytterligare resultat som tillämpar dessa tekniker för att beskriva sin bild (och invers), inom vissa moduli utrymmen av mätvärden, är bara att komma igång [AA25]. Där tacklar Anshul Adve rigoröst enhetstangensutrymmen av kompakta, hyperboliska 2-omkretsar med samma strukturkonstanter från Conformal Field Theory.

Dessa resultat visades först under ett liknande tal av författaren vid **MSRI ** 1997, men de visas här i publicerad form för första gången.

Preliminära

Nu med M,g,ei,Mi,j,kM,g,e^i,M^{i,j,k} som ovan, för fC(M)f \in C^\infty(M) och i0i \geq 0 Observera att Fourier koefficienter

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}

sedan ff är unikt representabel som dess snabbt konvergerande ** Fourier Series** (ΔM\Delta_M-Specifika Sobolev Embeddings [MT13] [RS75]tillsammans med Weyls asymptotiska lag [HW11], innebär att villkoren i summan är o(in)o(i^{-n}) * Enhetligt i xx* [LH68], nN\forall n\in\NDå ser vi det för f1,f2C(M)f_1, f_2 \in C^\infty(M), den punktvisa produktens fourierkoefficienter f1f2C(M)f_1 f_2 \in C^\infty(M) är

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}

och så, kritiskt, alla multivariata polynom C[z1,,zl]\weierp \in \Complex[z_1,…,z_l] (på släta funktioner) ** pendlar** med alla spektrumbevarande funktioner Δ\Delta-egenfunktion ortonormal grundkarta F\vec{F} som bevarar {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}

Dessutom om AMA\subset M är Borel-mätbar, då resultaten ovan håller punktvis för den karakteristiska funktionen av AA överallt utom längs gränsen till AA: om f=f2f = f^2 och 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}

och genom unikhet har vi följande identitet

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}

Detta innebär att varje sådan baskarta som ovan har karakteristiska funktioner (som medlemmar av L2(M,g)L1(M,g)L^2(M,g)\subset L^1(M,g)) till karakteristiska funktioner på ett måttbevarande sätt.

Poängen med dessa beräkningar är att betona det faktum att {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} tecken Harmonisk analys av den punktvisa multiplikationsoperatorn på C(M)C^\infty(M), som är en tät subalgebra av Abelian CC^* algebra C(M)C(M)och Stone-Weierstrass teorem.

För den snabba konvergensen av dessa ovan belopp som omfattar Mi,j,kM^{i,j,k}, notera att produkter av egenfunktioner är släta, så dessa Fourier koefficienter förfaller som ovan (i varje index). Mer information finns i Emmett Wymans arbete 2022 med dessa koefficienter när det gäller triangelns ojämlikhet på egenvärdena [EW22].

Obs: Vi kan alltid anta

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}

där δi\delta_i Det är Kronecker delta. Sedan vol(M)vol(M) är en spektral invariant [HW11], är denna information redan tillgänglig från överväganden om isospektralitet.

Teoretiskt bevis

För nödvändighet, låt F:(N,h)(M,g)F:(N,h)\rightarrow (M,g) vara en isometri mellan slutna Riemanniska grenrör och låta målets ortonormala grund vara L2(N,h)L^2(N,h) Bli en pullback via FF av den ortonormala grunden {ei}\set{e^i}(M,g)(M,g) ovanför. Sedan

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}

Vi gör det med nödvändighetsargumentet eftersom ΔN(fF)=(ΔMf)F,  fC(M)\Delta_N(f\circ F) = (\Delta_M f) \circ F,\ \ \forall f\in C^\infty(M).

För tillräcklighet betraktar vi nu den linjära, bijektiva ortonormala egenfunktionskartan F\vec{F} från C(M)C^\infty(M) till C(N)C^\infty(N) och notera att från beräkningarna i Preliminär ovanför, F\vec{F} bevarar punktvisa produkter för smidiga funktioner (och bevarar karakteristiska funktioner när de utvidgas till L2(M,g)L^2(M,g)) av förutsättningen att {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} är oföränderlig under denna karta.

Lemma

F:C(M)C(N)\vec{F}: C^\infty(M)\rightarrow C^\infty(N) Bevara den enhetliga normen.

Bevis på Lemma

Låt {ai}\set{a_i} vara en jämn delning av enhet på 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}

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

genom den dominerade konvergenssatsen,

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

som är en karakteristisk funktion av positivt mått på varje delmängd {xMaj(x)=1}\set{x\in M | a_j(x) = 1}. Detta innebär att Lemma är bevisat för varje aja_j, eftersom den begränsande karakteristiska funktionen hos en uppsättning med positiv åtgärd bevaras, och därmed har enhetlig norm 1, liksom alla ajp, F(ajp)=F(aj)p, pNa_j^p,\space \vec{F}(a_j^p)=\vec{F}(a_j)^p,\space p\in\N, genom diagram (5).

Utan förlust av allmängiltighet kan vi tillämpa specialfallets resultat som visas för den smidiga uppdelningen av enhet {f/f,1f/f}\lbrace|f|/\lVert f \rVert_\infty, 1 - |f|/\lVert f\rVert_\infty\rbrace, där {xM f(x)=f} \set{x\in M|\space|f(x)| = \lVert f \rVert_\infty} har positiva mått, och Lemma bevisas i sin helhet.

Sedan {eˉi}\set {\bar e^i} Det är också en Fourier-bas för L2(M,g)L^2(M,g)Det framgår av ekvationen (3) att F(fˉ)=Fˉ(f)\vec F(\bar f) = \bar{\vec F}(f). Detta innebär att på en tät uppsättning C(M)C(M) (och C(N)C(N)), vi har etablerat F\vec{F} som en isomorfism av Abelian CC^* algebror, och därmed kan utvidgas till en isomorfism av C(M)C(M) och C(N)C(N) i samma kategori.

Nu tillämpar vi Gelfand-Naimarks representationsteorem (i kontravariant functorform) för unital Abelian CC^* algebror [JC19] att representera denna isomorfism genom en homeomorfism FF mellan NN och MM. Eftersom det är bijektiv på släta funktioner, måste det också vara smidigt.

Som det är nu diffeomorfism FF bevarar egenvärden och egenfunktioner (genom hypotes om F(f)=fF\vec{F}(f) = f\circ FDet måste bevara Lappland på smidiga funktioner. Därför måste den också bevara de viktigaste symbolerna för samma elliptiska operatorer. [MT13]. De viktigaste symbolerna i Lappland är helt enkelt ett annat sätt att uttrycka Riemannian metriska på de mångfaldiga i fråga.

Detta kompletterar teoremens bevis.

Diskussion om förmodan

Med {M0i,j,k}\set{M_0^{i,j,k}} och {M1i,j,k}\set{M_1^{i,j,k}} representerar de två trippelproduktseten för baserna {e0i}\set{e_0^i} och {e1i}\set{e_1^i}, låt zi{1,1}z_i \in \set{-1,1} vara Z2\Z_2^\infty åtgärder mot en sådan R\R-värderad ortonormal grund {e1i}\set{e_1^i}. Därför måste vi välja ziz_i så att {zie1i}\set{z_ie_1^i} avkastning {M1i,j,k}={zizjzkM0i,j,k}\set{M_1^{i,j,k}} = \set{z_i z_j z_kM_0^{i,j,k}}.

Varför är detta fallet? I allmänhet är den symmetrigrupp som verkar på utrymmet för möjliga ortonormala baser av egenfunktioner utrymmet för enhetsoperatorer. U:HHU: \mathscr H\rightarrow\mathscr H som pendlar med prognoser PVλP_{\mathcal V_\lambda} på de finita dimensionella åttondelar Vλ\mathcal V_{\lambda} för varje enskilt egenvärde λ\lambda från Lappland. Därför

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}

är bilden av Mi,j,kM^{i,j,k} under UU’s basåtgärd eiU(ei)e^i \mapsto U(e^i).

Nu under förutsättningarna för gissningen, var och en av Vλ\mathcal V_\lambda är ett dimensionellt vektorrum över C\Complex, men det betyder också att de är endimensionella vektorrum över R\Realsoch så är hela den multiplikativa symmetrigruppen O(1,R)=Z2O(1,\Reals)^\infty=\Z_2^\infty.

Utan multiplikationsbegränsningen skulle hypotesens tillhörande förutsättning “om överensstämmelse i absoluta värden” helt enkelt bli “bevarande av den ordnade uppsättningen av singulära värden för {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} (räknat med mångfald), när det ses som en samling kartor från VλiHom(Vλj,Vλk)\mathcal V_{\lambda_i} \rightarrow Hom(\mathcal V_{\lambda_j}, \mathcal V_{\lambda_k}^*)”, som är en robust uppsättning enhetsinvarianter. Vi är betydligt mindre övertygade om att denna generaliserade gissning är sann, eftersom det kan vara möjligt att producera ett motexempel via explicit Sunada-konstruktion.

Att komma tillbaka till den ursprungliga gissningen, observerar vi att beviset innebär att fastställa denna implikation:

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}}\, .

Vi hoppas att för varje given kk, M0i,i,kM_0^{i,i,k} Kan inte vara identisk 00 för alla ii. Formeln för zkz_k kräver båda ii-oberoende och tillräcklighet, för att fastställa grundkartan e0izie1ie_0^i \mapsto z_i e_1^i bevarar {M0i,j,k}\set{M_0^{i,j,k}}. Alla dessa aspekter är fortfarande okända.

Låt oss dock beräkna några relevanta identiteter så att några orädda framtida forskare kan gräva i denna gissning:

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}

Anmärkning: för det endimensionella flat-tori fallet nedan, Q~k(ei,ej)=0\tilde{Q}_k(e^i,e^j) = 0 sedan Δ=1ddx\sqrt{\Delta} = \sqrt{-1}\frac{d}{dx} Det är en sann härledning.

Exempel

Låt {λi}Rn\set{\lambda_i} \subset \R^n vara indexerad, rangordna nn Gitter av Lie Algebra vikter för kvoten utrymme representation av g=Rn\frak{g}=\Reals^n som översättningsinvariant (dvs. konstant) vektorfält på sig själv, när Rn\R^n ses också som g\frak{g}’s associerade Lie Group över en torus definierad av Rn/AZn,AGL(n,R)\Reals^n/A\Z^n, A \in GL(n,\Reals). Dessa vikter definierar integrerade hissar av 1-former över torus som integrerar till linjära funktioner. <xλi, xRn\bra{x} \lambda_i\rangle,\space x\in\Reals^n som sin Liegrupp (som täcker torus). Dessa linjära funktioner kan sedan skalas om enhetligt (genom 2π12\pi \sqrt{-1}) och exponentierade för att bilda multiplikativa tecken som härstammar till att bilda en ortonormal bas av L2(Rn/AZn,dx)L^2(\Reals^n/A\Z^n,dx), med Lebesgue (Haar) mått dxdx.

Dessutom diagonaliserar denna grund samtidigt den platta torus Laplacian ** eftersom ** Lappland är bilden av ett symmetriskt, negativt bestämt kvadratiskt Casimir-element under denna (konstant koefficient linjär differentialoperator) kvotmellanrumsrepresentation av den universella omslutande algebra. Därför är dess egenvärden i konstant proportion (av 4π24\pi^2) till Casimir-element-bestämd längd-kvadrat av varje karaktärs vikt i gitter.

Vi ser för närvarande ovanstående grund

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

att vara vår teorem-tillämpliga Fourier-bas av ortonormala (multiplikativ karaktär) egenfunktioner (av denna kvotrepresentation av det (negativa) Euklidiska Casimir-elementet) som direkt motsvarar {λi}\set{\lambda_i}. Med våra hypoteser måste vi ha i<j    λiλji < j \implies \lVert\lambda_i\rVert \leq \lVert\lambda_j\rVert (med den euklidiska normen på vikterna).

Nu kan vi beräkna

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}

Eftersom denna ekvation är bara invariant under linjära omvandlingar på viktgitter (A1)tZn={λi}(A^{-1})^t\Z^n = \set{\lambda_i}, endast ett L2L^2 ortonormal egenfunktionskarta som induceras från en volymbevarande inverterbar linjär karta mellan två sådana indexerade, rangordnade nn viktgitter behåller den indexerade datamängden “algebraisk/topologisk” {Mi,j,k}\set{M^{i,j,k}} Ovariant.

För att kunna tillämpa vår SatsenDet är viktigt att en sådan linjär karta BB vara BSO(n,R)B\in SO(n,\Reals) på vikten gitter, eftersom den inducerade L2L^2 Basmappning för egenfunktion

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

måste också bevara de “analytiska” invarianterna — Casimir-element-inducerad figur 4π2λi24\pi^2\lVert\lambda_i\rVert^2 för varje indexerad vikt, dvs. de individuella egenvärdena i Lappland.

Detta representationsteoretiska konto [AK01] är exakt likvärdig med den tidigare utvecklingen av lattice kongruens [NRR22] Traditionellt används för att avgränsa isometri klasser av platt tori. Faktum är att matrisen införlivar en sådan linjär karta BSO(n,R)B\in SO(n,\Reals), som beskrivs i föregående stycke, **är ** den kontravariant Riemannian isometri mellan tori, som tillhandahålls genom tillämpning av *Gelfand-Naimark Representation Theorem * under Bevis från vår Satsen.

Antal bekräftelser

Den ursprungliga forskningen finansierades delvis av en nådig James Simons Research Award 1995-1996, och det generösa stödet från en Alfred P. Sloan Dissertation Fellowship 1996-1997 vid universitetet vid Stony Brook.

Författaren vill också tacka Tanya Christiansen, Carolyn Gordon, Hamid Hezari, Harish Seshadri, och särskilt Leon Takhtajan för deras tekniska hjälp och översyn vid utarbetandet av detta manuskript för publicering.