En matemáticas , un diffiety ( / d ə f aɪ ə ˌ t i / ) es un objeto geométrico introducido por Alexandre Mikhailovich Vinogradov [1] jugar el mismo papel en la teoría moderna de ecuaciones diferenciales parciales como variedades algebraicas juegan para las ecuaciones algebraicas.
Para definir una diferencia, necesitamos adoptar un enfoque geométrico para la descripción de ecuaciones diferenciales y sus soluciones. Esto requiere las nociones de espacios de chorro, prolongación y distribución de Cartan que se presentarán a continuación. El lector familiarizado con esas nociones puede pasar directamente a la definición .
Sea una variedad lisa dimensional. Se dice que las subvariedades bidimensionales de tienen el mismo orden de -ésimo Jet en si son tangentes hacia arriba . (Ser tangente al orden significa que si uno describe localmente las subvariedades como imágenes de secciones, entonces las derivadas de esas secciones concuerdan con el orden ). |
Se puede demostrar que ser tangente al orden es una noción de coordenadas invariantes y una relación de equivalencia [2] . Por tanto, un jet es una clase de equivalencia. Podemos usar jets para definir espacios de jet.
Se puede demostrar que los Jet Spaces están naturalmente dotados de la estructura de un colector suave [2] .
Comentario sobre la relación de Jet Spaces y Jet Bundles. |
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En lugar de considerar los chorros de los sub-colectores como se indicó anteriormente, a menudo basta con definir los chorros de las secciones de un colector con fibras . En este caso, se pueden describir las subvariedades que están horizontales a la proyección como imágenes de secciones de la variedad fibrosa. Un chorro de secciones es entonces una clase de equivalencia de secciones que son tangentes hasta el orden en algún punto . Esto da lugar a la definición de un Jet Bundle, que es una construcción ligeramente menos general que un Jet Space. Para obtener más información, consulte la página de Wikipedia sobre paquetes Jet . |
Si se definen las soluciones como se muestra a continuación, esta definición geométrica de PDE en coordenadas locales da lugar a expresiones que se utilizan generalmente para definir PDE y sus soluciones en análisis matemático .
Además, se pueden definir prolongaciones de ecuaciones, es decir, de subvariedades de espacios Jet. Con este fin, considere una ecuación diferencial . A uno le gustaría que la -ésima prolongación de una ecuación de orden fuera una ecuación de orden , es decir, una subvariedad del espacio del jet . Para lograr esto, uno primero construye el espacio jet sobre subvariedades -dimensional de . A medida que se inserta en , siempre se puede integrar de forma natural en . Pero dado que este último es el espacio de chorros repetidos de subvariedades de , siempre se puede incrustar en . Como resultado, al considerar ambos y como subespacios de, su intersección está bien definida. Se utiliza para la definición de prolongación de .
Sin embargo, tenga en cuenta que tal intersección no es necesariamente una variedad nuevamente (es decir, no siempre existe en la categoría de variedades suaves). Por lo tanto, generalmente se requiere ser lo suficientemente amable como para que al menos su primera prolongación sea de hecho una subvariedad de .
También se puede demostrar que esta definición todavía tiene sentido, incluso cuando llega al infinito.
Tenga en cuenta que a continuación, una distribución no se entiende en el sentido de funciones generalizadas, pero se considera que es un subconjunto del paquete tangente, como se suele hacer cuando se consideran distribuciones en geometría diferencial .
La distribución de Cartan es importante en el enfoque álgebro-geométrico de las ecuaciones diferenciales porque permite definir soluciones generalizadas de ecuaciones diferenciales en términos puramente geométricos.
También se puede mirar la distribución de Cartan de una subvariedad de sin necesidad de considerarla en su interior . Para hacerlo, se define la restricción de la Distribución a una subvariedad de la siguiente manera.
En este sentido, el par codifica la información sobre las soluciones (generalizadas) de la ecuación diferencial .
En Geometría Algebraica los principales objetos de estudio son variedades que incluyen todas las consecuencias algebraicas de un sistema de ecuaciones algebraicas. Por ejemplo, si se considera el lugar geométrico cero de un conjunto de polinomios, aplicar operaciones algebraicas a este conjunto (como sumar esos polinomios entre sí o multiplicarlos por cualquier otro polinomio) dará lugar al mismo lugar geométrico cero, es decir, se puede realmente considere el lugar geométrico cero del ideal algebraico del conjunto inicial de polinomios.
Ahora bien, en el caso de las ecuaciones diferenciales, además de aplicar operaciones algebraicas, también se tiene la opción de diferenciar. Por tanto, el análogo diferencial de una variedad debería ser como un ideal diferencial y debería incluir todas las consecuencias diferenciales . El objeto natural que sí incluye las consecuencias diferenciales de una ecuación es su prolongación infinita . En general, puede tener una dimensión infinita. Además, uno quisiera prestar atención a la estructura geométrica de la distribución de Cartan definida anteriormente. Por lo tanto, el par se define como un elemental diff var diferencial iety , o, para abreviar, como un elemental diffiety .
Tenga en cuenta que al considerar una ecuación diferencial , se puede demostrar que la distribución de Cartan es exactamente -dimensional a diferencia del caso de un número finito de prolongaciones.
Las diferencias elementales son objetos geométricos que juegan el mismo papel en la teoría de ecuaciones diferenciales parciales que las variedades algebraicas afines en la teoría de ecuaciones algebraicas. Así como las variedades o esquemas se componen de variedades afines irreductibles o esquemas afines , también se puede definir una diferencia (no elemental) como un objeto que localmente parece una diferencia elemental.
Los mapas que se dice que preservan la distribución de Cartan son mapas suaves que son tales que el avance en actúa de la siguiente manera:
Las diferencias junto con los mapas que conservan la distribución de Cartan son los objetos y morfismos de la categoría de ecuaciones diferenciales definidas por Vinogradov. En Vinogradov (2001) se ofrece una introducción detallada al tema .
La secuencia espectral de Vinogradov (o, para abreviar, secuencia de Vinogradov ) es una secuencia espectral relacionada con la distribución de Cartan que Vinogradov inventó [3] para calcular ciertas propiedades del espacio de solución formal de una ecuación diferencial. Se pueden utilizar diferencias para formularlo.
Suponga que es una dificultad. Ahora define
terminar el álgebra de formas diferenciales . Considere el correspondiente complejo de Rham:
Sus grupos de cohomología contienen información estructural sobre el PDE. Sin embargo, debido al Lemma de Poincaré, todos desaparecen localmente. Para extraer mucha más información e incluso local, es necesario tener en cuenta la distribución de Cartan. Esto es lo que facilitará la secuencia de Vinogradov. Con este fin, dejemos
ser el submódulo de formas diferenciales sobre cuya restricción a la distribución se desvanece. Esto significa
En realidad, es un llamado ideal diferencial, ya que es estable con respecto al diferencial de De Rham, es decir .
Ahora sea su -ésima potencia, es decir, el subespacio lineal de generado por . Entonces se obtiene una filtración
y dado que todos los ideales son estables, esta filtración determina completamente una secuencia espectral. (Para obtener más información sobre cómo funcionan las secuencias espectrales, consulte secuencia espectral ). Denotamos esta secuencia por
La filtración anterior es finita en cada grado, eso significa
Si la filtración es finita en este sentido, entonces la secuencia espectral converge a la cohomología de De Rham (de la diffiety). Por lo tanto, ahora se pueden analizar los términos de la secuencia espectral orden por orden. Esto se hace, por ejemplo, en el capítulo 5 de Krasilshchik (1999) . Aquí solo se resumirá qué información está contenida en la secuencia de Vinogradov.
Comentario sobre el bicomplejo variacional. |
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Si se considera un haz de chorros en lugar de un espacio de chorros, entonces, en lugar de la secuencia espectral, se obtiene el bicomplejo variacional ligeramente menos general . (Cualquier bicomplejo determina dos secuencias espectrales. Una de las dos secuencias espectrales determinadas por el bicomplejo variacional es exactamente la secuencia espectral de Vinogradov . Sin embargo, el bicomplejo variacional también se desarrolló independientemente de la secuencia de Vinogradov). De manera similar a los términos de la secuencia espectral, muchos de sus términos pueden recibir una interpretación física si se considera la diversidad (es decir, aproximadamente el espacio de solución de una PDE) de una teoría de campo clásica . Por ejemplo, se obtienen clases de cohomología correspondientes a funciones de acción, corrientes conservadas, cargas de calibre y otras nociones importantes en un esquema organizado de manera unificada. Dado que el artículo de Wikipedia sobre el bicomplejo variacional es actualmente bastante breve, se remite al lector al artículo de nLab para obtener más información. |
Vinogradov desarrolló una teoría, que se conoce como cálculo secundario [4] [5] [6] , formalizando en términos cohomológicos la idea de un cálculo diferencial en el espacio de soluciones de un sistema dado de PDE, o, que es más o menos lo mismo , el espacio de variedades integrales de una diferencia dada. En otras palabras, el cálculo secundario proporciona sustitutos para campos vectoriales, formas diferenciales, operadores diferenciales, etc., en un espacio (genéricamente) muy singular donde estos objetos no se pueden definir de la manera habitual (suave). (Este resumen fue tomado de la introducción de Vitagliano (2014) .)
En Vitagliano (2009) se analiza la relación entre el cálculo secundario y el espacio de fase covariante (que es el espacio de solución de las ecuaciones de Euler-Lagrange asociadas a una teoría de campo lagrangiana ).
Otra forma de generalizar ideas a partir de la geometría algebraica es la geometría algebraica diferencial .