de Rhamの定理
n次元多様体 M 上のp形式 w の全体を Ωp(M )
d : Ωp(M )
® Ωp+1(M )
(18-1) |
Ω |
d |
Ω¹(M ) |
d |
Ω²(M ) |
d |
d |
Ωn(M ) |
d |
を考えると、dd
= 0
(18-2a) Zq(Ω(M )) |
(18-2b) Bq(Ω(M )) |
と置くと、(Ω(M ))
Ì Zq(Ω(M ))
(18-3) Hq(Ω(M )) |
というアーベル群を考えることができます。(Ω(M ))
de Rham
コホモロジー群とよびます。
第16節で考察したPoincaré
の補題、すなわち d
w = 0w = d
hde Rham
コホモロジーが消える、すなわち (Ω(M ))
= 0de Rham
の定理といいますが、本節ではこの定理について解説します。
さて、 = { Oi | i
ÎI } ³ 0ÎI p+1
(18-4) |
(18-5) |
であるような wuÎΩq(Ou)
w の全体を (Ωq(O))
次に、wÎC p(Ωq(O))
dp
wÎC p(Ωq+1(O))
(18-6) (dp |
で定義します。ただし右辺の d
は多様体 Ou のq形式に対する外微分です。
また、dp : C p(O)
® C p(Ω0(O))ÎC p(O)
ÎI p+1wu を対応させる写像とします。このとき
(18-7) dpdp |
が成り立ちます。
更に、 ³ 1wÎC p(Ωq(O))
wÎC p(Ωq
-1(O))
(18-8a) (Ip |
で定義します。ただし右辺の I は、R
n の凸領域と微分同型な Ou において (16-8)
で定義される演算子です。
また、 ¹ ÆÎI p+1ÎOuwÎC p(Ω
0(O))wÎC p(O)
(18-8b) (Ip |
で定義します。第16節 (16-17a)
により、wÎC p(Ω
0(O))
(18-9) (u |
であることと、(16-17b),(16-17c)
により
(18-10) |
が得られます。また、
(18-11) c |
が成り立ちます。
次に、wÎC p(Ωq(O))
dqwÎC p+1(Ωq(O))
(18-12) (u |
å r=0 |
( |
で定義し、dq : Ωq(M )
® C 0(Ωq(O))wÎΩq(M )
ÎI に w の Oi への制限 wi を対応させる写像”を対応させる写像とします。このとき、(17-4)
と同様にして
(18-13) |
が成り立つことがわかります。
更に、 ³ 1mq :
C p(Ωq(O))
® C p-1(Ωq(O))
(18-14a) (u |
å iÎI |
,u |
で、また mq :
C 0(Ωq(O))
® Ωq(M )
(18-14b) |
å iÎI |
でそれぞれ定義します。ただし右辺に出てくる ci は、O に乗った1の分解、すなわち
(18-15a) |
å iÎI |
(18-15b) supp |
を満たす滑らかな M 上の関数です。このような ci の存在は次のようにして証明できます。M のパラコンパクト性と前節補題1により、O より細かい相対コンパクト集合からなる局所有限開被覆 { U
l | lÎΛ }l ÌÌ Ul{ V
l | lÎΛ }(11-12)
により、各 l に対して
(18-16a)V |
(18-16b) supp |
であるような関数 jl が存在します。各 lÎΛl Ì OiÎI(
l)
(18-17) |
å i ( |
と置けば、右辺は台が局所有限な開被覆に含まれる関数の和ですから局所的に有限和、従って滑らかで、かつ各々の台 Fl は Oi に含まれる閉集合ですから、これらが局所有限であることから、その合併 F は閉集合、従って左辺の台は F に含まれ、これは Oi に含まれます。ここでさらに O が局所有限であることを用いると、
(18-18) |
å iÎI |
は局所的に有限和なので M 上の滑らかな関数となり、かつ M 上至る所 y > 0ci = yi/y(18-15)
が満たされることがわかります。
さて、(18-14)
の右辺の å 内の各項は、wi,
uwi の定義域外で 0 と置くことにより、(18-15b)
により Ou や M 全体で滑らかな関数になりますが、さらに各点の十分小さい近傍では 0 でない項は有限個になることから、左辺が矛盾なく定義できることがわかります。
さて、wÎC p(Ωq(O))
(18-19) ( |
å iÎI |
( |
å iÎI |
å r=0 |
( |
å iÎI |
å iÎI |
p r=0 |
( |
å iÎI |
p r=0 |
( |
特に = 0
(18-20) (j |
å iÎI |
( |
また ³ 1
(18-21) (u |
p r=0 |
( |
p r=0 |
å iÎI |
( |
ゆえに (18-19)~(18-21)
により
(18-22) |
が成り立ちます。また、(18-14b),(18-15a)
により
(18-23) |
が成り立つことがわかります。
また、d
pdq
(18-24a) d |
(18-24b) d |
(18-24c) d |
が成り立つことは明らかです。更に、(Ωq(O))
id
と書けば、(18-10),(18-13)
により
(18-25a)pIp |
同様に、(18-7),(18-22)
により
(18-25b) dpp |
が成り立ちます。
そこで : Ωp(M )
® C p(O) : C p(O)
® Ωp(M )
(18-26a) fp |
(18-26b) gpp |
で定義します。このとき、
(18-27) fpd |
d |
d |
|
d |
|
d |
|
d |
|
( |
|
( |
|
( |
|
( |
|
( |
|
( |
となります。したがって、
(18-28a) fp(Z p(Ω(M ))) |
(18-28b) fp(B p(Ω(M ))) |
が成り立つので、(Ω(M ))
(O)
(O)
(Ω(M ))
(18-29a)p |
(18-29b)p |
と置くと、
(18-30) |
(18-31) |
(id |
p |
|
d |
|
d |
|
d |
|
(p |
|
( |
|
( |
|
( |
|
( |
(18-32) |
(id |
dpp |
|
d |
|
d |
|
(p |
|
( |
|
( |
|
( |
(18-33) |
が成り立ちますから、k に関する p から 0 への下向きの帰納法により、ある j , y が存在して
(18-34) fp gp |
と書けることがわかります。これは
(18-35a) fp' gp' |
を意味しており、対称的に
(18-35b) gp' fp' |
も成り立つので、fp' と gp' は互いに逆写像であることがわかりました。以上により、次のde Rham
の定理が証明されました:
|
n次元パラコンパクト多様体 M の任意の標準被覆 O に対し、 |
次に、M 上の台がコンパクトな p 形式 w の全体を Ωpo(M )
d : Ωpo(M )
® Ωp+1o(M )
(18-36) |
Ωno(M ) |
d |
Ωn |
d |
Ωn |
d |
d |
Ω |
d |
を考えると、dd
= 0
(18-37a) Zq(Ωo(M )) |
(18-37b) Bq(Ωo(M )) |
と置くと、(Ωo(M ))
Ì Zq(Ωo(M ))
(18-38) Hq(Ωo(M )) |
という群を考えることができます。これもde Rham
コホモロジーといいます。
さて、 = { Oi | i
ÎI } ³ 0ÎI p+1(18-4),(18-5)
を満たす wuÎΩqo(Ou)
w で、有限個の u を除いて wu = 0(Ωqo(O))
次に、wÎCp(Ωqo(O))
dp
wÎCp(Ωq+1o(O))(18-6)
で定義します。また、dp : Cp(Ωno(O))
® Cp(O)wÎCp(Ωno(O))
ÎI p+1
(18-39)cu |
Ou |
を対応させる写像”を対応させる写像として定義します。また、Stokes
の定理により
(18-40) (dpdpu |
Ou |
d |
( |
ですから、(18-7)
が成り立ちます。
更に、 ³ 1wÎCp(Ωqo(O))
wÎCp(Ωq
-1o(O))
(18-41a) (Jp |
で定義します。ただし右辺の J は、R
n(16-25)
で定義される演算子です。
また、 ¹ ÆÎI p+1(16-41c)
に用いられている r(x)dx¹ ^
xn¼ ^ dÎCp(O)
ÎCp(Ωno(O))
(18-41b) (Jpc)uxn |
で定義します。第16節 (16-41c)
により、wÎCp(Ωno(O))
(18-42) ( |
ì í î |
(x) |
Ou |
ü ý þ |
dx¹ ^u |
ですから、これと (16-41a),(16-41b)
により、
(18-43) |
が得られます。また、r(x)dx¹ ^
xn¼ ^ d1 ですから、
(18-44) c |
が成り立ちます。
次に、wÎCp+1(Ωqo(O))
¶qwÎCp(Ωqo(O))
(18-45) ( |
å iÎI |
i,u |
で定義し、¶q :
C0(Ωqo(O))
® Ωqo(M )
(18-46) |
å iÎI |
で定義します。これらの右辺は有限和なので、うまく定義されていることに注意します。このとき (17-10)
と同様にして
(18-47) |
が成り立つことがわかります。
更に、(18-14)
の 1 の分解 cinq :
Cp(Ωqo(O))
® Cp+1(Ωqo(O))
(18-48a) ( |
p+2 |
å r=0 |
( |
で、また nq : Ωqo(M )
® C0(Ωqo(O))ÎI
(18-48b) (i |
で定義します。ただし、(18-48a)
の右辺で、u の左から第 + 1(r)
(18-48b)
で、w の台はコンパクトなので、被覆の局所有限性により、左辺が 0 でないような ÎInqw
さて、wÎCp(Ωqo(O))
(18-49) ( |
å iÎI |
( |
å iÎI |
å r=0 |
( |
å iÎI |
å iÎI |
p r=0 |
( |
å iÎI |
p r=0 |
( |
また、 ³ 1
(18-50a) (u |
p+1 |
p r=0 |
( |
p r=0 |
å iÎI |
( |
また、 = 0
(18-50b) (i |
å jÎI |
ゆえに、(18-49)~(18-50)
により
(18-51) |
が成り立ちます。また、(18-15a),(18-46),(18-48b)
により、
(18-52) |
が成り立つこともわかります。
また、d
p( p
³ 0 )¶q( q
£ n )
(18-53a) dp |
(18-53b) d |
(18-53c) dp |
が成り立つことは明らかです。したがって、(O)
(O)
Ωq(M )
Ωn
-qo(M )(Ωq(O))
(Ωn
-qo(O))d
, d をそれぞれ d
, ¶ に、d
pdqmqd
p¶n-qnn-q
すなわち (18-26)
と対称的に、 :
Cp(O)
® Ωn-po(M ) : Ωn
-po(M ) ® Cp(O)
(18-54a)Fp |
(18-54b) Gp |
で定義すれば、(18-27)
と対称的に
(18-55) dFppFp |
が成り立つので、(18-28)
と同様に
(18-56a) Fp(Zp(O)) |
(18-56b) Fp(Bp(O)) |
が成り立つので、(O)
-p(Ωo(M ))
-p(Ωo(M ))
(O)
(18-34)
と対称的に
(18-57) GpFp |
となる Φ と Ψ が存在し、これは
(18-58a) Gp'Fp' |
を意味しており、対称的に
(18-58b) Fp'Gp' |
も成り立つので、
|
n次元パラコンパクト多様体 M の任意の標準被覆 O に対し、 |
次にカレントの空間に対するde Rham
コホモロジー (Ω' q(M ))
(Ω' qo(M ))
各 ÎI p+1(18-4),(18-5)
を満たす wuÎΩ' q(Ou)
w の全体を (Ω' q(O))
ÎI p+1(18-4),(18-5)
を満たす wuÎΩ' qo(Ou)
w のうち、有限個の u を除いて wu = 0(Ω' qo(O))
さて、(O)
(O)
R
の添字集合 = { u
ÎI p+1 | Ou ¹ Æ かつ u の成分はすべて異なる }
同様に、(Ωn
-qo(O))(Ω' q(O))
Õ{ Ωn
-qo(Ou) | uÎIp }Õ{ Ω' q(Ou) | u
ÎIp }
また、(Ωq(O))
(Ω' n
-qo(O))Õ{ Ωq(Ou) | u
ÎIp }Õ{ Ω' n
-qo(Ou) | uÎIp }
さらに、上記の議論で作った写像はすべてこれらの位相について連続ですから、それらの双対写像を考えることができ、de Rham
の定理1の証明で作った写像の双対はde Rham
の定理2の証明で作った写像と同じ性質を持ち、de Rham
の定理2の証明で作った写像の双対はde Rham
の定理1の証明で作った写像と同じ性質を持ちますから、両定理の双対的な結果として次の結論が得られます。
|
n次元パラコンパクト多様体 M の任意の標準被覆 O に対し、 |
|
n次元パラコンパクト多様体 M の任意の標準被覆 O に対し、 |
以上4つの定理により、(Ω(M ))
@ H p(Ω'(M ))(Ωo(M ))
@ H p(Ω'o(M ))(O)
(O)
また、O が有限被覆の場合(例えば M がコンパクトな場合など)は、(O)
と (O)
(Ω(M ))
@ H p(Ω'(M ))-p(Ωo(M ))
@ Hn-p(Ω'o(M ))Poincaré
の双対定理とよぶことがあります。