En matemáticas, los espacios vectoriales convenientes son espacios vectoriales localmente convexos que satisfacen una condición de completitud muy leve .
El cálculo diferencial tradicional es eficaz en el análisis de espacios vectoriales de dimensión finita y para espacios de Banach . Más allá de los espacios de Banach, comienzan a surgir dificultades; en particular, la composición de aplicaciones lineales continuas deja de ser conjuntamente continua a nivel de espacios de Banach, [ Nota 1 ] para cualquier topología compatible en los espacios de aplicaciones lineales continuas.
Las asignaciones entre espacios vectoriales convenientes son suaves osi mapean curvas suaves a curvas suaves. Esto conduce a una categoría cartesiana cerrada de mapeos suaves entre- subconjuntos abiertos de espacios vectoriales convenientes (véase la propiedad 6 a continuación). El cálculo correspondiente de aplicaciones suaves se denomina cálculo conveniente . Es más débil que cualquier otra noción razonable de diferenciabilidad, es fácil de aplicar, pero existen aplicaciones suaves que no son continuas (véase la Nota 1). Este tipo de cálculo por sí solo no es útil para resolver ecuaciones [ Nota 2 ] .
La topología c ∞
DejarSea un espacio vectorial localmente convexo . Una curvase llama suave oSi todas las derivadas existen y son continuas. SeaSea el espacio de curvas suaves. Se puede demostrar que el conjunto de curvas suaves no depende completamente de la topología localmente convexa desolamente en su bornología asociada (sistema de conjuntos acotados); véase [KM], 2.11. Las topologías finales con respecto a los siguientes conjuntos de mapeos encoinciden; véase [KM], 2.13.
- El conjunto de todas las curvas de Lipschitz (de modo queestá delimitado enpara cada).
- El conjunto de inyeccionesdónderecorre todos los subconjuntos absolutamente convexos acotados eny dóndees el intervalo lineal deequipado con el Minkowski funcional
- El conjunto de todas las secuencias convergentes de Mackey(existe una secuencia)conencerrado).
Esta topología se llama- topología eny escribimospara el espacio topológico resultante. En general (en el espaciode funciones suaves con soporte compacto en la recta real, por ejemplo) es más fina que la topología localmente convexa dada, no es una topología de espacio vectorial, ya que la suma ya no es conjuntamente continua. Es decir, incluso La mejor entre todas las topologías localmente convexas enque son más gruesos quees la bornologización de la topología localmente convexa dada. Sies un espacio Fréchet , entonces
Espacios vectoriales convenientes
Un espacio vectorial localmente convexoSe dice que es un espacio vectorial conveniente si se cumple una de las siguientes condiciones equivalentes (llamado -completitud); véase [KM], 2.14.
- Para cualquierla integral (de Riemann)existe en.
- Cualquier curva de Lipschitz enes localmente integrable según Riemann.
- Cualquier escalarLa curva es: Una curvaes suave si y solo si la composiciónestá ena pesar dedóndees el dual de todos los funcionales lineales continuos en.
- De forma equivalente, para todos, el dual de todos los funcionales lineales acotados.
- De forma equivalente, para todos, dóndees un subconjunto deque reconoce subconjuntos acotados en; véase [KM], 5.22.
- Cualquier secuencia de Mackey-Cauchy (es decir,de tal manera quepara algunosen) converge enEsto es visiblemente un requisito de exhaustividad leve.
- Sies acotada, cerrada y absolutamente convexa, entonceses un espacio Banach.
- Sies escalar, entonceses, para.
- Sies escalarentonceses diferenciable en.
Aquí hay un mapase llamasi todos los derivados hasta el ordenexisten y son Lipschitz, localmente en.
Mapeos suaves
Dejarysean espacios vectoriales convenientes, y deje queser-abierto. Un mapeose llama suave o , si la composicióna pesar de. Véase [KM], 3.11.
Propiedades principales del cálculo suave
1. Para las aplicaciones en espacios de Fréchet, esta noción de suavidad coincide con todas las demás definiciones razonables. EnEste es un teorema no trivial, demostrado por Boman en 1967. Véase también [KM], 3.4.
2. Las aplicaciones multilineales son suaves si y solo si están acotadas ([KM], 5.5).
3. Sies suave entonces la derivadaes suave y tambiénes suave dondedenota el espacio de todas las aplicaciones lineales acotadas con la topología de convergencia uniforme en subconjuntos acotados; véase [KM], 3.18.
4. Se cumple la regla de la cadena ([KM], 3.18).
5. El espaciode todos los mapeos suaveses nuevamente un espacio vectorial conveniente donde la estructura viene dada por la siguiente inyección, dondelleva la topología de convergencia compacta en cada derivada por separado; véase [KM], 3.11 y 3.7.
6. Se cumple la ley exponencial ([KM], 3.12): Para-abiertoLa siguiente aplicación es un difeomorfismo lineal de espacios vectoriales convenientes.
Este es el supuesto principal del cálculo variacional. Aquí se presenta como un teorema. Esta propiedad es el origen del nombre conveniente , que fue tomado de (Steenrod 1967).
7. Teorema de acotación uniforme y suave ([KM], teorema 5.26). Una aplicación lineales suave (por (2) equivalente a acotado) si y solo sies suave para cada uno.
8. Las siguientes aplicaciones canónicas son suaves. Esto se deduce de la ley exponencial mediante razonamientos categóricos sencillos, véase [KM], 3.13.
- :\prod C^{\infty }(E_{i},F_{i})\to C^{\infty }\left(\prod E_{i},\prod F_{i}\right)\end{aligned}}}
Cálculos convenientes relacionados
El cálculo conveniente de aplicaciones suaves apareció por primera vez en [Frölicher, 1981], [Kriegl 1982, 1983]. El cálculo conveniente (que posee las propiedades 6 y 7) también existe para:
- Aplicaciones analíticas reales (Kriegl, Michor, 1990; véase también [KM], capítulo II).
- Mapeos holomorfos (Kriegl, Nel, 1985; véase también [KM], capítulo II). La noción de holomorfía es la de [Fantappié, 1930-33].
- Muchas clases de funciones ultradiferenciables de Denjoy-Carleman, tanto de tipo Beurling como de tipo Roumieu [Kriegl, Michor, Rainer, 2009, 2011, 2015].
- Con algunas adaptaciones,, [FK].
- Con más adaptaciones, incluso (es decir, elLa derivada -ésima es Hölder-continua con índice) ([Faure, 1989], [Faure, These Geneve, 1991]).
La noción correspondiente de espacio vectorial conveniente es la misma (para su espacio vectorial real subyacente en el caso complejo) para todas estas teorías.
Aplicación: Variedades de aplicaciones entre variedades de dimensión finita
La ley exponencial 6 del cálculo conveniente permite demostraciones muy simples de los hechos básicos sobre variedades de aplicaciones. Seaysean variedades suaves de dimensión finita dondees compacto . Utilizamos una métrica de Riemann auxiliar.en. El mapeo exponencial riemanniano deSe describe en el siguiente diagrama:
Induce un atlas de cartas sobre el espaciode todos los mapeos suavesde la siguiente manera. Un gráfico centrado en, es:
Ahora los hechos básicos se entienden fácilmente. Simplificando el haz vectorial de retrocesoy aplicando la ley exponencial 6 se llega al difeomorfismo
Todos los mapeos de cambio de gráficos son suaves () ya que mapean curvas suaves a curvas suaves:
De este modoes una variedad diferenciable modelada en espacios de Fréchet. El espacio de todas las curvas diferenciables en esta variedad viene dado por
Dado que mapea visiblemente curvas suaves a curvas suaves, la composición
es suave. Como consecuencia de la estructura del gráfico, el fibrado tangente de la variedad de aplicaciones viene dado por
Grupos regulares de mentiras
Dejarser un grupo de Lie suave y conexo modelado en espacios vectoriales convenientes, con álgebra de Lie La multiplicación y la inversión se denotan por:
La noción de un grupo de Lie regular se debe originalmente a Omori et al. para los grupos de Lie de Fréchet, fue debilitada y hecha más transparente por J. Milnor, y luego se llevó a los grupos de Lie convenientes; véase [KM], 38.4.
Un grupo de mentirasSe considera regular si se cumplen las dos condiciones siguientes:
- Para cada curva suaveEn el álgebra de Lie existe una curva suave.en el grupo de Lie cuya derivada logarítmica derecha esResulta queestá determinado de forma única por su valor inicial., si existe. Es decir,
Si es la solución única para la curvaComo se requirió anteriormente, denotamos
- Se requiere que el siguiente mapeo sea fluido:
Sies una curva constante en el álgebra de Lie, entonceses el mapeo exponencial de grupo.
Teorema. Para cada variedad compacta, el grupo de difeomorfismoses un grupo de Lie regular. Su álgebra de Lie es el espaciode todos los campos vectoriales suaves en, con el negativo del paréntesis usual como paréntesis de Lie.
Prueba: El grupo de difeomorfismoses una variedad suave ya que es un subconjunto abierto en. La composición es suave por restricción. La inversión es suave: Sies una curva suave en, entonces f ( t , ) −1 satisface la ecuación implícita , por lo tanto, según el teorema de la función implícita de dimensión finita,es suave. Por lo tanto, la inversión mapea curvas suaves a curvas suaves, y por lo tanto la inversión es suave. Seaser un campo vectorial dependiente del tiempo en(en). Luego, el operador de flujodel campo vectorial autónomo correspondienteeninduce el operador de evolución a través de
que satisface la ecuación diferencial ordinaria
Dada una curva suave en el álgebra de Lie,Entonces, la solución de la ecuación diferencial ordinaria depende suavemente también de la variable adicional., de este modomapea curvas suaves de campos vectoriales dependientes del tiempo a curvas suaves de difeomorfismo. QED.
El conjunto principal de incrustaciones
Para variedades de dimensión finitayconcompacto, el espaciode todas las incrustaciones suaves deen, está abierto en, por lo tanto es una variedad diferenciable. El grupo de difeomorfismosactúa libre y suavemente desde la derecha en.
Teorema:es un haz de fibras principal con grupo de estructura.
Demostración: Se utiliza nuevamente una métrica riemanniana auxiliar.en. Dado, vistacomo una subvariedad dey dividir la restricción del fibrado tangenteaen el subpaquete normal ay tangencial acomo Elige un barrio tubular
Sies-cerca de, entonces
Esta es la división local requerida. QED
Otras aplicaciones
En [Bauer, Bruveris, Michor, 2014] se puede encontrar una descripción general de las aplicaciones que utilizan la geometría de los espacios de formas y los grupos de difeomorfismos.
Notas
- ↑ Un ejemplo de mapeo de composición es el mapeo de evaluación., dóndees un espacio vectorial localmente convexo , y donde es su dual de funcionales lineales continuos equipados con cualquier topología localmente convexa tal que el mapeo de evaluación sea continua por separado. Si se supone que la evaluación es continua conjuntamente, entonces hay vecindadesyde cero tal queSin embargo, esto significa queestá contenido en el polar del conjunto abierto; por lo tanto, está delimitado en. De este modoadmite un entorno acotado de cero y, por lo tanto, es un espacio vectorial normado .
- ↑ Para que sea útil para resolver ecuaciones como las EDP no lineales, el cálculo conveniente debe complementarse con, por ejemplo, estimaciones a priori que ayuden a crear una situación de espacio de Banach suficiente para permitir la convergencia de algún procedimiento iterativo; por ejemplo, véase el teorema de Nash-Moser , descrito en términos de cálculo conveniente en [KM], sección 51.
Referencias
- Bauer, M., Bruveris, M., Michor, PW: Panorama general de las geometrías de los espacios de formas y los grupos de difeomorfismos. Journal of Mathematical Imaging and Vision, 50, 1-2, 60-97, 2014. (arXiv:1305.11500)
- Boman, J.: Diferenciabilidad de una función y de su composición con una función de una variable, Mathematica Scandinavia vol. 20 (1967), 249–268.
- Faure, C.-A.: Sur un théorème de Boman, CR Acad. Sci., París}, vol. 309 (1989), 1003–1006.
- Faure, C.-A.: Théorie de la différentiation dans les espaces convenables, These, Université de Genève, 1991.
- Frölicher, A.: Applications lisses entre espaces et variétés de Fréchet, CR Acad. Ciencia. París, vol. 293 (1981), 125-127.
- [FK] Frölicher, A., Kriegl, A.: Espacios lineales y teoría de la diferenciación. Matemáticas puras y aplicadas, J. Wiley, Chichester, 1988.
- Kriegl, A.: Die richtigen Räume für Analysis im Unendlich – Dimensionalen, Monatshefte für Mathematik vol. 94 (1982) 109–124.
- Kriegl, A.: Eine kartesisch abgeschlossene Kategorie glatter Abbildungen zwischen beliebigen lokalkonvexen Vektorräumen, Monatshefte für Mathematik vol. 95 (1983) 287–309.
- [KM] Kriegl, A., Michor, PW: El entorno conveniente del análisis global. Mathematical Surveys and Monographs, Volumen: 53, American Mathematical Society, Providence, 1997. (pdf)
- Kriegl, A., Michor, PW, Rainer, A.: El entorno conveniente para las aplicaciones diferenciables de Denjoy-Carleman no cuasianalíticas, Journal of Functional Analysis, vol. 256 (2009), 3510–3544. (arXiv:0804.2995)
- Kriegl, A., Michor, PW, Rainer, A.: El entorno conveniente para las aplicaciones diferenciables de Denjoy-Carleman cuasianalíticas, Journal of Functional Analysis, vol. 261 (2011), 1799–1834. (arXiv:0909.5632)
- Kriegl, A., Michor, PW, Rainer, A.: El marco conveniente para las aplicaciones diferenciables de Denjoy-Carleman de tipo Beurling y Roumieu. Revista Matemática Complutense (2015). doi:10.1007/s13163-014-0167-1. (arXiv:1111.1819)
- Michor, PW: Variedades de aplicaciones y formas. (arXiv:1505.02359)
- Steenrod, NE: Una categoría conveniente para espacios topológicos, Michigan Mathematical Journal, vol. 14 (1967), 133–152.
- Cálculo multivariable
- Cálculo diferencial
- Cálculo de variaciones