1 座標成分の変換則
証明.p∈Uα∩Uβ∩Uγとする。§E4.3 定理 1.1を合成(φγ∘φβ−1)∘(φβ∘φα−1)=φγ∘φα−1へ適用すると
D(φγ∘φβ−1)(φβ(p))D(φβ∘φα−1)(φα(p))=D(φγ∘φα−1)(φα(p))(∗)を得る。
反射律は、φα∘φα−1が恒等写像であり、その Jacobi 行列が単位行列であることから従う。
対称律を示す。(∗)でγ=αと取ると、右辺は単位行列であるから
D(φα∘φβ−1)(φβ(p))=D(φβ∘φα−1)(φα(p))−1である。b=D(φβ∘φα−1)(φα(p))aの両辺に左からこの逆行列を掛けるとa=D(φα∘φβ−1)(φβ(p))bを得る。
推移律は、b=D(φβ∘φα−1)(φα(p))aとc=D(φγ∘φβ−1)(φβ(p))bを合わせ、(∗)を用いることから従う。▨
証明では、二つのチャートが定める座標基底のあいだの関係式を先に求める。この関係式は本記事の以後の計算でも繰り返し用いる。
証明. 最初に、p∈Uα∩Uβに対して
∂xαi∂p=j=1∑nA ij∂xβj∂p,A ij=∂i(φβ∘φα−1)j(φα(p))が成り立つことを示す。§E17.3 定理 3.3により、TpMの元は座標関数への値で決まる。左辺をxβkに適用すると
∂xαi∂p(xβk)=∂i(xβk∘φα−1)(φα(p))=∂i(φβ∘φα−1)k(φα(p))=A ikであり、右辺をxβkに適用すると∑j=1nA ijδjk=A ikである。よって両辺は等しい。
同値類の上で定まることを示す。(α,a)∼(β,b)、すなわちbj=∑i=1nA ijaiとする。上の関係式により
v(α,a)=i=1∑naij=1∑nA ij∂xβj∂p=j=1∑n(i=1∑nA ijai)∂xβj∂p=j=1∑nbj∂xβj∂p=v(β,b)である。
全射性は§E17.3 定理 3.3による。任意のv∈TpMは一つのチャートの座標基底で展開することができる。
単射性を示す。v(α,a)=v(α′,a′)とする。v(α′,a′)をφαの座標基底で展開すると、上の関係式により第i成分は∑k=1nD(φα∘φα′−1) kia′kである。§E17.3 定理 3.3の一次独立性により、この値はaiに等しい。よって(α′,a′)∼(α,a)である。▨
例 1.4 (平面の極座標における変換則).U={(x,y)∈R2∣x>0}とし、R2の開部分多様体と見る。Uの上に二つのチャートを取る。一つは包含写像が定める直交座標のチャート(U,φc)、φc(x,y)=(x,y)である。もう一つは極座標のチャート(U,φp)であり、
φp(x,y)=(x2+y2, arctan(y/x))∈(0,∞)×(−π/2,π/2)で定める。逆写像は(r,θ)↦(rcosθ, rsinθ)である。両者はともに同相写像であり、座標変換
σ(r,θ)=φc∘φp−1(r,θ)=(rcosθ, rsinθ)とその逆写像はいずれもC∞であるから、二つのチャートは両立する。Jacobi 行列は
Dσ(r,θ)=(cosθsinθ−rsinθrcosθ)であり、行列式はrcos2θ+rsin2θ=rである。r>0であるから可逆である。
定義 1.1の変換則により、極座標側の成分a=(1,0)は直交座標側でb=(cosθ,sinθ)へ、a=(0,1)はb=(−rsinθ, rcosθ)へ移る。一方、命題 1.3の証明で示した座標基底の関係式は
∂r∂p=cosθ∂x∂p+sinθ∂y∂p,∂θ∂p=−rsinθ∂x∂p+rcosθ∂y∂pを与える。これは連鎖律による直接の計算と一致する。実際、fをU上のC∞関数とすると
∂r∂(f∘σ)(r,θ)=cosθ(∂1f)(σ(r,θ))+sinθ(∂2f)(σ(r,θ))であり、θについても同様に−rsinθ∂1f+rcosθ∂2fとなる。したがって、成分の変換則と座標基底の変換は同じ内容を表している。
2 集合から多様体を構成する補題
接束を作るには、集合として∐pTpMを用意し、そこにチャートを与えて位相と可微分構造を定める。以後、同じ手続きを余接束、テンソル束、外冪束に対して繰り返すので、必要な条件を一度にまとめておく。
補題 2.1.Xを集合、mを正の整数とし、高々可算な添字集合Aと、部分集合Va⊆Xおよび単射ηa:Va→Rmの族{(Va,ηa)}a∈Aが次の五つを満たすとする。
- 各aについてηa(Va)はRmの開集合である。
- 各a,bについてηa(Va∩Vb)はRmの開集合である。
- Va∩Vb=∅を満たす各a,bについて、ηb∘ηa−1:ηa(Va∩Vb)→ηb(Va∩Vb)はC∞級である。
- ⋃a∈AVa=Xである。
- 相異なるx,y∈Xに対して、x,yをともに含むVaが存在するか、またはx∈Va、y∈Vb、Va∩Vb=∅を満たすa,bが存在する。
このとき、Xに位相がただ一つ存在して、各Vaが開集合であり各ηaがVaからηa(Va)への同相写像になる。この位相のもとでXは Hausdorff かつ第二可算であり、{(Va,ηa)}a∈Aはm次元C∞アトラスである。したがってXはm次元C∞多様体になる。
証明.
B={ηa−1(W) a∈A, W⊆ηa(Va) は Rm の開集合}と置く。条件 (d)によりBはXを覆う(W=ηa(Va)と取る)。
Bが基底の条件を満たすことを示す。x∈ηa−1(W)∩ηb−1(W′)とするとx∈Va∩Vbである。ηaはVaの上で単射であるから
Z=ηa(ηa−1(W)∩ηb−1(W′))=W∩ηa(Va∩Vb)∩(ηb∘ηa−1)−1(W′)であり、ηa−1(Z)=ηa−1(W)∩ηb−1(W′)である。条件 (b)によりηa(Va∩Vb)は開集合であり、条件 (c)によりηb∘ηa−1はその上で連続であるから(ηb∘ηa−1)−1(W′)は開集合である。よってZは開集合であり、ηa−1(Z)∈Bがxを含んで二つの元の共通部分に含まれる。したがってBはある位相の基底である。この位相をXに与える。
各VaはBの元であるから開集合である。ηaが同相写像であることを示す。W⊆ηa(Va)が開集合ならばηa−1(W)∈Bは開集合であるからηaは連続である。逆にO⊆VaをXの開集合とすると、OはBの元の合併であり、上の計算により各ηa(ηb−1(W′)∩Va)は開集合であるからηa(O)は開集合である。よってηaは開写像でもあり、同相写像である。
第二可算性を示す。Aは高々可算であり、各ηa(Va)⊆Rmは第二可算であるから高々可算な基底{Wa,k}kを持つ。{ηa−1(Wa,k)}a,kは高々可算な族であり、Xの基底である。実際、x∈O(Oは開集合)とすると、x∈ηa−1(W)⊆Oを満たすBの元が存在し、ηa(x)∈Wa,k⊆Wを満たすkが存在するのでx∈ηa−1(Wa,k)⊆Oである。
Hausdorff 性を示す。x=yとする。条件 (e)の前半の場合、x,y∈Vaならばηa(x)=ηa(y)であるから、Rmの Hausdorff 性によりηa(Va)の中で交わらない開集合によって分離することができ、そのηaによる逆像はXの交わらない開集合である。条件 (e)の後半の場合、VaとVbが求める開集合である。
最後に、ηaは同相写像であり条件 (c)により座標変換はC∞である。aとbを入れ替えて条件 (c)を用いれば逆向きの座標変換もC∞であるから、{(Va,ηa)}はC∞アトラスである。
一意性を示す。O′を、各Vaが開集合であり各ηaが同相写像になるような位相とする。W⊆ηa(Va)が開集合ならばηa−1(W)はVaの開集合であり、VaがO′の開集合であるからηa−1(W)∈O′である。よってB⊆O′である。逆にO∈O′とすると、各aについてO∩VaはVaの開集合であるからηa(O∩Va)は開集合でありO∩Va∈Bである。条件 (d)によりO=⋃a(O∩Va)であるから、OはBの元の合併である。よってO′はBが生成する位相に等しい。▨
補題 2.2.Mをn次元C∞多様体とする。Mの可微分構造に属するチャートの高々可算な族{(Ok,φk)}k∈Kであって、{Ok}k∈KがMの位相の基底をなすものが存在する。
証明.Mは第二可算であるから高々可算な基底{Pl}l∈Lを持つ。K={l∈L∣Plがあるチャートの定義域に含まれる}と置き、各l∈Kに対してPl⊆Uとなるチャート(U,φ)を一つ選び、Ol=Pl、φl=φ∣Plと定める。チャートの開集合への制限は極大アトラスに属するので、(Ol,φl)はチャートである。
{Ol}l∈Kが基底であることを示す。x∈O(OはMの開集合)とする。xを含むチャート(U,φ)を取るとU∩Oはxを含む開集合であるから、x∈Pl⊆U∩Oを満たすl∈Lが存在する。Pl⊆Uであるからl∈Kであり、x∈Ol⊆Oである。▨
3 接束
定理 3.1.Mをn次元C∞多様体とし、集合として
TM={(p,v) p∈M, v∈TpM}と定め、π:TM→Mをπ(p,v)=pで定める。Mの可微分構造に属するチャート(U,φ)に対して、φの成分をx1,…,xnと書き
φ~:π−1(U)⟶φ(U)×Rn⊆R2n,φ~(p,v)=(φ(p), (v(x1),…,v(xn)))と定める。このときTMに位相と可微分構造がただ一つ存在して、各(π−1(U),φ~)がチャートになる。この構造のもとでTMは2n次元C∞多様体であり、Hausdorff かつ第二可算である。二つのチャート(U,φ)、(V,ψ)に対する座標変換は
φ~∘ψ~−1(x,ξ)=(φ∘ψ−1(x), D(φ∘ψ−1)(x)ξ)でありC∞級である。さらにπは滑らかである。
証明.補題 2.2により、定義域がMの位相の基底をなす高々可算なアトラス{(Ok,φk)}k∈Kを取る。Vk=π−1(Ok)、ηk=φ~kと置き、補題 2.1の五つの条件を確かめる。
ηkが単射であることを示す。ηk(p,v)=ηk(q,w)とすると、最初のn成分からφk(p)=φk(q)でありφkは単射であるからp=qである。残りのn成分からv(xi)=w(xi)がすべてのiで成り立ち、§E17.3 定理 3.3によりv=wである。
補題 2.1 条件 (a)を示す。ηk(Vk)=φk(Ok)×Rnである。実際、§E17.3 定理 3.3により、任意のx∈φk(Ok)とξ∈Rnに対してv=∑i=1nξi∂/∂xi∣φk−1(x)と置けばηk(φk−1(x),v)=(x,ξ)である。これはR2nの開集合である。
補題 2.1 条件 (b)を示す。Vk∩Vl=π−1(Ok∩Ol)であるから、同じ計算によりηk(Vk∩Vl)=φk(Ok∩Ol)×Rnであり、これは開集合である。
補題 2.1 条件 (c)を示す。(x,ξ)∈φl(Ok∩Ol)×Rnを取り、p=φl−1(x)、v=∑j=1nξj∂/∂yj∣pと置く。ここでy1,…,ynはφlの成分である。命題 1.3の証明で示した座標基底の関係式により
v(xi)=j=1∑nξj∂j(φk∘φl−1)i(x)である。したがって
ηk∘ηl−1(x,ξ)=(φk∘φl−1(x), D(φk∘φl−1)(x)ξ)である。第一成分はC∞写像であり、第二成分はC∞関数を成分とする行列とξの積であるから、各成分はxとξのC∞関数である。よって座標変換はC∞である。
補題 2.1 条件 (d)は{Ok}がMを覆うことから従う。
補題 2.1 条件 (e)を示す。(p,v)=(q,w)とする。p=qならば、pを含むOkを取れば両者はVkに属する。p=qならば、Mは Hausdorff であるから交わらない開集合A∋p、B∋qが存在し、{Ok}が基底であるからp∈Ok⊆A、q∈Ol⊆Bを満たすk,lが存在する。Ok∩Ol=∅であるからVk∩Vl=∅である。
補題 2.1により、TMに位相と可微分構造がただ一つ定まり、TMは2n次元C∞多様体であって Hausdorff かつ第二可算である。
一般のチャート(U,φ)について(π−1(U),φ~)がこの可微分構造のチャートであることを示す。上と同じ計算により、φ~はπ−1(U)からφ(U)×Rnへの単射であり、各ηkとの座標変換は上と同じ形をしていてC∞である。π−1(U)=⋃kπ−1(U∩Ok)は開集合であり、φ~は各π−1(U∩Ok)の上で同相写像であるから全体でも同相写像である。よって(π−1(U),φ~)は極大アトラスに属する。座標変換の式は上で計算したとおりである。
πの滑らかさを示す。チャート(π−1(U),φ~)と(U,φ)に関するπの座標表示はφ∘π∘φ~−1(x,ξ)=xであり、これはC∞である。§E17.1 命題 4.2によりπは滑らかである。▨
4 余接束・テンソル束・外冪束
定義 4.1.p∈Mとする。TpMの双対空間(§E3.5 定義 1.1)
Tp∗M=(TpM)∨をpにおける余接空間 (cotangent space) という。チャート(U,φ)の座標基底{∂/∂xi∣p}の双対基底(§E3.5 定理 1.2)を{dx1∣p,…,dxn∣p}と書く。すなわちdxi∣p(∂/∂xj∣p)=δ jiである。
非負整数r,sに対して、(r,s)型のテンソルの空間を
TsrpM={T:rTp∗M×⋯×Tp∗M×sTpM×⋯×TpM→R T は多重線形写像}と定める(§E3.10 定義 1.1)。r個の引数が余接ベクトル、s個の引数が接ベクトルであり、この順に書く。(r,s)=(0,0)のときはRとし、(0,1)型はTp∗Mに一致する。
正の整数kに対して、Tp∗Mのk次外冪(§E3.14 定義 1.1)
ΛkTp∗M=⋀k(Tp∗M)を考える。Λ0Tp∗M=Rとする。
補題 4.3.(U,φ)をチャート、p∈Uとする。添字j1,…,jr,i1,…,is∈{1,…,n}に対して
Ei1…isj1…jr(ω1,…,ωr,v1,…,vs)=k=1∏rωk(∂xjk∂p)⋅l=1∏sdxilp(vl)と定めると、これらはTsr∣pMの基底であり、dimTsr∣pM=nr+sである。T∈Tsr∣pMの成分を
Ti1…isj1…jr=T(dxj1p,…,dxjrp, ∂xi1∂p,…,∂xis∂p)と定めると、Tはこの成分を係数とするEの一次結合に等しい。
証明. 多重線形写像は、各引数を基底で展開することにより、基底の組における値で完全に決まる。Ei1…isj1…jrを基底の組(dxa1∣p,…,dxar∣p,∂/∂xb1∣p,…,∂/∂xbs∣p)で評価すると
k=1∏rδ jkak⋅l=1∏sδ blilとなる。これはak=jkかつbl=ilのとき1、それ以外のとき0である。したがって、Tと∑Ti1…isj1…jrEi1…isj1…jrは基底の組すべてで同じ値を取り、等しい。生成性が示された。一次結合が0ならば、基底の組で評価することによりすべての係数が0になるので一次独立である。基底の個数はnr+sである。▨
定理 4.4.Mをn次元C∞多様体とする。集合として
T∗M={(p,ω)∣p∈M, ω∈Tp∗M},TsrM={(p,T)∣p∈M, T∈TsrpM},ΛkT∗M={(p,ζ)∣p∈M, ζ∈ΛkTp∗M}と定め、いずれにも第一成分への射影πを与える。チャート(U,φ)に対して、それぞれの元をその点の座標と、定義 4.1が定める基底に関する成分の組へ写す写像を取ると、補題 2.1の五条件が満たされる。したがって三つの集合はそれぞれ位相と可微分構造をただ一つ持ち、次元はそれぞれ2n、n+nr+s、n+(kn)のC∞多様体になる。いずれも Hausdorff かつ第二可算であり、射影πは滑らかである。
証明の骨格は定理 3.1と同じである。異なるのは座標変換の第二成分の形だけであり、いずれの場合も、それがC∞関数を係数とするξの一次式または多項式であることを確かめればよい。ここで用いるのは、座標変換の Jacobi 行列Bの成分がC∞であることと、その逆行列B−1の成分が Cramer の公式によりC∞であることである。
証明.(U,φ)、(V,ψ)を二つのチャートとし、φの成分をxi、ψの成分をyjと書く。p∈U∩Vに対して
A=D(ψ∘φ−1)(φ(p)),B=D(φ∘ψ−1)(ψ(p))と置く。§E4.3 定理 1.1によりAB=BA=Iである。命題 1.3の証明の関係式は
∂xi∂p=j=1∑nA ij∂yj∂pである。双対基底については、両辺をdyj∣pで評価することにより
dyjp=i=1∑nA ijdxipを得る。実際、右辺を∂/∂xk∣pに適用するとA kjであり、左辺を適用すると上の関係式から同じ値になる。Bを用いれば逆向きの関係
∂yj∂p=i=1∑nB ji∂xi∂p,dxip=j=1∑nB jidyjpが成り立つ。
余接束。φ~∗(p,ω)=(φ(p),(ω(∂/∂x1∣p),…,ω(∂/∂xn∣p)))と定める。ωのψ側の成分をζj=ω(∂/∂yj∣p)とすると、上の関係式により
ω(∂xi∂p)=j=1∑nA ijζjである。したがって座標変換は
φ~∗∘(ψ~∗)−1(x,ζ)=(φ∘ψ−1(x), (B(x)−1)Tζ),B(x)=D(φ∘ψ−1)(x)である。Bの成分はxのC∞関数であり、detBは消えないので、Cramer の公式によりB−1の成分もxのC∞関数である。よって座標変換はC∞である。
テンソル束。補題 4.3の成分を並べる写像を取る。Tのψ側の成分をSa1…asb1…brと書く。Tの定義に現れる引数へ、反変の側にはdxj∣p=∑b=1nB bjdyb∣p、共変の側には∂/∂xi∣p=∑a=1nA ia∂/∂ya∣pを代入し、多重線形性で展開すると
Ti1…isj1…jr=b1,…,br=1∑n a1,…,as=1∑n(k=1∏rB bkjk)(l=1∏sA ilal)Sa1…asb1…brを得る。ここでA=B−1である。反変の添字にはBが、共変の添字にはAが付く。(r,s)=(0,1)の場合は上の余接束の式に、(r,s)=(1,0)の場合は接束の式に一致する。右辺はAとBの成分の積を係数とするSの一次式であり、係数はxのC∞関数である。よって座標変換はC∞である。
外冪束。§E3.14 定理 2.1により、{dxi1∣p∧⋯∧dxik∣p}i1<⋯<ikはΛkTp∗Mの基底であり、次元は(kn)である。dyj∣p=∑i=1nA ijdxi∣pを代入し、外積の多重線形性で展開すると
dyj1p∧⋯∧dyjkp=i1,…,ik=1∑nA i1j1⋯A ikjk dxi1p∧⋯∧dxikpとなる。添字に重複がある項は§E3.14 定義 1.1により0であり、残る項を添字の増加列ごとにまとめる。§E3.14 命題 3.2により1次の元の入れ替えは符号を変えるので、置換τによる並べ替えはsgn(τ)を生じ、結果として
dyj1p∧⋯∧dyjkp=1≤i1<⋯<ik≤n∑det(A ibja)1≤a,b≤k dxi1p∧⋯∧dxikpを得る。増加列I=(i1<⋯<ik)とJ=(j1<⋯<jk)に対してdet(A ibja)をdetA IJと書くと、ζ=∑JSJdyJ∣pのφ側の成分はTI=∑JdetA IJSJである。Aをx=ψ(p)の関数と見るとA(x)=B(x)−1であり、Cramer の公式によりその成分はxのC∞関数である。係数はA(x)のk次小行列式であり成分の多項式であるから、xのC∞関数である。したがって、成分を並べる写像に関する座標変換はC∞である。
以上により、いずれの場合も補題 2.1 条件 (c)が成り立つ。補題 2.1 条件 (a)、補題 2.1 条件 (b)、補題 2.1 条件 (d)、補題 2.1 条件 (e)は定理 3.1の証明とまったく同じ議論で確かめられる。とくに補題 2.1 条件 (e)では補題 2.2の可算アトラスを用い、補題 2.1 条件 (a)では補題 4.3または§E3.14 定理 2.1により成分の組を任意に取ることができることを用いる。射影πの滑らかさも同様である。▨
5 切断としてのベクトル場とテンソル場
定義 5.1.EをTM、T∗M、TsrM、ΛkT∗Mのいずれかとし、π:E→Mをその射影とする。滑らかな写像X:M→Eであってπ∘X=idMを満たすものをEの滑らかな切断 (smooth section) という。X(p)の第二成分をXpと書く。
TMの滑らかな切断を C∞ベクトル場 (C∞vector field) といい、M上のC∞ベクトル場の全体をX(M)と書く。TsrMの滑らかな切断を (r,s)型のC∞テンソル場 (C∞tensor field of type(r,s)) という。T∗Mの滑らかな切断を C∞1形式 (C∞one-form) という。
Mの開集合Uに対しても、Uを開部分多様体と見て同じ定義を用いる。
命題 5.2.XをMの各点pにXp∈TpMを対応させる(滑らかさを仮定しない)対応とする。チャート(U,φ)に対して、Xp=∑i=1nXi(p)∂/∂xi∣pによって関数X1,…,Xn:U→Rを定める。このとき、XがC∞ベクトル場であることと、Mの可微分構造に属するすべてのチャートについて成分X1,…,XnがC∞であることは同値である。さらに、一つのアトラスに属するチャートすべてについて成分がC∞であれば十分である。
同じ判定がT∗M、TsrM、ΛkT∗Mの切断についても、定義 4.1が定める基底に関する成分に対して成り立つ。
証明.(U,φ)をチャートとし、(π−1(U),φ~)を対応するTMのチャートとする。π∘X=idであるからX(U)⊆π−1(U)であり、
φ~∘X∘φ−1(x)=(x, (X1(φ−1(x)),…,Xn(φ−1(x))))である。右辺がC∞であることと、各Xi∘φ−1がC∞であること、すなわち各XiがU上でC∞であることは同値である。
成分が連続であれば、上の等式の右辺は連続でありφ~は同相写像であるからXはUの上で連続である。したがって、一つのアトラスのすべてのチャートで成分がC∞であればXは連続であり、§E17.1 命題 4.2により滑らかである。逆にXが滑らかであれば、任意のチャートについて上の座標表示がC∞であるから成分はC∞である。
他の束についても、チャートの第二成分が該当する基底に関する成分の組であることから、同じ計算がそのまま成り立つ。▨
定理 5.3.MをC∞多様体とする。X∈X(M)とf∈C∞(M)に対して
(Xf)(p)=Xp(f)(p∈M)と定める。このとき次が成り立つ。
- Xf∈C∞(M)であり、写像f↦XfはC∞(M)上の導分である。すなわちR線形であり、すべてのf,g∈C∞(M)に対してX(fg)=(Xf)g+f(Xg)を満たす。
- 対応X↦(f↦Xf)は、X(M)からC∞(M)上の導分の全体Der(C∞(M))への全単射であり、線形同型である。
証明.(1)を示す。(U,φ)をチャートとすると、p∈Uに対して
(Xf)(p)=i=1∑nXi(p)∂i(f∘φ−1)(φ(p))である。命題 5.2によりXiはC∞であり、∂i(f∘φ−1)∘φもC∞であるから、XfはUの上でC∞である。チャートはMを覆うのでXf∈C∞(M)である。R線形性は各点でXpが線形であることから従い、積の規則は各点での Leibniz 則
Xp(fg)=Xp(f)g(p)+f(p)Xp(g)をpについて並べたものである。
(2)の単射性を示す。X,Y∈X(M)がすべてのf∈C∞(M)に対してXf=Yfを満たすとする。各pでXp(f)=Yp(f)がすべてのf∈C∞(M)について成り立つ。§E17.3 定義 1.1によりTpMの元はC∞(M)上の写像であるからXp=Ypである。
全射性を示す。D∈Der(C∞(M))とする。最初にDが局所的であることを示す。f∈C∞(M)がpを含む開集合W0の上で恒等的に0であるとする。§E17.2 命題 1.5により、pの近傍で1に等しくsuppχ⊆W0を満たすχ∈C∞(M)を取る。§E17.3 補題 1.3の証明と同じ理由でχfは恒等的に0である。D(0)=0であり(Dは線形である)、積の規則により
0=D(χf)(p)=(Dχ)(p)f(p)+χ(p)(Df)(p)=(Df)(p)である。ここでf(p)=0とχ(p)=1を用いた。
各pに対してXp(f)=(Df)(p)と定めると、XpはR線形であり、積の規則をpで評価すると Leibniz 則を満たすのでXp∈TpMである。XはTMの切断を与える。
Xの滑らかさを示す。(U,φ)をチャート、p∈Uとする。§E17.2 命題 1.5により、pを含む開集合Wの上で1に等しくsuppχ⊆Uがコンパクトであるχ∈C∞(M)を取る。x~i∈C∞(M)を、Uの上でχxi、M∖suppχの上で0として定める(§E17.3 命題 1.4のEχである)。q∈Wに対して、x~iはWの上でxiと一致するから、§E17.3 注意 1.5の同一視のもとで
Xi(q)=Xq(xi)=Xq(x~i)=(Dx~i)(q)である。右辺はC∞関数であるから、XiはWの上でC∞である。p∈Uは任意であるからXi∈C∞(U)であり、命題 5.2によりX∈X(M)である。最後に(Xf)(p)=Xp(f)=(Df)(p)であるから、XはDへ写る。
線形性は定義から明らかである。▨
6 型による引き戻しと押し出しの違い
定理 6.1.M、NをC∞多様体、F:M→Nを滑らかな写像とする。
- sを正の整数、TをN上の(0,s)型C∞テンソル場とする。
(F∗T)p(v1,…,vs)=TF(p)(dFp(v1),…,dFp(vs))(p∈M, v1,…,vs∈TpM)
と定めると、F∗TはM上の(0,s)型C∞テンソル場である。Fに対する仮定は滑らかであることだけである。
- Fが微分同相であるとする。X∈X(M)に対して
(F∗X)q=dFF−1(q)(XF−1(q))(q∈N)
と定めると、F∗X∈X(N)である。
証明.(1)を示す。各点でdFpが線形であるから(F∗T)pは多重線形であり、(0,s)型テンソルである。滑らかさを確かめる。p∈Mを取り、pを含むチャート(U,φ)とF(p)を含むチャート(V,ψ)をF(U)⊆Vとなるように取る。F^=ψ∘F∘φ−1と書く。§E17.3 命題 5.5により
dFp(∂xi∂p)=j=1∑n∂ui∂F^j(φ(p))∂yj∂F(p)であるから、多重線形性により
(F∗T)i1…is(p)=j1,…,js=1∑nTj1…js(F(p))l=1∏s∂uil∂F^jl(φ(p))である。Tは滑らかであるからTj1…js∘FはC∞であり、F^の偏導関数をφで引き戻したものもC∞である。よって成分はC∞であり、命題 5.2によりF∗TはC∞テンソル場である。
(2)を示す。Fは全単射であるからF−1(q)は一点であり、(F∗X)qは定まる。(F∗X)q∈TqNである。滑らかさを確かめる。q∈Nを取り、p=F−1(q)とし、上と同じチャートを取る。Fは微分同相であるからF^はC∞微分同相であり、その逆写像F^−1もC∞である。§E17.3 命題 5.5により、F∗Xのψ側の成分は
(F∗X)j(ψ−1(y))=i=1∑n∂ui∂F^j(F^−1(y))Xi(φ−1(F^−1(y)))である。右辺はC∞関数の合成と積であるからC∞である。命題 5.2によりF∗X∈X(N)である。▨
本単元では、F∗を微分同相に対する標準的な移送として定義する。一般の滑らかな写像F:M→Nでは、与えたX∈X(M)に対して、すべてのp∈MでYF(p)=dFp(Xp)を満たすY∈X(N)の存在と一意性は保証されない。一方、微分同相でない写像でも、この等式を満たす終域上の滑らかな場が存在する個別例はある。次の四つの例は、存在、一意性および滑らかさが別々の条件であることを示す。
例 6.3 (埋め込みでは終域上の値が一意に定まらない).F:R→R2をF(t)=(t,0)とする。Fは滑らかであり、単射であり、各dFtは単射である。さらに像F(R)={(x,0)∣x∈R}にR2からの部分空間位相を与えると、FはRから像への同相写像である。実際、逆写像は第一成分への射影の制限であり連続である。
R上のベクトル場X=∂/∂tを取る。規則YF(t)=dFt(Xt)は、像の上ではY(x,0)=∂/∂x∣(x,0)を与える。任意のa∈C∞(R2)に対して
Ya=∂x∂+ya(x,y)∂y∂と定めると、YaはR2上の滑らかなベクトル場であり、Ya∣F(R)=∂/∂xである。したがって各Yaは、すべてのt∈Rで(Ya)F(t)=dFt(Xt)を満たす。点ごとの規則は像の外の値を制約しないので、この等式を満たす終域上の滑らかなベクトル場は複数存在し、一意に定まらない。
例 6.4 (射影では点ごとの等式を満たす場が存在しない).F:R2→RをF(x,y)=xとする。Fは滑らかで全射である。座標を、始域で(x,y)、終域でtと書く。§E17.3 命題 5.5により
dF(x,y)(∂x∂(x,y))=∂t∂x,dF(x,y)(∂y∂(x,y))=0である。R2上のベクトル場X=y∂/∂xを取る。F(x,0)=F(x,1)=xであるが
dF(x,0)(X(x,0))=0,dF(x,1)(X(x,1))=∂t∂xである。同じ点xに対して二つの異なる値が与えられるので、すべての(x,y)∈R2でYF(x,y)=dF(x,y)(X(x,y))を満たすR上のベクトル場Yは存在しない。
例 6.5 (三乗写像では点ごとの値が滑らかにならない).F:R→RをF(t)=t3とする。Fは滑らかな全単射であるが、dF0=0であるからdF0は同型でない。X=∂/∂tとし、終域の座標をsと書くと
dFt(Xt)=3t2∂s∂t3である。s=t3すなわちt=s1/3を代入すると、点ごとの規則が定める成分はY1(s)=3s2/3である。Fが全単射であるから値はR全体で一意に定まるが、s=0における差商は3s−1/3でありs→0で発散するので、Y1はs=0で微分可能でない。命題 5.2により、すべてのt∈RでYF(t)=dFt(Xt)を満たすC∞ベクトル場Yは存在しない。
7 演習
問題 7.1 (接束とテンソル場の確認). 次の各問に答えよ。
- 命題 1.3の証明で示した座標基底の関係式を、TpMの元が座標関数への値で決まるという事実から導け。どの主張がその事実を与えるかを明示せよ。
- 例 1.4のφpがUから(0,∞)×(−π/2,π/2)への同相写像であることを確かめよ。また、detDσ=rがUの上で消えないことが、二つのチャートの両立にどう用いられるかを述べよ。
- 補題 2.1 条件 (e)を落とすと、どの結論が成り立たなくなるかを述べよ。「可微分多様体の定義」で扱った原点を二つ持つ直線が、補題 2.1 条件 (e)だけを満たさない例になっていることを確かめよ。
- M=R、φ=id、ψ(t)=2t+1とする。この二つはともにRの極大アトラスに属するチャートである。定理 3.1の座標変換の式を書き下し、第二成分がξについて線形であることを確かめよ。
- 定理 4.4の外冪束の座標変換に現れるk次小行列式が、k=nのときdetAに等しいことを確かめよ。この事実が最高次の微分形式の変換則に対応することを述べよ。
- 定理 5.3の全射性の証明で、x~iを導入する理由を述べよ。xiをそのままDに適用することができない理由を、Dの定義域に立ち返って説明せよ。
- 定理 6.1 (1)の成分表示を、s=1、M=N=R、F(t)=t2、T=dyの場合に計算せよ。F∗(dy)=2tdtとなることを確かめよ。
- 例 6.5のY1(s)=3s2/3がs=0で微分可能でないことを、差商の極限を計算して示せ。さらに、F(t)=t3が微分同相でないことを§E17.3 系 5.4を用いて説明せよ。
- 例 6.2の一点写像について、終域上のベクトル場がY=0だけであることを示し、任意のX∈X(R)に対して、すべてのp∈RでYF(p)=dFp(Xp)を満たす終域上の滑らかな場Yが一意に存在することを確かめよ。
解答 (演習の解答).
(1)§E17.3 定理 3.3が、TpMの元vがv=∑i=1nv(xi)∂/∂xi∣pと一意に表すことができることを与える。したがって二つの接ベクトルは、すべての座標関数への値が一致すれば等しい。両辺をxβkに適用し、左辺が∂i(φβ∘φα−1)k(φα(p))、右辺がA ikになることを確かめればよい。(2)φpは連続であり、(r,θ)↦(rcosθ,rsinθ)が連続な逆写像を与える。x>0の範囲ではθ=arctan(y/x)∈(−π/2,π/2)とr=x2+y2>0が一意に定まり、逆に(r,θ)からx=rcosθ>0が定まる。両立については、座標変換σがC∞であることに加えて、その逆写像がC∞であることが必要である。detDσ=r>0であることから逆写像の Jacobi 行列が存在し、実際にφp∘φc−1の式がC∞であることを確かめることができる。(3)補題 2.1 条件 (e)を落とすと Hausdorff 性の結論が成り立たなくなる。他の結論(位相の存在と一意性、第二可算性、アトラスであること)は補題 2.1 条件 (a)、補題 2.1 条件 (b)、補題 2.1 条件 (c)、補題 2.1 条件 (d)だけで従う。原点を二つ持つ直線Lは、§E17.1 命題 3.2のU0、U1とφ0、φ1を取ると補題 2.1 条件 (a)、補題 2.1 条件 (b)、補題 2.1 条件 (c)、補題 2.1 条件 (d)を満たす。しかし二つの原点p0、p1はU0∩U1に属さず、U0とU1は交わるので、補題 2.1 条件 (e)のどちらの場合にも当てはまらない。(4)φ=id、ψ(t)=2t+1とするとφ∘ψ−1(x)=(x−1)/2でありD(φ∘ψ−1)(x)=1/2である。よってφ~∘ψ~−1(x,ξ)=((x−1)/2, ξ/2)である。第二成分はξについて線形であり、係数はxに依らない定数である。(5)k=nのとき増加列は1<2<⋯<nの一つだけであり、係数は行列(A ibja)1≤a,b≤n=Aの行列式である。したがってdy1∣p∧⋯∧dyn∣p=(detA)dx1∣p∧⋯∧dxn∣pである。最高次の微分形式の成分は座標変換の Jacobi 行列式の倍になる。(6)DはC∞(M)の上の作用素であり、M全体で定義された関数にしか適用することができない。座標関数xiはチャートの定義域Uの上でしか定義されていないので、D(xi)という式には意味が無い。山型関数χを掛けてM全体へ0で延長したx~iはC∞(M)の元であり、pの近傍ではxiと一致するので、§E17.3 注意 1.5の同一視のもとでXq(xi)=Xq(x~i)が成り立つ。(7)F^(t)=t2であり∂F^/∂t=2tである。T=dyの成分はT1=1であるから、(F∗T)1(t)=T1(F(t))⋅2t=2tである。すなわちF∗(dy)=2tdtである。(8)Y1(s)=3s2/3、Y1(0)=0であるから差商は3s2/3/s=3s−1/3である。s→0+で+∞へ発散し、s→0−で−∞へ発散するので極限は存在しない。したがってY1はs=0で微分可能でない。F(t)=t3についてはdF0=0であり同型でないから、§E17.3 系 5.4の対偶によりFは微分同相でない。(9)一点多様体{∗}の滑らかな関数は定数関数だけであり、その関数環上の導分は零写像だけである。したがってT∗{∗}={0}であり、終域上のベクトル場はY=0だけである。一点写像Fの微分は零写像なので、任意のp∈Rに対してYF(p)=0=dFp(Xp)が成り立つ。この等式を満たす終域上の場が一つしかないことから、Yは一意である。▨
8 仮定と後続記事の境界
補題 2.1 条件 (e)は Hausdorff 性のためだけに用いる。この条件を確かめるには、Mの Hausdorff 性と、定義域が基底をなす可算なアトラスの存在(補題 2.2)の両方が要る。第二可算性は、アトラスを可算に取ることができるという形で用いる。
本記事はベクトル束の概念を定義していない。四つの束はいずれも、同じ形の貼り合わせを個別に行って構成した。局所自明化、遷移関数の族、および一般のベクトル束の切断の理論は「ベクトル束と接続」が扱う。
定理 5.3は、以後の記事でベクトル場をX(f)の形で関数へ作用させるための根拠である。二つのベクトル場の括弧積[X,Y]f=X(Yf)−Y(Xf)を定義し、それがふたたびベクトル場を定めることを示すのは「Lie 微分と括弧積の自然性」である。
定理 6.1 (1)は、外冪束の切断すなわち微分形式に対して用いる形が「微分形式と外積・引き戻し」で必要になる。同記事は引き戻しが外積と可換であることを示す。定理 6.1 (2)の押し出しは、微分同相に関するベクトル場の変換として「Lie 微分と括弧積の自然性」で用いる。
本記事はΛkT∗Mを構成したが、その切断である微分形式の外積、引き戻し、および交代テンソル場としての位置づけは「微分形式と外積・引き戻し」が扱う。