Analiza Clifforda - Clifford analysis

Analiza Clifforda , wykorzystująca algebry Clifforda nazwane na cześć Williama Kingdona Clifforda , jest badaniem operatorów Diraca i operatorów typu Diraca w analizie i geometrii, wraz z ich zastosowaniami. Przykłady operatorów typu Diraca obejmować, ale nie są do nich ograniczone, operator Hodge-Diraca na Riemanna kolektora operator Diraca w przestrzeni euklidesowej i jego odwrotność i ich odpowiedniki na konforemne sferycznego Laplace'a w euklidesowej n -kosmiczna i Atiyah operatora -Singer-Diraca na kolektorze wirowania operatorzy typu Rarita-Schwinger / Stein-Weiss, konforemne Laplacians, spinorial Laplacians i operatorzy Diraca na wirowania C rozdzielaczy układy operatorów Diraca operatora Paneitz operatorzy Diraca o hiperbolicznej przestrzeni , hiperboliczne równania Laplace'a i Weinsteina.

Przestrzeń euklidesowa

W przestrzeni euklidesowej operator Diraca ma postać

gdzie e 1 , ..., e n jest bazą ortonormalną dla R n , a R n jest uważany za osadzony w złożonej algebrze Clifforda , Cl n ( C ) tak, że e j 2 = −1 .

To daje

gdzie Δ n jest Laplace'em w przestrzeni n -euklidesowej.

Podstawowym rozwiązaniem w euklidesowej operatora jest Diraca

gdzie ω n jest polem powierzchni sfery jednostkowej S n −1 .

Zauważ, że

gdzie

jest podstawowym rozwiązaniem do równania Laplace'a dla n ≥ 3 .

Najbardziej podstawowym przykładem operatora Diraca jest operator Cauchy-Riemanna

w płaszczyźnie złożonej. Rzeczywiście, wiele podstawowych właściwości analizy zespolonej jednej zmiennej występuje dla wielu operatorów typu Diraca pierwszego rzędu. W przestrzeni euklidesowej obejmuje to Cauchy'ego twierdzenia , a Cauchy'ego integralną wzoru , twierdzenie morery , szereg Taylora , seria Laurent i Liouville twierdzenia . W tym przypadku jądrem Cauchy'ego jest G ( xy ). Dowód całki Cauchy'ego jest taki sam jak w przypadku jednej zmiennej zespolonej i wykorzystuje fakt, że każdy niezerowy wektor x w przestrzeni euklidesowej ma odwrotność multiplikatywną w algebrze Clifforda, a mianowicie

Aż do znaku ta odwrotność jest odwrotnością Kelvina od x . Rozwiązania euklidesowego równania Diraca Df = 0 nazywane są (lewo) funkcjami monogenicznymi. Funkcje monogeniczne są szczególnymi przypadkami spinorów harmonicznych na rozmaitości spinowej .

W 3 i 4 wymiarach analiza Clifforda jest czasami nazywana analizą czwartorzędową . Gdy n = 4 , operator Diraca jest czasami określany jako operator Cauchy-Riemann-Fueter. Dalsze niektóre aspekty analizy Clifforda są określane jako analiza hiperkompleksowa.

Analiza Clifford ma analogów transformat Cauchy'ego , Bergman jąder , jąder Szegő , operatorów Plemelj , Hardy'ego , o wzorze Kerzman-Stein i gatunku, lub Beurling-Ahlfors , przekształcać. Wszystkie te rozwiązania znalazły zastosowanie w rozwiązywaniu problemów z wartościami brzegowymi , w tym problemów z ruchomymi wartościami brzegowymi, całkami osobliwymi i klasyczną analizą harmoniczną . W szczególności analiza Clifforda została wykorzystana do rozwiązania, w pewnych przestrzeniach Sobolewa , problemu pełnej fali wodnej w 3D. Ta metoda działa we wszystkich wymiarach większych niż 2.

Wiele z Clifford analiza działa, jeśli wymienimy skomplikowaną Clifford algebra przez prawdziwego Clifford algebry , Cl n . Nie ma to jednak miejsca, gdy mamy do czynienia z interakcją między operatorem Diraca a transformatą Fouriera .

Transformacja Fouriera

Gdy weźmiemy pod uwagę górną połowę przestrzeni R n ,+ z granicą R n −1 , rozpiętość e 1 , ..., e n −1 , pod transformacją Fouriera symbol operatora Diraca

czy ja gdzie?

W tym ustawieniu formuły Plemelja

a symbole dla tych operatorów są, aż do znaku,

Są to operatory projekcji, inaczej znane jako wzajemnie anihilujące idempotenty, na przestrzeni funkcji całkowalnych o wartościach Cl n ( C ) na R n −1 .

Zauważ, że

gdzie R j jest j-tym potencjałem Riesza,

Jako symbol jest

z mnożenia Clifforda można łatwo wyznaczyć, że

Zatem operator splot jest naturalnym uogólnieniem do euklidesowej przestrzeni Hilberta przekształcać .

Załóżmy , że U ′ jest dziedziną w R n -1 , a g ( x ) jest rzeczywistą funkcją analityczną o wartości Cl n ( C ) . Wtedy g ma rozszerzenie Cauchy-Kovalevskaia do równania Diraca na pewnym sąsiedztwie U ′ w R n . Rozszerzenie jest wyraźnie podane przez

Kiedy to rozszerzenie jest stosowane do zmiennej x in

rozumiemy to

jest ograniczeniem do R n −1 z E +  +  E gdzie E + jest funkcją monogeniczną w górnej półprzestrzeni, a E jest funkcją monogeniczną w dolnej półprzestrzeni.

Istnieje również twierdzenie Paleya-Wienera w przestrzeni n- euklidesowej powstałe w analizie Clifforda.

Konformalna struktura

Wiele operatorów typu Diraca ma kowariancję przy konforemnej zmianie metryki. Dotyczy to operatora Diraca w przestrzeni euklidesowej i operatora Diraca w sferze pod transformacją Möbiusa. W konsekwencji dotyczy to operatorów Diraca na rozmaitościach konforemnie płaskich i rozmaitościach konforemnych, które są jednocześnie rozmaitościami spinowymi .

Transformata Cayleya (rzut stereograficzny)

Cayley transformacji lub stereograficzny występ z R n jednostce kuli S n transformuje euklidesowej operatora Diraca sferycznej operatora Diraca D S . Jawnie

gdzie Γ n jest sferycznym operatorem Beltramiego-Diraca

i x w S n .

Cayley przekształcić na brak -kosmiczna jest

Jego odwrotnością jest

Dla funkcji f ( x ) określonej w dziedzinie U w przestrzeni n -euklidesowej i rozwiązania równania Diraca , wtedy

ulega zniszczeniu przez D S na C ( U ), w którym

Dalej

operator konforemny Laplace'a lub Yamabe na S n . Jawnie

gdzie jest operator Laplace'a-Beltramiego na S n . Operator jest, poprzez transformatę Cayleya, konformalnie równoważny euklidesowemu laplacianowi. Również

jest operatorem Paneitz,

na n -sferze. Poprzez transformatę Cayleya ten operator jest konformalnie równoważny z bi-Laplace'em, . To wszystko są przykłady operatorów typu Dirac.

Transformacja Möbiusa

Möbiusa przekształcić na brak -euclidean przestrzeń może być wyrażona

gdzie a , b , c i d ∈ Cl n i spełniają pewne ograniczenia. Powiązana macierz 2 × 2 nazywa się macierzą Ahlforsa-Vahlena. Gdyby

a Df ( y ) = 0 to rozwiązanie równania Diraca gdzie

a ~ jest podstawowym antyautomorfizmem działającym na algebrze Clifforda . Operatory D k , lub Δ n k /2 , gdy k jest parzyste, wykazują podobne kowariancje pod transformacją Möbiusa, w tym transformatą Cayleya .

Gdy ax + b i cx + d są niezerowe, obaj są członkami grupy Clifforda .

Tak jak

wtedy mamy wybór znaku w definiowaniu J ( M , x ). Oznacza to, że dla konformalnie płaskiej rozmaitości M potrzebujemy struktury spinowej na M , aby zdefiniować wiązkę spinorową, na której odcinkach możemy pozwolić działać operatorowi Diraca. Wyraźne proste przykłady obejmują n -cylindr, rozmaitość Hopfa otrzymaną z n -euklidesowej przestrzeni minus początek, oraz uogólnienia k -obsługiwanych torusów uzyskanych z górnej połowy przestrzeni przez wydzielenie jej przez działania uogólnionych grup modularnych działających całkowicie na górną połowę przestrzeni nieciągle. W tych kontekstach można wprowadzić operator Diraca . Te operatory Diraca są specjalnymi przykładami operatorów Atiyah-Singer-Dirac.

Operator Atiyah-Singer-Dirac

Mając rozmaitość spinorową M z wiązką spinorową S i gładkim przekrojem s ( x ) w S to w warunkach lokalnej bazy ortonormalnej e 1 ( x ), ..., e n ( x ) wiązki stycznej z M , operator Atiyah-Singer-Dirac działający na s definiuje się jako

gdzie jest połączenie spinowe , podniesienie do S połączenia Levi-Civita na M . Gdy M jest przestrzenią n- euklidesową, wracamy do euklidesowego operatora Diraca .

Z operatora D Atiyah–Singer–Dirac mamy wzór Lichnerowicza

gdzie τ jest krzywizną skalarną na rozmaitości , a Γ jest sprzężeniem Γ. Operator D 2 jest znany jako spinorial Laplace'a.

Jeśli M jest zwarte i gdzieś τ ≥ 0 i τ > 0, to na rozmaitości nie ma nietrywialnych spinorów harmonicznych . To twierdzenie Lichnerowicza. Łatwo zauważyć, że twierdzenie Lichnerowicza jest uogólnieniem twierdzenia Liouville'a z analizy zespolonej jednej zmiennej. To pozwala nam zauważyć, że w przestrzeni gładkich sekcji spinorowych operator D jest odwracalną taką rozmaitością.

W przypadku, gdy operator Atiyah–Singer–Dirac jest odwracalny na przestrzeni gładkich odcinków spinorowych o zwartej podporze można wprowadzić

gdzie δ y jest funkcją delta Diraca obliczoną w y . Daje to początek jądru Cauchy'ego , które jest podstawowym rozwiązaniem tego operatora Diraca. Z tego można otrzymać wzór całkowy Cauchy'ego dla spinorów harmonicznych . W tym jądrze wiele z tego, co opisano w pierwszej sekcji tego wpisu, jest realizowane dla odwracalnych operatorów Atiyah-Singer-Dirac.

Korzystając z twierdzenia Stokesa lub w inny sposób, można dalej określić, że przy konforemnej zmianie metryki operatory Diraca związane z każdą metryką są proporcjonalne do siebie, a zatem są też ich odwrotnościami, jeśli istnieją.

Wszystko to zapewnia potencjalne powiązania z teorią indeksów Atiyaha-Singera i innymi aspektami analizy geometrycznej z udziałem operatorów typu Diraca.

Operatory hiperboliczne typu Diraca

W analizie Clifforda bierze się również pod uwagę operatory różniczkowe na górnej połowie przestrzeni, dysku lub hiperboli względem metryki hiperbolicznej lub Poincarégo .

Dla górnej połowy przestrzeni dzieli się algebrę Clifforda , Cl n na Cl n −1 + Cl n −1 e n . Tak więc dla a w Cl n można wyrazić a jako b + ce n z a , b w Cl n −1 . Następnie mamy operatory projekcji P i Q zdefiniowane następująco: P ( a ) = b i Q ( a ) = c . Operator Hodge-Diraca działający na funkcji f w odniesieniu do metryki hiperbolicznej w górnej połowie przestrzeni jest teraz zdefiniowany jako

.

W tym przypadku

.

Operator

jest Laplacian w odniesieniu do metryki Poincaré, podczas gdy drugi operator jest przykładem operatora Weinsteina.

Hiperboliczny Laplace'a jest niezmienny podczas działania grupy konforemny, podczas gdy operator hiperboliczny Diraca jest kowariantna w takich działań.

Operatorzy Rarita-Schwinger/Stein-Weiss

Operatory Rarita-Schwingera , znane również jako operatory Steina-Weissa, powstają w teorii reprezentacji dla grup Spin i Pin . Operator R k jest konformalnie kowariantnym operatorem różniczkowym pierwszego rzędu. Tutaj k = 0, 1, 2, .... Gdy k = 0, operator Rarita-Schwinger jest po prostu operatorem Diraca. W teorii reprezentacji dla grupy ortogonalnej O( n ) powszechnie rozważa się funkcje przyjmujące wartości w przestrzeniach jednorodnych wielomianów harmonicznych . Kiedy zawęzi się tę teorię reprezentacji do podwójnego pokrycia Pin( n ) z O( n ), zastępuje się przestrzenie jednorodnych wielomianów harmonicznych przestrzeniami k jednorodnych wielomianów rozwiązań równania Diraca, inaczej znanymi jako k wielomianów jednogenowych. Rozważa się funkcję f ( x , u ) , gdzie x w U , dziedzina w R n , a u zmienia się w ciągu R n . Dalej f ( x , u ) jest k- monogenicznym wielomianem w u . Teraz zastosuj operator Diraca D x in x do f ( x , u ). Ponieważ algebra Clifforda nie jest przemienną D x f ( x , u ) to funkcja ta nie jest już k monogeniczna , ale jest jednorodnym wielomianem harmonicznym w u . Teraz dla każdego wielomianu harmonicznego h k jednorodnego stopnia k istnieje rozkład Almansiego-Fischera

gdzie p k i p k -1 są odpowiednio k i k -1 wielomianami jednogenowymi . Niech P będzie rzutem h k na p k , wtedy operator Rarity-Schwingera jest zdefiniowany jako PD k i jest oznaczony przez R k . Korzystając z lematu Eulera można ustalić, że

Więc

Konferencje i czasopisma

Wokół algebr Clifforda i algebr geometrycznych istnieje żywa i interdyscyplinarna społeczność z szerokim zakresem zastosowań. Do głównych konferencji na ten temat należą: Międzynarodowa Konferencja Clifford Algebras andich Applications in Mathematical Physics (ICCA) oraz Applications of Geometric Algebra in Computer Science and Engineering (AGACSE) . Głównym punktem publikacji jest czasopismo Springer Advances in Applied Clifford Algebras .

Zobacz też

Bibliografia

  • Ahlfors, LV (1981), Transformacje Möbiusa w kilku wymiarach , wykłady profesorskie z matematyki w Ordway, University of Minnesota, hdl : 2027/mdp.39015015619276 , OCLC  681384835.
  • Ahlfors, L. (1986), „przekształcenia Mobiusa w R n wyrażone przez macierze 2 x 2 liczb Clifforda”, Zmienne zespolone , 5 : 215-224, doi : 10.1080/17476938608814142.
  • Brackx, F.; Delanghe, R.; Sommen, F. (1982), Analiza Clifforda , Pitman Research Notes in Mathematics, Longman , ISBN 0-273-08535-2.
  • Bures, J.; Sommen, F.; Souček, V.; VanLancker, P. (2001), "Operatory typu Rarita-Schwinger w analizie Clifforda", Journal of Functional Analysis , 185 (2): 425-455, doi : 10.1006/jfan.2001.3781.
  • Kolombo, F.; Sabadini, I .; Sommen, F.; Struppa, D. (2004), Analiza systemów Diraca i algebry obliczeniowej , Postęp w fizyce matematycznej , Birkhauser Verlag, ISBN 0-8176-4255-2.
  • Eastwood, M.; Ryan, J. (2007), "Aspekty operatorów Diraca w analizie", Milan Journal of Mathematics , 75 (1): 91-116, doi : 10.1007/s00032-007-0077-5.
  • Friedrich, T. (2000), Operatory Diraca w geometrii riemannowskiej , studia magisterskie z matematyki, 25 , Amerykańskie Towarzystwo Matematyczne.
  • Jefferies, B. (2004), Spectral Properties of Noncommuting Operators , Notatki do wykładu z matematyki, 1843 , Springer Verlag , ISBN 3-540-21923-4.
  • Krausshar, RS (2004), Uogólnione analityczne formy automorficzne w przestrzeni hiperkompleksowej , Granice w matematyce , Birkhauser Verlag, ISBN 3-7643-7059-9.
  • Lawson, HB; Michelsohn, M.-L. (1989), Geometria wirowania , Princeton Mathematical Series, 38 , Princeton University Press, ISBN 0-691-08542-0.
  • McIntosh, A. (1996), „Algebry Clifforda, teoria Fouriera, całki osobliwe i funkcje harmoniczne w domenach Lipschitza”, w Ryan, J. (red.), Clifford Algebras in Analysis and Related Topics , Studies in Advanced Mathematics, CRC Prasa , s. 33-87, ISBN 0-8493-8481-8.
  • Mitrea, M. (1994), Całki pojedyncze, Hardy Spaces i falki Clifforda , Notatki z matematyki, 1575 , Springer Verlag , ISBN 0-387-57884-6.
  • Roe, J. (1998), Operatory eliptyczne, topologia i metody asymptotyczne , Pitman Research Notes in Mathematics, 395 Longman (2nd ed.), Harlow, ISBN 0-582-32502-1.
  • Ryan, J. (1996), Clifford Algebras in Analysis and Related Topics , Studies in Advanced Mathematics, CRC Press , ISBN 0-8493-8481-8.
  • Stein, E.; Weiss, G. (1968), "Uogólnienia równań Cauchy'ego Riemanna i reprezentacje grupy rotacyjnej", American Journal of Mathematics , 90 (1): 163-196, doi : 10.2307/2373431 , JSTOR  2373431.
  • Sudbery, A. (1979), „ Analiza Quaternionic ”, Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society , 85 (02): 199-225, Bibcode : 1979MPCPS..85..199S , doi : 10.1017/S0305004100055638.
  • Tao, T. (1996), „ Operatory splotu na wykresach Lipschitza z jądrami harmonicznymi”, Postępy w stosowanych algebrach Clifforda , 6 : 207-218, ISSN  0188-7009.
  • Wu, S. (1999), „Well-positionness in Sobolev space of the full water wave problem in 3-D”, Journal of the American Mathematical Society , 12 (02): 445-495, doi : 10.1090/S0894-0347 -99-00290-8.

Linki zewnętrzne