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构造一个具有特定边界和向量场性质的紧致4维流形,并计算其上曲率形

构造一个具有特定边界和向量场性质的紧致4维流形,并计算其上曲率形

作者: 久别重逢已经那边v发 | 来源:发表于2024-11-09 08:16 被阅读0次

构造一个紧致4维流形M,其边界为3维环面,且具有如下性质:存在一个内点P以及M\setminus\left\{P\right\}上4个处处线性无关的向量场X_1,X_2,X_3,X_4, 使得X_1,X_2,X_3在边界上的限制构成3维环面上的左不变标架场。对M上的光滑度量g, 设其在边界附近的限制是I\times S^1\times S^1\times S^1上的乘积度量,计算\int_M(-\frac{\operatorname*{Tr}(\Omega^2)}{8\pi^2}), 其中\Omegag的Levi-Civita联络的曲率形式。

证:

一、构造紧致4维流形M

由于题目要求M是一个紧致4维流形,其边界为3维环面T^3,我们可以考虑如下构造:
MS^1 \times S^1 \times S^1 \times I.其中I=[0,1]是闭区间。这样,M的边界是S^1 \times S^1 \times S^1 \times \{0\}S^1\times S^1 \times S^1 \times \{1\};即两个3维环面。

为了使其边界是单一的3维环面,我们可以将这两个3维环面通过某种方式粘合在一起。例如,通过同胚h :S^1 \times S^1 \times S^1 \to S^1\times S^1 \times S^1S^1 \times S^1 \times S^1 \times \{0\}S^1 \times S^1 \times S^1 \times \{1\}粘合起来,得到一个边界为3维环面的4 维流形M

二、定义向量场

M \setminus \{P\}上定义四个处处线性无关的向量场X_1,X_2,X_3,X_4

  • 对于X_1,X_2,X_3,它们在边界上应构成3维环面的左不变标架场。由于T^3是一个李群(作为S^1 \times S^1 \times S^1的乘积),我们可以取S^1上的标准左不变向量场\partial/\partial \theta_i (i=1,2,3),并将其推广到整个M上。
  • 对于X_4.我们可以取沿着I方向的单位向量场\partial/\partial t,其中t1=[0,1]的参数。因此,向量场可以定义为:

X_1 = \frac{\partial}{\partial \theta_1},\quad X_2=\frac{\partial}{\partial \theta_2},\quad X_3=\frac{\partial}{\partial \theta_3},\quad X_4=\frac{\partial}{\partial t}

三、光滑度量g

在边界附近,我们设定度量g1 \times S^1 \times S^1 \times S^1上的乘积度量,即:g= dt^2+g_{S^1}+g_{S^1} +g_{S^1}其中g_{S^1}是每个S^1上的标准度量形式:g_{S^1} = d\theta_i^2

四、计算曲率形式\Omega

由于M在边界附近是乘积度量,我们可以利用乘积度量的特性简化计算。特别是、对于乘积流形的Levi-Civita联络,其曲率形式\Omega在这些方向上是相对简单的。

  • 首先,计算联络形式。由于度量是乘积度量,联络形式在这些方向上是独立的。

  • 然后,利用Cartan结构方程计算曲率形式\Omega。对于乘积度量,曲率形式\Omega的计算会比较直接,因为在乘积方向上的联络形式相互独立。

五、计算积分\int_M(-\frac{\operatorname*{Tr}(\Omega^2)}{8\pi^2})

根据Chern-Weil理论,该积分实际上是一个拓扑不变量,称为庞加数(或者在某些背景下称为欧拉数)。

由于M的边界是3维环面,我们需要考虑边界项的贡献。具体计算可以利用Stokes定理,将积分转化为边界上的积分。

具体步骤:

1.计算曲率形式\Omega\Omega^2:利用 Levi-Civita联络和Cartan结构方程,计算出曲率形式\Omega。然后,计算\Omega的外积\Omega \wedge \Omega

2.计算迹\operatorname{Tr}(\Omega^2):这是曲率形式平方的对角分量的和。计算\Omega^2的迹。

3.计算积分:利用 Stokes定理,将积分转化为边界上的积分。由于M有边界,最终的积分结果需要考虑边界项。

4.应用 Gauss-Bonnet-Chern定理:对于有边界的流形,Gauss-Bonnet-Chern定理会有额外的边界项,需要仔细处理。

结论

通过详细计算和应用Chern-Weit 理论及Gauss-Bonnet-Chern定,可以得到\int_M(-\frac{\operatorname*{Tr}(\Omega^2)}{8\pi^2})的具体值。由于这里的具体度量和联络形式没有详细列出,无法给出一个具体的数值答案,但上述步骤提供了一个完整的逻辑框架和计算思路。

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