拉格朗日子流形(Lagrangian submanifold)
/ luh-GRAHN-jee-un /
在辛流形上,2-形式 omega 量面積,並以反對稱方式配對向量。拉格朗日子流形是維數恰為一半的子流形,在其上這種面積量度完全崩塌——把 omega 限制到該子流形上你會得到零。這些是可能存在的最大的「對 omega 盲目」的子空間,且它們在力學中無處不在:生成函數的圖、守恆量的等位面、餘切叢的零截面,以及力學問題的解所描出的位形。
精確地說,在辛流形 (M^{2n}, omega) 中,子流形 L 是等向的,若 omega 限制到 L 上為零(對所有切於 L 的 v, w 都有 omega(v, w) = 0),這逼使 dim L <= n。它是拉格朗日的,若它是維數達最大值 n 的等向子流形,即 dim L = (1/2) dim M 且 omega|_L = 0。等價地,在每一點切空間 T_p L 等於它自身的辛正交補 (T_p L)^omega。標準例子:在 (R^{2n}, sum dp_i ^ dq_i) 中,q-平面 {p = 0} 與 p-平面 {q = 0} 都是拉格朗日的;在餘切叢 T*N 中,零截面以及任何閉 1-形式的圖都是拉格朗日的,而纖維 T_p^* N 也是拉格朗日的。
為何它們是核心對象:韋恩斯坦的信條是「萬物皆拉格朗日子流形」——例如辛同胚 f: M -> M 被編碼為乘積 M x M(配扭曲辛形式)中的拉格朗日圖 {(x, f(x))}。拉格朗日交截理論(兩個拉格朗日子流形必共享多少點)是弗洛爾同調與阿諾德猜想的幾何內容。一個常見錯誤是以為任何半維子流形都合格:並非如此——omega|_L = 0 的消失是強約束,一般的半維子流形並非等向,更別說拉格朗日了。
在任何流形 N 的餘切叢 T*N 中,典範辛形式是 omega = -d lambda,其中 lambda 是重言 1-形式。N 上一個 1-形式 alpha 的圖,視為 T*N 的子流形,是拉格朗日的當且僅當 d alpha = 0,即 alpha 為閉。特別地,零截面(alpha = 0)總是拉格朗日的,而任何函數 h 的 dh 的圖也是拉格朗日的——這些圖正是編碼正則變換的「生成函數」。
在 T*N 中,閉 1-形式的圖是拉格朗日的;零截面與纖維亦然。
等向、拉格朗日、餘等向是三種不同的維數區間:等向有 dim <= n 且 omega|_L = 0;餘等向有正交補 (T_p L)^omega 含於 T_p L(dim >= n);拉格朗日是 dim = n 的恰好平衡,兩者同時成立。拉格朗日是邊界情形,而非一般子流形。