§E17.13Frobenius の定理の微分形式による定式化

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分布を与える方法には二通りある。一つは、それを張るベクトル場の枠を与える方法である。もう一つは、それを消す一次独立な11形式の組を与える方法である。後者では、分布に接する曲面を求める問題が、連立の全微分方程式

ω1=0,…,ωn−k=0\omega^1=0,\quad\dots,\quad\omega^{n-k}=0

を解く問題として書かれる。

本記事は、この二つの与え方が局所的に同じものであることを確かめ、可積分性が外積イデアルの条件として書き直されることを証明する。鍵になるのは外微分の不変表示である。11形式ω\omegaと、分布に属するベクトル場X,YX,Yに対してω(X)=ω(Y)=0\omega(X)=\omega(Y)=0であるから、不変表示は

dω(X,Y)=−ω([X,Y])d\omega(X,Y)=-\omega\bigl([X,Y]\bigr)

となる。すなわちdωd\omegaが分布の上で消えることと、括弧積が分布に属することが同値になる。この一手によって、微分形式版とベクトル場版が結び付く。

最後に、行列に値を持つ11形式AAに対する線形な全微分方程式系dY=A YdY=A\,Yを扱い、その可解性がdA−A∧A=0dA-A\wedge A=0と同値であることを示す。

以下、MMを境界を持たないnn次元C∞C^\infty多様体、1≤k≤n−11\le k\le n-1とする。

1 枠と余枠

補題 1.1.U⊆MU\subseteq Mを開集合とする。

  1. Y1,…,YnY_1,\dots,Y_nをUU上のC∞C^\inftyベクトル場で、各点q∈Uq\in Uで(Y1∣q,…,Yn∣q)(Y_1|_q,\dots,Y_n|_q)がTqMT_qMの基底をなすものとする。このときεa(Yb)=δba\varepsilon^a(Y_b)=\delta^a_bで定まるε1,…,εn\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^nはUU上のC∞C^\infty11形式であり、各点でTq∗MT^*_qMの基底をなす。
  2. 逆に、ε1,…,εn\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^nをUU上のC∞C^\infty11形式で各点Tq∗MT^*_qMの基底をなすものとすると、εa(Yb)=δba\varepsilon^a(Y_b)=\delta^a_bで定まるY1,…,YnY_1,\dots,Y_nはUU上のC∞C^\inftyベクトル場である。
  3. 1 の状況で、ξ∈Ωm(U)\xi\in\Omega^m(U)(1≤m≤n1\le m\le n)は増加添字B=(b1<⋯<bm)B=(b_1<\cdots<b_m)にわたって ξ=∑BξB  εb1∧⋯∧εbm,ξB=ξ(Yb1,…,Ybm)\xi=\sum_{B}\xi_B\;\varepsilon^{b_1}\wedge\cdots\wedge\varepsilon^{b_m}, \qquad \xi_B=\xi\bigl(Y_{b_1},\dots,Y_{b_m}\bigr) と一意に表され、係数ξB\xi_BはUU上のC∞C^\infty関数である。

証明.(1)を示す。チャート(V,φ=(x1,…,xn))(V,\varphi=(x^1,\dots,x^n))をUUの中に取り、Yb=∑i=1nAbi ∂/∂xiY_b=\sum_{i=1}^{n}A^i_b\,\partial/\partial x^iと書く。A=(Abi)A=(A^i_b)の成分はC∞C^\inftyであり、各点でAAは可逆である。εa=∑i=1nBia dxi\varepsilon^a=\sum_{i=1}^{n}B^a_i\,dx^iと置くとεa(Yb)=∑i=1nBiaAbi\varepsilon^a(Y_b)=\sum_{i=1}^{n}B^a_iA^i_bであるから、条件はBA=IBA=I、すなわちB=A−1B=A^{-1}である。Cramer の公式によりA−1A^{-1}の成分はAAの成分の多項式をdet⁡A\det Aで割ったものであり、det⁡A\det Aは消えないのでBBの成分はC∞C^\inftyである。よって§E17.10 命題 2.2によりεa\varepsilon^aはC∞C^\inftyである。BBが可逆であるから(ε1∣q,…,εn∣q)(\varepsilon^1|_q,\dots,\varepsilon^n|_q)はTq∗MT^*_qMの基底である。

(2)を示す。同じ計算を逆向きに行う。εa=∑i=1nBia dxi\varepsilon^a=\sum_{i=1}^{n}B^a_i\,dx^iの成分行列BBはC∞C^\inftyで各点可逆であり、A=B−1A=B^{-1}の成分がC∞C^\inftyであることからYb=∑i=1nAbi ∂/∂xiY_b=\sum_{i=1}^{n}A^i_b\,\partial/\partial x^iはC∞C^\inftyベクトル場である。

(3)を示す。各点で{εb1∣q∧⋯∧εbm∣q}\{\varepsilon^{b_1}|_q\wedge\cdots\wedge\varepsilon^{b_m}|_q\}は⋀m(Tq∗M)\bigwedge^m(T^*_qM)の基底である(§E3.14 定理 2.1)。§E17.10 系 3.6により

(εb1∧⋯∧εbm)(Yc1,…,Ycm)=det⁡(δcsbr)r,s=1m\bigl(\varepsilon^{b_1}\wedge\cdots\wedge\varepsilon^{b_m}\bigr)\bigl(Y_{c_1},\dots,Y_{c_m}\bigr) =\det\bigl(\delta^{b_r}_{c_s}\bigr)_{r,s=1}^{m}

であり、増加添字BB、CCに対してこれはB=CB=Cのとき11、そうでないとき00である(§E17.10 命題 4.1の証明と同じ議論)。よって展開は一意であり、係数はξ(Yb1,…,Ybm)\xi(Y_{b_1},\dots,Y_{b_m})に等しい。これはC∞C^\infty関数である。▨

補題 1.2.DDをMM上の階数kkのC∞C^\infty分布とする(§E17.8 定義 1.1)。

  1. 各点p∈Mp\in Mに対し、ppの開近傍UUと、UU上のC∞C^\infty11形式の組(ε1,…,εk,ω1,…,ωn−k)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})であって、各点でTq∗MT^*_qMの基底をなし、UUの各点qqで Dq=⋂a=1n−kker⁡ωqaD_q=\bigcap_{a=1}^{n-k}\ker\omega^a_q となるものが存在する。
  2. 逆に、開集合UUの上のC∞C^\infty11形式ω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}が各点で一次独立であるならば、q↦⋂aker⁡ωqaq\mapsto\bigcap_a\ker\omega^a_qはUU上の階数kkのC∞C^\infty分布である。

証明.(1)を示す。§E17.8 定義 1.1により、ppのある開近傍U0U_0の上でDDを張るC∞C^\inftyベクトル場の枠X1,…,XkX_1,\dots,X_kが存在する。U0U_0をチャートの定義域に取り替え、座標基底を∂/∂x1,…,∂/∂xn\partial/\partial x^1,\dots,\partial/\partial x^nとする。X1∣p,…,Xk∣pX_1|_p,\dots,X_k|_pは一次独立であるから、座標基底のうちn−kn-k個を選んでTpMT_pMの基底を作ることができる。番号を付け替えて、それらを∂/∂xk+1∣p,…,∂/∂xn∣p\partial/\partial x^{k+1}|_p,\dots,\partial/\partial x^{n}|_pとする。

Y1,…,YnY_1,\dots,Y_nをX1,…,Xk,∂/∂xk+1,…,∂/∂xnX_1,\dots,X_k,\partial/\partial x^{k+1},\dots,\partial/\partial x^{n}と定め、これらを座標基底で表した行列をAAとする。AAの成分はC∞C^\inftyでありdet⁡A(p)≠0\det A(p)\ne0であるから、det⁡A\det Aの連続性によりdet⁡A≠0\det A\ne0となるppの開近傍U⊆U0U\subseteq U_0が存在する。UUの上で(Y1,…,Yn)(Y_1,\dots,Y_n)は各点で基底をなすC∞C^\infty枠である。

補題 1.1 (1)により双対なC∞C^\infty余枠(ε1,…,εk,ω1,…,ωn−k)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})が定まる(ωa=εk+a\omega^a=\varepsilon^{k+a}と書いた)。v=∑b=1ncbYb∣qv=\sum_{b=1}^{n}c^bY_b|_qに対してωa(v)=ck+a\omega^a(v)=c^{k+a}であるから、⋂aker⁡ωqa\bigcap_a\ker\omega^a_qはY1∣q,…,Yk∣qY_1|_q,\dots,Y_k|_qが張る部分空間、すなわちDqD_qである。

(2)を示す。各点qqでω1∣q,…,ωn−k∣q\omega^1|_q,\dots,\omega^{n-k}|_qは一次独立であるから、共通の核はkk次元である。q0∈Uq_0\in Uを取り、座標基底の双対基底dx1,…,dxndx^1,\dots,dx^nのうちkk個を選んで( ⋅ ,ω1∣q0,…,ωn−k∣q0)(\,\cdot\,,\omega^1|_{q_0},\dots,\omega^{n-k}|_{q_0})がTq0∗MT^*_{q_0}Mの基底になるようにする。番号を付け替えてdx1,…,dxkdx^1,\dots,dx^kとする。行列式の連続性から、q0q_0のある近傍U′U'の上で(dx1,…,dxk,ω1,…,ωn−k)(dx^1,\dots,dx^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})は各点で基底をなす。補題 1.1 (2)により、双対なC∞C^\infty枠(Z1,…,Zk,W1,…,Wn−k)(Z_1,\dots,Z_k,W_1,\dots,W_{n-k})が定まる。ωa(Zi)=0\omega^a(Z_i)=0であるからZ1,…,ZkZ_1,\dots,Z_kは⋂aker⁡ωa\bigcap_a\ker\omega^aに属し、次元から各点でそれを張る。よって⋂aker⁡ωa\bigcap_a\ker\omega^aは階数kkのC∞C^\infty分布である。▨

以下、この記事では適合余枠という語を次の意味で用いる。MMをnn次元C∞C^\infty多様体、1≤k≤n−11\le k\le n-1とし、U⊆MU\subseteq Mを開集合とする。UU上のC∞C^\infty11形式の組(ε1,…,εk,ω1,…,ωn−k)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})が各点q∈Uq\in UでTq∗MT^*_qMの基底をなすとき、この組をUU上の適合余枠といい、補題 1.1 (2)が与える双対枠を(Y1,…,Yk,Z1,…,Zn−k)(Y_1,\dots,Y_k,Z_1,\dots,Z_{n-k})と書く。このときD=⋂a=1n−kker⁡ωaD=\bigcap_{a=1}^{n-k}\ker\omega^aはUU上の階数kkのC∞C^\infty分布であり、各点qqでY1∣q,…,Yk∣qY_1|_q,\dots,Y_k|_qがDqD_qを張る。補題 1.2により、MM上の任意の階数kkのC∞C^\infty分布は、各点の近傍で適合余枠から得られるこの形に表される。

2 外積イデアル

定義 2.1.U⊆MU\subseteq Mを開集合、ω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}をUU上のC∞C^\infty11形式で各点において一次独立であるものとする。ω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}が生成する外積イデアル (generated exterior ideal)I\mathcal{I}を

Im={ ∑a=1n−kηa∧ωa : η1,…,ηn−k∈Ωm−1(U) }⊆Ωm(U)(m≥1)\mathcal{I}^m=\Bigl\{\ \sum_{a=1}^{n-k}\eta_a\wedge\omega^a\ :\ \eta_1,\dots,\eta_{n-k}\in\Omega^{m-1}(U)\ \Bigr\}\subseteq\Omega^m(U) \qquad(m\ge 1)

で定め、I=⋃m≥1Im\mathcal{I}=\bigcup_{m\ge1}\mathcal{I}^mと書く。ここで∑a=1n−k\sum_{a=1}^{n-k}は添字aaについての和を明示的に表す。

命題 2.2.UU、ω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}、I\mathcal{I}を定義 2.1のとおりとする。m,l≥1m,l\ge 1、ξ∈Im\xi\in\mathcal{I}^m、ζ∈Ωl(U)\zeta\in\Omega^l(U)とすると

ζ∧ξ∈Im+l,ξ∧ζ∈Im+l\zeta\wedge\xi\in\mathcal{I}^{m+l}, \qquad \xi\wedge\zeta\in\mathcal{I}^{m+l}

が成り立つ。

証明.ξ=∑a=1n−kηa∧ωa\xi=\sum_{a=1}^{n-k}\eta_a\wedge\omega^a(ηa∈Ωm−1(U)\eta_a\in\Omega^{m-1}(U))と書く。各aaについて、§E17.10 定理 3.5の結合性から

ζ∧(ηa∧ωa)=(ζ∧ηa)∧ωa\zeta\wedge\bigl(\eta_a\wedge\omega^a\bigr)=\bigl(\zeta\wedge\eta_a\bigr)\wedge\omega^a

である。ζ∧ηa∈Ωm+l−1(U)\zeta\wedge\eta_a\in\Omega^{m+l-1}(U)であるから、aaについて和を取るとζ∧ξ∈Im+l\zeta\wedge\xi\in\mathcal{I}^{m+l}を得る。

つぎに各aaについて、ηa\eta_aの次数はm−1m-1、ωa\omega^aの次数は11であるから、§E17.10 定理 3.5の次数付き交換性を二度用いて

(ηa∧ωa)∧ζ=(−1)l ηa∧ζ∧ωa=(−1)l(−1)(m−1)l (ζ∧ηa)∧ωa\bigl(\eta_a\wedge\omega^a\bigr)\wedge\zeta =(-1)^{l}\,\eta_a\wedge\zeta\wedge\omega^a =(-1)^{l}(-1)^{(m-1)l}\,\bigl(\zeta\wedge\eta_a\bigr)\wedge\omega^a

である(第一の等号ではωa∧ζ=(−1)1⋅lζ∧ωa\omega^a\wedge\zeta=(-1)^{1\cdot l}\zeta\wedge\omega^a、第二の等号ではηa∧ζ=(−1)(m−1)lζ∧ηa\eta_a\wedge\zeta=(-1)^{(m-1)l}\zeta\wedge\eta_aを用いた)。右辺はIm+l\mathcal{I}^{m+l}の元の定数倍であるから、aaについて和を取るとξ∧ζ∈Im+l\xi\wedge\zeta\in\mathcal{I}^{m+l}を得る。▨

補題 2.3.U⊆MU\subseteq Mを開集合、(ε1,…,εk,ω1,…,ωn−k)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})をUU上の適合余枠、(Y1,…,Yk,Z1,…,Zn−k)(Y_1,\dots,Y_k,Z_1,\dots,Z_{n-k})をその双対枠、D=⋂a=1n−kker⁡ωaD=\bigcap_{a=1}^{n-k}\ker\omega^a、I\mathcal{I}をω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}が生成する外積イデアル(定義 2.1)とする。m≥1m\ge 1とξ∈Ωm(U)\xi\in\Omega^m(U)に対して次は同値である。

  1. ξ∈Im\xi\in\mathcal{I}^mである。

  2. すべてのq∈Uq\in Uとv1,…,vm∈Dqv_1,\dots,v_m\in D_qに対してξq(v1,…,vm)=0\xi_q(v_1,\dots,v_m)=0である。

    とくにI\mathcal{I}は、DDを消す形式の全体として、ω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}のとり方に依らずに定まる。

証明.条件 (a)⇒\Rightarrow(b)を示す。ξ=∑a=1n−kηa∧ωa\xi=\sum_{a=1}^{n-k}\eta_a\wedge\omega^a(ηa∈Ωm−1(U)\eta_a\in\Omega^{m-1}(U))とし、v1,…,vm∈Dqv_1,\dots,v_m\in D_qとする。各aaについてξa=ηa∧ωa\xi_a=\eta_a\wedge\omega^aと置く。ωa\omega^aは11形式であるから、§E17.10 命題 3.3を(m−1,1)(m-1,1)シャッフルに適用すると、各aaについて

(ξa)q(v1,…,vm)=∑j=1m(−1)m−j (ηa)q(v1,…,vj^,…,vm) ωqa(vj)(\xi_a)_q(v_1,\dots,v_m)=\sum_{j=1}^{m}(-1)^{m-j}\,(\eta_a)_q\bigl(v_1,\dots,\widehat{v_j},\dots,v_m\bigr)\,\omega^a_q(v_j)

となる。vj∈Dqv_j\in D_qからωqa(vj)=0\omega^a_q(v_j)=0であり、すべての項が消える。したがってξq(v1,…,vm)=∑a=1n−k(ξa)q(v1,…,vm)=0\xi_q(v_1,\dots,v_m)=\sum_{a=1}^{n-k}(\xi_a)_q(v_1,\dots,v_m)=0である。

条件 (b)⇒\Rightarrow(a)を示す。補題 1.1 (3)を余枠(θ1,…,θn)=(ε1,…,εk,ω1,…,ωn−k)(\theta^1,\dots,\theta^n)=(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})に適用して

ξ=∑BξB θb1∧⋯∧θbm\xi=\sum_{B}\xi_B\,\theta^{b_1}\wedge\cdots\wedge\theta^{b_m}

と展開する(B=(b1<⋯<bm)B=(b_1<\cdots<b_m))。BBが{1,…,k}\{1,\dots,k\}に含まれない項、すなわちbr≥k+1b_r\ge k+1となるrrを持つ項は、§E17.10 系 3.6により因子を並べ替えて±(形式)∧ωbr−k\pm(\text{形式})\wedge\omega^{b_r-k}の形に書くことができ、Im\mathcal{I}^mに属する。それらの和をξ′′\xi''と置き、B⊆{1,…,k}B\subseteq\{1,\dots,k\}の項の和をξ′\xi'と置くとξ=ξ′+ξ′′\xi=\xi'+\xi''である。

ξ′′∈Im\xi''\in\mathcal{I}^mであるから、すでに示した含意によりξ′′\xi''はDDを消す。仮定からξ\xiもDDを消すので、ξ′\xi'もDDを消す。DqD_qはY1∣q,…,Yk∣qY_1|_q,\dots,Y_k|_qが張るので、増加添字B⊆{1,…,k}B\subseteq\{1,\dots,k\}に対して

ξB′=ξ′(Yb1,…,Ybm)=0\xi'_B=\xi'\bigl(Y_{b_1},\dots,Y_{b_m}\bigr)=0

である(補題 1.1 (3))。よってξ′=0\xi'=0でありξ=ξ′′∈Im\xi=\xi''\in\mathcal{I}^mである。

最後の主張は、2 の条件がDDだけで書かれていることによる。▨

3 Frobenius の定理の微分形式版

定理 3.1 (Frobenius の定理の微分形式版).MMを境界を持たないnn次元C∞C^\infty多様体、1≤k≤n−11\le k\le n-1、U⊆MU\subseteq Mを開集合とする。(ε1,…,εk,ω1,…,ωn−k)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})をUU上の適合余枠とする。すなわち、これらはUU上のC∞C^\infty11形式であって、各点q∈Uq\in UでTq∗MT^*_qMの基底をなすとする。(Y1,…,Yk,Z1,…,Zn−k)(Y_1,\dots,Y_k,Z_1,\dots,Z_{n-k})をその双対枠(補題 1.1)とし、

D=⋂a=1n−kker⁡ωaD=\bigcap_{a=1}^{n-k}\ker\omega^{a}

と置く。DDはUU上の階数kkのC∞C^\infty分布であり、各点qqでY1∣q,…,Yk∣qY_1|_q,\dots,Y_k|_qがDqD_qを張る(補題 1.2)。I\mathcal{I}をω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}が生成する外積イデアル(定義 2.1)とする。このとき次の三つは同値である。

  1. DDは可積分である。すなわちUUの各点を通るkk次元積分多様体が存在する。
  2. dI⊆Id\mathcal{I}\subseteq\mathcal{I}である。すなわちξ∈Im\xi\in\mathcal{I}^mならばdξ∈Im+1d\xi\in\mathcal{I}^{m+1}である。
  3. UU上の11形式θba\theta^a_b(a,b=1,…,n−ka,b=1,\dots,n-k)が存在して dωa=∑b=1n−kθba∧ωb(a=1,…,n−k)d\omega^a=\sum_{b=1}^{n-k}\theta^a_b\wedge\omega^b \qquad(a=1,\dots,n-k) が成り立つ。

証明.条件 (b)⇒\Rightarrow(c)を示す。条件 (b)を仮定する。ωa\omega^aはηb=δba\eta_b=\delta^a_b(定数関数)を取るとI1\mathcal{I}^1に属するのでdωa∈I2d\omega^a\in\mathcal{I}^2である。I2\mathcal{I}^2の元は∑b=1n−kηb∧ωb\sum_{b=1}^{n-k}\eta_b\wedge\omega^b(ηb∈Ω1(U)\eta_b\in\Omega^1(U))の形であるから、θba=ηb\theta^a_b=\eta_bと置けば条件 (c)を得る。

条件 (c)⇒\Rightarrow(b)を示す。条件 (c)を仮定する。ξ=∑a=1n−kηa∧ωa∈Im\xi=\sum_{a=1}^{n-k}\eta_a\wedge\omega^a\in\mathcal{I}^m(ηa∈Ωm−1(U)\eta_a\in\Omega^{m-1}(U))とする。§E17.11 定義 2.1 条件 (c)により

dξ=∑a=1n−k(dηa∧ωa+(−1)m−1ηa∧dωa)d\xi=\sum_{a=1}^{n-k}\Bigl(d\eta_a\wedge\omega^a+(-1)^{m-1}\eta_a\wedge d\omega^a\Bigr)

である。第一の和はIm+1\mathcal{I}^{m+1}に属する。第二の和は 3 と§E17.10 定理 3.5の結合性により

∑a=1n−k(−1)m−1ηa∧(∑b=1n−kθba∧ωb)=∑b=1n−k(∑a=1n−k(−1)m−1ηa∧θba)∧ωb\sum_{a=1}^{n-k}(-1)^{m-1}\eta_a\wedge\Bigl(\sum_{b=1}^{n-k}\theta^a_b\wedge\omega^b\Bigr) =\sum_{b=1}^{n-k}\Bigl(\sum_{a=1}^{n-k}(-1)^{m-1}\eta_a\wedge\theta^a_b\Bigr)\wedge\omega^b

と書き直され(命題 2.2の証明と同じ計算である)、これもIm+1\mathcal{I}^{m+1}に属する。よってdξ∈Im+1d\xi\in\mathcal{I}^{m+1}である。

条件 (a)⇔\Leftrightarrow(c)を示す。§E17.8 定理 5.1を開部分多様体UU(§E17.1 命題 7.1)へ適用すると、条件 (a)はDDが対合的であること、すなわちDDに属する任意の二つのC∞C^\inftyベクトル場X,YX,Yに対して[X,Y][X,Y]もまたDDに属することと同値である。積分多様体の存在は各点の近傍だけで述べられる条件であるから、UUの上で調べれば足りる。

X,YX,YをUU上のC∞C^\inftyベクトル場で、各点でDDに属するものとする。ωa(X)=ωa(Y)=0\omega^a(X)=\omega^a(Y)=0であるから、§E17.11 定理 4.2により

dωa(X,Y)=X(ωa(Y))−Y(ωa(X))−ωa([X,Y])=−ωa([X,Y])d\omega^a(X,Y)=X\bigl(\omega^a(Y)\bigr)-Y\bigl(\omega^a(X)\bigr)-\omega^a\bigl([X,Y]\bigr)=-\omega^a\bigl([X,Y]\bigr)

である。[X,Y][X,Y]が各点でDDに属することは、すべてのaaについてωa([X,Y])=0\omega^a([X,Y])=0となることと同値である。したがって

  • DDが対合的であること

と

  • すべてのaaと、DDに属するすべてのC∞C^\inftyベクトル場X,YX,Yに対してdωa(X,Y)=0d\omega^a(X,Y)=0となること

は同値である。後者は、dωad\omega^aが各点でDqD_qを消すことと同値である。実際、v,w∈Dqv,w\in D_qに対しては、定数係数の一次結合∑i=1kciYi\sum_{i=1}^{k}c^iY_iと∑i=1kc′iYi\sum_{i=1}^{k}c'^iY_iを取るとDDに属するC∞C^\inftyベクトル場であってqqでそれぞれvv、wwに等しいものが得られ、dωad\omega^aは各点で決まる形式であるからdωqa(v,w)=dωa(X,Y)(q)d\omega^a_q(v,w)=d\omega^a(X,Y)(q)である。

補題 2.3により、dωad\omega^aがDDを消すこととdωa∈I2d\omega^a\in\mathcal{I}^2であることは同値であり、後者は条件 (c)と同じ主張である。▨

例 3.2 (三次元空間の Pfaff 方程式).M=R3M=\mathbb{R}^3、座標を(x,y,z)(x,y,z)とし、n=3n=3、k=2k=2の場合を見る。

可積分でない例。ω=dz−y dx\omega=dz-y\,dxとする。ω\omegaはどの点でも消えないので、D=ker⁡ωD=\ker\omegaは階数22のC∞C^\infty分布である。dω=−dy∧dx=dx∧dyd\omega=-dy\wedge dx=dx\wedge dyであるから

ω∧dω=(dz−y dx)∧dx∧dy=dz∧dx∧dy=dx∧dy∧dz≠0\omega\wedge d\omega=(dz-y\,dx)\wedge dx\wedge dy=dz\wedge dx\wedge dy=dx\wedge dy\wedge dz\ne0

である。もしdω=θ∧ωd\omega=\theta\wedge\omegaと書けたとするとω∧dω=ω∧θ∧ω=−ω∧ω∧θ=0\omega\wedge d\omega=\omega\wedge\theta\wedge\omega=-\omega\wedge\omega\wedge\theta=0となり矛盾する。よって定理 3.1 条件 (c)が成り立たず、DDは可積分でない。

可積分である例。U={(x,y,z)∈R3:y>0}U=\{(x,y,z)\in\mathbb{R}^3:y>0\}の上でω=y dx−x dy\omega=y\,dx-x\,dyとする。ω\omegaはUUのどの点でも消えない。dω=dy∧dx−dx∧dy=−2 dx∧dyd\omega=dy\wedge dx-dx\wedge dy=-2\,dx\wedge dyであるから

ω∧dω=(y dx−x dy)∧(−2 dx∧dy)=0\omega\wedge d\omega=(y\,dx-x\,dy)\wedge(-2\,dx\wedge dy)=0

である(どちらの項もdxdxまたはdydyを二度含む)。実際、u=x/yu=x/yと置くと

du=y dx−x dyy2,ω=y2 dudu=\frac{y\,dx-x\,dy}{y^2},\qquad \omega=y^2\,du

であるからdω=d(y2)∧du=d(y2)y2∧ωd\omega=d(y^2)\wedge du=\frac{d(y^2)}{y^2}\wedge\omegaとなり、定理 3.1 条件 (c)がθ=d(y2)/y2\theta=d(y^2)/y^2で成り立つ。積分多様体はu=x/yu=x/yが一定の面、すなわちzz軸を縁とする開いた半平面である。U={y>0}U=\{y>0\}であるからzz軸自身はUUに属さず、積分多様体はその縁を含まない。ω\omega自身は完全形式でない(dω≠0d\omega\ne0)が、y−2y^{-2}という因子を掛けるとy−2ω=duy^{-2}\omega=duとなり、完全形式になる。

4 全微分方程式の可解性

定理 4.1.MMを境界を持たないnn次元C∞C^\infty多様体、1≤k≤n−11\le k\le n-1、U⊆MU\subseteq Mを開集合、(ε1,…,εk,ω1,…,ωn−k)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^k,\omega^1,\dots,\omega^{n-k})をUU上の適合余枠(各点でTq∗MT^*_qMの基底をなすC∞C^\infty11形式の組)とし、(Y1,…,Yk,Z1,…,Zn−k)(Y_1,\dots,Y_k,Z_1,\dots,Z_{n-k})をその双対枠、D=⋂a=1n−kker⁡ωaD=\bigcap_{a=1}^{n-k}\ker\omega^aとする。このとき次は同値である。

  1. DDは可積分である。

  2. UUの各点q0q_0に対して、q0q_0の開近傍V⊆UV\subseteq UとC∞C^\infty関数u1,…,un−k:V→Ru^1,\dots,u^{n-k}:V\to\mathbb{R}であって、du1,…,dun−kdu^1,\dots,du^{n-k}が各点で一次独立であり、VVの上で

    ωa=∑b=1n−kcba dub(a=1,…,n−k)\omega^a=\sum_{b=1}^{n-k}c^a_b\,du^b\qquad(a=1,\dots,n-k)

    と表されるもの(cbac^a_bはC∞C^\infty関数で行列(cba)(c^a_b)は各点で可逆)が存在する。

    このときu=(u1,…,un−k) ⁣:V→Rn−ku=(u^1,\dots,u^{n-k})\colon V\to\mathbb{R}^{n-k}は沈め込みである。各t∈Rn−kt\in\mathbb{R}^{n-k}に対して、空でない共通レベル集合u−1(t)u^{-1}(t)の各連結成分はDDのkk次元埋め込み積分多様体である。逆に、(N,ι)(N,\iota)がι(N)⊆V\iota(N)\subseteq Vを満たす連結な積分多様体ならば、ι(N)\iota(N)は一つの共通レベル集合の一つの連結成分に含まれる。したがって、共通レベル集合の連結成分は、像の包含関係に関してVV内で極大な連結積分多様体を与えるが、一般の連結積分多様体の像はその真部分集合でもよい。

証明.条件 (a)⇒\Rightarrow(b)を示す。§E17.8 定理 5.1により、q0q_0の周りに平坦チャート(V,ψ=(y1,…,yn))(V,\psi=(y^1,\dots,y^n))が存在して、D∣VD|_Vは∂/∂y1,…,∂/∂yk\partial/\partial y^1,\dots,\partial/\partial y^kが張る。ua=yk+au^a=y^{k+a}(a=1,…,n−ka=1,\dots,n-k)と置く。du1,…,dun−kdu^1,\dots,du^{n-k}は座標の双対基底の一部であるから各点で一次独立である。

ωa\omega^aはDDを消すので、補題 1.1 (3)を余枠(dy1,…,dyn)(dy^1,\dots,dy^n)に適用してωa=∑i=1nωia dyi\omega^a=\sum_{i=1}^{n}\omega^a_i\,dy^iと書くと、i≤ki\le kに対してωia=ωa(∂/∂yi)=0\omega^a_i=\omega^a(\partial/\partial y^i)=0である。よってωa=∑b=1n−kcba dub\omega^a=\sum_{b=1}^{n-k}c^a_b\,du^b(cba=ωk+bac^a_b=\omega^a_{k+b})である。行列(cba)(c^a_b)は、ω1,…,ωn−k\omega^1,\dots,\omega^{n-k}が各点で一次独立であることから可逆である。

条件 (b)⇒\Rightarrow(a)を示す。§E17.11 定義 2.1 条件 (c)と§E17.11 定義 2.1 条件 (d)により

dωa=∑b=1n−kdcba∧dub+∑b=1n−kcba d(dub)=∑b=1n−kdcba∧dubd\omega^a=\sum_{b=1}^{n-k}dc^a_b\wedge du^b+\sum_{b=1}^{n-k}c^a_b\,d(du^b)=\sum_{b=1}^{n-k}dc^a_b\wedge du^b

である。(cba)(c^a_b)の逆行列を(c~ba)(\tilde c^a_b)と書くとdub=∑e=1n−kc~eb ωedu^b=\sum_{e=1}^{n-k}\tilde c^b_e\,\omega^eであるから

dωa=∑e=1n−k(∑b=1n−kc~eb dcba)∧ωed\omega^a=\sum_{e=1}^{n-k}\Bigl(\sum_{b=1}^{n-k}\tilde c^b_e\,dc^a_b\Bigr)\wedge\omega^e

となり、定理 3.1 条件 (c)が成り立つ。よってDDは可積分である。

積分多様体の記述。du1,…,dun−kdu^1,\dots,du^{n-k}は各点で一次独立であるから、u=(u1,…,un−k)u=(u^1,\dots,u^{n-k})は沈め込みである。したがって、u−1(t)u^{-1}(t)が空でなければ、§E17.5 定理 4.3によりu−1(t)u^{-1}(t)はVVのkk次元埋め込み部分多様体であり、各q∈u−1(t)q\in u^{-1}(t)における接空間はker⁡duq\ker du_qである。行列(cba)(c^a_b)が可逆であることから

Dq=⋂a=1n−kker⁡ωqa=⋂b=1n−kker⁡duqb=ker⁡duqD_q=\bigcap_{a=1}^{n-k}\ker\omega^a_q=\bigcap_{b=1}^{n-k}\ker du^b_q=\ker du_q

となるので、u−1(t)u^{-1}(t)の各連結成分はDDの積分多様体である。多様体の各点には連結な座標近傍があるため、各連結成分はu−1(t)u^{-1}(t)の開部分多様体であり、次元と接空間は変わらない。

逆に、(N,ι)(N,\iota)をι(N)⊆V\iota(N)\subseteq Vを満たす連結な積分多様体とする。各aaについて

d(ua∘ι)p=duι(p)a∘dιp=0d(u^a\circ\iota)_p=du^a_{\iota(p)}\circ d\iota_p=0

である。したがってua∘ιu^a\circ\iotaは局所定数である。NNは連結であるから、局所定数関数ua∘ιu^a\circ\iotaはNN上で定数である。よって、あるt∈Rn−kt\in\mathbb{R}^{n-k}に対してι(N)⊆u−1(t)\iota(N)\subseteq u^{-1}(t)であり、ι(N)\iota(N)は連結なのでu−1(t)u^{-1}(t)の一つの連結成分に含まれる。その連結成分自身が積分多様体であるため、連結成分は像の包含関係に関してVV内で極大である。▨

系 4.2.MMを境界を持たないnn次元C∞C^\infty多様体とし、n≥2n\ge 2とする(本記事の設定1≤k≤n−11\le k\le n-1においてk=n−1k=n-1とすることに対応する)。U⊆MU\subseteq Mを開集合、ω\omegaをUU上のC∞C^\infty11形式でどの点でも消えないものとする。D=ker⁡ωD=\ker\omegaはUU上の階数n−1n-1のC∞C^\infty分布である(補題 1.2 (2)をn−k=1n-k=1の場合に適用する)。次は同値である。

  1. DDは可積分である。
  2. UUの各点の近傍でdω=θ∧ωd\omega=\theta\wedge\omegaとなる11形式θ\thetaが存在する。
  3. ω∧dω=0\omega\wedge d\omega=0である。
  4. UUの各点の近傍で、消えないC∞C^\infty関数ffとC∞C^\infty関数uu(duduはどの点でも消えない)が存在してω=f du\omega=f\,duとなる。

証明. 四つの主張はいずれも各点の近傍で確かめれば足りる(可積分性は各点を通る積分多様体の存在であり、条件 (c)は各点での等式である)。そこで補題 1.2 (2)の議論により、各点の近傍を、(ε1,…,εn−1,ω)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^{n-1},\omega)が各点でTq∗MT^*_qMの基底をなす開集合に取り替える。この組はn−k=1n-k=1の場合の適合余枠であり、D=ker⁡ωD=\ker\omegaがそれに対応する階数n−1n-1の分布である。

条件 (a)⇔\Leftrightarrow(b)は定理 3.1である。条件 (a)⇔\Leftrightarrow(d)は定理 4.1であり、f=c11f=c^1_1、u=u1u=u^1と読み替えればよい。

条件 (b)⇒\Rightarrow(c)を示す。dω=θ∧ωd\omega=\theta\wedge\omegaならば、§E17.10 定理 3.5により

ω∧dω=ω∧θ∧ω=−ω∧ω∧θ=0\omega\wedge d\omega=\omega\wedge\theta\wedge\omega=-\omega\wedge\omega\wedge\theta=0

である(11形式どうしは反交換し、ω∧ω=0\omega\wedge\omega=0である)。この主張は各点で成り立つので、局所的な条件 (b)から大域的な条件 (c)が従う。

条件 (c)⇒\Rightarrow(b)を示す。q0∈Uq_0\in Uを取る。ω∣q0≠0\omega|_{q_0}\ne0であるから、補題 1.2 (2)の議論により、q0q_0の近傍VVとC∞C^\infty11形式ε1,…,εn−1\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^{n-1}であって(ε1,…,εn−1,ω)(\varepsilon^1,\dots,\varepsilon^{n-1},\omega)が各点でTq∗MT^*_qMの基底をなすものを取ることができる。補題 1.1 (3)により

dω=∑1≤i<j≤n−1Aij εi∧εj+∑i=1n−1Bi εi∧ωd\omega=\sum_{1\le i<j\le n-1}A_{ij}\,\varepsilon^i\wedge\varepsilon^j+\sum_{i=1}^{n-1}B_i\,\varepsilon^i\wedge\omega

と一意に表される。ω∧ω=0\omega\wedge\omega=0から

ω∧dω=∑1≤i<j≤n−1Aij ω∧εi∧εj\omega\wedge d\omega=\sum_{1\le i<j\le n-1}A_{ij}\,\omega\wedge\varepsilon^i\wedge\varepsilon^j

であり、{ω∧εi∧εj}i<j\{\omega\wedge\varepsilon^i\wedge\varepsilon^j\}_{i<j}は33次外冪の基底の一部(符号を除く)であるから一次独立である。したがってω∧dω=0\omega\wedge d\omega=0は、すべてのi<ji<jでAij=0A_{ij}=0であることと同値である。そのとき

dω=(∑i=1n−1Bi εi)∧ωd\omega=\Bigl(\sum_{i=1}^{n-1}B_i\,\varepsilon^i\Bigr)\wedge\omega

であり、θ=∑i=1n−1Biεi\theta=\sum_{i=1}^{n-1}B_i\varepsilon^iと置けば 2 を得る。▨

例 4.3 (三次元における古典的な可積分条件).U⊆R3U\subseteq\mathbb{R}^3を開集合、ω=P dx+Q dy+R dz\omega=P\,dx+Q\,dy+R\,dzをどの点でも消えないC∞C^\infty11形式とする。§E17.11 例 2.6の計算により

dω=(∂R∂y−∂Q∂z)dy∧dz+(∂P∂z−∂R∂x)dz∧dx+(∂Q∂x−∂P∂y)dx∧dyd\omega=\Bigl(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z}\Bigr)dy\wedge dz +\Bigl(\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x}\Bigr)dz\wedge dx +\Bigl(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Bigr)dx\wedge dy

である。外積を取ると、同じ座標微分を二つ含む項が消えるので

ω∧dω=[P(∂R∂y−∂Q∂z)+Q(∂P∂z−∂R∂x)+R(∂Q∂x−∂P∂y)]dx∧dy∧dz\omega\wedge d\omega=\left[P\Bigl(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z}\Bigr) +Q\Bigl(\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x}\Bigr) +R\Bigl(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Bigr)\right]dx\wedge dy\wedge dz

である(dy∧dz∧dx=dz∧dx∧dy=dx∧dy∧dzdy\wedge dz\wedge dx=dz\wedge dx\wedge dy=dx\wedge dy\wedge dzを用いた)。したがって系 4.2により、全微分方程式P dx+Q dy+R dz=0P\,dx+Q\,dy+R\,dz=0が局所的に積分因子を持つための必要十分条件は、角括弧の中の式が恒等的に00になることである。

例 3.2のω=dz−y dx\omega=dz-y\,dxではP=−yP=-y、Q=0Q=0、R=1R=1であり、角括弧の中は−y⋅0+0⋅0+1⋅(0−(−1))=1≠0-y\cdot 0+0\cdot 0+1\cdot(0-(-1))=1\ne0である。ω=y dx−x dy\omega=y\,dx-x\,dyではP=yP=y、Q=−xQ=-x、R=0R=0であり、角括弧の中はy⋅0+(−x)⋅0+0⋅(−1−1)=0y\cdot 0+(-x)\cdot 0+0\cdot(-1-1)=0である。

5 行列に値を持つ 1 形式

定義 5.1.U⊆RnU\subseteq\mathbb{R}^nを開集合、mmを正の整数とする。UU上の Mm(R)M_m(\mathbb{R})に値を持つC∞C^\infty11形式 (Mm(R)M_m(\mathbb{R})-valued smooth11-form) とは、mm次正方行列の形に並べたC∞C^\infty11形式の族A=(Aβα)α,β=1mA=(A^\alpha_\beta)_{\alpha,\beta=1}^{m}のことをいう。

行列に値を持つ形式PP(各成分がpp次形式)とQQ(各成分がqq次形式)に対し、積P∧QP\wedge Qを

(P∧Q)βα=∑γ=1mPγα∧Qβγ(P\wedge Q)^\alpha_\beta=\sum_{\gamma=1}^{m}P^\alpha_\gamma\wedge Q^\gamma_\beta

で定め、dPdPを成分ごとの外微分で定める。

AAに対する線形な全微分方程式系 (linear total differential system) とは、C∞C^\infty写像Y:V→Mm(R)Y:V\to M_m(\mathbb{R})(V⊆UV\subseteq Uは開集合)についての方程式dY=A YdY=A\,Yのことをいう。ここでYYの成分は00次形式と読み、dY=(dYβα)dY=(dY^\alpha_\beta)とする。

命題 5.2.U⊆RnU\subseteq\mathbb{R}^nを開集合、AAをUU上のMm(R)M_m(\mathbb{R})に値を持つC∞C^\infty11形式とする。このときC∞C^\infty写像A1,…,An:U→Mm(R)A_1,\dots,A_n:U\to M_m(\mathbb{R})が一意に定まって

A=∑i=1nAi dxiA=\sum_{i=1}^{n}A_i\,dx^i

が成り立つ。またC∞C^\infty写像Y:V→Mm(R)Y:V\to M_m(\mathbb{R})(V⊆UV\subseteq Uは開集合)に対し、dY=A YdY=A\,Yが成り立つことと

∂Y∂xi=AiY(i=1,…,n)\frac{\partial Y}{\partial x^i}=A_iY\qquad(i=1,\dots,n)

がVVの上で成り立つことは同値である。

証明. 各成分AβαA^\alpha_\betaはU⊆RnU\subseteq\mathbb{R}^n上のC∞C^\infty11形式であるから、§E17.10 命題 4.1によりAβα=∑i=1n(Ai)βα dxiA^\alpha_\beta=\sum_{i=1}^n (A_i)^\alpha_\beta\,dx^iと一意に表され、係数(Ai)βα(A_i)^\alpha_\betaはC∞C^\infty関数である。これらを行列に並べたものをAiA_iと書けば第一の主張を得る。

第二の主張を見る。dYβα=∑i=1n(∂Yβα/∂xi) dxidY^\alpha_\beta=\sum_{i=1}^{n}(\partial Y^\alpha_\beta/\partial x^i)\,dx^i(§E17.11 命題 1.1)であり、

(A Y)βα=∑γ=1mAγα Yβγ=∑i=1n(∑γ=1m(Ai)γαYβγ)dxi=∑i=1n(AiY)βα dxi(A\,Y)^\alpha_\beta=\sum_{\gamma=1}^{m}A^\alpha_\gamma\,Y^\gamma_\beta =\sum_{i=1}^{n}\Bigl(\sum_{\gamma=1}^{m}(A_i)^\alpha_\gamma Y^\gamma_\beta\Bigr)dx^i =\sum_{i=1}^{n}(A_iY)^\alpha_\beta\,dx^i

である。{dxi}\{dx^i\}が各点でTx∗RnT^*_x\mathbb{R}^nの基底であるから、二つの11形式が等しいことと、すべてのiiについてdxidx^iの係数が等しいことは同値である。▨

定理 5.3.U⊆RnU\subseteq\mathbb{R}^nを開集合、AAをUU上のMm(R)M_m(\mathbb{R})に値を持つC∞C^\infty11形式とする。次は同値である。

  1. すべてのx0∈Ux_0\in UとすべてのY0∈Mm(R)Y_0\in M_m(\mathbb{R})に対し、x0x_0の開近傍VVとC∞C^\infty写像Y:V→Mm(R)Y:V\to M_m(\mathbb{R})であってdY=A YdY=A\,YとY(x0)=Y0Y(x_0)=Y_0を満たすものが存在する。
  2. UUの上でdA−A∧A=0dA-A\wedge A=0である。命題 5.2の座標表示A=∑i=1nAi dxiA=\sum_{i=1}^{n}A_i\,dx^iを用いると、この条件はすべてのi,ji,jについて ∂Aj∂xi−∂Ai∂xj=AiAj−AjAi\frac{\partial A_j}{\partial x^i}-\frac{\partial A_i}{\partial x^j}=A_iA_j-A_jA_i が成り立つことと同値である。

証明. はじめに座標表示を確かめる。A=∑j=1nAj dxjA=\sum_{j=1}^{n}A_j\,dx^jから

dA=∑j=1ndAj∧dxj=∑i=1n∑j=1n∂Aj∂xi dxi∧dxj=∑1≤i<j≤n(∂Aj∂xi−∂Ai∂xj)dxi∧dxjdA=\sum_{j=1}^{n}dA_j\wedge dx^j=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\frac{\partial A_j}{\partial x^i}\,dx^i\wedge dx^j =\sum_{1\le i<j\le n}\Bigl(\frac{\partial A_j}{\partial x^i}-\frac{\partial A_i}{\partial x^j}\Bigr)dx^i\wedge dx^j

であり、

A∧A=∑i=1n∑j=1nAiAj dxi∧dxj=∑1≤i<j≤n(AiAj−AjAi)dxi∧dxjA\wedge A=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}A_iA_j\,dx^i\wedge dx^j=\sum_{1\le i<j\le n}\bigl(A_iA_j-A_jA_i\bigr)dx^i\wedge dx^j

である。{dxi∧dxj}i<j\{dx^i\wedge dx^j\}_{i<j}が各点で基底をなすので、dA−A∧A=0dA-A\wedge A=0と表示した座標の条件は同値である。

条件 (a)⇒\Rightarrow(b)を示す。x0∈Ux_0\in Uを取り、Y0=IY_0=I(単位行列)として解YYを取る。∂Y/∂xj=AjY\partial Y/\partial x^j=A_jYの両辺をxix^iで偏微分すると

∂2Y∂xi∂xj=∂Aj∂xiY+Aj∂Y∂xi=∂Aj∂xiY+AjAiY\frac{\partial^2Y}{\partial x^i\partial x^j}=\frac{\partial A_j}{\partial x^i}Y+A_j\frac{\partial Y}{\partial x^i} =\frac{\partial A_j}{\partial x^i}Y+A_jA_iY

である。§E4.4 定理 2.1により左辺はiiとjjの入れ替えで不変であるから

(∂Aj∂xi−∂Ai∂xj)Y=(AiAj−AjAi)Y\Bigl(\frac{\partial A_j}{\partial x^i}-\frac{\partial A_i}{\partial x^j}\Bigr)Y=\bigl(A_iA_j-A_jA_i\bigr)Y

である。x=x0x=x_0ではY=IY=Iであるから、x0x_0において 2 の等式が成り立つ。x0x_0は任意であったから、UUの全体で成り立つ。

条件 (b)⇒\Rightarrow(a)を示す。N=U×Mm(R)N=U\times M_m(\mathbb{R})と置く。NNはRn+m2\mathbb{R}^{n+m^2}の開集合であるからC∞C^\infty多様体であり(§E17.1 命題 7.1)、座標は(xi,Yβα)(x^i,Y^\alpha_\beta)である。NN上のMm(R)M_m(\mathbb{R})に値を持つ11形式

Θ=dY−A Y,Θβα=dYβα−∑γAγα Yβγ\Theta=dY-A\,Y,\qquad \Theta^\alpha_\beta=dY^\alpha_\beta-\sum_{\gamma}A^\alpha_\gamma\,Y^\gamma_\beta

を考える(AAは射影N→UN\to Uによる引き戻しと読む)。m2m^2個の11形式Θβα\Theta^\alpha_\betaは各点で一次独立である。実際、Θβα\Theta^\alpha_\betaのdYβαdY^\alpha_\betaの係数が単位行列の形をしているので、一次結合が00ならばdYdY方向の係数がすべて00になる。

したがって補題 1.2 (2)によりD=⋂α,βker⁡ΘβαD=\bigcap_{\alpha,\beta}\ker\Theta^\alpha_\betaはNN上の階数nnのC∞C^\infty分布である。

dΘd\Thetaを計算する。YβγY^\gamma_\betaは00次形式であるから

d(∑γAγαYβγ)=∑γ(dYβγ∧Aγα+Yβγ dAγα)=−∑γAγα∧dYβγ+∑γ(dAγα)Yβγd\Bigl(\sum_\gamma A^\alpha_\gamma Y^\gamma_\beta\Bigr) =\sum_\gamma\Bigl(dY^\gamma_\beta\wedge A^\alpha_\gamma+Y^\gamma_\beta\,dA^\alpha_\gamma\Bigr) =-\sum_\gamma A^\alpha_\gamma\wedge dY^\gamma_\beta+\sum_\gamma\bigl(dA^\alpha_\gamma\bigr)Y^\gamma_\beta

である(11形式どうしの反交換を用いた)。d(dYβα)=0d(dY^\alpha_\beta)=0であるから、行列の記法で

dΘ=A∧dY−(dA) Yd\Theta=A\wedge dY-(dA)\,Y

である。dY=Θ+A YdY=\Theta+A\,Yを代入すると

dΘ=A∧Θ+(A∧A) Y−(dA) Y=A∧Θ−(dA−A∧A)Yd\Theta=A\wedge\Theta+(A\wedge A)\,Y-(dA)\,Y=A\wedge\Theta-\bigl(dA-A\wedge A\bigr)Y

である。条件 (b)により第二項は消え、成分で書くと

dΘβα=∑γAγα∧Θβγd\Theta^\alpha_\beta=\sum_{\gamma}A^\alpha_\gamma\wedge\Theta^\gamma_\beta

である。これは定理 3.1 条件 (c)の形であるから、DDは可積分である。

(x0,Y0)∈N(x_0,Y_0)\in Nを通るnn次元積分多様体LLを取る。射影π:N→U\pi:N\to Uを考える。(x,Y)∈N(x,Y)\in Nにおいて、u∈Rnu\in\mathbb{R}^nに対してΘ\Thetaを消す接ベクトルは、dYdY成分がA(u)YA(u)Yであるものにちょうど一つ定まる。したがってdπd\piのD(x,Y)D_{(x,Y)}への制限はTxUT_xUへの線形同型である。よってπ∣L\pi|_Lの微分は各点で同型であり、LLとUUのチャートで表示してC∞C^\infty級の逆関数定理(「実解析 II」の§E4.7 定理 2.1と、それをC∞C^\infty級へ持ち上げた§E17.5 補題 1.1)を適用すると、(x0,Y0)(x_0,Y_0)のある近傍でπ∣L\pi|_Lはx0x_0の開近傍VVへの微分同相である。その逆写像をx↦(x,Y(x))x\mapsto(x,Y(x))と書くとY:V→Mm(R)Y:V\to M_m(\mathbb{R})はC∞C^\inftyでありY(x0)=Y0Y(x_0)=Y_0である。

LLの接空間がDDに等しいことから、x↦(x,Y(x))x\mapsto(x,Y(x))の微分の像はΘ\Thetaを消す。すなわちu∈Rnu\in\mathbb{R}^nに対してdY(u)−A(u)Y(x)=0dY(u)-A(u)Y(x)=0であり、これはdY=A YdY=A\,Yにほかならない。▨

例 5.4 (可積分条件が成り立たない例と成り立つ例).n=2n=2、m=2m=2とし、座標を(x,y)(x,y)とする。

成り立たない例。

A=(0010)dx+(0−100)dyA=\begin{pmatrix}0&0\\1&0\end{pmatrix}dx+\begin{pmatrix}0&-1\\0&0\end{pmatrix}dy

とする。A1A_1とA2A_2は定数行列であるから∂A2/∂x−∂A1/∂y=0\partial A_2/\partial x-\partial A_1/\partial y=0である。一方

A1A2=(000−1),A2A1=(−1000),A1A2−A2A1=(100−1)≠OA_1A_2=\begin{pmatrix}0&0\\0&-1\end{pmatrix},\qquad A_2A_1=\begin{pmatrix}-1&0\\0&0\end{pmatrix},\qquad A_1A_2-A_2A_1=\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}\ne O

である。したがって定理 5.3 条件 (b)が成り立たず、同定理により 1 も成り立たない。

この場合に解がどこまで存在しないのかを直接確かめる。V⊆R2V\subseteq\mathbb{R}^2を開集合、Y:V→M2(R)Y:V\to M_2(\mathbb{R})をdY=A YdY=A\,Yの解とする。定理 5.3 条件 (a)⇒\Rightarrow(b)の証明と同じ計算により、VVの上で

(∂A2∂x−∂A1∂y)Y=(A1A2−A2A1)Y\Bigl(\frac{\partial A_2}{\partial x}-\frac{\partial A_1}{\partial y}\Bigr)Y=\bigl(A_1A_2-A_2A_1\bigr)Y

が成り立つ(§E4.4 定理 2.1を用いる)。左辺はOO、右辺はdiag⁡(1,−1) Y\operatorname{diag}(1,-1)\,Yであり、diag⁡(1,−1)\operatorname{diag}(1,-1)は正則であるからY=OY=Oである。すなわち局所解は恒等的にOOであるものに限られる。したがってY0=OY_0=Oに対してはY≡OY\equiv Oが解であるが、Y0≠OY_0\ne Oに対しては局所解が存在しない。

成り立つ例。C∈M2(R)C\in M_2(\mathbb{R})を固定し

A=C(y dx+x dy)=C d(xy)A=C\bigl(y\,dx+x\,dy\bigr)=C\,d(xy)

とする。A1=yCA_1=yC、A2=xCA_2=xCであるから∂A2/∂x−∂A1/∂y=C−C=O\partial A_2/\partial x-\partial A_1/\partial y=C-C=Oであり、A1A2−A2A1=xy(CC−CC)=OA_1A_2-A_2A_1=xy(CC-CC)=Oである。よって定理 5.3 条件 (b)が成り立つ。

実際に解を書き下すことができる。Y(x,y)=exyCY0Y(x,y)=e^{xyC}Y_0と置く。行列指数関数の性質(「常微分方程式」の§E10.10 定理 2.2)によりddtetC=CetC\frac{d}{dt}e^{tC}=Ce^{tC}であるから、§E4.3 定理 1.1により

∂Y∂x=yC exyCY0=A1Y,∂Y∂y=xC exyCY0=A2Y\frac{\partial Y}{\partial x}=yC\,e^{xyC}Y_0=A_1Y,\qquad \frac{\partial Y}{\partial y}=xC\,e^{xyC}Y_0=A_2Y

である。Y(0,0)=Y0Y(0,0)=Y_0であり、dY=A YdY=A\,Yを満たす。

6 演習

問題 6.1.

  1. 補題 1.1 (1)の証明で、A−1A^{-1}の成分がC∞C^\inftyであることに Cramer の公式を用いた。det⁡A\det Aが消えないという条件を落とすと、どの段階が成り立たなくなるのかを述べる。
  2. 補題 2.3 条件 (b)⇒\Rightarrow(a)の証明で、ξ′\xi'がDDを消すことからξ′=0\xi'=0を導いた。この段階で補題 1.1 (3)の直交性がどのように使われているかを書き下す。
  3. 定理 3.1 条件 (a)⇔\Leftrightarrow(c)の証明で、ωa(X)=ωa(Y)=0\omega^a(X)=\omega^a(Y)=0から不変表示の第一項と第二項が消えた。この二項が消えなければ、対合性とdωad\omega^aの消滅がどのようにずれるのかを述べる。
  4. 定理 3.1 条件 (b)⇒\Rightarrow(c)の証明で、I2\mathcal{I}^2の元が∑b=1n−kηb∧ωb\sum_{b=1}^{n-k}\eta_b\wedge\omega^b(ηb\eta_bは11形式)の形であることを用いた。ηb\eta_bの次数が11に定まる理由を述べる。
  5. 系 4.2 条件 (c)⇒\Rightarrow(b)の証明で、{ω∧εi∧εj}i<j\{\omega\wedge\varepsilon^i\wedge\varepsilon^j\}_{i<j}の一次独立性を用いた。n=2n=2の場合にこの集合が空であることを確かめ、そのとき系 4.2 条件 (c)が自動的に成り立つ理由と、階数11の分布がつねに可積分であることの整合を述べる。
  6. 定理 4.1 条件 (b)⇒\Rightarrow(a)の証明では、d(dub)=0d(du^b)=0を用いた。この一手が§E17.11 定義 2.1のどの条件によるものかを特定する。
  7. 定理 5.3 条件 (a)⇒\Rightarrow(b)の証明では、初期値をY0=IY_0=Iに取った。一般のY0Y_0で同じ議論を行うとき、どこまでの主張を得ることができるにとどまるのかを述べる。
  8. 定理 5.3 条件 (b)⇒\Rightarrow(a)の証明で、dπd\piのDDへの制限が同型であることを用いて積分多様体をグラフとして書いた。この段階で§E17.5 補題 1.1が必要になる理由を述べる。
  9. 例 5.4の成り立たない例について、n=1n=1(変数が一つ)であれば可積分条件は自動的に成り立つ。その理由を、dA−A∧AdA-A\wedge Aが22次形式であることから述べる。

7 境界と次

本記事の主張はすべて局所的である。分布を消す一次独立な11形式の組は各点の近傍でしか取ることができず、大域的に取ることができるとは限らない。定理 4.1が与える第一積分u1,…,un−ku^1,\dots,u^{n-k}も、平坦チャートの上でしか定まらない。積分多様体を極大なものへつなぎ合わせて葉層を作る操作、および葉が埋め込み部分多様体になるとは限らないことは「葉層と葉」が扱う。

定理 5.3の条件dA−A∧A=0dA-A\wedge A=0は、行列に値を持つ11形式AAから作られる22形式が消えるという形をしている。この形の量が、束の上の微分作用素に付随する不変量として現れる枠組みは「ベクトル束と接続」が扱う。本記事はRn\mathbb{R}^nの開集合の上の線形な全微分方程式系という具体的な設定に限り、その一般化へ踏み込まない。

系 4.2は、単独の Pfaff 方程式が局所的に積分因子を持つ条件を与える。積分因子が大域的に存在するかどうか、およびω∧dω\omega\wedge d\omegaがどこでも消えない場合にどのような構造が現れるかは、本単元では扱わない。

参考文献

  1. Frank W. Warner, Foundations of Differentiable Manifolds and Lie Groups, Graduate Texts in Mathematics 94, Springer, 1983, originally published 1971.分布の消滅イデアルによる Frobenius の定理の定式化と、ベクトル場版との同値の議論を参考にした。
  2. John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics 218, Springer, New York, 2013.分布を局所的な余枠で表す方法と、平坦チャートから第一積分を取り出す議論を参考にした。
  3. Shoshichi Kobayashi and Katsumi Nomizu, Foundations of Differential Geometry, Wiley Classics Library, vol. 1, Wiley, New York, 1996, originally published 1963.Pfaff 方程式系と全微分方程式の可解性に関する古典的な定式化を参考にした。

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