научная статья по теме ФОРМУЛА КОПЛОЩАДИ ДЛЯ ГЛАДКИХ КОНТАКТНЫХ ОТОБРАЖЕНИЙ МНОГООБРАЗИЙ КАРНО Математика

Текст научной статьи на тему «ФОРМУЛА КОПЛОЩАДИ ДЛЯ ГЛАДКИХ КОНТАКТНЫХ ОТОБРАЖЕНИЙ МНОГООБРАЗИЙ КАРНО»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 417, № 5, с. 583-588

= МАТЕМАТИКА

УДК 517.518.15+517.518.17+517.518.23+517.987.1

ФОРМУЛА КОПЛОЩАДИ ДЛЯ ГЛАДКИХ КОНТАКТНЫХ ОТОБРАЖЕНИЙ МНОГООБРАЗИЙ КАРНО

© 2007 г. С. К. Водопьянов, М. Б. Карманова

Представлено академиком Ю.Г. Решетняком 23.05.2007 г. Поступило 17.07.2007 г.

В анализе на евклидовых пространствах широкое применение имеет формула коплощади

J$к(ф, x)dx = J dz J dK"-k(u). (1)

U Rk Ф-1 (z)

Здесь ф e C1(U, Uk), U с U", n > k. Формула (1) применяется в теории внешних форм, потоков и задачах о минимальной поверхности (см., например,

[1]). В частности, формула Стокса легко может быть получена с помощью формулы коплощади

[2]. С развитием анализа на более общих структурах возник естественный вопрос о распространении формулы коплощади на объекты как можно более общей природы сравнительно с евклидовыми пространствами, особенно на метрические пространства и структуры неголономной геометрии. В 1999 г. L. Ambrosio и B. Kirchheim [3] доказали аналог формулы коплощади для липшице-вых отображений, определенных на ^-спрямляемом метрическом пространстве, со значениями в Uk, n > k. В 2004 г. формула коплощади была доказана для липшицевых отображений, определенных на ^"-спрямляемом метрическом пространстве, со значениями в Кк-спрямляемом метрическом пространстве, n > k [4, 5]. Кроме того, для справедливости формулы коплощади были получены необходимые и достаточные условия на образ и прообраз липшицева отображения, определенного на ^"-спрямляемом метрическом пространстве, со значениями в произвольном метрическом пространстве. Независимо от этого результата были исследованы множества уровня таких отображений и установлен метрический аналог теоремы о неявной функции [5, 6].

В 1982 г. P. Pansu доказал формулу коплощади для функций, определенных на группе Гейзенбер-га [7]. Далее в работе [8] J. Heinonen распространил эту формулу для гладких функций, опреде-

Институт математики им. СЛ. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск

ленных на группе Карно. Еще один результат, касающийся доказательства аналога (1), принадлежит V. Magnani, который в 2000 г. доказал неравенство коплощади для отображений групп Карно [9]. Равенство было доказано только для случая отображения группы Гейзенберга в евклидово пространство [Rk [10]. До настоящего момента вопрос о справедливости формулы коплощади для отображений нильпотентных групп был открыт даже для модельного случая отображения двух групп Гейзенберга. Одна из основных проблем в этой задаче - описать геометрическую структуру множеств уровня данного отображения.

В данной работе мы доказываем формулу коплощади для некоторых классов контактных гладких отображений ф: Мх ^ М2 многообразий Карно. Заметим, что этот случай является более общим сравнительно с отображениями групп Карно.

Определение 1 (ср. с [11]). Фиксируем связное дифференцируемое риманово ^-многообразие М размерности N. Многообразие М называется многообразием Карно, если выполняются приводимые ниже свойства 1-4. Предположим, что в касательном расслоении Т М существует касательное подрасслоение H М, удовлетворяющее следующему свойству. Существует конечный набор натуральных чисел dimHM = = dimHx < ... < dim Hi < ... < dim HM = N, 1 < i < M, и для каждой точки p е М существует окрестность U с М с набором Сх-гладких векторных полей X1,X2, ...,XNна U, таких, что во всех точках vе U:

1)Xj(v),X2(v), ...,XN(v) образуют базис Т„М;

2) H(v) = spanjX^v),X2(v), ., X^ (v)} - подпространство ТМ размерности dimHi;

Cijk (v)Xk(v), где

I

3) [X, х^) =

ёевХк < ёевX Х}

степень degXkопределяется как тт{т|Хке Нт};

4) фактор-отображение [•, -]0: Нх/Н0 х Н/Н _ 1 ^ ^ Н + 1/Н/, Н0 = {0}, индуцированное скобкой Ли, является эпиморфизмом для всех 1 < / < М.

Обозначение 1. Положим топологические размерности многообразий Мг- равными Щ, а

их хаусдорфовы размерности равными v,, i = 1, 2. Предположим

Mj

TMi = ©( Hj/Hj ), H о = { 0 },

j = 1

M2

TM2 = © (Hj/Hj-1), Ho = { 0 }, j = 1

где Hj с TMj и H1 с TМ2 - соответствующие горизонтальные подрасслоения. Подпространство

Hj с T Mj (Hj с T М2) порождается Hj (Hi) и всеми коммутаторами порядка, не превосходящего j _ 1, j = 2, 3, ...,Mj (M2).

Обозначим размерности Hj/Hj _ j(Hj /Hj _i) символами Hj (nj), j = 1, 2, ...,Mj (M2). ЗдесьMj (M2) такое число, что Hmi/Hm1 _ 1 * {0} (Hm2/Hm2_i * {0}),

и HMi + 1 /HMi = {0} (Hm2 + i / Hm2 = {0}). Число Mj (M2) называется глубиной Mj (М2).

Предположение 1. Мы считаем, что N > > N2, dimH1 > dim Hi, а базисные поля в образе и прообразе принадлежат классу C".

Теорема 1 [12]. Пусть ф: М1 ^ М2 _ контактное C1-отображение (т.е., Dф(HJ) с H).

Тогда оно hc-дифференцируемо всюду, а именно существует горизонтальный гомоморфизм L: (Og, dGgMi) ^ (0ф(Я), dG<pgу2) нильпотентных

касательных конусов, такой, что dM (ф(^),

L(w)) = о(dMi (g, w)) при E n Og Э w ^ g.

Обозначение 2. Пусть Z = {x e M1: гапк(.ф(х)) < N2}.

Следующее предложение описывает связь свойств дифференциала Оф и hc-дифференциала

D ф отображения ф на множестве МД Z.

Предложение 1. I. а) Если D ф(х)(¥1) = V , то D ф(x)(Vi) = Vi для всех i = 1, 2, ..., M1 и rank D ф(x) = N2;

б) если D ф^Х^) * Vi, то rankD ф(x) < N2. II. В точках x e M1\Z со свойством rankD ф^) = N2 мы имеем

а) D ф)(Щ = Hг, i = 1, 2, M2;

б) Dф(x)(Hг /Hi _ 1) = H /Hi _i, i = 1, 2, M2. Следствие 1. Имеем nt > n i, i = 1, 2, ..., M1.

Определение 2. Множество % = {x e

e МДZ: rankDф(x) < N2} называется характеристическим. Точки множества % называются характеристическими.

Определение 3. Множество В = {x e М1:

rank D ф^) = N2} называется регулярным. Если x e В, то x _ регулярная точка.

Лемма 1 и теорема 2 связывают аналитические и геометрические свойства hc-дифференциала. Эти связи используются в доказательстве теорем 3 и 4.

Лемма 1. I. Имеем

J x e Mi\Z: 3{Xh, Xh, X1n }

/ N2

I deg Xj

V = i

< v2

(rank([Xj ф]( x)); = i = N2):

II. Если существует { X, , Xt , ..., X,n } со

N2

rank([Xlj ф](x)) = N2 и I degXlj = V2,

свойством

j = i

то degXi < M2, j = 1, 2, N2.

Теорема 2. I. Характеристическое множество % совпадает с множеством

x e Mi\Z: V{ X, X,, ..., X, }

N2

(rank([X, (ф)](x))n = i= N2):

I deg Xj

j=i

II. Регулярное множество В совпадает с множеством

x e Mi\Z: 3{X,X,, ..., X, }

N2

N2

(rank([X(ф)](x)). = i= N2)

I deg Xi

j=i

л \

= v2

У

Введем новую метрику, которая упрощает вычисления в основных теоремах 3 и 4.

Определение 4. Пусть М - многообразие Карно топологической размерности N и глубины

M и пусть x = exp

/ N i Л

I xX

(g). Определим рас-

xi

Vi = i /

стояние d2(x, g) следующим образом:

d2(x, g) =max

/ ni

,1/2

/ n1 + n2

V = 1 ^ V = ni + 1

2deg X„t

2deg XN

V = N - Пм +1 /

Аналогично вводится метрика в локальной группе Карно СмМ.

Замечание 1. Прообраз шара Вох2(х, г) в метрике d2 при отображении 0х равен Вох2(0, г) =

= Я"1 (х, г) х в"2 (х, г2) х ... х Б"" (х, гм), где в"2', , = = 1, 2, ..., М, - евклидовы шары размерностей п,.

Заметим, что Во х0 (0, г) = Вох2(0, г).

Обозначение 3. В теоремах 3 и 4 мы доказываем некоторые локальные результаты для фиксированной точки х. Используем вспомогательное отображение у = ф ° 0х.

Обозначение 4. Рассмотрим число v0 такое, что

Vo(x) = minj v: 3{Xh,X2, ..., X,n }

N2

(rank[(X, ф)](x)); = 1 = N2)

/ N2

I deg X

vj = 1

=v

- ((Рк + ?)ь (Рк+д)а!шНт , 0, 0) ортогонален каждому из векторов Рк+р + 1, ..., щ, д = 0, 1, ...,р.

Для построенного базиса мы определяем две проекции: первая проекция пт сопоставляет каждому вектору векторр] = - ((^Д, (м>,)^шНт, 0, ..., 0), где dimHm < ¡(р,) < dimHm + 1, а вторая сопоставляет каждому базисному вектору вектор

'l (w>)

N2 i = 1

Ясно, что v0|x > v2 и v0|D = v2.

Теорема 3. Фиксируем x е ф-1(0. Тогда

0,eN1 - N2 j

л -мера пересечения Toty-1^)] п Box2(0, r) эк-

n v1-v0(x) ч n v

бивалентна C r , где C не зависит от r. Кро-

r рф^)|

ме того, в регулярной точке C = - - т "- с точ-

\D ф( x )|

ностью до риманова множителя.

Доказательство. Основная идея доказательства - построение нового базиса w1, w2, ... ..., wNi - N в касательной плоскости в нуле ко множеству уровня ty-1©. Если эти базисные векторы записать как строки ((N1 - N2) X N^-матрицы (относительно стандартного базиса (е1, e2, ..., eNi}), то они будут обладать следующими свойствами:

1) l(Wj) < l(w) при j < i, где l сопоставляет каждому вектору номер последнего ненулевого элемента соответствующей строки;

2) если dimHm < l(wk), ..., l(wk+p) < dimHm + 1 и l(Wk+p + 1) > dim Hm + 1, то каждый из векторов wk+„ -

Далее мы показываем, что гапк(сгу) = N2, где {оь ©2, с^} = {еь ^2, N еК), ...

..., е1(^ )}, а затем доказываем, что сумма степеней векторов с,, / = 1, 2, ..., Nъ равна v0(x) (здесь степень вектора с, определяется как degХ^с)). Следовательно, сумма степеней векторов п,, у = 1, 2, ..., N1 - N2, совпадает с v1 - v0(x). Отсюда мы получаем, что мера множества = Вох2(0, г) п

п span{p1,р2, ..., рщ_щ } равна Сг , где С не зависит от г. Окончательно, мы доказываем, что длина пересечения [р, п Вох2(х, г) эквивалентна 0(гк,)) при достаточно малых г > 0, и, используя этот результат, получаем, что пт(Т п Вох2(0, г)) совпадает с 5 п Вох2(0, г(1 + о(1))).

Существенная часть этого шага доказательства основывается на свойствах следующей "смешанной" метрики: d2Е (х, у) = d2(0, х - у). Очевидно, что d2(0, и) = d2 (0, и) = d2Е (0, и) для и из некоторой окрестности нуля. Также существенно использовались свойства "формы" шара (см. замечание 1).

Далее мы доказываем, что Пт(Т) = кег( Ь у(0)) и

строим проекцию п^ (кег(Ьу(0)))х ^ (кег( Ь у(0)))х, такую, что Пд,(^) ± (V - п^У)) для всех V. Стандартными рассуждениями выводим, что искажения меры при отображениях пт и Пд? совпадают. Утверждение о множителе С следует из того, что -11

D nN

.. Л \dу(o)|

.„ , „а|(у) = - ^ - во всех точках у, до-

l(ker(D у( 0))) |D 0 )|

статочно близких к нулю. Теорема доказана.

Определение 5. Пусть

^ I

, - отоб-

ражение многообразий Карно. Фиксируем x е

d9-H скажение

точке у относитель-

но xравно

d 2(^( У )Д( x ))

■,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком