滑りとねじれのない転がし [注 1] [注 2] (英 : rolling without slipping or twisting [1] )とは、n 次元リーマン多様体をn 次元平面上「滑り」も「ねじれ」もなく転がす事である。
滑りとねじれのない転がし すなわち、n 次元リーマン多様体M 上に曲線 σ 1 ( t ) {\displaystyle \sigma _{1}(t)} を取り(図の青の線)、 σ 1 ( t ) {\displaystyle \sigma _{1}(t)} に沿ってM をn 次元平面 R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} 上を「滑ったり」、「ねじれたり」する事なく転がしたときにできる曲線の軌跡を σ 0 ( t ) {\displaystyle \sigma _{0}(t)} とする(図の紫の線)。この σ 0 ( t ) {\displaystyle \sigma _{0}(t)} をM 上のリーマン計量によって記述するのが、「滑りとねじれのない転がし」の問題である。
σ 0 ( t ) {\displaystyle \sigma _{0}(t)} はリーマン計量から定まるカルタン接続 により決定する事が知られており、またM 上の σ ( t ) {\displaystyle \sigma (t)} に沿った(レヴィ・チヴィタ接続 に関する)平行移動が R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} 上の平行移動と自然に対応する事が知られている。
以下、本項では特に断りがない限り、単に多様体、関数等といった場合はC∞ 級のものを考える。また特に断りがない限りベクトル空間は実数体上のものを考え、多様体は縁のないものを考える。
定義と基本的性質
定義 上ではM を R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} 上転がす場合を考えたが、より一般に、リーマン多様体M1 を別のリーマン多様体M0 上転がす場合の定義を与える。
まず定義を天下り的に与える。
ここで g ˙ ( t ) {\displaystyle {\dot {g}}(t)} は g ( t ) {\displaystyle g(t)} のt による微分であり、 T σ i ( t ) M i {\displaystyle T_{\sigma _{i}(t)}M_{i}} はMi の σ i ( t ) {\displaystyle \sigma _{i}(t)} における接ベクトル空間を自然に R N {\displaystyle \mathbb {R} ^{N}} の部分空間とみなしたものであり、 T σ i ( t ) ⊥ M i {\displaystyle T_{\sigma _{i}(t)}^{\bot }M_{i}} は T σ i ( t ) M i {\displaystyle T_{\sigma _{i}(t)}M_{i}} の直交補空間である。
定義の直観的な意味 定義の各条件の直観的な意味は以下の通りである:
「転がし」条件 「転がし」条件:M1 を合同変換 g ( t ) {\displaystyle g(t)} で変換したとき、1つ目の条件は σ 1 ( t ) ∈ M 1 {\displaystyle \sigma _{1}(t)\in M_{1}} が σ 0 ( t ) ∈ M 0 {\displaystyle \sigma _{0}(t)\in M_{0}} とが重なる事を意味し、2つ目の条件はM1 とM0 とが接する事を意味する[3] 。
「滑りなし」条件 σ 0 ( t ) ∈ M 0 {\displaystyle \sigma _{0}(t)\in M_{0}} の「無限小合同変換」 d d s g ( t + s ) g − 1 ( t ) | s = 0 = g ˙ ( t ) g ( t ) − 1 {\displaystyle {\tfrac {d}{ds}}g(t+s)g^{-1}(t)|_{s=0}={\dot {g}}(t)g(t)^{-1}} での σ 0 ( t ) {\displaystyle \sigma _{0}(t)} の移動が0 になる事を要請している[3] 。簡単のため時刻t0 に σ 0 ( t ) {\displaystyle \sigma _{0}(t)} が σ 1 ( t ) {\displaystyle \sigma _{1}(t)} に重なるよう変換した
σ ~ 1 ( t ) := g ( t 0 ) σ 1 ( t ) {\displaystyle {\tilde {\sigma }}_{1}(t):=g(t_{0})\sigma _{1}(t)} g ~ 0 ( t ) := g ( t ) g ( t 0 ) − 1 {\displaystyle {\tilde {g}}_{0}(t):=g(t)g(t_{0})^{-1}} を考えると、
σ ~ 1 ˙ ( t 0 ) {\displaystyle {\dot {{\tilde {\sigma }}_{1}}}(t_{0})} = d d t g ~ ( t ) σ ~ 0 ( t ) | t = t 0 {\displaystyle ={\tfrac {d}{dt}}{\tilde {g}}(t){\tilde {\sigma }}_{0}(t)|_{t=t_{0}}} = g ~ ˙ ( t 0 ) σ ~ 0 ( t 0 ) + g ~ ( t 0 ) σ ~ ˙ 0 ( t 0 ) {\displaystyle ={\dot {\tilde {g}}}(t_{0}){\tilde {\sigma }}_{0}(t_{0})+{\tilde {g}}(t_{0}){\dot {\tilde {\sigma }}}_{0}(t_{0})} = g ˙ ( t 0 ) σ 0 ( t 0 ) + σ ˙ 0 ( t 0 ) {\displaystyle ={\dot {g}}(t_{0})\sigma _{0}(t_{0})+{\dot {\sigma }}_{0}(t_{0})} であるので、滑りなし条件は任意のt0 に対し σ ~ ˙ 0 ( t 0 ) = σ ˙ 1 ( t 0 ) {\displaystyle {\dot {\tilde {\sigma }}}_{0}(t_{0})={\dot {\sigma }}_{1}(t_{0})} が成立する事と同値であり、したがって σ 0 ( t ) ∈ M 0 {\displaystyle \sigma _{0}(t)\in M_{0}} の長さ ∫ 0 t ‖ σ ˙ 0 ( t ) ‖ d t = ∫ 0 t ‖ σ ~ ˙ 0 ( t ) ‖ d t {\displaystyle \int _{0}^{t}\|{\dot {\sigma }}_{0}(t)\|dt=\int _{0}^{t}\|{\dot {\tilde {\sigma }}}_{0}(t)\|dt} が σ 1 ( t ) ∈ M 1 {\displaystyle \sigma _{1}(t)\in M_{1}} の長さと等しくなる事と意味する。
もし σ 1 ( t ) {\displaystyle \sigma _{1}(t)} が「滑って」いれば σ 0 ( t ) {\displaystyle \sigma _{0}(t)} と σ 1 ( t ) {\displaystyle \sigma _{1}(t)} の長さが異なってしまうので、上記の条件は滑りがない事を意味すると解釈できる。
水平方向の「ねじれなし」条件 σ ~ 1 ( t ) {\displaystyle {\tilde {\sigma }}_{1}(t)} 、 g ~ ( t ) {\displaystyle {\tilde {g}}(t)} を前述のように取ると、 T σ ~ 1 ( t 0 ) ( g ~ ( t 0 ) M 1 ) = T σ 0 ( t 0 ) M 0 {\displaystyle T_{{\tilde {\sigma }}_{1}(t_{0})}({\tilde {g}}(t_{0})M_{1})=T_{\sigma _{0}(t_{0})}M_{0}} である[4] 。したがって水平方向の「ねじれなし」条件は時刻t0 にはM0 に接していた g ~ ( t ) ∗ ( T σ 1 ( t 0 ) ( M 1 ) ) = T σ ~ 1 ( t ) ( g ~ ( t ) M 1 ) {\displaystyle {\tilde {g}}(t)_{*}(T_{\sigma _{1}(t_{0})}(M_{1}))=T_{{\tilde {\sigma }}_{1}(t)}({\tilde {g}}(t)M_{1})} が g ~ ( t ) M 1 {\displaystyle {\tilde {g}}(t)M_{1}} の「無限小回転」により鉛直方向にのみ移動する事を保証する。図1のように平面上で自転している物体の場合、平面に水平な微分が生じ、水平方向に「ねじれて」いる事になる。
垂直方向の「ねじれなし」条件 水平方向のねじれなし条件と同様、 g ~ ( t ) ∗ ( T σ 1 ( t 0 ) ⊥ ( M 1 ) ) = T σ ~ 1 ( t ) ⊥ ( g ~ ( t ) M 1 ) {\displaystyle {\tilde {g}}(t)_{*}(T_{\sigma _{1}(t_{0})}^{\bot }(M_{1}))=T_{{\tilde {\sigma }}_{1}(t)}^{\bot }({\tilde {g}}(t)M_{1})} が g ~ ( t ) M 1 {\displaystyle {\tilde {g}}(t)M_{1}} の「無限小回転」により水平方向にのみ移動する事を保証する。図2では直線(図示せず)の周りを円が回転しているが、この場合、直線に鉛直な方向の微分が残り、垂直方向に「ねじれて」いる事になる。
基本的な性質 滑りとねじれのない転がしは一意に存在する:
よってg の一意性から、 σ 0 : I → M 0 {\displaystyle \sigma _{0}~:~I\to M_{0}} をσ1 のg による発展とするとき、σ0 の事を(g を明示せず)σ1 の発展 と呼ぶ。
明らかに以下の「対称律」が成立する:
定理 ― 記号を上と同様に取り、 σ 0 : I → M 0 {\displaystyle \sigma _{0}~:~I\to M_{0}} をσ1 の発展とする。このとき、g-1 はσ1 に沿ったM0 のM1 上の滑りとねじれのない転がしであり、σ1 の発展はσ0 である。
また「推移律」も成立する:
定理 ― M0 、M1 、M2 を R N {\displaystyle \mathbb {R} ^{N}} に埋め込まれた3つのn 次元リーマン多様体とし、 σ 2 : I → M 2 {\displaystyle \sigma _{2}~:~I\to M_{2}} をM1 上の区分的になめらかな曲線とする。 g2 をσ2 に沿ったM2 のM1 上の滑りとねじれのない転がしとし、σ1 をその発展とする。 さらにg1 をσ1 に沿ったM1 のM0 上の滑りとねじれのない転がしとし、σ0 をその発展とする。
このとき、 g 2 ∘ g 1 {\displaystyle g_{2}\circ g_{1}} はσ2 に沿ったM2 のM0 上の滑りとねじれのない転がしであり、その発展はσ0 である[6] 。
カルタン接続およびレヴィ・チヴィタ接続との関係
カルタン接続との関係 ( M , g ) {\displaystyle (M,g)} をリーマン多様体とすると、 ( M , g ) {\displaystyle (M,g)} にはユークリッド幾何学 ( G , H ) = ( I s o ( E n ) , O ( n ) ) {\displaystyle (G,H)=(\mathrm {Iso} (\mathbb {E} ^{n}),O(n))} をモデルとする捩れのないカルタン幾何学 ( π , P , ω ) {\displaystyle (\pi ,P,\omega )} の構造が一意に入る事が知られている。
σ1 をM 上の区分的になめらかな曲線とすると、カルタン幾何学構造 ( π , P , ω ) {\displaystyle (\pi ,P,\omega )} により定まるσ1 の発展
σ 0 : I → G / H = E u c n ( R n ) / O ( n ) ≈ R n {\displaystyle \sigma _{0}~:~I\to G/H=\mathrm {Euc} _{n}(\mathbb {R} ^{n})/O(n)\approx \mathbb {R} ^{n}} が定義可能である。実はこのカルタン幾何学の意味での発展は、滑りとねじれのない転がしによる発展と一致する:
定理 ― M を R N {\displaystyle \mathbb {R} ^{N}} のn 次元部分多様体とし、 σ 1 : I → M {\displaystyle \sigma _{1}~:~I\to M} を区分的になめらかな曲線とする。
このとき、σ1 の滑りとねじれのない転がしによる R n ⊂ R N {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}\subset \mathbb {R} ^{N}} への発展は、σ1 のカルタン幾何学の意味での発展と一致する[7] 。
レヴィ-チヴィタ接続との関係 n 次元リーマン多様体 M ⊂ R N {\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{N}} を曲線 σ 1 : I → M {\displaystyle \sigma _{1}~:~I\to M} に沿って滑りもねじれもなく R n ⊂ R N {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}\subset \mathbb {R} ^{N}} 転がしたときの発展を σ 0 : I → R n {\displaystyle \sigma _{0}~:~I\to \mathbb {R} ^{n}} とすると、時刻t に σ 1 ( t ) {\displaystyle \sigma _{1}(t)} が R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} に接した瞬間に T σ 1 ( t ) M {\displaystyle T_{\sigma _{1}(t)}M} が R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} に重なるので、自然に写像
φ t : T σ 1 ( t ) M → R n {\displaystyle \varphi _{t}~:~T_{\sigma _{1}(t)}M\to \mathbb {R} ^{n}} が定義できる。この写像を使うと、M のレヴィ・チヴィタ接続∇ の幾何学的意味を述べることができる:
すなわち、曲線 σ 1 ( t ) {\displaystyle \sigma _{1}(t)} に沿った v ( t ) {\displaystyle v(t)} の共変微分を R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} に移したものは、 v ( t ) {\displaystyle v(t)} を移したものを通常の意味で微分したものに一致する。この事実から特に、レヴィ-チヴィタ接続による平行移動と R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} における通常の意味での平行移動の関係を示すことができる:
脚注
出典
注釈 ^ 本項の内容に関する日本語の文献を発見できなかったため、「滑りとねじれのない転がし」という名称を始め、本項の専門用語は本項執筆者が暫定的に訳したものである。 ^ なお、捩率テンソル の事を「捩れテンソル」ともいうが、英語では、「捩れテンソル」はtorsion tensor、「ねじれのない転がし」の「ねじれ」はtwistであり、両者は無関係な概念である。 ^ ナッシュの埋め込み定理 により、コンパクト な多様体は必ず十分次元の高いユークリッド空間に埋め込み可能である。 ^ #Sharpe p.377では二番目の条件は T g ( t ) σ 1 ( t ) M 1 = T g ( t ) σ 1 ( t ) M 0 {\displaystyle T_{g(t)\sigma _{1}(t)}M_{1}=T_{g(t)\sigma _{1}(t)}M_{0}} とM1 の方の添字も g ( t ) σ 1 ( t ) {\displaystyle g(t)\sigma _{1}(t)} になっているが、誤記であると判断。 ^ #Sharpe では完備性の条件は明示されていないが、完備でない場合には存在性に対する反例を容易に発見できる。例えば平面を半球面 上転がす場合、半球の縁を超えて発展を延長できない。
参考文献 Richard Sharpe (1997/6/12). Differential Geometry: Cartan's Generalization of Klein's Erlangen Program . Graduate Texts in Mathematics. 166 . Sprinver. ISBN 978-0387947327