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1.4 Formes différentielles sur un polytope [01M6]

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1.4 Formes différentielles sur un polytope

1.4.1

Fixons une classe admissible ℱ\mathscr{F} de fonctions numériques. Soit VV un espace affine de dimension finie sur 𝐑\mathbf{R} et soit PP un polytope de VV ; on note jj l’injection canonique de PP dans VV.

Soit UU un ouvert de PP. On définit 𝒩p,q​(U)\mathscr{N}^{p,q}(U) comme le sous-espace vectoriel de j−1​(ℱVp,q)​(U)j^{-1}(\mathscr{F}_{V}^{p,q})(U) constitué des formes ω\omega possédant la propriété suivante : pour toute cellule CC de VV contenue dans PP, l’image de ω\omega dans ℱ⟨C⟩p,q​(⟨C⟩∩U)\mathscr{F}^{p,q}_{\langle C\rangle}(\langle C\rangle\cap U), dont le germe au voisinage de C∩UC\cap U est défini sans ambiguïté, est nulle en tout point de C∩UC\cap U. Comme

ℱ⟨C⟩p,q=⨁|I|=p,|J|=qℱ⟨C⟩​d′⁡xI∧d′′⁡xJ,\mathscr{F}^{p,q}_{\langle C\rangle}=\bigoplus_{|I|=p,|J|=q}\mathscr{F}_{\langle C\rangle}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{I}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{J},

cette propriété se traduit, en coordonnées, par la nullité d’un certain nombre d’applications sur C∩UC\cap U.

Pour vérifier qu’une section de j−1​(ℱVp,q)​(U)j^{-1}(\mathscr{F}_{V}^{p,q})(U) appartient à 𝒩p,q​(U)\mathscr{N}^{p,q}(U), il suffit de s’assurer que la condition ci-dessus est satisfaite sur un ensemble de cellules recouvrant PP (par exemple, sur une décomposition cellulaire de PP). Lorsque ℱ\mathscr{F} est contenue dans la classe des fonctions continues, on peut se contenter de tester l’annulation requise en les points intérieurs des cellules considérées.

Il est immédiat que 𝒩p,q\mathscr{N}^{p,q} est un sous-faisceau en 𝐑\mathbf{R}-espaces vectoriels de j−1​(ℱVp,q)j^{-1}(\mathscr{F}_{V}^{p,q}). On définit alors le faisceau ℱPp,q\mathscr{F}_{P}^{p,q} comme le faisceau quotient de j−1​(ℱVp,q)j^{-1}(\mathscr{F}_{V}^{p,q}) par son sous-faisceau 𝒩p,q\mathscr{N}^{p,q}. Cette définition est compatible avec la précédente lorsque PP est un sous-espace affine de VV.

Le faisceau ℱP∗,∗\mathscr{F}^{*,*}_{P} est un 𝒜P\mathscr{A}_{P}-module gradué, et une ℱP\mathscr{F}_{P}-algèbre graduée si ℱ\mathscr{F} est stable par multiplication. On écrira ℱP\mathscr{F}_{P} au lieu de ℱP0,0\mathscr{F}^{0,0}_{P}, et parfois ΩPp\Omega^{p}_{P} au lieu de 𝒜Pp​,0\mathscr{A}^{p,0}_{P}. Lorsque ℱ\mathscr{F} est stable par multiplication, ℱP\mathscr{F}_{P} un faisceau d’anneaux.

\remaname 1.4.2.

Si UU est un ouvert de PP et si ω∈(ℱP⊗𝒜PΩPdimV)​(U)\omega\in(\mathscr{F}_{P}\otimes_{\mathscr{A}_{P}}\Omega^{\dim V}_{P})(U), on sait définir ∫U|ω|\int_{U}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}, ainsi que ∫Uω\int_{U}\omega si l’intégrale précédente est finie et si VV est orienté (on fixe une décomposition cellulaire de PP, et on calcule séparément l’intégrale sur chaque cellule de dimension dimV\dim V).

1.4.3

On notera que la notion de fonction (et donc de superforme) lisse sur un polytope d’un espace affine dépend de la façon dont ce polytope est plongé.

PP
QQ

Soit par exemple PP le graphe de 𝐑2\mathbf{R}^{2}, réunion des segments [(−1,0),(0,0)][(-1,0),(0,0)] et [(0,0),(1,1)][(0,0),(1,1)] et Q=[−1,1]Q=[-1,1] son image dans 𝐑\mathbf{R} par la première projection p:𝐑2→𝐑p\colon\mathbf{R}^{2}\rightarrow\mathbf{R}. L’application pp induit un isomorphisme d’espaces linéaires par morceaux de PP sur QQ.

La fonction ff sur QQ définie par f⁡(x)=max⁡(x​,0)f(x)=\max(x,0) est continue, mais n’est pas lisse. En revanche, la fonction f∘pf\circ p sur QQ est lisse, comme restriction de la seconde coordonnée.

La tige en l’origine du faisceau des (1,0)(1,0)-formes sur PP est de dimension 22, engendrée par les images de d′⁡x\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x et d′⁡y\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}y, tandis que la tige correspondante sur QQ n’est que de dimension 11, engendrée par d′⁡x\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x.

1.4.4

Soit PP un polytope d’un espace affine réel VV de dimension finie et soit ω\omega une forme de type (p,n)(p,n) à coefficients mesurables sur un ouvert UU de PP.

Si WW est un sous-espace affine de VV de dimension pp et si μ\mu est un élément de Or⁡(W→)×{−1,1}Λn​V→\operatorname{Or}(\overrightarrow{W})\times^{\{-1,1\}}\Lambda^{n}\overrightarrow{V}, on définit les intégrales ∫U∩W⟨|ω|,|μ|⟩\int_{U\cap W}\langle\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|},\mathopen{|}{\mu}\mathclose{|}\rangle et, le cas échéant, ∫U∩W⟨ω,μ⟩\int_{U\cap W}\langle\omega,\mu\rangle exactement comme en 1.3.3 : elles se ramènent à des intégrales de formes différentielles classiques, cf. la remarque 1.4.2.

\lemmname 1.4.5.

Supposons dim(P)<max⁡(p,q)\dim(P)<\max(p,q). On a alors ℱPp,q=0\mathscr{F}_{P}^{p,q}=0.

Démonstration.

Soit UU un ouvert de PP et soit α\alpha une section de j−1​ℱVp,qj^{-1}\mathscr{F}^{p,q}_{V} sur UU. Soit CC une cellule de VV contenue dans PP. On a dim(C)≤dim(P)<max⁡(p,q)\dim(C)\leq\dim(P)<\max(p,q). Par suite, ℱ⟨C⟩p,q=0\mathscr{F}^{p,q}_{\langle C\rangle}=0, et α\alpha appartient donc à 𝒩p,q​(U)\mathscr{N}^{p,q}(U). ∎

1.4.6

L’opérateur de symétrie J\mathrm{J} applique 𝒩p,q\mathscr{N}^{p,q} dans 𝒩q,p\mathscr{N}^{q,p} et induit un morphisme de faisceaux, toujours noté J\mathrm{J}, de ℱPp,q\mathscr{F}^{p,q}_{P} dans ℱPq,p\mathscr{F}^{q,p}_{P} tel que J∘J=id\mathrm{J}\circ\mathrm{J}=\operatorname{id}.

Supposons que ℱ=𝒜\mathscr{F}=\mathscr{A}. Les opérateurs différentiels d′\mathop{\mathrm{d^{\prime}}} et d′′\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}} sur j−1​𝒜Vp,qj^{-1}\mathscr{A}_{V}^{p,q} appliquent alors 𝒩p,q\mathscr{N}^{p,q} dans 𝒩p+1,q\mathscr{N}^{p+1,q} et 𝒩p,q+1\mathscr{N}^{p,q+1} respectivement. Ils induisent donc des opérateurs différentiels de 𝒜Pp,q\mathscr{A}^{p,q}_{P} dans 𝒜Pp+1,q\mathscr{A}^{p+1,q}_{P} et 𝒜Pp,q+1\mathscr{A}^{p,q+1}_{P} respectivement.

1.4.7

Ces constructions sont fonctorielles pour les morphismes affines. Soit PP et P′P^{\prime} des polytopes de VV et V′V^{\prime} respectivement et soit f:P→P′f\colon P\to P^{\prime} une application égale à la restriction d’une application affine g:V→V′g\colon V\to V^{\prime}. Notons jj et j′j^{\prime} les immersions de PP dans VV et de P′P^{\prime} dans V′V^{\prime}. Soit (p,q)∈𝐍×𝐍(p,q)\in\mathbf{N}\times\mathbf{N}. L’application affine gg induit un morphisme de faisceaux de j−1​ℱV′p,qj^{-1}\mathscr{F}^{p,q}_{V^{\prime}} dans (j′)−1​ℱVp,q(j^{\prime})^{-1}\mathscr{F}^{p,q}_{V} qui applique 𝒩P′p,q\mathscr{N}_{P^{\prime}}^{p,q} dans 𝒩Pp,q\mathscr{N}_{P}^{p,q}. Il en résulte un homomorphisme, noté f∗f^{*}, de f−1​ℱP′p,qf^{-1}\mathscr{F}^{p,q}_{P^{\prime}} dans ℱPp,q\mathscr{F}^{p,q}_{P}.

Ces homomomorphismes respectent les structures de modules gradués, et d’algèbres graduées si ℱ\mathscr{F} est stable par multiplication. Ils commutent à l’involution JJ, et aux opérateurs différentiels d′\mathop{\mathrm{d^{\prime}}} et d′′\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}} lorsque ℱ=𝒜\mathscr{F}=\mathscr{A}.

Si PP et QQ sont deux polytopes de VV tels que Q⊂PQ\subset P et si jj désigne l’inclusion de QQ dans PP, on écrira par abus α|Q\alpha|_{Q} au lieu de j∗​αj^{*}\alpha.

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