Hodgeの定理

同義語:ホッジの定理Hodgeの同型定理Hodge theoremHodge isomorphism theorem

概要

Hodgeの定理(Hodge theorem)とは、コンパクトで境界のない向き付けられた Riemann 多様体の上で、$p$ 次微分形式の空間が調和形式・完全形式・余完全形式に直交分解されて $\Omega^p=\mathcal H^p\oplus d\Omega^{p-1}\oplus d^*\Omega^{p+1}$ となり、調和形式の空間 $\mathcal H^p$ が有限次元で de Rham コホモロジー $H^p_{\mathrm{dR}}$ と同型になるという定理である。各コホモロジー類はただ一つの調和形式で代表され、Betti 数が Laplace–de Rham 作用素 $\Delta$ の核の次元として表される。証明は、Gårding の不等式と Rellich の定理から $\Delta$ の Fredholm 性を導き、楕円正則性で解の滑らかさを示して行う。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: Laplace–de Rham作用素, 調和形式, de Rhamコホモロジー, 楕円正則性, Fredholm作用素

Hodgeの定理(Hodge theorem)とは、コンパクトで境界のない向き付けられた Riemann 多様体 $(M,g)$ の上で、$p$ 次微分形式の空間が
$$ \Omega^p(M)=\mathcal H^p(M)\oplus d\,\Omega^{p-1}(M)\oplus d^*\Omega^{p+1}(M) $$
と、調和形式・完全形式・余完全形式の 3 つに直交分解され、調和形式の空間 $\mathcal H^p(M)$ が有限次元で de Rham コホモロジー $H^p_{\mathrm{dR}}(M)$ と同型になる、という定理である。とくに、各 de Rham コホモロジー類はただ一つの調和形式で代表される。
Hodge の定理は、計量を一つ選ぶと各コホモロジー類に標準的な代表元(その類の中でノルムが最小の閉形式)が決まることを述べ、Betti 数を楕円型の方程式 $\Delta\omega=0$ の解の空間の次元として表す。代表元が高々一つであることは $\Delta$ の非負性だけから従う(Laplace–de Rham作用素 の系「調和形式のノルム最小性と一意性」)が、代表元が存在すること、つまり方程式 $\Delta u=f$ が解けることには楕円型作用素の解析が要る。
この記事では主定理を次の 4 段で証明する。

  1. Gårding の不等式と Rellich の定理から、$\Delta$ が Sobolev 空間の間の Fredholm 作用素であることを導く。
  2. 楕円正則性から、方程式 $\Delta u=f$ の解が滑らかであることを示す。
  3. 直交分解を得る。
  4. de Rham コホモロジーとの同型を示す。
    コンパクト多様体の上の Gårding の不等式・Rellich の定理・楕円正則性は引用する(rem-hodgethm-cited)。これらを扱う記事が証明しているのはトーラスの場合や定数係数の場合で、コンパクト多様体への一般化はそれらの記事でも引用である。平坦なトーラスの上では、引用なしで記事の中で証明が閉じることも示す(ex-hodgethm-torus)。

設定と主定理

記号

以下、$(M,g)$ は $n$ 次元のコンパクトで境界のない、向き付けられた Riemann 多様体とする(連結とは仮定しない)。$\Omega^p(M)$ は滑らかな実数値 $p$ 次微分形式の空間で、$p<0$ と $p>n$ では $\Omega^p(M)=0$ とする。Laplace–de Rham作用素 の記事と同じく、各点の内積を $\langle\ ,\ \rangle$、体積形式を $\mathrm{vol}$ と書き、
$$ \langle\!\langle\alpha,\beta\rangle\!\rangle=\int_M\langle\alpha,\beta\rangle\,\mathrm{vol},\qquad\|\alpha\|^2=\langle\!\langle\alpha,\alpha\rangle\!\rangle $$
とおく($L^2$ 内積)。$d^*\colon\Omega^p(M)\to\Omega^{p-1}(M)$ は余微分(外微分の形式的随伴)、$\Delta=dd^*+d^*d$ は Laplace–de Rham 作用素であり、
$$ \mathcal H^p(M):=\{\omega\in\Omega^p(M)\mid\Delta\omega=0\} $$
は $p$ 次の調和形式の空間である。$d\omega=0$ となる形式を閉形式、$d^*\omega=0$ となる形式を余閉形式、$d\alpha$ の形の形式を完全形式、$d^*\beta$ の形の形式を余完全形式という。
Laplace–de Rham作用素 の記事から、次の 3 つを使う。

  • 定理「Laplace–de Rham 作用素の非負性と自己随伴性」:$\langle\!\langle\Delta\omega,\eta\rangle\!\rangle=\langle\!\langle d\omega,d\eta\rangle\!\rangle+\langle\!\langle d^*\omega,d^*\eta\rangle\!\rangle=\langle\!\langle\omega,\Delta\eta\rangle\!\rangle$。
  • 定理「閉多様体上の調和形式の特徴づけ」:$\Delta\omega=0$ と「$d\omega=0$ かつ $d^*\omega=0$」は同値。
  • 定理「Laplace–de Rham 作用素の局所表示」:$\Delta$ は主表象 $-|\xi|^2\mathrm{id}$ の 2 階の作用素で、とくに楕円型作用素である。
    また Hodgeのスター作用素 の定理「余微分は外微分の形式的随伴」により、$\langle\!\langle d\eta,\omega\rangle\!\rangle=\langle\!\langle\eta,d^*\omega\rangle\!\rangle$ である。

主定理

Hodgeの定理

$(M,g)$ を $n$ 次元のコンパクトで境界のない向き付けられた Riemann 多様体とし、$0\le p\le n$ とする。

  1. (有限次元性)$\mathcal H^p(M)$ は有限次元である。
  2. (Hodge 分解)$L^2$ 内積について互いに直交する直和分解
    $$ \Omega^p(M)=\mathcal H^p(M)\oplus d\,\Omega^{p-1}(M)\oplus d^*\Omega^{p+1}(M) $$
    が成り立つ。すなわち、各 $\omega\in\Omega^p(M)$ は $\omega=h+d\alpha+d^*\beta$($h\in\mathcal H^p(M)$、$\alpha\in\Omega^{p-1}(M)$、$\beta\in\Omega^{p+1}(M)$)と書け、3 つの成分 $h$、$d\alpha$、$d^*\beta$ は $\omega$ から一意に決まり、互いに直交する。
  3. (Hodge の同型)調和形式は閉形式であり、$h\mapsto[h]$ は線形同型
    $$ \mathcal H^p(M)\xrightarrow{\ \cong\ }H^p_{\mathrm{dR}}(M) $$
    を与える。とくに $H^p_{\mathrm{dR}}(M)$ は有限次元で、各 de Rham コホモロジー類はただ一つの調和形式を含む。

分解 2 の成分のうち $\alpha$、$\beta$ そのものは一意ではない(閉形式 $\alpha'$ を加えても $d\alpha$ は変わらない)。一意なのは $d\alpha$ と $d^*\beta$ である。
同型 3 の両辺のうち、$H^p_{\mathrm{dR}}(M)$ は計量によらないが、$\mathcal H^p(M)$ は計量 $g$ に依存する(調和形式 の命題「ワープ積計量のトーラスの調和形式」)。定理は、$\mathcal H^p(M)$ の次元は計量によらず Betti 数 $b_p(M)=\dim H^p_{\mathrm{dR}}(M)$(Betti数 の定理「Betti 数の言い換え」の 4)に等しいことを含む。
複素数値の形式についても、$\langle\ ,\ \rangle$ を Hermite 内積にして同じ主張と証明が成り立つ。実数値の調和形式の複素化が複素数値の調和形式である($\Delta$ は実の作用素なので、$\Delta\omega=0$ は実部と虚部がそれぞれ調和形式であることと同値である)。

解析の準備

形式の Sobolev 空間

$L^2(M,\Lambda^p)$ を、可測な係数をもつ $p$ 次形式 $u$ で $\|u\|^2=\int_M|u|^2\,\mathrm{vol}<\infty$ となるもの(ほとんど至る所で等しいものを同一視する)のなす Hilbert 空間とする。内積は $\langle\!\langle\ ,\ \rangle\!\rangle$ で、$\Omega^p(M)$ はその部分空間である。
整数 $k\ge0$ について、$M$ の有限個の座標近傍 $(U_i;x_i^1,\dots,x_i^n)$ による被覆と、それに従う 1 の分割 $\{\chi_i\}$($\operatorname{supp}\chi_i\subset U_i$ はコンパクト)を 1 組選ぶ。$u\in L^2(M,\Lambda^p)$ について $\chi_iu=\sum_Iu_{i,I}\,dx_i^I$ と書き、$u_{i,I}$ を $\mathbb R^n$ 上の関数とみなす($U_i$ の外では $0$ とする)。すべての $i,I$ について $u_{i,I}$ が $k$ 階までの弱導関数を $L^2$ にもつとき $u\in W^k(M,\Lambda^p)$ と書き、
$$ \|u\|_k^2:=\sum_i\sum_I\sum_{|\alpha|\le k}\bigl\|\partial^\alpha u_{i,I}\bigr\|_{L^2(\mathbb R^n)}^2 $$
とおく。$W^k(M,\Lambda^p)$ は 楕円正則性 の記事の $H^k(M,F)$($F=\Lambda^pT^*M$)と同じものである。この記事では de Rham コホモロジー $H^p_{\mathrm{dR}}$ や調和形式の空間 $\mathcal H^p$ と区別するために $W^k$ と書く。$W^0(M,\Lambda^p)=L^2(M,\Lambda^p)$ で、$\|\cdot\|_0$ は $\|\cdot\|$ と同値なノルムである(rem-hodgethm-cited の 1)。

引用する解析的事実

次の 3 つはこの記事では証明しない。ここで $u\in L^2(M,\Lambda^p)$ と $v\in L^2(M,\Lambda^p)$ について「超関数の意味で $\Delta u=v$」とは、すべての $\varphi\in\Omega^p(M)$ について $\langle\!\langle u,\Delta\varphi\rangle\!\rangle=\langle\!\langle v,\varphi\rangle\!\rangle$ が成り立つことをいう($u$ が滑らかなら、非負性と自己随伴性の定理によりこれは $\Delta u=v$ と同値である)。

  1. (Sobolev 空間の基本性質)$W^k(M,\Lambda^p)$ は Hilbert 空間で、被覆と 1 の分割の選び方を変えても同じ空間と同値なノルムを与える。$\|\cdot\|_0$ は $L^2$ ノルム $\|\cdot\|$ と同値である。$\Omega^p(M)$ は $W^k$ で稠密で、包含 $W^{k+1}\subset W^k$ は連続である。滑らかな係数の $r$ 階の微分作用素($d$、$d^*$、$\Delta$ など)は有界作用素 $W^{k+r}\to W^k$ に延びる。$\bigcap_kW^k(M,\Lambda^p)=\Omega^p(M)$ である(Sobolev の補題)。
  2. (Rellich の定理、コンパクト多様体の場合)包含 $W^{k+1}(M,\Lambda^p)\hookrightarrow W^k(M,\Lambda^p)$ はコンパクト作用素である。Rellichの定理 の定理「Rellichの定理(コンパクト多様体)」であり、同記事が証明しているのはトーラスの場合で、この一般化は引用である。
  3. (Gårding の不等式と楕円正則性、コンパクト多様体の場合)$u,v\in L^2(M,\Lambda^p)$ で超関数の意味で $\Delta u=v$ とし、$v\in W^k(M,\Lambda^p)$ とする。このとき $u\in W^{k+2}(M,\Lambda^p)$ であり、$u$ によらない定数 $C_k$ について
    $$ \|u\|_{k+2}\le C_k\bigl(\|v\|_k+\|u\|_0\bigr) $$
    が成り立つ。楕円正則性 の定理「閉多様体上の楕円正則性」を楕円型作用素 $\Delta$ に当てたもので、これも引用である(楕円正則性 と Gårdingの不等式 の記事が証明しているのは、それぞれ定数係数の場合とトーラスの場合)。
    所在を開く

    1:Tay18a §3(pp. 13–14、座標近傍による定義とその不変性、整数階の特徴づけ、命題 3.3)、Nic26 定理 10.2.36 (b)(d)(p. 490)、Dem12 Ch. VI (2.1)(p. 289)。

    2:Tay18a 命題 3.4(p. 15、トーラスの場合への帰着による証明の筋)、Dem12 Ch. VI (2.2)(p. 289)、Nic26 定理 10.2.36 (c)(p. 490)。

    3:Dem12 Ch. VI (2.3)(p. 289。同書はこの評価を Gårding の不等式と呼ぶ)、Nic26 定理 10.3.11 (a)(p. 500)。Gårdingの不等式 の記事は、トーラス上の強楕円型作用素について部分積分の形の不等式と、その帰結の評価(系「楕円型評価」)を証明し、多様体上の呼び方の違いを注意「楕円型評価を Gårding の不等式と呼ぶ流儀」で述べている。

以下、3 の評価の $k=0$ の場合を Gårding の不等式と呼ぶ。$u\in W^2$ なら 1 により $\Delta u\in W^0=L^2$ で、これは超関数の意味の $\Delta u$ と一致するので(lem-hodgethm-parts)、
$$ \|u\|_2\le C_0\bigl(\|\Delta u\|_0+\|u\|_0\bigr)\qquad(u\in W^2(M,\Lambda^p)) $$
である。右辺の $\|u\|_0$ は $\|u\|_2$ より弱いノルムであり、Rellich の定理によってこれはコンパクトな誤差として扱える。これが段 1 の Fredholm 性の源である。

2 つの補題

Sobolev 空間での部分積分

$u\in W^2(M,\Lambda^p)$、$\varphi\in\Omega^p(M)$ について $\langle\!\langle\Delta u,\varphi\rangle\!\rangle=\langle\!\langle u,\Delta\varphi\rangle\!\rangle$ が成り立つ。すなわち、有界作用素 $\Delta\colon W^2\to L^2$ による $\Delta u$ は、超関数の意味の $\Delta u$ と一致する。

要点:滑らかな $u$ では自己随伴性の定理そのもので、一般の $u$ は滑らかな形式で近似して極限をとる。

詳しい証明を開く

$u$ が滑らかなら、Laplace–de Rham作用素 の定理「Laplace–de Rham 作用素の非負性と自己随伴性」そのものである。一般の $u\in W^2$ については、rem-hodgethm-cited の 1 により $\|u_j-u\|_2\to0$ となる $u_j\in\Omega^p(M)$ をとる。$\Delta\colon W^2\to L^2$ は有界で、包含 $W^2\subset L^2$ は連続なので、$\Delta u_j\to\Delta u$、$u_j\to u$ が $L^2$ で成り立つ。$\varphi$ と $\Delta\varphi$ を固定すると両辺は $L^2$ で連続なので、$u_j$ についての等式で極限をとればよい。$\square$

弱い解の滑らかさ

$u\in L^2(M,\Lambda^p)$、$v\in\Omega^p(M)$ が、超関数の意味で $\Delta u=v$ を満たすとする。このとき $u$ は滑らかな形式であり(滑らかな代表をもち)、$\Delta u=v$ が通常の意味で成り立つ。とくに、すべての $\varphi\in\Omega^p(M)$ について $\langle\!\langle u,\Delta\varphi\rangle\!\rangle=0$ となる $u\in L^2(M,\Lambda^p)$ は調和形式である。

$v$ は滑らかなので、rem-hodgethm-cited の 1 によりすべての $k$ で $v\in W^k$ である。同 3 により、すべての $k$ で $u\in W^{k+2}$ であり、同 1 の $\bigcap_kW^k=\Omega^p(M)$ から $u$ は滑らかである。すると非負性と自己随伴性の定理により $\langle\!\langle\Delta u,\varphi\rangle\!\rangle=\langle\!\langle u,\Delta\varphi\rangle\!\rangle=\langle\!\langle v,\varphi\rangle\!\rangle$ がすべての $\varphi\in\Omega^p(M)$ で成り立つ。$\varphi=\Delta u-v$ とおくと $\|\Delta u-v\|^2=0$ で、$\Delta u-v$ は連続なので恒等的に $0$ である。後半は $v=0$ の場合である。$\square$

lem-hodgethm-weyl は、調和関数についての Weylの補題(弱調和関数は調和)の、形式と閉多様体への類似である。

主定理の証明

証明は 4 段に分ける。段 1 と段 2 が解析、段 3 と段 4 は内積の計算である。

段 1:$\Delta$ は Fredholm 作用素である

Laplace–de Rham 作用素の Fredholm 性

$\Delta\colon W^2(M,\Lambda^p)\to L^2(M,\Lambda^p)$ は指数 $0$ の Fredholm 作用素で、
$$ \ker\Delta=\mathcal H^p(M),\qquad(\operatorname{ran}\Delta)^\perp=\mathcal H^p(M) $$
である($\perp$ は $L^2$ 内積についての直交補空間)。とくに $\mathcal H^p(M)$ は有限次元で、$L^2$ の直交直和分解
$$ L^2(M,\Lambda^p)=\mathcal H^p(M)\oplus\Delta\bigl(W^2(M,\Lambda^p)\bigr) $$
が成り立つ。

核の有限次元性と像の閉性.$\iota\colon W^2\to L^2$ を包含とする。$\iota$ は、rem-hodgethm-cited の 2 のコンパクトな包含 $W^2\hookrightarrow W^1$ と、同 1 の連続な包含 $W^1\hookrightarrow W^0=L^2$ の合成なので、コンパクト作用素である。Gårding の不等式は
$$ \|u\|_2\le C_0\bigl(\|\Delta u\|_0+\|\iota u\|_0\bigr)\qquad(u\in W^2) $$
であり、$\|\cdot\|_0$ は $L^2$ のノルムと同値である。Fredholm作用素 の補題「コンパクト作用素を法とする下からの評価」を、Banach 空間 $V=W^2$、$W=Y=L^2$、有界作用素 $A=\Delta$、コンパクト作用素 $K=\iota$ に当てると、$\ker\Delta$ は有限次元で、$\operatorname{ran}\Delta$ は $L^2$ の閉部分空間である。
核.$\mathcal H^p(M)\subset W^2$ で、その元は $\Delta$ で $0$ に写るので $\mathcal H^p(M)\subset\ker\Delta$ である。逆に $u\in W^2$、$\Delta u=0$ なら、lem-hodgethm-parts によりすべての $\varphi\in\Omega^p(M)$ で $\langle\!\langle u,\Delta\varphi\rangle\!\rangle=\langle\!\langle\Delta u,\varphi\rangle\!\rangle=0$ なので、lem-hodgethm-weyl により $u\in\mathcal H^p(M)$ である。よって $\ker\Delta=\mathcal H^p(M)$ で、これは有限次元である。
像の直交補空間.$w\in(\operatorname{ran}\Delta)^\perp$ とする。$\Omega^p(M)\subset W^2$ なので、すべての $\varphi\in\Omega^p(M)$ で $\langle\!\langle w,\Delta\varphi\rangle\!\rangle=0$ であり、lem-hodgethm-weyl により $w\in\mathcal H^p(M)$ である。逆に $h\in\mathcal H^p(M)$ と $u\in W^2$ について、lem-hodgethm-parts を $\varphi=h$ で使うと $\langle\!\langle\Delta u,h\rangle\!\rangle=\langle\!\langle u,\Delta h\rangle\!\rangle=0$ なので、$h\in(\operatorname{ran}\Delta)^\perp$ である。よって $(\operatorname{ran}\Delta)^\perp=\mathcal H^p(M)$ である。
結論.$\operatorname{ran}\Delta$ は閉じているので、Hilbert 空間 $L^2$ は $\operatorname{ran}\Delta$ とその直交補空間 $\mathcal H^p(M)$ の直交直和である。したがって余核 $L^2/\operatorname{ran}\Delta$ は $\mathcal H^p(M)$ と同型で有限次元であり、$\Delta$ は Fredholm 作用素で、指数は $\dim\ker\Delta-\dim\operatorname{coker}\Delta=\dim\mathcal H^p(M)-\dim\mathcal H^p(M)=0$ である。$\square$

Gårding の不等式は「$\Delta u$ と $u$ の弱いノルムが $u$ の強いノルムを抑える」こと、Rellich の定理は「弱いノルムでは有界列が収束部分列をもつ」ことを与え、この 2 つで $\Delta$ は有限次元の線形写像のように振る舞う。

段 2:楕円正則性と Green 作用素

$\mathcal H^p(M)$ は有限次元なので、$L^2$ 内積についての正規直交基底 $h_1,\dots,h_m$ をとり、
$$ H\omega:=\sum_{j=1}^m\langle\!\langle\omega,h_j\rangle\!\rangle\,h_j\qquad(\omega\in L^2(M,\Lambda^p)) $$
とおく。$H$ は $\mathcal H^p(M)$ への直交射影で、基底の選び方によらない。$H$ の像は滑らかな形式からなる。

Green作用素

各 $\omega\in\Omega^p(M)$ に対して、
$$ \Delta u=\omega-H\omega,\qquad u\perp\mathcal H^p(M) $$
を満たす $u\in\Omega^p(M)$ がただ一つ存在する。これを $G\omega$ と書き、線形写像 $G\colon\Omega^p(M)\to\Omega^p(M)$ を Green 作用素という。とくに
$$ \omega=H\omega+\Delta G\omega\qquad(\omega\in\Omega^p(M)) $$
であり、$L^2$ 内積について直交する直和分解 $\Omega^p(M)=\mathcal H^p(M)\oplus\Delta\,\Omega^p(M)$ が成り立つ。

存在.$\omega-H\omega$ は $\mathcal H^p(M)$ に直交するので、prop-hodgethm-fredholm により $\operatorname{ran}\Delta$ に属し、$\Delta u_0=\omega-H\omega$ となる $u_0\in W^2$ がある。$u:=u_0-Hu_0$ とおくと、$Hu_0\in\mathcal H^p(M)$ は $\Delta$ で $0$ に写るので $\Delta u=\omega-H\omega$ であり、$u\perp\mathcal H^p(M)$ である。
滑らかさ(楕円正則性).$\omega-H\omega$ は滑らかで、lem-hodgethm-parts により $u$ は超関数の意味で $\Delta u=\omega-H\omega$ を満たす。lem-hodgethm-weyl により $u$ は滑らかである。
一意性.$u,u'$ がともに条件を満たせば $\Delta(u-u')=0$ なので $u-u'\in\mathcal H^p(M)$ であり、$u-u'\perp\mathcal H^p(M)$ と合わせて $u-u'=0$ である。一意性から $G$ は線形である。
分解.$\omega=H\omega+\Delta G\omega$ は定義の言い換えである。$h\in\mathcal H^p(M)$ と $\eta\in\Omega^p(M)$ について、非負性と自己随伴性の定理から $\langle\!\langle h,\Delta\eta\rangle\!\rangle=\langle\!\langle\Delta h,\eta\rangle\!\rangle=0$ なので、$\mathcal H^p(M)$ と $\Delta\,\Omega^p(M)$ は直交し、和は直和である。$\square$

段 1 だけでは解は $W^2$ の中でしか得られず、それが滑らかであることを保証するのが楕円正則性である。

段 3:直交分解

$\Delta G\omega=d(d^*G\omega)+d^*(dG\omega)$ と書けば、prop-hodgethm-green の分解はそのまま主定理の 2 の分解を与える。残るのは 3 つの部分空間の直交性である。

3 つの部分空間の直交性

$\mathcal H^p(M)$、$d\,\Omega^{p-1}(M)$、$d^*\Omega^{p+1}(M)$ は $L^2$ 内積について互いに直交する。

$h\in\mathcal H^p(M)$、$\alpha\in\Omega^{p-1}(M)$、$\beta\in\Omega^{p+1}(M)$ とする。Laplace–de Rham作用素 の定理「閉多様体上の調和形式の特徴づけ」により $dh=0$、$d^*h=0$ である。余微分が外微分の形式的随伴であることから
$$ \langle\!\langle h,d\alpha\rangle\!\rangle=\langle\!\langle d^*h,\alpha\rangle\!\rangle=0,\qquad \langle\!\langle h,d^*\beta\rangle\!\rangle=\langle\!\langle dh,\beta\rangle\!\rangle=0,\qquad \langle\!\langle d\alpha,d^*\beta\rangle\!\rangle=\langle\!\langle dd\alpha,\beta\rangle\!\rangle=0 $$
である。最後の等式で $d\circ d=0$ を使った。$\square$

段 4:de Rham コホモロジーとの同型

閉形式と余閉形式の分解

$$ \ker\bigl(d\colon\Omega^p\to\Omega^{p+1}\bigr)=\mathcal H^p(M)\oplus d\,\Omega^{p-1}(M),\qquad \ker\bigl(d^*\colon\Omega^p\to\Omega^{p-1}\bigr)=\mathcal H^p(M)\oplus d^*\Omega^{p+1}(M) $$
である。とくに閉形式 $\omega$ は $\omega=H\omega+d\bigl(d^*G\omega\bigr)$ と書ける。

右辺の和が直和であることは lem-hodgethm-orthogonal による。右辺が左辺に含まれることは、調和形式が閉かつ余閉であることと $d\circ d=0$、$d^*\circ d^*=0$ による。逆に $d\omega=0$ とし、prop-hodgethm-green の分解 $\omega=H\omega+\Delta G\omega=H\omega+d(d^*G\omega)+d^*(dG\omega)$ を使う。$\beta:=dG\omega$ とおくと、$0=d\omega=dd^*\beta$ なので
$$ \|d^*\beta\|^2=\langle\!\langle d^*\beta,d^*\beta\rangle\!\rangle=\langle\!\langle\beta,dd^*\beta\rangle\!\rangle=0 $$
となり、$d^*\beta=0$ である。よって $\omega=H\omega+d(d^*G\omega)$ である。余閉形式についても、$d^*\omega=0$ なら $\alpha:=d^*G\omega$ について $0=d^*\omega=d^*d\alpha$ から $\|d\alpha\|^2=\langle\!\langle\alpha,d^*d\alpha\rangle\!\rangle=0$ で、同様である。$\square$

主定理の証明

主定理

1.prop-hodgethm-fredholm で示した($\mathcal H^p(M)=\ker\Delta$ は Fredholm 作用素の核なので有限次元)。
2.$\omega\in\Omega^p(M)$ について、prop-hodgethm-green により
$$ \omega=H\omega+\Delta G\omega=H\omega+d\bigl(d^*G\omega\bigr)+d^*\bigl(dG\omega\bigr) $$
であり、$H\omega\in\mathcal H^p(M)$、$d^*G\omega\in\Omega^{p-1}(M)$、$dG\omega\in\Omega^{p+1}(M)$ である($G\omega$ は滑らかなので、各成分も滑らかな形式である)。したがって $\Omega^p(M)=\mathcal H^p(M)+d\,\Omega^{p-1}(M)+d^*\Omega^{p+1}(M)$ である。lem-hodgethm-orthogonal により 3 つの部分空間は互いに直交するので、和は直和で、成分は一意である。実際、$h+d\alpha+d^*\beta=h'+d\alpha'+d^*\beta'$ なら、差 $(h-h')+(d\alpha-d\alpha')+(d^*\beta-d^*\beta')=0$ と $h-h'$ の内積をとると $\|h-h'\|^2=0$ であり、ほかの 2 成分も同様である。
3.調和形式は閉形式なので、$h\mapsto[h]$ は線形写像 $\mathcal H^p(M)\to H^p_{\mathrm{dR}}(M)$ を定める。

  • 全射:閉形式 $\omega$ について、cor-hodgethm-closed により $\omega=H\omega+d(d^*G\omega)$ なので、$[\omega]=[H\omega]$ である。
  • 単射:$h\in\mathcal H^p(M)$ が完全形式 $h=d\alpha$ なら、lem-hodgethm-orthogonal により $\|h\|^2=\langle\!\langle h,d\alpha\rangle\!\rangle=0$ なので $h=0$ である。
    よって同型であり、1 から $H^p_{\mathrm{dR}}(M)$ は有限次元である。各類 $[\omega]$ に属する調和形式は $H\omega$ であり、単射性からそれ以外にない。$\square$

単射性は楕円型の解析を使っていない(Laplace–de Rham作用素 の系「調和形式のノルム最小性と一意性」の 2 と同じ内容)。解析が要ったのは全射性、すなわち各類に調和形式が存在することである。

Green 作用素の性質

Green 作用素と $d$・$d^*$・$*$ の可換性

$\Omega^\bullet(M)=\bigoplus_p\Omega^p(M)$ の上の作用素として、$H$ と $G$ は次を満たす。

  1. $G\Delta=\Delta G=\mathrm{id}-H$、$GH=HG=0$。
  2. $Gd=dG$、$Gd^*=d^*G$、$Hd=dH=0$、$Hd^*=d^*H=0$。
  3. $G*=*G$、$H*=*H$。

要点:どの等式も、両辺が「$\mathcal H$ に直交し、$\Delta$ を当てると同じ形式になる」ことを確かめ、prop-hodgethm-green の一意性に帰着させる。$\Delta$ が $d$、$d^*$、$*$ と可換であること(Laplace–de Rham作用素 の命題「外微分・余微分・スター作用素との可換性」)が要である。

詳しい証明を開く

1.$\Delta G=\mathrm{id}-H$ は定義である。$h\in\mathcal H^p(M)$ なら $h-Hh=0$ なので、$Gh$ は $\Delta u=0$ かつ $u\perp\mathcal H^p(M)$ を満たす $u$、すなわち $0$ であり、$GH=0$ である。$G\omega\perp\mathcal H^p(M)$ だから $HG=0$ である。$\eta:=\Delta\omega$ とおくと、自己随伴性から $\eta\perp\mathcal H^p(M)$、すなわち $H\eta=0$ である。$u:=\omega-H\omega$ は $u\perp\mathcal H^p(M)$ かつ $\Delta u=\Delta\omega=\eta-H\eta$ を満たすので、一意性から $G\Delta\omega=G\eta=\omega-H\omega$ である。

2.調和形式は閉なので $dH=0$ である。$d\omega$ は完全形式なので lem-hodgethm-orthogonal により $\mathcal H^{p+1}(M)$ に直交し、$Hd\omega=0$ である。$u:=dG\omega$ も完全形式なので $u\perp\mathcal H^{p+1}(M)$ であり、$\Delta d=d\Delta$ から $$\Delta u=d\Delta G\omega=d(\omega-H\omega)=d\omega=d\omega-H(d\omega)$$ である。一意性から $G(d\omega)=dG\omega$ である。$d^*$ についても、$d$ を $d^*$ に、完全形式を余完全形式に置き換えて同じ議論が成り立つ。

3.Hodgeのスター作用素 の定理「スター作用素と内積」の 2 により $*$ は各点で等長なので $L^2$ 内積を保ち、Laplace–de Rham作用素 の命題「外微分・余微分・スター作用素との可換性」により $*$ は $\mathcal H^p(M)$ を $\mathcal H^{n-p}(M)$ の上へ写す。$\omega=H\omega+(\omega-H\omega)$ に $*$ を当てると、$*H\omega\in\mathcal H^{n-p}(M)$ で、$*(\omega-H\omega)$ は $*\mathcal H^p(M)=\mathcal H^{n-p}(M)$ に直交するので、直交射影の一意性から $H*\omega=*H\omega$ である。すると $*G\omega\perp\mathcal H^{n-p}(M)$ で、$*\Delta=\Delta*$ から $\Delta(*G\omega)=*\omega-H*\omega$ なので、一意性から $G*\omega=*G\omega$ である。$\square$

2 から、完全形式 $\omega$ について $\omega=d(d^*G\omega)$ であり、$d^*G\omega$ は $\omega$ の原始形式のうち $L^2$ ノルムが最小のものである(原始形式どうしの差は閉形式で、余完全形式 $d^*G\omega$ は閉形式に直交する)。

Poisson 方程式の可解性

$f\in\Omega^p(M)$ について、方程式 $\Delta u=f$ が $u\in\Omega^p(M)$ について解けるための必要十分条件は、$f$ が $\mathcal H^p(M)$ に直交することである。このとき解の全体は $Gf+\mathcal H^p(M)$ である。とくに $M$ が連結なら、関数 $f$ について $\Delta u=f$ が解けることと $\int_Mf\,\mathrm{vol}=0$ は同値である。

必要性は $\langle\!\langle\Delta u,h\rangle\!\rangle=\langle\!\langle u,\Delta h\rangle\!\rangle=0$($h\in\mathcal H^p(M)$)、十分性は $Hf=0$ なら $\Delta Gf=f$ による。解の差は調和形式である。連結な $M$ では、$0$ 次の調和形式は $d f=0$ を満たす関数、すなわち定数なので $\mathcal H^0(M)=\mathbb R$ であり、$f\perp1$ は $\int_Mf\,\mathrm{vol}=0$ である。$\square$

平坦なトーラスでの証明

平坦なトーラスの上では、Fourier 級数によって段 1〜段 4 の解析がすべて具体的に書け、rem-hodgethm-cited の引用を使わずに証明が閉じる。

平坦なトーラスでの Hodge の定理

$\mathbb T^n=\mathbb R^n/2\pi\mathbb Z^n$ に $\mathbb R^n$ の標準の計量と向きを入れ、Rellichの定理 の記事の記号($e_k(x)=e^{ik\cdot x}$、Fourier 係数 $\hat f(k)$、$\langle k\rangle=(1+|k|^2)^{1/2}$、Sobolev 空間 $H^s(\mathbb T^n)$)を使う。複素数値の $p$ 次形式は $\omega=\sum_If_I\,dx^I$($I$ は増加する多重添字)と一意に書け、$dx^I$ は各点で正規直交なので、$\omega$ を係数の組 $(f_I)_I$ と同一視すると $\|\omega\|^2$ は $\sum_I\|f_I\|_0^2$ の定数倍である。Laplace–de Rham作用素 の定理「平坦な計量での Laplace–de Rham 作用素」により $\Delta$ は各係数に $-\sum_j\partial_j^2$ を当てる作用素なので、
$$ \Delta\bigl(e_k\,dx^I\bigr)=|k|^2\,e_k\,dx^I\qquad(k\in\mathbb Z^n) $$
である。$W^k$ は係数ごとの $H^k(\mathbb T^n)$ で、ノルム $\|\omega\|_k^2:=\sum_I\sum_m\langle m\rangle^{2k}|\hat f_I(m)|^2$ をとる(同記事の命題「整数階の場合:弱微分による特徴づけ」)。
引用した 3 つの事実は、ここでは Fourier 係数の計算で確かめられる:Gårding の不等式は定数 $C_0=1$ で成り立ち、Rellich の定理は同記事の定理「Rellichの定理(トーラス上)」そのもので、楕円正則性は $|m|^2\hat u_I(m)=\hat v_I(m)$ から従う。

3 つの事実の確認を開く

Gårding の不等式.$\langle m\rangle^2=1+|m|^2$ なので、$\ell^2$ の三角不等式から $\|\omega\|_2\le\|\Delta\omega\|_0+\|\omega\|_0$ である。

Rellich の定理.$W^2\hookrightarrow W^1$ のコンパクト性は、係数ごとに同記事の定理「Rellichの定理(トーラス上)」である。

楕円正則性.$u=\sum_Iu_I\,dx^I\in L^2$ が超関数の意味で $\Delta u=v$ を満たすとする。$\varphi=e_m\,dx^I$ とおくと $\langle\!\langle u,\Delta\varphi\rangle\!\rangle=\langle\!\langle v,\varphi\rangle\!\rangle$ は $|m|^2\hat u_I(m)=\hat v_I(m)$ を意味する。$v$ が滑らかなら、同記事の系「滑らかな関数の特徴づけ」により $\sum_m\langle m\rangle^{2s}|\hat v_I(m)|^2<\infty$(すべての $s$)で、$m\ne0$ では $|\hat u_I(m)|\le|\hat v_I(m)|$ なので $u_I$ についても同じ和が有限であり、同じ系により $u$ は滑らかである。


したがって段 1〜段 4 はトーラスの上では引用なしに成り立つ。さらにすべてが明示的に求まる:$\Delta u=0$ は $m\ne0$ で $\hat u_I(m)=0$ を意味するので、$\mathcal H^p(\mathbb T^n)$ は定数係数の形式 $\sum_Ic_I\,dx^I$ の全体であり、$H$ は係数の平均をとる作用素、$G$ は
$$ \widehat{(G\omega)_I}(m)=\begin{cases}|m|^{-2}\hat f_I(m)&(m\ne0)\\0&(m=0)\end{cases} $$
である。主定理の 3 により $\dim H^p_{\mathrm{dR}}(\mathbb T^n)=\binom np$ となり、Betti数 の例「基本的な空間の Betti 数」のトーラスの行と一致する。実数値の形式については、実数値の調和形式が実の定数係数の形式であることになる(Laplace–de Rham作用素 の例「平坦なトーラスの調和形式と固有形式」と同じ結論)。

例

2 次元トーラス上の 1 次形式の分解

$\mathbb T^2=\mathbb R^2/2\pi\mathbb Z^2$(座標 $x,y$、平坦な計量)の上の 1 次形式
$$ \omega=(2+\sin x+\sin y)\,dx $$
を分解する。平坦な計量では $d^*(a\,dx+b\,dy)=-(\partial_xa+\partial_yb)$、$d^*(c\,dx\wedge dy)=\partial_yc\,dx-\partial_xc\,dy$ である(Hodgeのスター作用素 の例「Euclid 空間の余微分」の $d^*=-\sum_j\iota_j\partial_j$ に、$\iota_1(dx\wedge dy)=dy$、$\iota_2(dx\wedge dy)=-dx$ を当てる)。
$$ \omega=\underbrace{2\,dx}_{\text{調和}}+\underbrace{d(-\cos x)}_{\text{完全}}+\underbrace{d^*\bigl(-\cos y\,dx\wedge dy\bigr)}_{\text{余完全}} $$
が求める分解である。実際、$d(-\cos x)=\sin x\,dx$、$d^*(-\cos y\,dx\wedge dy)=\partial_y(-\cos y)\,dx=\sin y\,dx$ で、$2\,dx$ は定数係数なので調和形式である。
$\omega$ は閉形式でない($d\omega=\cos y\,dy\wedge dx\ne0$)。余完全成分 $\sin y\,dx$ を除いた $2\,dx+\sin x\,dx$ が閉形式で、その類の調和形式による代表が $2\,dx$ である。この分解は Green 作用素からも得られる。

$G$ による計算を開く

$\sin x$ と $\sin y$ は $-\partial_x^2-\partial_y^2$ の固有値 $1$ の固有関数で、平均は $0$ なので、$H\omega=2\,dx$、$G\omega=(\sin x+\sin y)\,dx$ である。$d^*G\omega=-\cos x$、$dG\omega=\cos y\,dy\wedge dx=-\cos y\,dx\wedge dy$ となり、prf-hodgethm-main の 2 の式 $\omega=H\omega+d(d^*G\omega)+d^*(dG\omega)$ は上の分解と一致する。

球面上の調和形式

$S^n$($n\ge1$)に任意の Riemann 計量と向きを入れる。Betti数 の例「基本的な空間の Betti 数」により $b_0(S^n)=b_n(S^n)=1$、$0< p< n$ で $b_p(S^n)=0$ であり、同記事の定理「Betti 数の言い換え」により $b_p=\dim H^p_{\mathrm{dR}}(S^n)$ である。主定理の 3 から
$$ \mathcal H^0(S^n)=\mathbb R\cdot1,\qquad\mathcal H^n(S^n)=\mathbb R\cdot\mathrm{vol},\qquad\mathcal H^p(S^n)=0\quad(0< p< n) $$
である。$\mathrm{vol}=*1$ は、$1$ が調和形式で $*$ が調和形式を調和形式に写すことから調和形式であり、$0$ でないので $\mathcal H^n(S^n)$ を張る。したがって $0< p< n$ では $S^n$ 上の閉 $p$ 形式はすべて完全形式であり、cor-hodgethm-closed と prop-hodgethm-green-commute により、原始形式を $\omega=d(d^*G\omega)$ と具体的に書ける。この結論は計量によらない。

反例と注意

仮定を外すと、調和形式の空間はコホモロジーと一致しなくなる。

外す条件反例成り立たなくなること
コンパクト性$\mathbb R$ の関数、$\mathbb R^2$ の関数同型 $\mathcal H^0\cong H^0_{\mathrm{dR}}$、有限次元性
境界がないこと閉区間 $[0,1]$ の関数同型 $\mathcal H^0\cong H^0_{\mathrm{dR}}$
計量の正定値性($\Delta$ の楕円性)計量 $-dt^2+dx^2$ のトーラスの関数有限次元性、同型
作用素の楕円性($\Delta$ の代わりに $d^*d$)平坦な $\mathbb T^2$ の 1 次形式核の有限次元性
反例の確認

1・2 行目では $\Delta f=-f''$ の解 $a+bx$ が 2 次元あるのに $H^0_{\mathrm{dR}}=\mathbb R$ で、3 行目では $\sin2\pi k(t-x)$($k=1,2,\dots$)がすべて核に入り、4 行目では $df$ がすべて核に入る。1・2 行目が破るのは部分積分(調和形式が閉形式であること)、3・4 行目が破るのは Gårding の不等式(段 1)である。

各行の確認を開く

1 行目:$\mathbb R$(標準の計量)では $\Delta f=-f''$ なので、$\Delta f=0$ の解は $f=a+bx$ で、$\mathcal H^0(\mathbb R)$ は 2 次元である。一方 de Rhamコホモロジー の系「ホモトピー不変性と Poincaré の補題」により $H^0_{\mathrm{dR}}(\mathbb R)=\mathbb R$ は 1 次元なので、同型は成り立たない($f=x$ は調和だが閉形式でない)。$\mathbb R^2=\mathbb C$ では、$\operatorname{Re}z^m$($m=0,1,2,\dots$)がすべて調和関数で一次独立なので、$\mathcal H^0(\mathbb R^2)$ は無限次元である。満たす性質は「完備な Riemann 多様体で境界がない」、満たさない性質は「コンパクト」であり、破れる含意は「$\mathcal H^p\cong H^p_{\mathrm{dR}}$」と「$\dim\mathcal H^p<\infty$」である。

2 行目:$[0,1]$ はコンパクトだが境界をもつ。$\Delta f=0$ の解はやはり $a+bx$ で 2 次元だが、$H^0_{\mathrm{dR}}([0,1])=\mathbb R$ である。Laplace–de Rham作用素 の反例の表の 2 行目のとおり部分積分に境界項が残り、調和形式が閉形式とは限らない。満たす性質は「コンパクト」、満たさない性質は「境界がない」である。

3 行目:$\mathbb T^2=\mathbb R^2/\mathbb Z^2$(座標 $t,x$)に不定値の計量 $-dt^2+dx^2$ を入れると、Laplace–de Rham作用素 の例「反例の確認」の 4 行目のとおり、関数に対する $\Delta$ は波動作用素 $\partial_t^2-\partial_x^2$ になる。$f_k:=\sin2\pi k(t-x)$ はすべて $\Delta f_k=0$ を満たし、一次独立なので、$\Delta$ の核は無限次元であり、$H^0_{\mathrm{dR}}(\mathbb T^2)=\mathbb R$ とも同型でない。$\|f_k\|_0$ は $k$ によらないが $\|f_k\|_2$ は $k\to\infty$ で発散するので、Gårding の不等式は成り立たない。主表象 $\tau^2-\xi^2$ が $0$ になる方向があるためである。

4 行目:平坦な $\mathbb T^2$ の 1 次形式に作用する $d^*d$ は $\Delta$ から $dd^*$ を除いたもので、2 階だが楕円型でない。$\langle\!\langle d^*d\omega,\omega\rangle\!\rangle=\|d\omega\|^2$ なので核は閉 1 次形式の全体であり、すべての滑らかな関数 $f$ について $df$ を含む。$df=0$ となるのは定数だけなので核は無限次元である。$\Delta=dd^*+d^*d$ で $dd^*$ を加えることが、主表象を可逆にして核を有限次元にしている。楕円型作用素 の例「反例:$d\colon\Omega^1\to\Omega^2$ の核は無限次元」と同じ現象である。

向き付けについての注意:$\Delta$ は向きによらずに定まる(Laplace–de Rham作用素 の定義の後の注意 3)が、この記事では $d^*$ を $*$ で書く都合で向き付けを仮定した。

Hodge 分解と Hodge 理論との関係

  • Hodge分解 の記事は、コンパクト Kähler 多様体の複素コホモロジーの $(p,q)$ 型への分解を主題とし、その証明の出発点として、この記事の主定理と Green 作用素の性質(thm-hodgethm-main、prop-hodgethm-green-commute)にあたる事実を定理「調和形式による表現」として引用している。この記事はその部分を証明するものである。
  • 同じ論法は、楕円型作用素 の記事の定義「楕円型複体」の意味の楕円型複体に通用し、Gil84 Theorem 1.5.2(pp. 38–39)と Nic26 Theorem 10.4.30(p. 526)はその一般の形で述べている。複素多様体の Dolbeault 複体 $(\Omega^{p,\bullet},\bar\partial)$ への適用は、複素 Hodge 理論の後の記事で扱う。
  • Poincaré 双対や Betti 数の対称性など、この定理からの帰結は Hodge理論 の記事で扱う。
    この記事の主定理の形は Dem12 Ch. VI (3.16)・(3.17)(p. 295)、Gil84 Theorem 1.5.2(pp. 38–39)と de Rham 複体への適用(pp. 39–41)、Nic26 Theorem 10.4.30・Corollary 10.4.32(pp. 526–528)に従う。段 1 の論法(楕円型評価とコンパクトな包含から核の有限次元性と像の閉性を導く)は Nic26 Lemma 10.4.8・10.4.9 と Theorem 10.4.7 の証明(pp. 514–515)、Dem12 Ch. VI (2.4) の証明(pp. 289–290)と同じ筋である。

関連項目

参考文献

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