A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION A
I RINA A NA T URTOI
Prolongement des structures spinorielles sur la variété des jets
Annales de l’I. H. P., section A, tome 61, n
o1 (1994), p. 63-73
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63
Prolongement des structures spinorielles
sur
la variété des jets
Irina Ana TURTOI
Institut de Construction, Département de Mathématique,
124 Bd. Lacul Tei, sect 2, Bucarest, Roumanie
Vol. 61,n°l, 1994, Physique théorique
RÉSUMÉ. 2014 On considère une variété différentiable réelle de dimension n, munie d’une structure
spinorielle
et on démontrequ’on
peutconstruire,
d’une manière
canonique,
une structurespinorielle
sur la variété desjets
d’ordre 1 de la variété considérée. Dans le
paragraphe 1,
onprésente
certains résultats sur la théorie des
jets.
Le but duparagraphe
2 est demontrer que la variété des
jets J~
C(Q)
d’unealgèbre
de Clifford C(Q)
peut être munie d’une structure
d’algèbre.
Dans leparagraphe 3,
on étudie d’abord le groupe de LieJ Pin Q
et l’on démontre que ce groupe esthomomorphe
au groupe de LiePinQ, Q
étant une formequadratique
convenablement choisie sur
l’espace
vectoriel desjets
del’espace
vectorielsur
lequel
est donnée la formequadratique Q.
L’étude du groupeJ~
0(Q) entreprise
dans le mêmeparagraphe
montre que ce groupe esthomomorphe
au groupe 0(Q).
On met en évidence undiagramme
commu-tatif
qui
va servir au butproposé.
Leparagraphe
4présente
unexemple
de
prolongement
d’une structurespinorielle
de la variété différentiable M = [R2 sur la variété desjets J~ [R2, quel
que soit q.ABSTRACT. - Let us consider a real differential manifold of dimension
n, with a
spinorial
structure. Weproved
that it ispossible
to construct, ina canonical way, a
spinorial
structure on the1-jets’
manifold of theconsidered manifold. In the first
paragraphe
there arepresented
somegénéral
results in thetheory
of1-jets.
In the secondparagraphe
it isproved
that
1-jets’
manifoldJ1q C (Q)
of a Cliffordalgebra C (Q)
could beorgani-
zed as an
algebra.
In the thirdparagraphe
there is studiedfirstly
the Liegroup
J Pin Q
and it isproved
that this one ishomomorphic
with theAnnales de l’Institut Henri Poincaré - Physique théorique - 0246-0211
Lie group
Pin Q, Q being
aquadratic form,
chosen in a convenient way,on the vectorial space of
1-jets J V,
of the vectorial space V on which thequadratic
formQ
wasgiven.
Thestudy
of the groupJ~
(9(Q),
in thesame
paragraphe
shows that this group ishomomorphic
with the Liegroup (9
(Q).
There is alsogiven
hère a commutativediagram,
which willserve for our purpose. In the last
paragraphe
there isgiven
anexample
ofprolongation
of aspin
structure of the differential manifold M = [R2 in the manifold of1-jets J~
M.1.
PROPRIÉTÉS
DE BASESoient M une variété
différentiable, réelle,
de dimension n et ff l’ensem- ble desapplications
différentiable définies sur Rq à valeurs dans M.On définit sur ff une relation
d’équivalence
comme suit : deuxapplications
cp,
03C8~F
sont en relation si et seulement si(p(0)==B)/(0) |0,
quel
que soita=l,2,
..., q. La classed’équivalence
d’uneapplication s’appelle
lejet
d’ordre 1 de cp et on le notepar jq 03C6.
L’ensemble desjets
d’ordre 1 desapplications
de ff est noté parJ~
M[2].
Il est facile demunir cet ensemble d’une structure de variété différentiable réelle de dimension
n (q + 1).
Eneffet,
si U est le domaine d’une carte de la variétéM,
avec les coordonnées(~), ~’=1,2,
... , n, alorsJ U
est le domained’une carte de
J M
avec les coordonnéesi =1, 2, ... , n, a== 1,2,
... , q, où nous avons noté par(~), i =1, 2,
... , n les coordonnées de cp(0)
dans la carte(U, x‘)
et par :La variété différentiable
J~
Mappelée
la variété dejets
d’ordre 1 de lavariété différentiable
M,
contient la variété M comme sous-variété.Si
/:M-~N
est uneapplication
différentiable de classe entreles variétés différentiables réelles M et
N,
on peut construireJq
M ~J~ N, application
différentiable de classe donnée par :quel
que soitjq
cp EJ~
M.Annales de l’Institut Henri Poincaré - Physique théorique
Supposons
maintenant la variété différentiable Mpseudo-riemannienne.
Soit
P (M, O (Q))
le fibreprincipal
desrepères
orthonormés deM,
oùQ
est une forme
quadratique
réelle de la mêmesignature
que celle de lamétrique
de M. ..Une structure
spinorielle
sur M est unhomomorphisme
de fibresprinci- paux f: 03A3 (M, Pin Q) ~ P(M, 0(Q)) qui
seprojette
surl’application
iden-tique
de M etqui correspond
à lareprésentation ([ 1 ], [3], [4]).
Enremplaçant Pin Q
avecSpin Q
et0(Q)
avecS 0 (Q),
nousobtenons une structure
spinorielle spéciale
sur M.On montre
facilement, [2],
que estune structure
spinorielle
surM,
alorsest un
homomorphisme
de fibresprincipaux qui
seprojette
surl’applica-
tion
identique
deJ~
P etqui correspond
àl’homomorphisme
Ce résultat est une
conséquence
du fait que siP (M, G)
est un fibreprincipal,
alorsJ P (J M, J G)
est aussi un fibreprincipal.
Deplus,
est un recouvrement de trivialisation locale du fibre P avec les fonctions de transitionUa
nUj3
-+G,
alorsest un recouvrement de trivialisation locale du fibre
J~
P avecles fonctions de transition
sâa : J~ J~ U~ -~
G[2].
Nous nous proposons de
construire,
à l’aide desapplications f 1
etpl,
une structure
spinorielle
sur la variétéJ~ M,
siest une telle structure sur M.
2.
L’ÉTUDE
DE LAVARIÉTÉ
DES JETS D’UNEALGÈBRE
DE CLIFFORDSoit
Q :
V ~ R une formequadratique réelle,
nondégénérée,
surl’espace
vectoriel réel V de dimension forme
polaire.
L’algèbre
de Clifford C(Q)
associée à la formequadratique Q
est définiepar une
propriété universelle, [ 1 ],
commeindiqué
ci-dessous :(i )
il y a uneapplication
linéaire 8 : V -~C (Q),
tel quequel
que soitxeV;
(ii) quel
que soitl’application
linéaire(A
étant unealgèbre réelle)
tel que(u (jc))~
=Q (x). 1,
il existe unhomomorphisme unique d’algè-
bres u’ tel que le
diagramme :
soit commutatif.
En
conséquence,
pourchaque
x, y EV,
il y a la relation :où la
juxtaposition
dénote la loi demultiplication
del’algèbre C (Q).
La variété différentiable des
jets J~
V est munie d’une manièrecanonique
d’une structure
d’espace
vectoriel. On peut définir alors la forme bilinéairesymétrique
nondégénérée :
par
quels
quesoient jq
cp,jq Bfi
EJ1q
V. SoitQ : J1q
V ~ tR la formequadratique
associée à la forme bilinéaire
B.
Nous allons donner surl’espace
vectorielJ~
C(Q)
une loi demultiplication :
par
quels
que soient oùl’application
estdonnée par :
Il en résulte que
J~
C(Q)
devient unealgèbre
avec la loi demultiplica-
tion *. Nous pouvons remarquer encore que
Jq V cJ C (Q)
nC (Q).
3. SUR LES GROUPES
J~ Pin Q
ETOn sait que le groupe
Pin Q
est le groupe des élémentsd’algèbre
deClifford
C (Q),
tel que avecQ(j~)= d: 1, i =1, 2,
...,h,
avec h un nombre entierquelconque.
Dans lathéorie des
algèbres
de Clifford on construit un revêtement(p, Pin Q)
d’ordre 2 de
O (Q), [1],
avec ... ° sxh où sx2, .... sxhAnnales de l’Institut Henri Poincaré - Physique théorique
sont
respectivement
lessymétries
définies par les vecteurs nonisotropes
~’l9-~’2?*’’?’~t’
La variété différentiable
J~
PinQ
est inclue dans la variété différentiableJ~
C(Q)
et, deplus,
devient un groupe de Lie avec la loi demultiplication
* de
l’algèbre J C (Q).
Soit maintenant
l’application
différentiable p: [Rq ~ PinQ
tel quequel
que soit Nous avonsdonc,
ce
qui implique Q {cp (t)) _ ~ 1, quel
que soit Il en résulte~ ~t03B1Q(03C6(t))=0 quels
que soienta =1, 2,
... , q et donc(jq03C6)= ±
1;en
conséquence jq
cp E PinQ.
Dans le casgénéral,
soitjq
cp EJ1q
PinQ;
donc(p
(0)
E PinQ
et alors :(p(0)=.~~ ...
x~ avecQM= ~1. i =1, 2, ... , h.
Il en résulte
1, i =1, 2,
... , h . Onprend l’application
où *
dénote la loi demultiplication
del’algèbre C (Q).
Nous avons ainsi la :
PROPOSITION 1. - Il existe ’ un
homomorphisme de
groupes : donné par : .’avec
cp (o) = x 1, x2 ...
xh, avec x 1, x2, ... ,1,
i =1, 2, ... , h,
pourchaque jq
cp EJq
PinQ.
Démonstration. - Soient
jq
cp,jq 03C8
EJq
PinQ,
avec cp(o)
= xl x2 ... xh etW (o)
= y 1 y2 ... yk, les vecteurs x 1, x2, ... , xh, y 1, y2, ... , yk de v ayantQ (x~) _ ~ 1, Q ( y~) _ ~ 1, quels
que soienti =1, 2, ... , h, j =1, 2, ... ,
k.Nous avons:
D’autre part,
Donc
ce que nous montre que :
quels
quesoient jq
cp,jq
EJ1q
PinQ.
Maintenant nous allons étudier la variété différentiable
J~
~9(Q).
Commel’on
sait, [2], J~
(9(Q)
est un groupe deLie,
d’une manièrecanonique.
En
effet, quels
quesoient jqf, jqg~J1q O (Q)
onprend
leursproduits :
où
l’application fg :
~ 0(Q)
est donnée par :quels
que soient lajuxtapositionf(t) g (t)
dénotant la loi demultipli-
cation de
O (Q).
l’application
donnée comme ci-dessous.Quel
que on
a/(0)e9(Q), donc/(0)
est unproduit
desymétries,
en tenant compte du théorème de Cartan-Dieudonné. Soit :avec x2, ...,
Q(~)= ±1, i =1, 2, ... , h
et Sx2, ... , Sxh lessymétries
définiesrespectivement
par xl, x2, ..., xh, dansl’espace
vectorielV. On a aussi
1, i =1, 2,
..., h. Nous prenons:avec ... , les
symétries
définiesrespectivement
par dansl’espace
vectorielNous avons donc tout de suite la : PROPOSITION 2. -
L’application:
.’définie
ci-dessus est unhomomorphisme
de groupes Il est facile maintenant de montrer la :PROPOSITION 3. - Soit
p :
PinQ --+
O(Q)
lareprésentation
de PinQ
analogue
à lareprésentation
p : PinQ
--+ O(Q). Alors,
lediagramme
est
commutatif.
Annales de l’Institut Henri Poincaré - Physique " théorique "
Démonstration. - Il faut montrer que Pour
chaque jq
cp EJ~
PinQ,
nous avons, en utilisant(3) :
si xh, avec x 1, x2, ... ,
Q (x 1 ) _ ~ 1, i =1, 2, ... ,
h .D’autre
part, en utilisant (3’),
nous avons :Nous allons maintenant montrer le :
THÉORÈME 4. -
Chaque
structurespinorielle
d’une variétépseudo-riema-
nienne peut être
prolongée
à une structurespinorielle
sur la variété desjets
de la variété donnée.
Démonstration. - Soit
f :
E(M,
PinQ)) -~
P(M,
O(Q))
une structurespinorielle
sur la variété différentiablepseudo-riemannienne
M. Nouspouvons considérer:
l’homomorphisme
de fibresprincipaux qui
seprojette
surl’application identique
deJ~
M etcorrespond
àl’homomorphisme
i :J~
PinQ
-+ PinQ,
donné dans la
proposition
1.Soit aussi g :
J~
P(J~ M, J~
(9(Q))
-. P’(J~ M,
0(Q)) l’homomorphisme
de fibres
principaux qui
seprojette
surl’application identique
deJ~
M etcorrespond
àl’homomorphisme j: (Q)
-+ 0(Q),
donné dans laproposition
2.Soit,
enfin, f 1: (J~ M, J~
PinQ)
-+J~
P(J~ M, J~
0(Q))
l’homomor-phisme
de fibresprincipaux qui
seprojette
surl’application identique
deJ~
M etcorrespond
àl’homomorphisme pl : J~
PinQ -~
0(Q).
Nous allons construire une structure
spinorielle
sur la variété desjets
J~ M,
en utilisant les fonctions de transitioncorrespondant
à un recouvre-ment de trivialisation locale pour les fibres
principaux
endiscussion, [5].
1 un recouvrement de trivialisation locale pour les fibres
principaux P (M, O (Q)) et (M, Pin Q)
aussi. Enles fonctions de transition du fibre E
(M,
PinQ) correspondant
au recou-vrement
donné,
il enrésulte {03C3103B103B2}03B1, 03B2~I les
fonctions de transition du fibreP(M,0(Q)).
D’autre part, recouvrement de trivialisation locale des fibres
principaux J~
P(J~ M, J~
0(Q))
etJq E (J~ M, J~
PinQ) aussi,
recou-vrement
qui
s’obtient d’une manièrecanonique
en tenant compte durecouvrement {U03B1}03B1 ~ I ci-dessus. Alors,
les fonctions de transition corres-pondant
pour les fibres sont~pl (6â~) }a(3 E
Considérons maintenant E’
(J~ M,
PinQ) -
le fibreprincipal
ayant{
E comme fonctions de transitionqui correspondent
au recouvre-ment de trivialisation locale En même temps, soit P’
(J~ M,
0(Q)) -
le fibreprincipal
avec les fonctions de transition(03C3103B103B2)) }03B103B2 ~ I qui correspondent
aussi au recouvrement de trivialisationlocale {J1qU03B1}03B1 ~ I.
Il existeun
homomorphisme
de fibresprincipaux, qui
seprojette
surl’application identique
deJ~
M etcorrespond
à lareprésentation O (Q)
car,grâce
audiagramme
commutative(4),
nous avonsquels
que soient a,En tenant compte de
(5),
il en résulteque
est une structurespinorielle
sur la variété des
jets J~
M.Q.E.D.
Remarques. - (i ) Chaque
structurespinorielle
sur la variété différentia- blepseudo-riemannienne
M peut êtreprolongée
en une structurespino- rielle, unique
à unisomorphisme près,
sur la variété desjets J~
M.(ii)
Laprolongation
d’une structurespinorielle spéciale
sur M en unestructure
spinorielle
surJ~
Md’après
le théorème 4 nous donne surJ~
Mune structure
spinorielle spéciale
aussi.4. EXEMPLE
On sait
qu’il
y a des variétés différentiablesqui
nepossèdent
pas des structuresspinorielles,
tandisqu’il
y a des variétés différentiables surlesquelles
on peut donner une ouplusieurs
structuresspinorielles.
Si ladeuxième classe de
Stiefel-Whitney
d’une variété différentiable estnulle,
alors il existe des structures
spinorielles
sur la variété considérée.Nous allons construire un
exemple
de structurespinorielle
sur la variétédifférentiable M = [R2 munie de la
métrique
euclidienne.Soient
{ el, e2 }
lerepère canonique
de [R2 etP = P (M,
S (9(2))
le fibredes
repères orthogonaux
depositifs orientés,
c’est-à-dire P est l’ensem- ble despaires {(x, X)}
avec x ~ M etX = { fl, f2 }
unrepère
orthonormal de [R2 de la même orientation que lerepère canonique
de [R2.D’autre part, soit
Spin (2) -
le groupeSpin
del’algèbre
de Cliffordassociée à la forme
quadratique Q :
[R2 -~M, Q (x)
=xi
+x2, quels
que soient groupe peut être considérer comme le groupe des éléments de la formeAnnales de l’Institut Henri Poincaré - Physique " théorique "
En
effet, Spin (2)
est le groupe des éléments deC (Q)
de la forme x~2 ... xh avec xl, x2, ... , avecQ (x~) =1, i =1, 2, ... ,
h et hun nombre
pair.
En considérantx1 x2 ~ Spin(2)
et en utilisant les conditions :Q
=Q (x2)
= 1 il en résulte(xi)2
+(Xî)2
=(jc~)~
+(x2)2
= 1où et
JC2=(~,~). Alors,
ilexiste,
al,(X26[0,27c)
demanière que Fon peut considérer et
est le
repère canonique
de [R2.Donc : x1x2= cos
03B2.
1 +(sin P)
el e2,P
== a2 - (Xl(mod 2 03C0), 03B2
E[0, 2 Tt).
D’autre part, en prenant
x3 x4 ~ Spin(2)
avecet x4 =
(cos
+(sin (X4)
e2 nous obtenons : x3 x4 = cos y . 1 +(sin y) el
e2,ye[0,2~).
Donc :8=P+y(mod2~), 8e[0, 2 ~c)
etIl n’est pas difficile à voir que la
représentation
p :Spin (2)
~ S (9(2)
estdonnée par :
où est la rotation
d’angle
2 cp de1R2,
dont leséquations
dans lerepère
canoniaue de [R2 sont :
Soit maintenant la variété différentiable sur
laquelle
legroupe
Spin (2) agit
de manière suivante.Quels
que soientnous définissons :
avec
où
Il en résulte que
E/ ~
= où « l’V » est la relationd’équivalence
induitepar l’action de
Spin (2)
sur X. Laprojection canonique
estl’application
E -~
M,
donnée parDonc nous avons obtenu un fibre
principal 03A3=03A3(M, Spin (2)).
En
gardant
les notationsci-dessus, soit f: P, l’application
donnéepar
où
~={/i~/2}
étant lerepère
de R2 obtenu durepère canonique
de R2 par la rotationd’angle
a 1+ (X2.
On montre sans difficulté que
car
(x, X)/?(~)=(~, Y)
où Yreprésente
lerepère
de 1R2 obtenu durepère canonique
de R2 par la rotationd’angle
2 cp.D’autre part, en notant par P -~ M la
projection
du fibreprincipal p = P (M, S0(2)),
nous obtenons lediagramme
commutatif :Donc f : 03A3
~ Preprésente
une structurespinorielle
sur M = [R2.Nous allons
construire,
en cequi suit,
une structurespinorielle
sur lavariété différentiable
J M, quels
que soitq =1, 2, ... ,
n. Nous allons suivre la démonstration du théorème 4. Considérons d’abordl’application
de trivialisationlocale,
donnée par :où
Donc nous avons
l’application qui
vérifie lapropriété :
quel
que soit g ESpin (2).
Donc{M }
est un recouvrement de trivialisation locale pour le fibre X avec la seule fonction de transitionD’autre part,
{M}
étant aussi un recouvrement de trivialisation local pour le fibreP,
la seule fonction de transition de P sera /?(cr) :
M ~ S (9(2)
donnée
(x)=I2.
Soient
Spin Q)
le fibreprincipal
dont la base est la variété différentiableJ1q M
etl’application
oùT
est l’élément neutreHenri Poincaré - Physique théorique
de
SpinQ.
Il en résulte que le fibreprincipal
~’ estisomorphe
aufibre
J M x Spin Q.
D’une manièreanalogue,
les fibresprincipaux
P’ = P’
(1q M,
S (9(Q))
etJ1q
M x S 0(Q)
sont aussiisomorphes. Alors, l’ap-
plication :03A3
--+ P’ donnée parquels
que soient M etã ~ Spin ,
est une structurespinorielle
surla variété différentiable
J~
M.[1] M. ATIYAH, R. BOTT et A. SHAPIRO, Clifford Moduls, Topology, vol. 3, Suppl. 1, 1964,
p. 3-38.
[2] L. A. CORDERO, C. T. J. DODSON et M. DE LEON, Differential Geometry of Frame Bundles, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Boston, London, 1988.
[3] A. CRUMEYROLLE, Structures spinorielles, Ann. Inst. H. Poincaré, vol. 11, 1, 1969, p. 19-25.
[4] A. CRUMEYROLLE, Groupes de spinorialité, Ann. Inst. H. Poincaré, vol. 14, 4, 1971, p. 309-323.
[5] S. KOBAYASHY et K. NOMIZU, Fundations of Differential Geometry, Interscience Publi- shers, New York, London, 1963.
( Manuscrit reçu le 30 juillet 1992;
version corrigée reçue le 14 mai 1993.)