

En matemáticas , una foliación p- dimensional es una partición de una variedad en subvariedades , todas de la misma dimensión p , modeladas localmente en la descomposición de R n en los planos p- dimensionales cortados por las ecuaciones.Las subvariedades se denominan hojas de la foliación.
La 3-esfera tiene una foliación de codimensión 1 muy conocida, llamada foliación de Reeb .
Se requiere que las subvariedades sean conexas e inyectivamente inmersas , pero no se requiere que estén incrustadas . Por ejemplo, si m es un número irracional fijo, el toroestá foliado por el conjunto de líneas rectas en el toro de pendiente m . Cada línea es densa en el toro y está inyectivamente inmersa pero no incrustada.
Si se requiere que la variedad y las subvariedades tengan una estructura lineal por partes , diferenciable (de clase C r ), o analítica, entonces se definen foliaciones lineales por partes, diferenciables o analíticas, respectivamente.
Los conjuntos de nivel de una función suave de valores reales en una variedad sin puntos críticos forman una foliación de codimensión 1 en dicha variedad. Por ejemplo, en la relatividad general , los espaciotiempos con cierto número de dimensiones especiales y una dimensión temporal suelen foliarse como los conjuntos de nivel de una función suave cuyo gradiente es de tipo temporal , de modo que las hojas son hipersuperficies de tipo espacial . Toda foliación de codimensión 1 surge localmente de esta manera, pero generalmente no surge así globalmente. Por ejemplo, una foliación de codimensión 1 de una variedad cerrada no puede estar dada por los conjuntos de nivel de una función suave, ya que una función suave en una variedad cerrada necesariamente tiene puntos críticos en sus máximos y mínimos.
Mapas y atlas foliados
Para dar una definición más precisa de foliación, es necesario definir algunos elementos auxiliares.

Un vecindario rectangular en R n es un subconjunto abierto de la forma B = J 1 × ⋅⋅⋅ × J n , donde J i es un intervalo relativamente abierto (posiblemente no acotado) en el i -ésimo eje de coordenadas. Si J 1 es de la forma ( a ,0], se dice que B tiene frontera [ 1 ].
En la siguiente definición, se consideran cartas de coordenadas que tienen valores en R p × R q , permitiendo la posibilidad de variedades con frontera y esquinas ( convexas ).
Una carta foliada en la n -variedad M de codimensión q es un par ( U , φ ), donde U ⊆ M es abierto yes un difeomorfismo ,ser un vecindario rectangular en R q yun vecindario rectangular en R p . El conjunto P y = φ −1 ( B τ × { y }), donde, se llama placa de este gráfico foliado. Para cada x ∈ B τ , el conjunto S x = φ −1 ({ x } ×) se denomina transversal de la carta foliada. El conjunto ∂ τ U = φ −1 ( B τ × ( ∂)) se denomina límite tangencial de U y= φ −1 (( ∂B τ ) ×) se denomina límite transversal de U. [ 2 ]
El diagrama foliado es el modelo básico para todas las foliaciones, siendo las placas las hojas. La notación B τ se lee como " B -tangencial" y como " B -transversal". También existen varias posibilidades. Si ambosy B τ tienen frontera vacía, el gráfico foliado modela foliaciones de codimensión q de n -variedades sin frontera. Si uno, pero no ambos de estos vecindarios rectangulares tiene frontera, el gráfico foliado modela las diversas posibilidades de foliaciones de n -variedades con frontera y sin esquinas. Específicamente, si ∂≠ ∅ = ∂B τ , entonces ∂U = ∂ τ U es una unión de placas y la foliación por placas es tangente al límite. Si ∂B τ ≠ ∅ = ∂, entonces ∂U =es una unión de transversales y la foliación es transversal al límite. Finalmente, si ∂≠ ∅ ≠ ∂B τ , este es un modelo de una variedad foliada con una esquina que separa el límite tangencial del límite transversal. [ 2 ]

Un atlas foliado de codimensión q y clase C r (0 ≤ r ≤ ∞) en la n -variedad M es un C r -atlasde cartas foliadas de codimensión q que están foliadas coherentemente en el sentido de que, siempre que P y Q sean placas en cartas distintas de, entonces P ∩ Q es abierto tanto en P como en Q . [ 3 ]
Una forma útil de reformular la noción de cartas foliadas coherentes es escribir para w ∈ U α ∩ U β [ 4 ]
La notación ( U α , φ α ) a menudo se escribe ( U α , x α , y α ), con [ 4 ]
En φ β ( U α ∩ U β ) la fórmula de coordenadas se puede cambiar como [ 4 ]

La condición de que ( U α , x α , y α ) y ( U β , x β , y β ) estén foliados coherentemente significa que, si P ⊂ U α es una placa, las componentes conexas de P ∩ U β se encuentran en placas (posiblemente distintas) de U β . De forma equivalente, dado que las placas de U α y U β son conjuntos de nivel de las coordenadas transversales y α e y β , respectivamente, cada punto z ∈ U α ∩ U β tiene un entorno en el que la fórmula
es independiente de x β . [ 4 ]
El uso principal de los atlas foliados es unir sus placas superpuestas para formar las hojas de una foliación. Para este y otros fines, la definición general de atlas foliado anterior resulta algo imprecisa. Un problema es que una placa de ( Uα , φα ) puede encontrarse con múltiples placas de ( Uβ , φβ ). Incluso puede ocurrir que una placa de un mapa se encuentre con un número infinito de placas de otro mapa. Sin embargo , no se pierde generalidad al suponer que la situación es mucho más regular , como se muestra a continuación.
Dos atlas foliadosyen M de la misma codimensión y clase de suavidad C r son coherentessies un atlas C r foliado . La coherencia de los atlas foliados es una relación de equivalencia. [ 4 ]

Las placas y transversales definidas anteriormente en conjuntos abiertos también son abiertas. Pero también se puede hablar de placas y transversales cerradas. Es decir, si ( U , φ ) y ( W , ψ ) son cartas foliadas tales que(el cierre de U ) es un subconjunto de W y φ = ψ | U entonces, sise puede observar que, escritollevadifeomórficamente sobre
Se dice que un atlas foliado es regular si
- para cada α ∈ A ,es un subconjunto compacto de un gráfico foliado ( W α , ψ α ) y φ α = ψ α | Uα ;
- La cubierta { U α | α ∈ A } es localmente finita ;
- si ( U α , φ α ) y ( U β , φ β ) son elementos del atlas foliado, entonces el interior de cada placa cerrada P ⊂se encuentra como máximo con una placa en[ 6 ]
Por la propiedad (1), las coordenadas x α e y α se extienden a las coordenadasyeny uno escribeLa propiedad (3) es equivalente a exigir que, si U α ∩ U β ≠ ∅, la coordenada transversal cambie.ser independiente deEso es
tiene la fórmula [ 6 ]
Afirmaciones similares son válidas también para cartas abiertas (sin las líneas superiores). El mapa de coordenadas transversales y α puede verse como una inmersión.
y las fórmulas y α = y α ( y β ) pueden considerarse como difeomorfismos
Estas satisfacen las condiciones del cociclo . Es decir, en y δ ( U α ∩ U β ∩ U δ ),
y, en particular, [ 7 ]
Utilizando las definiciones anteriores de coherencia y regularidad, se puede demostrar que todo atlas foliado tiene un refinamiento coherente que es regular. [ 8 ]
definiciones de foliación
Existen varias definiciones alternativas de foliación dependiendo de la forma en que se logra. La forma más común de lograr una foliación es mediante la descomposición que llega a lo siguiente:

Definición. Una foliación p -dimensional de clase C r de una variedad n- dimensional M es una descomposición de M en una unión de subvariedades conexas disjuntas { L α } α∈ A , llamadas hojas de la foliación, con la siguiente propiedad: Cada punto en M tiene un entorno U y un sistema de coordenadas locales de clase C r x =( x 1 , ⋅⋅⋅, x n ) : U → R n tal que para cada hoja L α , las componentes de U ∩ L α se describen mediante las ecuaciones x p +1 =constante, ⋅⋅⋅, x n =constante. Una foliación se denota por={ L α } α∈ A . [ 9 ]
La noción de hojas permite una forma intuitiva de pensar sobre una foliación. Para una definición ligeramente más geométrica, una foliación p -dimensionalUna variedad n -dimensional M puede considerarse simplemente como una colección { M a } de subvariedades p -dimensionales inmersas, conectadas y disjuntas dos a dos (las hojas de la foliación) de M , de tal manera que para cada punto x en M , existe una cartacon U homeomorfo a R n que contiene x tal que cada hoja, M a , se encuentra con U en el conjunto vacío o en una colección numerable de subespacios cuyas imágenes bajoenson subespacios afines p -dimensionales cuyas primeras n − p coordenadas son constantes.
Localmente, cada foliación es una inmersión que permite lo siguiente
Definición. Sean M y Q variedades de dimensión n y q ≤ n respectivamente, y sea f : M → Q una submersión, es decir, supongamos que el rango del diferencial de la función (el jacobiano ) es q . Del teorema de la función implícita se deduce que ƒ induce una foliación de codimensión q en M donde las hojas se definen como las componentes de f −1 ( x ) para x ∈ Q . [ 9 ]
Esta definición describe una dimensión - foliación pde una variedad n -dimensional M que está cubierta por cartas U i junto con mapas
de tal manera que para pares superpuestos U i , U j las funciones de transición φ ij : R n → R n definidas por
tomar la forma
donde x denota las primeras q = n − p coordenadas, e y denota las últimas p coordenadas. Es decir,
La división de las funciones de transición φ ij enycomo parte de la inmersión es completamente análogo a la división deenycomo parte de la definición de un atlas foliado regular. Esto hace posible otra definición de foliaciones en términos de atlas foliados regulares. Para ello, primero hay que demostrar que todo atlas foliado regular de codimensión q está asociado a una foliación única.de codimensión q . [ 8 ]
Como se muestra en la demostración, las hojas de la foliación son clases de equivalencia de cadenas de placas de longitud ≤ p que también son subvariedades p- dimensionales de Hausdorff inmersas topológicamente . A continuación, se demuestra que la relación de equivalencia de placas en una hoja se expresa en equivalencia de atlas foliados coherentes con respecto a su asociación con una foliación. Más específicamente, siyson atlas foliados en M y siestá asociado a una foliaciónentoncesyson coherentes si y solo sitambién está asociado a. [ 5 ]
Ahora es obvio que la correspondencia entre las foliaciones en M y sus atlas foliados asociados induce una correspondencia uno a uno entre el conjunto de foliaciones en M y el conjunto de clases de coherencia de los atlas foliados o, en otras palabras, una foliaciónde codimensión q y clase C r en M es una clase de coherencia de atlas foliados de codimensión q y clase C r en M. [ 10 ] Por el lema de Zorn , es obvio que toda clase de coherencia de atlas foliados contiene un único atlas foliado maximal. Por lo tanto,
Definición. Una foliación de codimensión q y clase C r en M es un atlas C r foliado maximal de codimensión q en M. [ 10 ]
En la práctica, para representar una foliación se suele utilizar un atlas foliado relativamente pequeño. Además, normalmente se requiere que este atlas sea regular.
En el gráfico U i , las franjas x = constante coinciden con las franjas de otros gráficos U j . Estas subvariedades se unen de un gráfico a otro para formar subvariedades inyectivamente inmersas conectadas máximas llamadas hojas de la foliación.
Si se reduce la carta U i, se puede escribir como U ix × U iy , donde U ix ⊂ R n − p , U iy ⊂ R p , U iy es homeomorfo a las placas, y los puntos de U ix parametrizan las placas en U i . Si se elige y 0 en U iy , entonces U ix × { y 0 } es una subvariedad de U i que interseca cada placa exactamente una vez. Esto se denomina sección transversal local de la foliación. Nótese que, debido a la monodromía, podrían no existir secciones transversales globales de la foliación.
El caso r = 0 es bastante especial. Aquellas foliaciones C 0 que surgen en la práctica suelen ser de "hojas lisas". Más precisamente, son de la clase C r ,0 , en el siguiente sentido.
Definición. Una foliaciónes de clase C r,k , r > k ≥ 0, si la clase de coherencia correspondiente de atlas foliados contiene un atlas foliado regular { U α , x α , y α } α∈ A tal que la fórmula de cambio de coordenadas
es de clase C k , pero x α es de clase C r en las coordenadas x β y sus parciales mixtos x β de órdenes ≤ r son C k en las coordenadas ( x β , y β ). [ 10 ]
La definición anterior sugiere el concepto más general de un espacio foliado o laminación abstracta . Se relaja la condición de que las transversales sean subconjuntos abiertos y relativamente compactos de R q , permitiendo que las coordenadas transversales y α tomen sus valores en algún espacio topológico Z más general . Las placas siguen siendo subconjuntos abiertos y relativamente compactos de R p , la fórmula de cambio de coordenadas transversales y α ( y β ) es continua y x α ( x β , y β ) es de clase C r en las coordenadas x β y sus parciales mixtos x β de órdenes ≤ r son continuos en las coordenadas ( x β , y β ). Normalmente se requiere que M y Z sean localmente compactos, segundo numerables y metrizables. Esto puede parecer una generalización bastante descabellada, pero hay contextos en los que resulta útil. [ 11 ]
Holonomía
Sea ( M ,) sea una variedad foliada. Si L es una hoja dey s es un camino en L , nos interesa el comportamiento de la foliación en un entorno de s en M. Intuitivamente, un habitante de la hoja camina a lo largo del camino s , observando todas las hojas cercanas. A medida que estas (en adelante denotadas por s ( t )) avanzan, algunas de estas hojas pueden "desprenderse", saliendo del alcance visual, otras pueden entrar repentinamente en el alcance y acercarse a L asintóticamente, otras pueden seguir de forma más o menos paralela o rodear L lateralmente, etc. Si s es un bucle, entonces s ( t ) regresa repetidamente al mismo punto s ( t₀ ) cuando t tiende a infinito y cada vez más hojas pueden haber entrado o salido de la vista en espiral, etc. Este comportamiento, cuando se formaliza adecuadamente, se denomina holonomía de la foliación.
La holonomía se implementa en variedades foliadas de diversas maneras específicas: el grupo de holonomía total de haces foliados, el pseudogrupo de holonomía de variedades foliadas generales, el grupoide de holonomía germinal de variedades foliadas generales, el grupo de holonomía germinal de una hoja y el grupo de holonomía infinitesimal de una hoja.
paquetes foliados
El caso más fácil de entender de holonomía es la holonomía total de un fibrado foliado. Esta es una generalización de la noción de mapa de Poincaré .

El término "mapa de primer retorno (recurrencia)" proviene de la teoría de sistemas dinámicos. Sea Φ t un flujo C r no singular ( r ≥ 1) en la n -variedad compacta M . En aplicaciones, se puede imaginar que M es un ciclotrón o algún bucle cerrado con flujo de fluido. Si M tiene un límite, se supone que el flujo es tangente al límite. El flujo genera una foliación unidimensional.. Si uno recuerda la dirección positiva del flujo, pero por lo demás olvida la parametrización (forma de la trayectoria, velocidad, etc. ), la foliación subyacenteSe dice que está orientado. Supongamos que el flujo admite una sección transversal global N. Es decir, N es una subvariedad compacta, propiamente incrustada, C r de M de dimensión n – 1, la foliaciónes transversal a N , y cada línea de flujo se encuentra con N. Debido a que las dimensiones de N y de las hojas son complementarias, la condición de transversalidad es que
Sea y ∈ N y consideremos el conjunto límite ω ( y ) de todos los puntos de acumulación en M de todas las secuencias.donde t k tiende a infinito. Se puede demostrar que ω(y) es compacto, no vacío y una unión de líneas de flujo. SiExiste un valor t * ∈ R tal que Φ t * ( z ) ∈ N y se deduce que
Dado que N es compacto yes transversal a N , por lo tanto, el conjunto { t > 0 | Φ t ( y ) ∈ N} es una sucesión monótonamente creciente.que diverge hasta el infinito.
A medida que y ∈ N varía, sea τ ( y ) = τ 1 ( y ), definiendo de esta manera una función positiva τ ∈ C r ( N ) (el primer tiempo de retorno) tal que, para cualquier y ∈ N , Φ t ( y ) ∉ N , 0 < t < τ ( y ), y Φ τ ( y ) ( y ) ∈ N .
Definimos f : N → N mediante la fórmula f ( y ) = Φ τ ( y ) ( y ). Este es un mapa C r . Si el flujo se invierte, exactamente la misma construcción proporciona el inverso f −1 ; por lo tanto, f ∈ Diff r ( N ). Este difeomorfismo es el primer mapa de retorno y τ se llama el primer tiempo de retorno . Si bien el primer tiempo de retorno depende de la parametrización del flujo, debería ser evidente que f depende solo de la foliación orientada.. Es posible reparametrizar el flujo Φ t , manteniéndolo no singular, de clase C r , y sin invertir su dirección, de modo que τ ≡ 1.
La suposición de que existe una sección transversal N en el flujo es muy restrictiva, lo que implica que M es el espacio total de un haz de fibras sobre S 1 . De hecho, en R × N , definimos ~ f como la relación de equivalencia generada por
De forma equivalente, esta es la equivalencia de órbitas para la acción del grupo aditivo Z sobre R × N definida por
para cada k ∈ Z y para cada ( t , y ) ∈ R × N . El cilindro de mapeo de f se define como la variedad C r
Por la definición del mapa de primer retorno f y la suposición de que el tiempo de primer retorno es τ ≡ 1, es inmediato que el mapa
- :\mathbb {R} \times N\rightarrow M.}
definido por el flujo, induce un difeomorfismo C r canónico
Si hacemos la identificación M f = M , entonces la proyección de R × N sobre R induce un mapa C r
que convierte a M en el espacio total de un haz de fibras sobre el círculo. Esto es simplemente la proyección de S 1 × D 2 sobre S 1 . La foliaciónes transversal a las fibras de este haz y la proyección del haz π , restringida a cada hoja L , es un mapa de recubrimiento π : L → S 1 . Esto se llama un haz foliado .
Toma como punto base x 0 ∈ S 1 la clase de equivalencia 0 + Z ; por lo tanto, π −1 ( x 0 ) es la sección transversal original N . Para cada bucle s en S 1 , basado en x 0 , la clase de homotopía [ s ] ∈ π 1 ( S 1 , x 0 ) se caracteriza de forma única por deg s ∈ Z . El bucle s se eleva a un camino en cada línea de flujo y debería ser claro que la elevación s y que comienza en y ∈ N termina en f k ( y ) ∈ N , donde k = deg s . El difeomorfismo f k ∈ Diff r ( N ) también se denota por h s y se llama la holonomía total del bucle s . Dado que esto depende solo de [ s ], esta es una definición de un homomorfismo
llamado homomorfismo de holonomía total para el fibrado foliado.
Utilizando haces de fibras de una manera más directa, sea ( M ,Sea M una n -variedad foliada de codimensión q . Sea π : M → B un fibrado con fibra q -dimensional F y espacio base conexo B. Supongamos que todas estas estructuras son de clase C r , 0 ≤ r ≤ ∞, con la condición de que, si r = 0, B admite una estructura C 1. Dado que todo atlas C 1 maximal en B contiene un subatlas C ∞ , no se pierde generalidad al suponer que B es tan suave como se desea. Finalmente, para cada x ∈ B , supongamos que existe un entorno abierto y conexo U ⊆ B de x y una trivialización local.
donde φ es un difeomorfismo C r (un homeomorfismo, si r = 0) que llevaa la foliación del producto { U × { y }} y ∈ F . Aquí,es la foliación con hojas los componentes conectados de L ∩ π −1 ( U ), donde L abarca las hojas de. Esta es la definición general del término "haz foliado" ( M ,,π) de clase C r .
es transversal a las fibras de π (se dice quees transversal a la fibración) y que la restricción de π a cada hoja L dees un mapa de recubrimiento π : L → B . En particular, cada fibra F x = π −1 ( x ) se encuentra con cada hoja de. La fibra es una sección transversal deen completa analogía con la noción de una sección transversal de un flujo.
La foliaciónEl hecho de ser transversal a las fibras no garantiza, por sí solo, que las hojas cubran espacios de B. Una versión simple del problema es una foliación de R 2 , transversal a la fibración.
- :\mathbb {R} ^{2}\rightarrow \mathbb {R} ,}
pero con infinitas hojas que no tocan el eje y . En la figura correspondiente, se entiende que las hojas "flechadas" y todas las que están por encima de ellas son asintóticas al eje x = 0. Se dice que dicha foliación es incompleta con respecto a la fibración, lo que significa que algunas de las hojas "se extienden hasta el infinito" cuando el parámetro x ∈ B se aproxima a algún x 0 ∈ B. Más precisamente, puede haber una hoja L y un camino continuo s : [0, a ) → L tal que lim t → a − π( s ( t )) = x 0 ∈ B , pero lim t → a − s ( t ) no existe en la topología de variedad de L . Esto es análogo al caso de flujos incompletos, donde algunas líneas de flujo "llegan al infinito" en un tiempo finito. Aunque tal hoja L puede encontrarse en otro lugar con π −1 ( x 0 ), no puede cubrir uniformemente un entorno de x 0 , por lo tanto no puede ser un espacio de recubrimiento de B bajo π . Sin embargo, cuando F es compacto, es cierto que la transversalidad dea la fibración sí garantiza completitud, por lo tanto quees un haz foliado.
Hay un atlas= { U α , x α } α∈A en B , que consiste en cartas de coordenadas abiertas y conectadas, junto con trivializaciones φ α : π −1 ( U α ) → U α × F que llevan|π −1 ( U α ) al producto de foliación. Establezca W α = π −1 ( U α ) y escriba φ α = ( x α , y α ) donde (por abuso de notación) x α representa x απ y y α : π −1 ( U α ) → F es la inmersión obtenida al componer φ α con la proyección canónica U α × F → F .
El atlas= { W α , x α , y α } α ∈ A desempeña un papel análogo al de un atlas foliado. Las placas de W α son los conjuntos de nivel de y α y esta familia de placas es idéntica a F a través de y α . Dado que se supone que B admite una estructura C ∞ , según el teorema de Whitehead se puede fijar una métrica riemanniana en B y elegir el atlasser geodésicamente convexo. Por lo tanto, U α ∩ U β siempre está conectado. Si esta intersección no es vacía, cada placa de W α se encuentra exactamente con una placa de W β . Entonces definimos un cociclo de holonomía.al establecer
Ejemplos
Espacio plano
Consideremos un espacio n -dimensional, foliado como producto de subespacios formados por puntos cuyas primeras n − p coordenadas son constantes. Esto se puede representar con una sola tabla. La afirmación es esencialmente que R n = R n − p × R p, donde las hojas o placas R p se enumeran mediante R n − p . La analogía se observa directamente en tres dimensiones, tomando n = 3 y p = 2 : las hojas bidimensionales de un libro se enumeran mediante un número de página (unidimensional).
Paquetes
Un ejemplo bastante trivial de foliaciones son los productos M = B × F , foliados por las hojas F b = { b } × F , b ∈ B . (Otra foliación de M viene dada por B f = B × { f } , f ∈ F .)
Una clase más general son los G -fibrados planos con G = Homeo( F ) para una variedad F . Dada una representación ρ : π 1 ( B ) → Homeo( F ) , el Homeo( F ) -fibrado plano con monodromía ρ viene dado pordonde π 1 ( B ) actúa sobre la cubierta universalmediante transformaciones de cubierta y en F por medio de la representación ρ .
Los haces planos encajan en el marco de los haces de fibra . Una aplicación π : M → B entre variedades es un haces de fibra si existe una variedad F tal que cada b ∈ B tiene un entorno abierto U tal que existe un homeomorfismo. :\pi ^{-1}(U)\to U\times F} con, con p 1 : U × F → U proyección al primer factor. El haz de fibras produce una foliación por fibrasSu espacio de hojas L es homeomorfo a B , en particular L es una variedad de Hausdorff.
Revestimientos
Si M → N es una aplicación de recubrimiento entre variedades, y F es una foliación en N , entonces se puede revertir a una foliación en M. De forma más general, si la aplicación es simplemente un recubrimiento ramificado , donde el lugar geométrico de las ramas es transversal a la foliación, entonces se puede revertir a la foliación.
Inmersiones
Si M n → N q , ( q ≤ n ) es una inmersión de variedades, del teorema de la función inversa se deduce que las componentes conexas de las fibras de la inmersión definen una foliación de M de codimensión q . Los haces de fibras son un ejemplo de este tipo.
Un ejemplo de inmersión, que no es un haz de fibras, se da por
Esta inmersión produce una foliación de [−1, 1] × R que es invariante bajo las acciones Z dadas por
para ( x , y ) ∈ [−1, 1] × R y n ∈ Z . Las foliaciones inducidas de Z \ ([−1, 1] × R ) se denominan foliación de Reeb bidimensional (del anillo) o foliación de Reeb bidimensional no orientable (de la banda de Möbius). Sus espacios foliares no son de Hausdorff.
Follados de Reeb
Defina una inmersión
donde ( r , θ ) ∈ [0, 1] × S n −1 son coordenadas cilíndricas en el disco n- dimensional D n . Esta inmersión produce una foliación de D n × R que es invariante bajo las acciones Z dadas por
para ( x , y ) ∈ D n × R , z ∈ Z . La foliación inducida de Z \ ( D n × R ) se llama foliación de Reeb n -dimensional . Su espacio de hojas no es Hausdorff.
Para n = 2 , esto da una foliación del toro sólido que puede usarse para definir la foliación de Reeb de la 3-esfera pegando dos toros sólidos a lo largo de su borde. También se conocen explícitamente las foliaciones de esferas de dimensión impar S 2 n +1 . [ 12 ]
Lie groups
If G is a Lie group, and H is a Lie subgroup, then G is foliated by cosets of H. When H is closed in G, the quotient spaceG/H is a smooth (Hausdorff) manifold turning G into a fiber bundle with fiber H and base G/H. This fiber bundle is actually principal, with structure group H.
Lie group actions
Let G be a Lie group acting smoothly on a manifold M. If the action is a locally free action or free action, then the orbits of G define a foliation of M.
Linear and Kronecker foliations
If is a nonsingular (i.e., nowhere zero) vector field, then the local flow defined by patches together to define a foliation of dimension 1. Indeed, given an arbitrary point x ∈ M, the fact that is nonsingular allows one to find a coordinate neighborhood (U,x1,...,xn) about x such that
and
Geometrically, the flow lines of are just the level sets
where all Since by convention manifolds are second countable, leaf anomalies like the "long line" are precluded by the second countability of M itself. The difficulty can be sidestepped by requiring that be a complete field (e.g., that M be compact), hence that each leaf be a flow line.


An important class of 1-dimensional foliations on the torus T2 are derived from projecting constant vector fields on T2. A constant vector field
on R2 is invariant by all translations in R2, hence passes to a well-defined vector field X when projected on the torus T2= R2/Z2. It is assumed that a ≠ 0. The foliation en R 2 producido portiene como hojas las líneas rectas paralelas de pendiente θ = b / a . Esta foliación también es invariante bajo traslaciones y pasa a la foliaciónen T 2 producido por X .
Cada hoja dees de la forma
Si la pendiente es racional, entonces todas las hojas son curvas cerradas homeomorfas al círculo . En este caso, se puede tomar a , b ∈ Z. Para un t ∈ R fijo , los puntos deLos valores correspondientes de t ∈ t 0 + Z se proyectan todos al mismo punto de T 2 ; por lo tanto, la hoja correspondiente L dees un círculo incrustado en T 2 . Dado que L es arbitrario,es una foliación de T 2 por círculos. Se deduce fácilmente que esta foliación es en realidad un fibrado π : T 2 → S 1 . Esto se conoce como una foliación lineal .
Cuando la pendiente θ = b / a es irracional , las hojas no son compactas, son homeomorfas a la recta real no compactificada y densas en el toro (véase Rotación irracional ). La trayectoria de cada punto ( x 0 , y 0 ) nunca regresa al mismo punto, sino que genera un enrollamiento "denso en todas partes" alrededor del toro, es decir, se aproxima arbitrariamente cerca de cualquier punto dado. Por lo tanto, el cierre de la trayectoria es todo el toro bidimensional. Este caso se denomina foliación de Kronecker , en honor a Leopold Kronecker y su
Teorema de densidad de Kronecker . Si el número real θ es distinto de cada múltiplo racional de π, entonces el conjunto { e inθ | n ∈ Z } es denso en el círculo unitario.
A similar construction using a foliation of Rn by parallel lines yields a 1-dimensional foliation of the n-torus Rn/Zn associated with the linear flow on the torus.
Suspension foliations
A flat bundle has not only its foliation by fibres but also a foliation transverse to the fibers, whose leaves are
where is the canonical projection. This foliation is called the suspension of the representation ρ : π1(B) → Homeo(F).
In particular, if B = S1 and is a homeomorphism of F, then the suspension foliation of is defined to be the suspension foliation of the representation ρ : Z → Homeo(F) given by ρ(z) = Φz. Its space of leaves is L = /~, where x ~ y whenever y = Φn(x) for some n ∈ Z.
El ejemplo más simple de foliación por suspensión es una variedad X de dimensión q . Sea f : X → X una biyección. Se define la suspensión M = S 1 × f X como el cociente de [0,1] × X por la relación de equivalencia (1, x ) ~ (0, f ( x )).
- M = S 1 × f X = [0,1] × X
Entonces, automáticamente M lleva dos foliaciones:2 que consiste en conjuntos de la forma F 2, t = {( t , x ) ~ : x ∈ X } y1 que consiste en conjuntos de la forma F 2, x 0 = {( t , x ) : t ∈ [0,1] , x ∈ O x 0 }, donde la órbita O x 0 se define como
- O x 0 = {..., f −2 ( x 0 ), f −1 ( x 0 ), x 0 , f ( x 0 ), f 2 ( x 0 ), ...},
donde el exponente se refiere al número de veces que la función f se compone consigo misma. Nótese que O x 0 = O f ( x 0 ) = O f −2 ( x 0 ) , etc., por lo que lo mismo es cierto para F 1, x 0 . Entendiendo la foliación1 es equivalente a comprender la dinámica del mapa f . Si la variedad X ya está foliada, se puede usar la construcción para aumentar la codimensión de la foliación, siempre que f mapee hojas a hojas.
Las foliaciones de Kronecker del 2-toro son las foliaciones de suspensión de las rotaciones R α : S 1 → S 1 por ángulo α ∈ [0, 2 π ).

Más específicamente, si Σ = Σ 2 es el toro de dos agujeros con C 1 ,C 2 ∈ Σ los dos círculos incrustados seansea la foliación producto de la 3-variedad M = Σ × S 1 con hojas Σ × { y }, y ∈ S 1 . Nótese que N i = C i × S 1 es un toro incrustado y quees transversal a N i , i = 1,2. Sea Diff + ( S 1 ) el grupo de difeomorfismos que preservan la orientación de S 1 y elijamos f 1 , f 2 ∈ Diff + ( S 1 ). Dividimos M a lo largo de N 1 y N 2 , dejandoyDenotemos las copias resultantes de N i , i = 1,2. En este punto se tiene una variedad M' = Σ' × S 1 con cuatro componentes de frontera.La foliaciónha pasado a una foliacióntransversal al límite ∂ M' , cada hoja de la cual tiene la forma Σ' × { y }, y ∈ S 1 .
Esta hoja se encuentra con ∂ M' en cuatro círculos.Si z ∈ C i , los puntos correspondientes ense denotan por z ± yse "vuelve a pegar" apor la identificación
Dado que f 1 y f 2 son difeomorfismos que preservan la orientación de S 1 , son isotópicos a la identidad y la variedad obtenida por esta operación de repegmentación es homeomorfa a M . Las hojas deSin embargo, se reensamblan para producir una nueva foliación.( f 1 , f 2 ) de M . Si una hoja L de( f 1 , f 2 ) contiene una pieza Σ' × { y 0 }, entonces
donde G ⊂ Diff + ( S 1 ) es el subgrupo generado por { f 1 , f 2 }. Estas copias de Σ' están unidas entre sí por identificaciones
- ( z − , g ( y 0 )) ≡ ( z + , f 1 ( g ( y 0 ))) para cada z ∈ C 1 ,
- ( z − , g ( y 0 )) ≡ ( z + , f 2 ( g ( y 0 ))) para cada z ∈ C 2 ,
donde g varía sobre G. La hoja está completamente determinada por la órbita G de y 0 ∈ S 1 y puede ser simple o inmensamente complicada. Por ejemplo, una hoja será compacta precisamente si la órbita G correspondiente es finita. Como ejemplo extremo, si G es trivial ( f 1 = f 2 = id S 1 ), entonces( f 1 , f 2 ) =Si una órbita es densa en S 1 , la hoja correspondiente es densa en M . Por ejemplo, si f 1 y f 2 son rotaciones a través de múltiplos racionalmente independientes de 2π, cada hoja será densa. En otros ejemplos, alguna hoja L tiene cierreque satisface cada factor { w } × S 1 en un conjunto de Cantor . Se pueden realizar construcciones similares en Σ × I , donde I es un intervalo compacto y no degenerado. Aquí se toma f 1 , f 2 ∈ Diff + ( I ) y, dado que ∂ I está fijo puntualmente por todos los difeomorfismos que preservan la orientación, se obtiene una foliación que tiene las dos componentes de ∂ M como hojas. Cuando se forma M' en este caso, se obtiene una variedad foliada con esquinas. En cualquier caso, esta construcción se llama suspensión de un par de difeomorfismos y es una fuente fértil de ejemplos interesantes de foliaciones de codimensión uno.
Foliaciones e integrabilidad
Existe una estrecha relación, suponiendo que todo es suave , con los campos vectoriales : dado un campo vectorial X en M que nunca es cero, sus curvas integrales darán una foliación unidimensional (es decir, una foliación de codimensión n − 1 ) .
Esta observación se generaliza al teorema de Frobenius , que establece que las condiciones necesarias y suficientes para que una distribución (es decir, un subfibrado n − p dimensional del fibrado tangente de una variedad) sea tangente a las hojas de una foliación, consisten en que el conjunto de campos vectoriales tangentes a la distribución sea cerrado bajo el corchete de Lie . También se puede formular de otra manera, como una cuestión de reducción del grupo de estructura del fibrado tangente de GL( n ) a un subgrupo reducible.
Las condiciones del teorema de Frobenius aparecen como condiciones de integrabilidad ; y la afirmación es que, si se cumplen, la reducción puede tener lugar porque existen funciones de transición locales con la estructura de bloques requerida. Por ejemplo, en el caso de codimensión 1, podemos definir el fibrado tangente de la foliación como ker( α ) , para algún α ∈ Ω₁ ( no canónico) (es decir, un campo covectorial distinto de cero). Un α dado es integrable si y solo si α ∧ dα = 0 en todas partes.
Existe una teoría de foliación global debido a la existencia de restricciones topológicas. Por ejemplo, en el caso de superficies , un campo vectorial distinto de cero en todas partes puede existir en una superficie compacta orientable solo para el toro . Esto es consecuencia del teorema del índice de Poincaré-Hopf , que demuestra que la característica de Euler debe ser cero. Existen numerosas conexiones profundas con la topología de contacto , que es el concepto opuesto, y que exige que la condición de integrabilidad nunca se cumpla.
Existencia de foliaciones
Haefliger (1970) proporcionó una condición necesaria y suficiente para que una distribución en una variedad no compacta conexa sea homotópica a una distribución integrable. Thurston ( 1974 , 1976 ) demostró que cualquier variedad compacta con una distribución tiene una foliación de la misma dimensión.
Véase también
- Estructura G : subpaquete de grupo de estructura en un paquete de marco tangente. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección.
- Estructura de Haefliger : generalización de una foliación cerrada al tomar retrocesos.
- Laminación – Espacio topológico particionado
- Flotación de Reeb .
- Foliación tensa : concepto en matemáticas
Notas
- ^ Candel y Conlon 2000 , pág. 19
- ^ Candel y Conlón 2000 , pág. 20
- ^ Candel y Conlon 2000 , pág. 23
- ^ Candel y Conlón 2000 , pág . 25
- ^ Candel y Conlón 2000 , pág . 26
- ^ Candel y Conlón 2000 , pág. 27
- ^ Candel y Conlon 2000 , pág. 28
- ^ Candel y Conlón 2000 , pág . 29
- 1 2 Lawson 1974
- ^ Candel y Conlón 2000 , pág . 31
- ^ Candel y Conlon 2000 , pág. 32
- ↑ Durfee, AH (1972), "Foliaciones de esferas de dimensión impar", Annals of Mathematics , Segunda serie, 96 (2): 407– 411, doi : 10.2307/1970795 , JSTOR 1970795
Referencias
- Anosov, DV (2001) [1994], "Foliación" , Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press
- Candel, Alberto; Conlon, Lawrence (2000), Foliations I , Graduate Studies in Mathematics, vol. 23, Providence, Rhode Island: American Mathematical Society , ISBN 0-8218-0809-5
- Candel, Alberto; Conlon, Lawrence (2003), Foliations II , Graduate Studies in Mathematics, vol. 60, Providence, Rhode Island: American Mathematical Society , ISBN 0-8218-0809-5
- Gourgoulhon, Éric (2012), Formalismo 3+1 en la relatividad general , Lecture Notes in Physics, vol. 846, Heidelberg, Nueva York, Dordrecht, Londres: Springer , doi : 10.1007/978-3-642-24525-1 , ISBN 978-3-642-24524-4
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- Lawson, H. Blaine (1974), "Foliaciones" , Boletín de la Sociedad Matemática Americana , 80 (3): 369–418 , doi : 10.1090/S0002-9904-1974-13432-4 , ISSN 0002-9904 , MR 0343289
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- Thurston, William (1974), "La teoría de las foliaciones de codimensión mayor que uno" , Commentarii Mathematici Helvetici , 49 : 214–231 , doi : 10.1007/BF02566730 , ISSN 0010-2571 , MR 0370619 , S2CID 120603728
- Thurston, William P. (1976), "Existencia de foliaciones de codimensión uno", Annals of Mathematics , Segunda Serie, 104 (2): 249– 268, doi : 10.2307/1971047 , ISSN 0003-486X , JSTOR 1971047 , MR 0425985
Enlaces externos
- La foliación en el Atlas Múltiple
- Follaje
- Estructuras en variedades