Invariant conserved currents in gravity theories with local Lorentz and diffeomorphism symmetry

We discuss conservation laws for gravity theories invariant under general coordinate and local Lorentz transformations. We demonstrate the possibility to formulate these conservation laws in many covariant and noncovariant(ly looking) ways. An interesting mathematical fact underlies such a diversity: there is a certain ambiguity in a definition of the (Lorentz-) covariant generalization of the usual Lie derivative. Using this freedom, we develop a general approach to the construction of invariant conserved currents generated by an arbitrary vector field on the spacetime. This is done in any dimension, for any Lagrangian of the gravitational field and of a (minimally or nonminimally) coupled matter field. A development of the regularization via relocalization scheme is used to obtain finite conserved quantities for asymptotically nonflat solutions. We illustrate how our formalism works by some explicit examples. © 2006 The American Physical Society.

ON GENERIC ROTATIONLESS DIFFEOMORPHISMS OF THE ANNULUS

Let f be a C(r)-diffeomorphism of the closed annulus A that preserves the orientation, the boundary components and the Lebesgue measure. Suppose that f has a lift (f) over tilde to the infinite strip (A) over tilde which has zero Lebesgue measure rotation number. If the rotation number of f restricted to both boundary components of (f) over tilde is positive, then for such a generic f (r >= 16), zero is an interior point of its rotation set. This is a partial solution to a conjecture of P. Boyland.

Hausdorff dimension bounds for smoothness of holonomies for codimension 1 hyperbolic dynamics

We prove that the stable holonomies of a proper codimension 1 attractor Λ, for a Cr diffeomorphism f of a surface, are not C1+θ for θ greater than the Hausdorff dimension of the stable leaves of f intersected with Λ. To prove this result we show that there are no diffeomorphisms of surfaces, with a proper codimension 1 attractor, that are affine on a neighbourhood of the attractor and have affine stable holonomies on the attractor.

Note on homology of expanding foliations

This note contains some remarks about the homologies that can be associated to a foliation which is invariant and uniformly expanded by a diffeomorphism. We construct a family of 'dynamical' closed currents supported on the foliation which help us relate the geometric volume growth of the leaves under the diffeomorphism with the map induced on homology in the case when these currents have nonzero homology.

The entropy conjecture for partially hyperbolic diffeomorphisms with 1-D center

We prove that if f is a partially hyperbolic diffeomorphism on the compact manifold M with one dimensional center bundle, then the logarithm of the spectral radius of the map induced by f on the real homology groups of M is smaller or equal to the topological entropy of f. This is a particular case of the Shub's entropy conjecture, which claims that the same conclusion should be true for any C1 map on any compact manifold.

Gauge group and reality conditions in Ashtekar's complex formulation of canonical gravity

We discuss reality conditions and the relation between spacetime diffeomorphisms and gauge transformations in Ashtekars complex formulation of general relativity. We produce a general theoretical framework for the stabilization algorithm for the reality conditions, which is different from Diracs method of stabilization of constraints. We solve the problem of the projectability of the diffeomorphism transformations from configuration-velocity space to phase space, linking them to the reality conditions. We construct the complete set of canonical generators of the gauge group in the phase space which includes all the gauge variables. This result proves that the canonical formalism has all the gauge structure of the Lagrangian theory, including the time diffeomorphisms.

Issue of time in generally covariant theories and the Komar-Bergmann approach to observables in general relativity

Diffeomorphism-induced symmetry transformations and time evolution are distinct operations in generally covariant theories formulated in phase space. Time is not frozen. Diffeomorphism invariants are consequently not necessarily constants of the motion. Time-dependent invariants arise through the choice of an intrinsic time, or equivalently through the imposition of time-dependent gauge fixation conditions. One example of such a time-dependent gauge fixing is the Komar-Bergmann use of Weyl curvature scalars in general relativity. An analogous gauge fixing is also imposed for the relativistic free particle and the resulting complete set time-dependent invariants for this exactly solvable model are displayed. In contrast with the free particle case, we show that gauge invariants that are simultaneously constants of motion cannot exist in general relativity. They vary with intrinsic time.

Gauge transformations in Einstein-Yang-Mills theories

We discuss the relation between spacetime diffeomorphisms and gauge transformations in theories of the YangMills type coupled with Einsteins general relativity. We show that local symmetries of the Hamiltonian and Lagrangian formalisms of these generally covariant gauge systems are equivalent when gauge transformations are required to induce transformations which are projectable under the Legendre map. Although pure YangMills gauge transformations are projectable by themselves, diffeomorphisms are not. Instead, the projectable symmetry group arises from infinitesimal diffeomorphism-inducing transformations which must depend on the lapse function and shift vector of the spacetime metric plus associated gauge transformations. Our results are generalizations of earlier results by ourselves and by Salisbury and Sundermeyer. 2000 American Institute of Physics.

Characterization of the unfolding of a weak focus and modulus of analytic classification

La thèse présente une description géométrique d’un germe de famille générique déployant un champ de vecteurs réel analytique avec un foyer faible à l’origine et son complexifié : le feuilletage holomorphe singulier associé. On montre que deux germes de telles familles sont orbitalement analytiquement équivalents si et seulement si les germes de familles de difféomorphismes déployant la complexification de leurs fonctions de retour de Poincaré sont conjuguées par une conjugaison analytique réelle. Le “caractère réel” de la famille correspond à sa Z2-équivariance dans R^4, et cela s’exprime comme l’invariance du plan réel sous le flot du système laquelle, à son tour, entraîne que l’expansion asymptotique de la fonction de Poincaré est réelle quand le paramètre est réel. Le pullback du plan réel après éclatement par la projection monoidal standard intersecte le feuilletage en une bande de Möbius réelle. La technique d’éclatement des singularités permet aussi de donner une réponse à la question de la “réalisation” d’un germe de famille déployant un germe de difféomorphisme avec un point fixe de multiplicateur égal à −1 et de codimension un comme application de semi-monodromie d’une famille générique déployant un foyer faible d’ordre un. Afin d’étudier l’espace des orbites de l’application de Poincaré, nous utilisons le point de vue de Glutsyuk, puisque la dynamique est linéarisable auprès des points singuliers : pour les valeurs réels du paramètre, notre démarche, classique, utilise une méthode géométrique, soit un changement de coordonée (coordonée “déroulante”) dans lequel la dynamique devient beaucoup plus simple. Mais le prix à payer est que la géométrie locale du plan complexe ambiante devient une surface de Riemann, sur laquelle deux notions de translation sont définies. Après avoir pris le quotient par le relèvement de la dynamique nous obtenons l’espace des orbites, ce qui s’avère être l’union de trois tores complexes plus les points singuliers (l’espace résultant est non-Hausdorff). Les translations, le caractère réel de l’application de Poincaré et le fait que cette application est un carré relient les différentes composantes du “module de Glutsyuk”. Cette propriété implique donc le fait qu’une seule composante de l’invariant Glutsyuk est indépendante.

Éclatement et contraction lagrangiens et applications

Soit (M, ω) une variété symplectique. Nous construisons une version de l’éclatement et de la contraction symplectique, que nous définissons relative à une sous-variété lagrangienne L ⊂ M. En outre, si M admet une involution anti-symplectique ϕ, et que nous éclatons une configuration suffisament symmetrique des plongements de boules, nous démontrons qu’il existe aussi une involution anti-symplectique sur l’éclatement ~M. Nous dérivons ensuite une condition homologique pour les surfaces lagrangiennes réeles L = Fix(ϕ), qui détermine quand la topologie de L change losqu’on contracte une courbe exceptionnelle C dans M. Finalement, on utilise ces constructions afin d’étudier le packing relatif dans (ℂP²,ℝP²).

Représentation et détection des images et des surfaces déformables

La représentation d'une surface, son lissage et son utilisation pour l'identification, la comparaison, la classification, et l'étude des variations de volume, de courbure ou de topologie sont omniprésentes dans l'aire de la numérisation. Parmi les méthodes mathématiques, nous avons retenu les transformations difféomorphiques d'un pattern de référence. Il y a un grand intérêt théorique et numérique à approcher un difféomorphisme arbitraire par des difféomorphismes engendrés par des champs de vitesses. Sur le plan théorique la question est : "est-ce que le sous-groupe de difféomorphismes engendrés par des champs de vitesses est dense dans le groupe plus large de Micheletti pour la métrique de Courant ?" Malgré quelques progrès réalisés ici, cette question demeure ouverte. Les pistes empruntées ont alors convergé vers le sous-groupe de Azencott et de Trouvé et sa métrique dans le cadre de l'imagerie. Elle correspond à une notion de géodésique entre deux difféomorphismes dans leur sous-groupe. L'optimisation est utilisée pour obtenir un système d'équations état adjoint caractérisant la solution optimale du problème d'identification à partir des observations. Cette approche est adaptée à l'identification de surfaces obtenues par un numériseur tel que, par exemple, le scan d'un visage. Ce problème est beaucoup plus difficile que celui d'imagerie. On doit alors introduire un système de référence courbe et une surface à facettes pour les calculs. On donne la formulation du problème d'identification et du calcul du changement de volume par rapport à un scan de référence.

Représentation et identification des hypersurfaces

L’objectif à moyen terme de ce travail est d’explorer quelques formulations des problèmes d’identification de forme et de reconnaissance de surface à partir de mesures ponctuelles. Ces problèmes ont plusieurs applications importantes dans les domaines de l’imagerie médicale, de la biométrie, de la sécurité des accès automatiques et dans l’identification de structures cohérentes lagrangiennes en mécanique des fluides. Par exemple, le problème d’identification des différentes caractéristiques de la main droite ou du visage d’une population à l’autre ou le suivi d’une chirurgie à partir des données générées par un numériseur. L’objectif de ce mémoire est de préparer le terrain en passant en revue les différents outils mathématiques disponibles pour appréhender la géométrie comme variable d’optimisation ou d’identification. Pour l’identification des surfaces, on explore l’utilisation de fonctions distance ou distance orientée, et d’ensembles de niveau comme chez S. Osher et R. Fedkiw ; pour la comparaison de surfaces, on présente les constructions des métriques de Courant par A. M. Micheletti en 1972 et le point de vue de R. Azencott et A. Trouvé en 1995 qui consistent à générer des déformations d’une surface de référence via une famille de difféomorphismes. L’accent est mis sur les fondations mathématiques sous-jacentes que l’on a essayé de clarifier lorsque nécessaire, et, le cas échéant, sur l’exploration d’autres avenues.

The Hilbert space of the Chern-Simons theory on a cylinder: a loop quantum gravity approach

As a laboratory for loop quantum gravity, we consider the canonical quantization of the three-dimensional Chern-Simons theory on a noncompact space with the topology of a cylinder. Working within the loop quantization formalism, we define at the quantum level the constraints appearing in the canonical approach and completely solve them, thus constructing a gauge and diffeomorphism invariant physical Hilbert space for the theory. This space turns out to be infinite dimensional, but separable.