

\documentstyle{amsppt}
 
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\NoBlackBoxes\def\np{\par\noindent}

 
 \bigskip\phantom{\fnum Aspetti algebrici }
 {\fti   Geometria Numerativa
  dai primordi alle  Stringhe }
\bigskip
\centerline {Claudio Procesi}\vskip20pt
\np 1. I primordi (Le circonferenze di Apollonio) \hfill p. 1

\np 2.  Geometria analitica ed Algebra \hfill p. 1




\np 3.    Gli sviluppi dell'800,   \hfill p. 3

 \np 4. Teorie geometriche\hfill p. 5

 

\np 5.  Coomologia di De Rham  \hfill p. 6

\np 6.  Teoria di Morse\hfill p.\ 9

 \np 7. Integrali funzionali  e Stringhe\hfill p. 9

 
\np 8.  Coomologia quantistica e 

{\it Mirror symmetry} \hfill p. 27

\bigskip
{   C. Procesi 
 Roma, Febbraio 1999 }
 

\bigskip

{ \fa   1. I primordi}\smallskip

{ Le circonferenze   di 
   Apollonio} \vskip20pt

L'idea di questa esposizione \`e di mostrare come la Matematica si sviluppa su tempi lunghi
ed alcune idee riappaiono in varie forme in periodi e discipline diverse. L'esempio che
discuter\`o \`e quello della {\it geometria numerativa}. Si tratta {\sl grosso modo} di
una teoria che ci insegna come contare il numero di soluzioni di alcuni problemi
geometrici.\smallskip 
Come primo esempio potremmo persino partire dagli assiomi di Euclide ed in particolare quello che
dice che per due punti passa una sola retta, ma per produrre un esempio pi\`u interessante
passiamo  alle circonferenze   di   Apollonio
che \`e un grazioso esempio di geometria sintetica.\np 
Si prendano  tre circonferenze disgiunte allora {\it  vi sono esattamente 8
circonferenze tangenti a tutte e 3 le circonferenze date.}
 
Non \`e difficile convincersi di questo enunciato. 8 \`e il numero dei sottoinsiemi di 3 elementi
se, ad ogni circonferenza tangente alle 3 date, associamo l'insieme delle 3 ad esso interno si
ottiene facilmnte il risultato.\smallskip
  
In realt\`a questo Teorema \`e un po una curiosit\`a, che \`e stata riscoperta tentando di
rintracciare le origini della Teoria che esporr\`o.\vskip20pt
 { \fa 2. Geometria analitica e
Algebra}\vskip20pt


La storia che voglio raccontare fa un salto temporale e qualitativo notevole, per trasformare la
curiosit\`a delle circonferenze   di    Apollonio in problemi generali
il passaggio essenziale \`e quello dalla geometria
sintetica a quella analitica ossia al
  piano (o anche a spazi) Cartesiano. Trasformato il piano Euclideo in coordinate  la prima
scoperta
\`e quella delle 
 {\fti  equazioni}, 
dei luoghi geometrici, ad esempio 
{\fti  curve
superfici.}  Per semplict\`a parliamo di curve piane date da una equazione in due
variabili 
{\fti  $f(x,y)=0$. }

Fra queste si distinguono le 
  curve
algebriche  in cui $f(x,y)$ \`e un polinomio, ad esempio le sezioni
  coniche  (che sono anche tipiche traittorie dei corpi celesti) sono descritte da $f(x,y)$   di
secondo grado 

$$ f(x,y)=ax^2+by^2+cxy+dx+ey+f=0
$$
Il     grado della equazione di una curva algebrica piana \`e un primo invariante di tipo
enumerativo, conta il  numero di intersezioni di tale curva con una retta generica e  
(pur di fare molte spiegazioni) anche con una retta qualsiasi.

Reinterpretiamo in modo analitico il Teorema di Apollonio.

Un     cerchio arbitrario ha equazioni $ 
 x^2+ y^2+ax+by+c=0$ quindi i cerchi dipendono da 3 parametri.

Prendiamo 1 cerchio particolare ad esempio
di equazione 
 $  x^2+y^2=1, $ per imporre che  $ x^2+ y^2+ax+by+c=0$ 
  \`e tangente al cerchio dato risolvendo si deve avere 
  che il sistema 
$$  \split x^2+y^2=1 \\
 1+ax+by+c=0\endsplit$$
ha due radici coincidenti ovvero che 
{\it la retta $ 1+ax+by+c=0$ \`e tangente al cerchio $ x^2+y^2=1$}.\smallskip
In generale   studiamo la condizione di tangenza di una retta ad una curva.

Una   idea della geometria proiettiva dell'800   \`e la {\it
dualit\`a}:\smallskip
 Le rette del piano hanno equazioni $ax+by+c=0$ con $a,b,c$ definiti a meno di scala, dipendono
quindi da 2 parametri e quindi le pensiamo esse stesse come punti di un nuovo piano {\it il piano
duale}

Le tangenti ad una curva $\Cal C$ descritta da una equazione di secondo grado, ossia una {\it
conica}  sono esse stesse i punti di una conica nel piano duale (per chi conosce il linguaggio
una conica \`e descritta da una matrice simmetrica di ordine 3 e la sua duale dalla matrice dei
cofattori).\smallskip
Il Teorema di Apollonio 
 nella sua forma analitica  
\`e dato dal fatto che:\bigskip

 L'insieme dei cerchi tangenti a 3 cerchi dati si ottiene analiticamente risolvendo 3
equazioni ciascuna di grado 2 in 3 inco\-gnite e il numero 8 non \`e altro che il prodotto dei tre
gradi
  $$8=2\times 2\times 2$$ 
 il principio quindi che applichiamo \`e quello del:\bigskip

\centerline{\fti   Teorema di Bezout}\bigskip

 Due curve algebriche piane di gradi  $m,n\ $ si intersecano in esattamente

$mn\ $ punti.


Similmente 3 superfici algebriche dello spazio di gradi  $m,n,p\ $ si intersecano
in esattamente
 $mnp\ $ punti.

In realt\`a anche per dare un senso preciso a questo semplice Teorema \`e necessario un lungo
lavoro che \`e stato parte dello sviluppo della Geometria dell'800.

 
 
\vskip15pt

La base \`e il
\bigskip

\centerline{\fti   Teorema fondamentale dell'Algebra}\bigskip

 Un polinomio 

{  $$f(x)=a_0x^n+a_1x^{n-1}+\dots +a_{n-1}x+a_n$$}

di grado {   $n$}\  ha esttamente {   $n$}\ radici 
(contate con la opportuna
molteplicit\`a).

Naturalmente per la validit\`a di questo Teorema i numeri devono essere 
{\fti  complessi}

(i numeri complessi sono stati inventati dagli algebristi Italiani del 1500 (vedi Bombelli) per
manipolare le soluzioni delle equazioni algebriche di terzo e quarto grado).



   L'idea del Teorema di Bezout \`e abbastanza semplice anche se poi la dimostrazione formale non lo
\`e altrettanto:

 Le due curve
hanno equazioni
$$ \split f(x,y)=0,\\ g(x,y)=0.\endsplit\tag 1$$ di gradi $m,n$.

I punti in comune  sono le soluzioni del sistema.
Eliminando la variabile $x$ si ha una equazione in una sola variabile di grado $mn$ 
si
applica il Teorema fondamentale dell'Algebra.
\smallskip
Vi sono varie difficolt\`a da superare
  possono sparire soluzioni all'infinito 
 e bisogna interpretare le molteplicit\`a.  

La soluzione al primo problema \`e nella costruzione  del 
  Piano Proiettivo i cui punti sono dati da 3 {\it coordinate omogeneee} $x_0,x_1,x_2$ non tutte nulle
e definite a meno di scala con $x={x_0\over x_2},\ y={x_1\over x_2}$ il sistema 1 si omogenizza nel
sistema 
$$   x_2^mf({x_0\over x_2},{x_1\over x_2})=0,\ \ x_2^n g({x_0\over x_2},{x_1\over x_2})=0. \tag 2$$

Ora le possibili soluzioni all'infinito (ossia con $x_2=0$ possono apparire).

Questa costruzione \`e anche parte della analisi fatta nell'800 sui concetti di spazio e di
geometria (le geometrie non Euclidee).

La seconda porta ad un bivio
\smallskip
$1^o$ Metodo dell'
  Algebra commutativa, Geometria Algebrica.
\smallskip
Questo \`e un metodo efficace per studiare e molteplicit\` a purtroppo ci porterebbe troppo lontano
illustrarlo.

$2^o$ Metodo  
 Topologia Algebrica.
\smallskip
 
Il secondo metodo \`e basato sulla idea che 
 variando con continuit\`a le curve 
il numero di intersezioni non varia.
Quindi ci si riduce a 
{\it  casi speciali
degeneri
e.g. intersezione di rette.} Riprenderemo fra poco queste idee.

\`E importante osservare che il Teorema di Bezout si pu\`o formulare e provare anche a pi\`u
dimensioni.\medskip
 Un punto fondamentale della teoria \`e che le curve si possono pensare esse
stesse come punti di uno spazio!! 

{ 
 
Per esempio le coniche dipendono da 6 parametri a meno si scala}

Formano quindi 

  
 
\centerline{\it  Uno spazio proiettivo a 5 dimensioni.} \smallskip

Esempio di questa idea
 
 
{    Per 5 punti passa una ed una sola conica  }

{    A 5 rette \`e tangente una ed una sola conica  }
\medskip

   {    Dimostrazione}\quad la condizione di passare per un punto \`e di primo grado,
5 condizioni indipendenti di primo grado in uno spazio a 5 dimensioni forniscono una unica
soluzione (c'\`e in realt\`a una piccola condizione per assicurarsi la indipendenza di queste
condizioni).

\medskip Per passare alle tangenti c'\`e un 
{ \it   Principio di dualit\`a  
} che gi\`a abbiamo visto ossia il fatto che le rette tangenti ad una conica formano una conica nel
piano duale.\vskip20pt

{\fa 3. Sviluppi dell 800.}
\bigskip
Un teorema molto pi\`u complicato \`e dovuto a 
{    Chasles}\quad 

Vi sono esattamente { \fa  
$3264$}\quad coniche tangenti a   5   coniche date.\smallskip

Questo \`e uno dei 

\centerline{\it  passaggi difficili} 

chiariti solo in questo secolo.
\medskip
In effetti nella seconda met\`a dell'800 moltissimi risultati di questo tipo furono ottenuti 
ad opera di:
Chasles, Schubert, Zeuthen, Halphen etc.  siamo ai primi sviluppi della
{\it  Geometria Algebrica}.  
   
Un aspetto importante di queste idee sta nel fatto che questi numeri (come altri simili) si
ottengono da un  
{\it  Calcolo algebrico}.

\bigskip
Vorrei provare a spiegare in modo un po misterioso questo calcolo prima con un esempio e poi nel caso
di Chasles.

Supponiamo che impongo ad un punto la condizione che la somma delle distanza da due punti dati (i
fuochi) sia una certa costante, questa condizione descrive una ellisse che varia al variare dei fuochi
e della costante in un caso limite questa ellisse si pu\`o ridurre alla retta per i due punti ma in
realt\`a l'equazione che la descrive \`e il quadrato della equazione di tale retta pertanto si dice che
al limite la condizione data descrive due volte la retta.\medskip
Nel caso delle coniche, che sono uno spazi a 5 dimensioni la condizione di passare per un punto
descrive una ipersuperficie cos\'\i\ come quella di essere tangenti ad una retta.

Allora Chasles ragionava cos\'\i.\  Siano
$\mu,\nu$ le condizioni per una conica di passare per un punto o essere tangente ad una retta, allora la
condizione di essere tangenti ad una conica \`e 
$2\mu+2\nu$, questo vuol dire che degenerando la condizione al limite si ha una equazione che definisce
le due ipersuperfici (passare per un punto o essere tangente ad una retta) ciascuna con molteplicit\`a
2.\bigskip

Quando imponiamo quella di essere tangenti a 5 coniche \`e come imporre 5 volte $2\mu+2\nu$ ovvero
intersecare 5 di tali ipersuperfici, il conto del numero di intersezioni si fa allora semplicemente
cos\'\i:
 $$
(2\mu+2\nu)^5= 32(\mu^5+5\mu^4\nu+10\mu^3\nu^2+10\nu^3\mu^2+5\nu^4\mu+\nu^5)$$
Semplici considerazioni geometrich e mostrano che ad esempio $\mu^5=1$ il numero delle coniche che
passano per 5 punti mentre il numero delle coniche tangenti a 3 rette e che passano per 2 punti \`e
$\nu^3\mu^2=4$ in definitiva:$$ 
\mu^5=\nu^5=1,\  \mu^4\nu=\nu^4\mu=2,\ 
 \mu^3\nu^2=\nu^3\mu^2=4,$$ $$
(2\mu+2\nu)^5=64(1+5\times 2+10\times 4)=3264 $$

\bigskip
 Se uno guarda nel libro di Schubert si ha una messe di risultati di questo tipo  anche molto pi\`u
complicati.\medskip
Le dimostrazioni erano molto sintetiche e ponevano grossi
  problemi di
    Fondamenti, questi sono 
riassunti nel
  {\fa       $15^{mo}$ Problema di Hilbert}.

 
 
 {Nel congresso internazionale di Parigi del 1900 Hilbert formul\`o 23
problemi che riteneva una possibile guida per questo secolo!}




Il $15^{mo}$ Problema di Hilbert chiede di stabilire i fondamenti del calcolo algebrico
dell'800 che porta ai risultati enumerativi predetti.
 
\bigskip

Le teorie riconducibili a questa problematica vanno sotto il nome di
{ \it Teoria della Intersezione.}
\smallskip 

Abbiamo gi\`a visto che una delle grandi idee geometriche \`e nella utilizzazione delle coordinate
complesse, da questo punto di vista le soluzioni di una equazione  $f(x,y)=0$ sono in modo naturale i
punti di una
{\it  superficie di Riemann} (in effetti \`e necessario omogeneizzare e passare al piano proiettivo,
inoltre c'\`e un problema di possibili singolarit\`a da analizzare) questo oggetto matematico e
geometrico si deve visualizzare come:

{\it
 Una ciambella con $g$ buchi!!
ovvero una sfera con $g$ manici.}



Il numero  $g$\  detto {\it genere\ }\`e legato al grado  $d$\  
della equazione (e anche alle singolarit\`a) tramite la
formula di Pl\"ucker:
 $$g={(d-1)(d-2)\over 2}-\delta-\kappa$$
(questo \`e un caso speciale in cui $\delta, \kappa$ contano certe singolarit\`a speciali).


L'aspetto notevole di qusta discussione \`e che il 
genere in effetti \`e un invariante della forma topologica cio\`e non cambia se modifichiamo la
superficie allungandola o stringendola in varie direzioni!!!

Tecnicamente questo vuol dire che due superfici omeomorfe (in corrispondenza biunnivca bicontinua)
hanno lo stesso genere

Un TEOREMA importante della TOPOLOGIA \`e che vale l'inverso di questo enunciato:\bigskip

 OGNI SUPERFICIE ORIENTABILE E CHIUSA \`E UNA SFERA A $g$ MANICI PER UN BEN DETERMINATO
INTERO $g$, IL GENERE DELLA SUPERFICIE.\bigskip


La Teoria dell'intersezione si pu\`o sviluppare su una superficie di genere $g$ ed \`e molto semplice
illustriamola per
$g=1$ (la ciambella o toro),

$g=3$: il {\fa\it pretzel}



Possiamo tracciare due tipi di curve $x,y$ sul toro, ogni curva \`e equivalente dal punto di vista
del calcolo numerativo ad una del tipo $ax+by$ con $a,b$ numeri interi
l'intersezione fra due tali curve si calcola semplicemente:
$$\split xx=0,\ yy=0,\ xy=1,\ yx=-1\qquad\\ (ax+by)(cx+dy)=ad-
bc\qquad \endsplit$$
 sul pretzel ($g=3$) abbiamo le tre curve arancioni  $x_1,x_2,x_3$\ e le tre
curve blu
$y_1,y_2,y_3$\  con 
 $$x_ix_j=y_iy_j=0,\ x_iy_j=0,\ \text{se}\ i\neq j,\ x_iy_i=1.$$
In effetti la equivalenza fra curve su una superficie, come pi\`u in generale, fra variet\`a immerse in
spazi che \`e legata alla geometria numerativa \`e essenzialmente un'aspetto di quella teoria
matematica (parte della topologia algebrica) detta omologia.  Senza entrare nei dettagli per l'esempio
delle curve in uno spazio $X$ la idea \`e che due curve sono omologhe quando vi \`e una superficie il
cui bordo consiste di quelle due curve. Se si imposta bene questa nozione si riesce a sommare le classi
di equivalenza di curve producendo il primo gruppo di omologia di $X$ indicato con $H_1(X)$ per i
gruppi superiori $H_2(X),\ H_3(X),\dots $ si devono usare superfici o variet\`a a 3 dimensioni
dentro lo spazio $X$ a meno della simile equivalenza (ma c'\`e qualche problema tecnico bisogna usare
variet\`a con opportune singolarit\`a per ottenere una teoria calcolabile).\vskip20pt


 {\fa
 4. Teorie Geometriche:}\bigskip

Varie idee analitiche e geometriche si sviluppano in
questo secolo, in parte riconducibili alla geometria numerativa. 

Per proseguire si deve andare oltre le superfici e legare queste idee a quella di \bigskip

\centerline{{ \fa VARIET\`A}}
\bigskip
 cio\`e uno spazio
che ha una 
{\it forma particolare,
} come la superficie della terra possono essere descritti da un {\it atlante} di carte (leggi aperti
omeomorfi allo spazio $\Bbb R^n$)   in genere la deimensione $n$ delle carte pu\`o essere anche
maggiore di 2.

Ho mostrato le superfici solo perch\'e \`e facile disegnarle o esibirle fisicamente dentro lo
spazio a 3 dimensioni ma il punto essenziale \`e  capire che, come ci sono tante superfici
diverse per la forma topologica cos\'\i\ ci sono tanti spazi di dimensioni 3,4, ecc. diversi ed
anzi la complessit\`a delle possibili forme cresce con la dimensione!!\smallskip
Si possono visualizzare esempi solo in modo indiretto.
\smallskip


Per esercizio il lettore pu\`o tentare di convincersi che le rette dello spazio (euclideo o anche
cambiando un po proiettivo) dipendono da 4 parametri, sono un esempio di variet\`a a 4 dimensioni.
\bigskip

Uno dei pi\`u difficili problemi non risolti della topologia \`e la
\bigskip\bigskip
{\fa CONGETTURA DI POINCAR\'E}
\bigskip
LA SOLA VARIET\`A ORIENTABILE E CHIUSA SENZA MANICI A 3 DIMENSIONI \`E LA SFERA.\bigskip
 \bigskip
La espressione intuitiva {\it senza manici} si riferisce alla propriet\`a topologica di essere {\it
semplicemente connessa} che \`e una condizione pi\`u forte del fatto che il primo gruppo di omologia
\`e 0.\vskip20pt
  
 
{\fa 5. La Coomologia  di De Rham}\bigskip
\quad 

Insieme alla nozione di variet\`a c'\`e la idea di  {\it campo} 
come ad esempio un
campo di forze (elettriche, gravitazionali, magnetiche)
qui l'idea fondamentale \`e che vi sono dei campi particolari detti 
\ 
{\it irrotazionali} dai fisici e {\it forme chiuse} dai matematici
 corrispondono fisicamente alla assenza di cariche generanti il campo.


Questi campi si possono caratterizzare dal fatto che, se una curva chiusa   borda un pezzo di superficie la
quantit\`a di campo che fluisce attraverso tale curva \`e 0  ma se la curva si avvolge e non borda alcuna
superficie
 la quantit\`a di campo che
fluisce attraverso tale curva pu\`o essere non 0.

Viceversa una curva $\Cal C$ genera un campo irrotazionale il cui flusso attraverso una qualunque
curva $\Cal D$ \`e in numero di intersezione fra le due curve  $\Cal C. \Cal D$.

Per spiegare   i campi dal punto di vista dei Matematici \`e necessario
complicare le cose perch\`e ci sono campi che fluiscono attraverso curve altri attraverso
superfici e cos\'\i\ per ogni dimensione, il calcolo relativo \`e il calcolo tensoriale in
particolare il calcolo esterno sulle variet\`a.  Purtroppo c'\`e molta confusione (anche adesso) su
queste idee alimentata in parte dal seguente fenomeno, nello spazio a 3 dimensioni (coordinate
$x,y,z$) ci sono 4 tipi di forme.\bigskip


0-forme.  Sono le funzioni $f(x,y,z)$.

1-forme $a(x,y,z)dx+b(x,y,z)dy+c(x,y,z)dz$

2-formw $A(x,y,z)dy\wedge dz-B(x,y,z)dx\wedge dz+C(x,y,z)dx\wedge dy$

3-forme $F(x,y,z)dx\wedge dy \wedge dz$

\bigskip
I simboli $dx$ possono essere giustificati in maniera algebrica   associando ad ogni funzione $f$ un simbolo
$df$ e operando secondo   regole algebriche formali come
$$df(x,y,z)=\pd{f}{x}dx+\pd{f}{y}dy+\pd{f}{z}dz,\ d(fg)=(df)g+fdg,\ d(f+g)=df+dg$$

Il simbolo $\wedge$ \`e di nuovo un simbolo algebrico di moltiplicazione soggetto a regole di
ditstributivit\`a, associativit\`a ed infine di anticommutativit\`a
$$df\wedge dg=-dg \wedge df.$$
A volte si parla di variabili Grassmanniane per tale calcolo.

Il simbolo $d$ si traduce in un vero operatore su tutte le forme usando le ulteriori {\it regole di
Leibnitz} del calcolo differenziale
$$dd\psi=0,\ d(\psi \wedge \phi)=d\psi \wedge \phi+(-1)^{hk}\psi \wedge d\phi$$ dove $h,k$ sono i gradi
delle due forme. \bigskip
Il risultato fondamentale del calcolo differenziale \`e l'analogo della esistenza del potenziale per i campi
conservativi della Fisica ovvero se una $k$ forma $\phi$ su $\Bbb R^n$ \`e {\it chiusa} ovvero $d\phi=0$
allora \`e {\it esatta} ossia esiste una $k-1$-forma (come un potenziale) $\psi$ con$$\phi=d\psi$$

Infine per le forme vale una ovvia legge di {\it sostituzione delle variabili} come nell'usuale calcolo dei
differenziali che permette di integrare una $k-$forma su una $k-$variet\`a (generalizzando la circuitazione,
il flusso etc.) come si integra ovviamente una 3 forma nello spazio
$$\int F(x,y,z)dx\wedge dy \wedge dz :=\int F(x,y,z)dx dy  dz$$
il teorema di Fubini sul cambiamneto di variabili negli integrali multipli assicura che la
definizione \`e intrinseca.\bigskip

Il risultato fondamentale del calcolo integrale \`e il {\it Teorema di Stokes} che poi non \`e altro che la
forma generale del {\it teorema fondamentale del calcolo infinitesimale}
$$\int_a^b df:=\int_a^b{df\over dt}dt=f(b)-f(a). $$
Il modo pi\`u compatto per un
matematico di dirlo \`e questo. Invece del segmento $[a,b]$ con bordo $\{a,b\}$ si prende una variet\`a
orientata $M$ di dimensione $n$ con bordo $\partial M$. Invece di $df$ con $f$ una funzione si prende
$d\psi$ con $\psi$ una $n-1$ forma e allora si ha:
$$\int_Md\psi=\int_{\partial M}\psi.$$
Il Lemma di Poicar\'e ed il teorema di Stokes spiegano perfettamente perch\'e la condizione di
irrotazionalit\`a $d\psi=0$ (forma chiusa) per una $k-$forma \`e equivalente al fatto che $\int_{\partial
M}\psi=0$ per ogni $k+1$ variet\`a con bordo, immersa nello spazio ambiente.\bigskip

 Dato che le 0 e 3 forme sono
descritte in coordinate da una sola funzione mentre le 1 e 2 forme da 3 spesso nella letteratura fisica non
si fa distinsione fra 0 e 3 forme o fra 1 e 2 forme. Questo ha parecchi demeriti, prima di tutto non si
capisce la natura intrinseca di queste nozioni (ovvero come cambiano le funzioni che le descrivono cambiando
le coordinate) come secondo problema il calcolo algebrico ed integro differenziale di queste forme che in
matematica \`e trasparente si complica e non si riesce a riassumere in un unico Teorema di Stokes o formula
di Leibnitz, ovvero in fisica perch\'e di certi campi \`e imporatante la circuitazione mentre per altri il
flusso, infine non si capisce perch\'e la identificazione ad esempio fra 1 forme e 2 forme ha senso ed
\`e covariante per l'opportuno gruppo di simmetria se sullo spazio
\`e definita una metrica Riemanniana (o nel caso relativistico pseudo riemanniana) e quindi che c'entra
con principi di minimo per l'energia di un campo.

\bigskip
Infatti spesso in presenza di metrica
le condizioni di irrotazionalit\`a in matematica si complementano con un'altra condizione di
armonicit\`a ed insieme queste condizioni hanno un significato geometrico mentre in fisica
queste idee sono usualmente legate al principio di minima azione che
\`e il principio base per la costruzione delle equazioni della fisica  ed a principii di
conservazione delle cariche.
   

Non \`e un caso ma \`e parte della teoria della relativit\`a il fatto che le equazioni
dell'elettromagnetismo sono equazioni di una
$2-$forma nello spazio a 4 dimensioni (introducendo la variabile tempo $t$, le componenti relative a
$ dy\wedge dz,\ dx\wedge dz,\ dx\wedge dy$ rappresentano il campo elettrico mentre quelle relative a
$ dx\wedge dt,\  dy\wedge dt,\  dz\wedge dt$ il campo magnetico.\bigskip Tornando ai Teoremi di Poicar\'e e
Stokes la Teoria di De Rham li completa interpretando in modo quantitativo il fatto che, una $k-$forma
chiusa $\phi$ pu\`o avere integrale non nullo su una $k-$variet\`a chiusa che non \`e il bordo di nessuna
variet\`a di dimensione $k+1$.\bigskip Invece lo studio della armonicit\`a fornisce la Teoria di
Hodge.\bigskip

Il prodotto finale (risolve in parte il
$15^{mo}$ problema di Hilbert) \`e la costruzione di una specie di 
{\it sistema di
numeri} 
  tecnicamente\quad {\it l'algebra di  coomologia}\quad  associata ad una
variet\`a che interpreta allo stesso tempo il calcolo sui campi e le leggi di intersezione delle
curve, superfici etc..\bigskip\bigskip
Vorrei spiegare rapidamente quale \`e il prodotto della Teoria di De Rham e di quella di Hodge.\bigskip
Ho gi\`a accennato che usando classi di equivalenza di variet\`a con opportune singolarit\`a si costruiscono
dei gruppi, detti di omologia, se in modo formale moltiplichiamo queste classi con coefficienti numeri reali
si pu\`o pi\`u comodamnet introdurre spazi vettoriali $H_k(X,\Bbb R)$ di omologia che, nel caso in cui $X$
\`e una variet\`a compatta risultano di dimensione finita.\bigskip
D'altra parte, lavorandoi con le forme si pu\`o considerare l'insieme $Z(X)$ delle forme chiuse che, dalle
regole algebriche risulta un algebra (spazio vettoriale chiuso rispetto al prodotto $\wedge$.)\smallskip
Le forme estte $B(X)$ si vede subito formano un {\it ideale} di $Z(X)$ ossia un sottospazio di $Z(X)$ che ha
delle semplici propriet\`a algebriche per cui lo spazio quoziente $Z(X)/B(X)$ (in cui gli elementi di
grado $k$ sono $k-$forme chiuse in cui si considerano equivalenti due forme la cui differenza '\`e esatta)
\`e di nuovo una algebra (graduata) che \`e la algebra di coomologia di De Rham.\smallskip
$H^k(X)$ denota la parte di grado $k$.\smallskip
Dal Teorema di Stokes segue facilmente che ha senso integrare un elemento di $H^k(X)$ su un ciclo
$H_k(X,\Bbb R)$ e finalmente il Teorema di De Rham afferma che in questo modo si ottiene una identificazione
fra $H^k(X)$ ed il duale $H^*_k(X,\Bbb R)$ dello spazio di omologia $H_k(X,\Bbb R).$\bigskip
In particolare se $X$ \`e una variet\`a compatta connessa di dimensione $n$ si vede facilmente che $H^n(X)$
si identifica a $\Bbb R$.\smallskip
 Il legame con la Teoria dell'intersezione e con il calcolo che ho
accennato a proposito del Teorema di Chasles sta nel fatto che possiamo interpretare (usando questa
dualit\`a) una condizione o meglio la variet\`a che essa determina come un elemento di $H^*(X)$ e il numero
di intersezione di varie condizioni si ottiene moltiplicando le classi corrispondenti in $H^*(X)$ fino ad
ottenere un elemento di $H^n(X)=\Bbb R$ che per ragioni geometriche non \`e solo un numero reale ma anzi \`e
un intero.\bigskip
{\fa Digressione per chi conosce abbastanza Geometria} La discussione del Teorema di Bezout e poi di Chasles
si fa nel modo seguente. Per il Teorema di Bezout si calcola la coomologia dello spazio $\Bbb P^m$ (per un
$m$ dato) che risulta uguale all'anello dei polinomi $\Bbb Z[x]/(x^{m+1})$ troncato. La classe $x$ \`e quella
duale ad un iperpiano e la classe duale ad una variet\`a di dimensione $m-k$ risulta del tipo $ax^k$ dove
$a\in\Bbb N$
\`e il grado della variet\`a, la coomologia $m-$esima si identifica a $\Bbb Z$ mandando $x^m$ in 1 ed il
Teorema segue facilmente.\medskip
Per il Teorema di Chasles si considerano le coniche come insiemi di punti, che formano uno spazio
proiettivo
$\Bbb P^5$, quelle duali un'altro spazio proiettivo
$\overline{\Bbb P}^5$ le coniche non degeneri inducono un insieme di coppie di coniche duali $\Gamma\subset 
\Bbb P^5\times
\overline{\Bbb P}^5$. La chiusura $\overline\Gamma\subset 
\Bbb P^5\times
\overline{\Bbb P}^5$ di $\Gamma$ si chiama variet\`a delle coniche complete e le classi di coomologia
$\mu,\nu$ si ottengono semplicemente dalle classi $x$ della coomologia dei due fattori $ 
\Bbb P^5,\ 
\overline{\Bbb P}^5$.\smallskip La formula $2\mu+2\nu$ pr la condizione di tangenza ad una conica si
dimostra geometricamente e si chiama una {\it formula di contatto}, il calcolo si svolge nella coomologia di 
$\overline\Gamma$.

\bigskip
{\fa La Teoria di Hodge} qui
non
\`e essenziale ma basti dire che se vi
\`e una metrica su una variet\`a orientata
$X$ (ovvero un modo di misurare le lunghezze) questa determina una norma (o un prodotto scalare) per le
$k-$forme ed un modo di misurare i volumi (una $n-$forma $d\mu$, da cui una integrazione delle funzioni sulla
variet\`a (in genere la sola cosa ben definita \`e la integrazione delle
$n-$forme) da cui ancora una dualit\`a: ogni $k-$forma $\psi$ da luogo ad una $n-k$forma $\psi^*$ per cui
$$\int_M \phi\wedge \psi^*=\int_M(\phi, \psi)d\mu$$ 
Questa dualit\`a permette di definire un aggiunto $\delta$ dell'operatore $d$ ed un {\it operatore di Laplace
Beltrami} $$\Delta:=d\delta+\delta d$$ da cui la nozione di {\it forma armonia}
$$\Delta\psi=0$$ ed infine il Teorema di Hodge:

{\it In una variet\`a compatta orientata ogni classe di coomologia \`e rappresentata da una unica forma
armonica.}\vskip30pt 


 {   \fa 6.  La Teoria di Morse} \quad   Un {\it campo scalare} ossia  una funzione
$f$ (a valori reali) su una variet\`a  $M$ (che prenderemo per semplicit\`a senza bordo) \`e come {\it
l'altitudine} sulla terra.

Definisce picchi, valli, valichi ecc. passando da una superficie
di livello ad un'altra si producono  discontinuit\`a attraverso i punti critici, questo si vede
perfettamente in una carta geografica in cui le curve di livello sono usualmente curve regolari chiuse ma,
quando si passa per un punto di  sella (leggi valico) due curve si uniscono formando una specie di 8 mentre
per un picco o un fondo valle la curva di livello degenera ad un punto isolato.\bigskip
In generale si ha una teoria simile purch\'e i punti critici di $f$ siano isolati (grosso modo non ci siano
pezzi di pianura) e {\it non degeneri} che \`e pi\`u semplice spiegare analiticamente perch\`e vuol  dire che
la funzione $f$ nel punto dato ha una serie di Taylor in cui i termini del primo ordine sono 0 (punto
critico) mentre quelli del secondo ordine danno una forma quadratica (la forma o matrice Hessiana) non
degenere.\smallskip Il primo puto della Teoria di Morse consiste nell'osservare che, per ogni numero $a$ che
non sia un {\it valore critico di $f$} ossia non sia il valore di $f$ in un punto critico, l'insieme
$M_a:=\{p\in M|f(p)\leq a\}$ (i punti di altezza al massimo $a$. Formano una variet\`a il cui bordo \`e la
superficie di livello di
$a$ e la forma di tale variet\`a non cambia al variare di $a$ se non quando $a$ passa attraverso valori
critici allora effettivamente la forma cambia per attaccamento di un {\it manico} che poi si comporta come
un possibile 
  nuovo
ciclo di integrazione!.\smallskip 
La dimensione dei cicli \`e legata alla  {\it 
 segnatura della matrice Hessiana}.
Vi \`e un legame fra questa teoria e lo studio degli integrali di tipo oscillante (che appaiono usualmente
nelle approssimazioni semiclassiche della meccanica quantistica)  
$$\int e^{-if(x)\over h}dx$$ 
che si calcolano per $h\cong 0$ molto piccolo con il {\it metodo della fase stazionaria} \quad
che concentra asintoticamente l'integrale sui punti critici.  
 \bigskip
I punti critici hanno anche una notevole importanza nella analisi dei sistemi dinamici di tipo Hamiltoniano
in cui $f=H$ \`e la funzione di Hamilton (e $M$ non \`e una semplice variet\`a ma ha una struttura
simplettica che riflette il formalismo della meccanica analitica). In questo caso i punti critici sono i
punti stazionari del sistema dinamico e la approssimazione quadreatica ci descrive il comportamento
del sistema (con traiettorie repulsive o attrattive) vicino al punto stazionario.\medskip Come vedremo in
seguito una certa generalizzazione di queste idee a opportuni spazi di dimensione infinita
\`e alla base di una parte della Teoria delle Stringhe.\vskip20pt
 { \fa  7. Integrali funzionali e Stringhe}
\quad\medskip 


La teoria delle stringhe ha come oggetto lo sviluppo di un modello di teoria quantistica basato
su una opportuna visione delle
{\it    particelle come   corde vibranti}.\medskip
   
Secondo l'approccio di Feynmann alla quantizzazione si tratta di quantizzare un modello classico
di corda vibrante nello spazio tramite un integrale funzionale.\smallskip
Per ragioni di consistenza della teoria non si pu\`o partire da un modello a 4 dimensioni ma,
nel caso bosonico a 26 e per la superstringa, a 10 dimensioni.\smallskip

Il modello cinematico della corda \`e dato dall'idea che una corda in movimento spazza
una superficie e quindi \`e descrivibile tramite una funzione $$F:\Sigma\to \Bbb R^{10}$$
dove $\Sigma$ \`e una superficie, il cosidetto {\it world sheet}.\smallskip
Gi\`a a questo livello minimo interviene un primo elemento di geometria e cio\`e la forma
topologica di $\Sigma$ (ossia il genere $g$ nel caso compatto o delle {\it stringhe chiuse}).\smallskip
Qualunque sia l'integrale funzionale si dovr\`a esprimere come una {\it serie perturbativa} su
tutte le forme topologiche. Questo gi\`a assomiglia alla teoria dei diagrammi di Feynman per il
calcolo di integrali funzionali in modo perturbativo.\smallskip
  
Il punto di partenza
\`e la scelta di una opportuna 
 azione $S$. 

L'azione \`e un   funzionale  dipendente dalla funzione
 $F$  e da una metrica interna  $h_{\alpha,\beta}$\  alla
superficie
 $\Sigma$.

 Una scelta possibile \`e una variante  della {\it  azione di Nambu.}
\quad  In  coordinate  $\sigma,\tau $ su $\Sigma$  
 {    $$ S:=-{T\over 2}\int_{\Sigma} d^2\sigma
\sqrt{h}h^{\alpha,\beta}\eta_{\mu,\nu}\partial_\alpha X^\mu\partial_\alpha X^\nu$$}
 Dove $\eta_{\mu,\nu}$ sono i coefficienti della metrica dello spazio ambiente.\smallskip  

Vi \`e un gruppo di simmetrie di dimensione infinita di questa azione, che quindi \`e un
{ \it gruppo di gauge} 
per la teoria.


Questa simmetria fa apparire un elemento importante ovvero i 
{\it moduli delle superfici}\,.

La discussione si f\`a in questo modo:\smallskip
Fissiamo una superficie (orientata) $\Sigma$ come puro dato topologico  (differenziale) sia $\Cal
M$ l'insieme di tutte le possibili metriche su $\Sigma$.

 Su $\Cal M$ facciamo operare due gruppi.
Il gruppo dei {\it diffeomorfismi} (pi\`u o meno \`e come dire riparametrizzazioni) e il gruppo
delle dilatazioni o cambiamenti di scala $e^f,\ f:M\to \Bbb R$ quello che resta invariante \`e il modo di
misurare gli angoli ossia il {\it modulo della struttura conforme}.\smallskip L'aspetto notevole
di questa costruzione
\`e che  l'insieme dei moduli
\`e una notevole variet\`a algebrica
 $$\Cal M_g$$
di dimensione $3g-3$ nel caso $\Sigma$ compatta di genere $g>1$.\smallskip
Questi due gruppi insieme lasciano invariata la azione data. Quindi una delle idee \`e quella di
ridursi tramite qualche meccanismo ad una integrazione non su tutte le metriche ma solo sullo spazio
dei moduli, questa strategia si pu\`o portare a termine ma comporta ad un certo punto di fare la
scelta di dimensione gi\`a detta per evitare anomalie.\vskip20pt
I effetti per introdurre particelle nella teoria si deve passare a considerare superfici con $m$ puntature al
variere di $m$ ed i relativi spazi di moduli. Una volta trasformati gli integrali funzionali in veri integrali
sullo spazio dei moduli si scopre una ricca geometria che lega la cosidetta {\it gravit\`a pura} con la
Teoria della intersezione sullo spazio dei moduli e quindi con alcuni sottili calcoli di coomologia (Witten,
Kontsevich) su tale spazio (con le puntature).

Si noti che, nonostante gli spettacolari risultati di Kontsevich, a tuttt'oggi, una teoria completa della
coomologia di
$\Cal M_g$
\`e largamente ignota!
\vskip20pt


 { \fa  8. Mirror symmetry}
 \quad
 
La superstringa appare naturalmente in 10 dimensioni, una   idea  
per darle senso a 4 dimensioni \`e che   6 delle dimensioni siano piccole dimensioni
{\it periodiche}.

Una serie di considerazioni teoriche portano a scegliere 
che  i 6 parametri compattificati
devono descrivere una opportuna variet\`a detta di Calabi Yau
(tecnicamente si tratta di una variet\`a K\"ahleriana con prima classe di Chern nulla, la congettura di
Calabi provata da Yau afferma l'esistenza di una unica metrica con tensore di Ricci nullo per tale variet\`a).
\quad 

Questo \`e un punto delicato legato al fatto che la teoria delle stringhe \`e un tentativo di
costruire una teoria di gravit\`a quantistica e la condizione di Calabi Yau \`e legata alle
equazioni di Einstein della relativit\`a generale.

 Pertanto l'integrale funzionale si separa in una parte integrata sulle 6
dimensioni compattificate e
questa parte \`e responsabile per la 
{\it  Mirror symmetry }.

 



 

 

 Si tratta di uno strano fenomeno non bene compreso che ha una motivazione euristica nella teoria
delle stringhe.
 
 E' legata al cosidetto diamante di Hodge per le Calabi Yau e propone una simmetria fra moduli delle variet\`a
e moduli delle metriche sulla variet\`a.
 
 
Uno dei punti consiste nella idea che l'integrale funzionale ha una approssimazione semiclassica 
che si ottiene sommando su tutte le soluzioni classiche delle stringhe nella data variet\`a $M$ di Calabi Yau.

Ne viene la necessit\`a di calcolare dei numeri (invarianti di Gromov-Witten) che sono proprio dei veri 
numeri di intersezione come nella Teoria da cui abbiamo iniziato.

  Gli invarianti di Gromov-Witten, che contano quante superfici puntate incontrano delle
variet\`a prescritte (che descrivono la coomologia) in $M$.

Anche in  questo caso gli invarianti di Gromov-Witten sono integrali di classi di coomologia su uno spazio di
moduli, un po pi\'u complicato di $\Cal M_g$ in quanto parametrizza non solo le struttura complesse su
$\Sigma$ ma anche le mappe $F:\Sigma\to M$ (e le puntature).  La teoria \`e molto congetturale e solo per
genere 0 vi \`e qualche risultato (anche molto profondo).

Il calcolo di questi invarianti si organizza in una idea molto profonda che \`e quella di
coomologia quantica e si collega tramite la congettura  mirror\ ad altri fenomeni
complessi (variazione della struttura di Hodge).\vskip280pt\supereject
\centerline{Referenze bibliografiche}\vskip40pt

  
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