Voir la source de Holonomie

{{Autre4|l'holonomie d'une connexion|le concept d'holonomie associée à un feuilletage|feuilletage}}
En [[mathématiques]], et plus précisément en [[géométrie différentielle]], l''''holonomie''' d'une [[connexion (mathématiques)|connexion]] sur une [[variété différentielle]] est une mesure de la façon dont le [[transport parallèle]] le long de boucles fermées modifie les informations géométriques transportées. Cette modification est une conséquence de la [[courbure]] de la connexion (ou plus généralement de sa "forme"). Pour des connexions plates, l'holonomie associée est un type de [[monodromie]], et c'est dans ce cas une notion uniquement globale. Pour des connexions de courbure non nulle, l'holonomie a des aspects locaux et globaux non triviaux.

Toute connexion sur une variété donne naissance, grâce aux applications de transport parallèle, à une notion d'holonomie. Parmi les exemples importants, on trouve : l'holonomie de la [[connexion de Levi-Civita]] (appelée '''holonomie riemannienne'''), les holonomies des [[connexion de Koszul|connexions]] des [[fibré vectoriel|fibrés vectoriels]], l'holonomie des {{Lien|langue=en|trad=Cartan connection|fr=connexion de Cartan|texte=connexions de Cartan}}, et l'holonomie des connexions des [[fibré principal|fibrés principaux]]. Dans chacun de ces cas, l'holonomie de la connexion peut s'identifier à un [[groupe de Lie]], le '''groupe d'holonomie'''. L'holonomie d'une connexion est étroitement liée à sa courbure, par le théorème d'Ambrose-Singer.
== Exemples et définitions informelles ==
[[Fichier:Parallel transport.png|vignette|Le transport parallèle sur une sphère dépend du chemin suivi. Le transport par ''A'' → ''N'' → ''B'' → ''A'' donne un vecteur distinct du vecteur initial. Cette différence est mesurée par l'holonomie de la connexion.]]
Sur la figure ci-contre, on voit que le vecteur indiqué tourne de l'angle α lorsqu'on le déplace parallèlement le long du trajet ''ANBA''. Dans ce déplacement, l'ensemble des vecteurs du plan tangent en ''A'' subit donc une rotation de α ; cette transformation (nécessairement une [[automorphisme orthogonal|isométrie vectorielle]]) est ainsi associée au chemin fermé ''ANBA'', qui est un [[lacet (mathématiques)|lacet]] de la sphère. L'ensemble de toutes ces transformations (pour tous les lacets) forme un sous-groupe du groupe des isométries vectorielles du plan (il s'agit dans ce cas du groupe des rotations SO(2)), qu'on appelle le '''groupe d'holonomie''' de la sphère. Plus précisément, l'angle α associé ainsi à un lacet mesure (dans ce cas) la courbure de la surface qu'il délimite ; on le vérifie aisément pour un [[Trigonométrie sphérique#Triangle sphérique|triangle sphérique]], en remarquant qu'alors α est égal à la somme des angles du triangle moins π, ce qui, d'après la [[Trigonométrie sphérique#Aire du triangle sphérique|formule de Girard]], est aussi égal à l'aire du triangle divisé par le carré du rayon de la sphère.

Dans le cas d'une surface sans courbure, les lacets [[contractile]]s correspondent à l'identité du plan tangent, mais l'holonomie n'est pas forcément triviale ; ainsi, sur un [[ruban de Möbius]], le transport parallèle autour du ruban renverse l'orientation, ce qui correspond à une symétrie (vectorielle) ; le groupe d'holonomie est dans ce cas réduit à deux éléments.

En dimensions supérieures, les lacets ne découpent plus de régions, mais permettent encore de définir l'holonomie ; ainsi, si on considère la figure comme représentant un lacet de la [[3-sphère]], on vérifie que les vecteurs de l'espace (de {{nobr|dimension 3}}) tangent en ''A'' subissent une rotation d'angle α et d'axe le vecteur orthogonal aux deux vecteurs tangents aux arcs ''AN'' et ''AB''; le groupe d'holonomie est alors dans ce cas le groupe des rotations SO(3).

== Définitions rigoureuses ==

=== Holonomie d'une connexion d'un fibré vectoriel ===

Soit ''E'' un [[fibré vectoriel]] de rang ''k'' sur une [[variété différentielle]] ''M'' et soit ∇ une [[connexion de Koszul|connexion]] sur ''E''. Étant donné un [[lacet (mathématiques)|lacet]] dérivable [[Régularité par morceaux|par morceaux]] γ : [0,1] → ''M'' avec γ(0) = γ(1) = ''x'', la connexion définit une application de [[transport parallèle]] <math>P_\gamma</math> : <math>E_x \to E_x</math>. Cette application est un [[automorphisme]] de ''E<sub>x</sub>'', et donc définit un élément de GL(''E<sub>x</sub>''). Le '''groupe d'holonomie''' de ∇ en ''x'' est défini par

{{Retrait|1=<math>\mbox{Hol}_x(\nabla) = \{P_\gamma \in \mbox{GL}(E_x) \mid \gamma \mbox{ est un lacet de point de base } x\}.</math>}}

Le '''groupe d'holonomie restreint''' en ''x'' est le sous-groupe <math>\mbox{Hol}^0_x(\nabla)</math> correspondant aux lacets γ [[contractile]]s.

Si ''M'' est [[espace connexe|connexe]], les groupes d'holonomie de deux points de base ''x'' et ''y'' sont isomorphes : si <math>\gamma</math> est un chemin de ''x'' vers ''y'' dans ''M'', alors

{{Retrait|1=<math>\mbox{Hol}_y(\nabla) = P_\gamma \mbox{Hol}_x(\nabla) P_\gamma^{-1}.</math>}}

Le choix d'une autre identification de ''E<sub>x</sub>'' avec '''R'''<sup>''k''</sup> donne un autre sous-groupe conjugué. Parfois, en particulier pour des discussions générales ou informelles (comme ci-dessous), on ne mentionne pas le point de base, la définition étant alors supposée faite à une conjugaison près.

Parmi les propriétés importantes du groupe d'holonomie, on a :
* Hol<sup>0</sup>(∇) est un sous-groupe de Lie<ref>C'est-à-dire que l'inclusion canonique est une [[immersion (mathématiques)|immersion]].</ref> connexe de GL(''k'', '''R''').
* Hol<sup>0</sup>(∇) est la [[Composante connexe (topologie)|composante connexe]] de l'identité (appelée aussi composante neutre) de Hol(∇).
* Il y a un [[morphisme de groupes]] [[surjectif]] naturel π<sub>1</sub>(''M'') → Hol(∇)/Hol<sup>0</sup>(∇), où π<sub>1</sub>(''M'') est le [[groupe fondamental]] de ''M'', qui envoie la classe d'homotopie [γ] vers la [[Classe suivant un sous-groupe|classe]] P<sub>γ</sub>·Hol<sup>0</sup>(∇).
* Si ''M'' est [[simplement connexe]], alors Hol(∇) = Hol<sup>0</sup>(∇).
* ∇ est plate (de courbure nulle en tout point) si et seulement si Hol<sup>0</sup>(∇) est trivial.

=== Holonomie d'une connexion d'un fibré principal ===

La définition de l'holonomie d'une connexion sur un fibré principal est analogue à la précédente. Soit ''G'' un [[groupe de Lie]] et ''P'' un ''G''-[[fibré principal]] au-dessus d'une [[variété différentielle]] [[espace paracompact|paracompacte]] ''M''. Soit ω une [[forme de connexion]] sur ''P''. Étant donné un [[lacet (mathématiques)|lacet]] dérivable [[Régularité par morceaux|par morceaux]] γ : [0,1] → ''M'' avec γ(0)= ''x'', et un point ''p'' de la fibre au-dessus de ''x'', la connexion définit un unique ''relèvement horizontal'' <math>\tilde\gamma\colon [0,1] \to P</math> tel que <math>\tilde\gamma(0) = p</math>. L'extrémité <math>\tilde\gamma(1)</math> du relèvement ne sera pas en général ''p'', mais un autre point ''p.g'' de la fibre. On définit une [[relation d'équivalence]] ~ sur ''P'' en disant que ''p''~''q'' s'ils peuvent être reliés par un chemin ''P'' horizontal et différentiable par morceaux.

Le '''groupe d'holonomie''' de ω (en ''p'') est alors défini par

{{Retrait|1=<math>\mbox{Hol}_p(\omega) = \{g \in G \mid p \sim p\cdot g\}.</math>}}

Le '''groupe d'holonomie restreint''' en ''p'' est le sous-groupe <math>\mbox{Hol}^0_p(\omega)</math> correspondant aux relèvements horizontaux de lacets γ [[contractile]]s.

Si ''M'' et ''P'' sont [[espace connexe|connexes]], le groupe d'holonomie ne dépend du point de base ''p'' qu'à une conjugaison près (dans ''G''). Plus précisément, si ''q'' est un autre point de base, il existe un ''g'' unique de ''G'' tel que ''q'' ~ ''p g'', et alors :

{{Retrait|1=<math>\mbox{Hol}_q(\omega) = g^{-1} \mbox{Hol}_p(\omega) g.</math>}}

En particulier,

{{Retrait|1=<math>\mbox{Hol}_{p\cdot g}(\omega) = g^{-1} \mbox{Hol}_p(\omega) g,</math>}}

De plus, si ''p''~''q'', Hol<sub>''p''</sub>(ω) = Hol<sub>''q''</sub>(ω).

Comme précédemment, on omet parfois la référence au point de base, en raisonnant à une conjugaison près.

Parmi les propriétés importantes du groupe d'holonomie et du sous-groupe restreint, on a :
* Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω) est un sous-groupe de Lie connexe de ''G''.
* Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω) est la composante connexe de l'identité de Hol<sub>p</sub>(ω).
* Il y a un homomorphisme naturel de groupe, surjectif π<sub>1</sub>(''M'') → Hol<sub>p</sub>(ω)/Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω).
* Si ''M'' est [[simplement connexe]], Hol<sub>p</sub>(ω) = Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω).
* ω est plate (de courbure nulle) si et seulement si Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω) est trivial.

=== Fibrés d'holonomie ===

Soit ''M'' une variété différentielle connexe et paracompacte, et ''P'' un ''G''-fibré principal avec une connexion ω, comme ci-dessus. Soit <math>p\in P</math> un point arbitraire du fibré. Notons ''H''(''p'') l'ensemble des points de ''P'' qui peuvent être reliés à ''p'' par un chemin horizontal. On peut alors montrer que ''H''(''p''), avec l'application de projection évidente, est un fibré principal au-dessus de ''M'', de groupe structural Hol<sup>0</sup><sub>''p''</sub>(ω). Ce fibré principal s'appelle le '''fibré d'holonomie''' (à travers ''p'') de la connexion. La connexion ω se restreint à une connexion ''H''(''p''), puisque les applications de transport parallèle conservent ''H''(''p''). Ainsi, ''H''(''p'') est un fibré réduit pour la connexion. De plus, puisque aucun sous-fibré ''H''(''p'') n'est conservé par transport parallèle, c'est la réduction minimale de ce type<ref>{{en}} {{Lien|trad=Shoshichi Kobayashi}} et {{Lien|trad=Katsumi Nomizu}}, ''{{Langue|en|Foundations of Differential Geometry}}'', § II.7.</ref>.

Comme pour les groupes d'holonomie, le fibré d'holonomie est transformé de manière uniforme par déplacement dans le fibré principal ambiant ''P''. Plus précisément, si, <math>q\in P</math> est un autre point de base, il existe un unique <math>g\in G</math> tel que ''q'' ~ ''p g'' (puisque, par hypothèse, ''M'' est connexe par arcs). Ainsi ''H''(''q'') = ''H''(''p'') ''g''. Par conséquent, les connexions induites correspondant à différents choix de points de base sont compatibles entre elles : leurs applications de transport parallèle ne diffèrent que de ''g''.

=== Monodromie ===
{{Article détaillé|Monodromie}}
Le fibré d'holonomie ''H''(''p'') est un fibré principal pour Hol<sub>p</sub>(ω), et admet donc également une action du groupe restreint d'holonomie Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω) (qui est un [[sous-groupe normal]] du groupe d'holonomie complet). Le [[groupe discret]] Hol<sub>p</sub>(ω)/Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω) est appelé le '''groupe de monodromie''' de la connexion ; il agit sur le fibré quotient ''H''(''p'')/Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω). Il y a un homomorphisme surjectif φ : π<sub>1</sub>(''M'') → Hol<sub>p</sub>(ω)/Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω), tel que φ(π<sub>1</sub>(''M'')) agit sur ''H''(''p'')/Hol<sup>0</sup><sub>p</sub>(ω). Cette action du groupe fondamental s'appelle une '''représentation de monodromie''' du groupe fondamental<ref>R.W.Sharpe, ''Differential Geometry: Cartan's Generalization of Klein's Erlangen Program'', §3.7.</ref>.

=== Holonomie locale et infinitésimale ===

Si π:''P''→''M'' est un fibré principal, et si ω est une connexion de ''P'', l'holonomie de ω peut être restreinte à la fibre au-dessus d'un ouvert de ''M''. Plus précisément, si ''U'' est un ouvert connexe de ''M'', la restriction de ω est une connexion du fibré π<sup>-1</sup>''U'' sur ''U''. L'holonomie (respectivement l'holonomie restreinte) de ce fibré sera notée par ''Hol''<sub>p</sub>(ω, ''U'') (respectivement ''Hol''<sub>p</sub><sup>0</sup>(ω, ''U'')) pour chaque ''p'' tel que π(''p'')∈''U''.

Si ''U''⊂''V'' sont deux ouverts contenant π(''p''), il y a une inclusion évidente

{{Retrait|1=<math>\mathrm{Hol}_p^0(\omega, U)\subset\mathrm{Hol}_p^0(\omega, V).</math>}}

Le '''groupe local d'holonomie''' en un point ''p'' est défini par

{{Retrait|1=<math>\mathrm{Hol}^*(\omega) = \cap_{k=1}^\infty \mathrm{Hol}^0(\omega,U_k)</math>}}

pour toute famille d'ouverts connexes emboités, ''U''<sub>k</sub>, telle que <math>\cap_k U_k = \pi(p)</math>.

Le groupe local d'holonomie a les propriétés suivantes :
# C'est un sous-groupe de Lie connexe du groupe restreint d'holonomie Hol<sub>''p''</sub><sup>0</sup>(ω).
# Chaque point ''p'' admet un voisinage ''V'' tel que Hol<sub>''p''</sub>*(ω)=Hol<sub>''p''</sub><sup>0</sup>(ω,''V''). En particulier, le groupe local d'holonomie ne dépend que du point ''p'', et non du choix de la famille ''U''<sub>k</sub>.
# L'holonomie locale est invariante par translation par les éléments du groupe structural ''G'' de ''P'', c'est-à- dire que Hol<sub>pg</sub>*(ω)=Ad(''g''<sup>-1</sup>)Hol<sub>p</sub>*(ω) pour tous les ''g''∈''G'' (d'après la première propriété, le groupe d'holonomie local est un sous-groupe de Lie connexe de ''G'', donc son adjoint est bien défini).

Le groupe local d'holonomie n'a pas de comportement global prévisible. En particulier, sa dimension peut ne pas être constante. Cependant, on a le résultat suivant :
* Si la dimension du groupe local d'holonomie est constante, les holonomies locales et restreintes coïncident : Hol<sub>p</sub>*(ω)=Hol<sub>p</sub><sup>0</sup>(ω).

L’'''holonomie infinitésimale''' est l'algèbre de Lie du groupe d'holonomie restreinte.

== Le théorème d'Ambrose-Singer ==

Le théorème d'Ambrose-Singer relie l'holonomie d'une connexion d'un fibré principal à la [[2-forme de courbure]] de la connexion ; on peut le voir comme généralisant le cas familier d'une [[connexion affine]] (ou d'une connexion du fibré tangent — la connexion de Levi-Civita, par exemple), où la courbure provient du déplacement le long d'un [[parallélogramme]] infinitésimal.

Dans le détail, si σ : [0,1] × [0,1] → ''M'' est une surface de ''M'' paramétrée par un couple de variables ''x'' et ''y'', un vecteur ''V'' peut être transporté le long de la frontière de σ : le long de (''x'',0), puis de (1,''y''), puis de (''x'',1) (dans le sens négatif), et enfin de (0,''y''), revenant à l'origine. C'est un cas particulier d'un lacet d'holonomie : l'élément du groupe d'holonomie correspondant au relèvement de la frontière de σ agit sur le vecteur ''V''. La courbure intervient explicitement quand le parallélogramme tend vers 0, en traversant la frontière de parallélogrammes plus petits (sur [0,''x''] × [0,''y'']) ; cela revient à prendre la dérivée des applications de transport parallèle en ''x''=''y''=0 :

{{Retrait|1=<math>\frac{D}{dx}\frac{D}{dy}V-\frac{D}{dy}\frac{D}{dx}V=R\left(\frac{\partial\sigma}{\partial x},\frac{\partial\sigma}{\partial y}\right)V</math>}}

où ''R'' est le [[tenseur de courbure]]<ref>M. Spivak, ''A comprehensive introduction to differential geometry, Volume II'', {{p.|241}}.</ref>. Ainsi, on peut dire en gros que la courbure donne l'holonomie infinitésimale sur une boucle fermée (le parallélogramme infinitésimal). Plus rigoureusement, la courbure est la différentielle de l'action de l'holonomie en l'identité du groupe d'holonomie ; en d'autres termes, ''R''(''X'',''Y'') est un élément de l'[[algèbre de Lie]] de Hol<sub>p</sub>(ω).

En général, considérons l'holonomie d'une connexion d'un fibré principal ''P''&nbsp;→&nbsp;''M'' au-dessus de ''P'', avec ''G'' comme groupe structural. Notant '''g''' l'algèbre de Lie de ''G'', la forme courbure de la connexion est une 2-forme Ω, à valeurs dans '''g''' sur ''P''. Le théorème d'Ambrose-Singer affirme que<ref>[[Shlomo Sternberg|S. Sternberg]], ''Lectures on differential geometry'', théorème VII.1.2.</ref> :

* L'algèbre de Lie de Hol<sub>p</sub>(ω) est engendrée par les éléments de '''g''' de la forme Ω<sub>q</sub>(''X'',''Y''), où ''q'' parcourt l'ensemble des points qui peuvent être reliés à ''p'' par une courbe horizontale (''q'' ~ ''p''), et ''X'' et ''Y'' sont des vecteurs horizontaux tangents en ''q''.

Le théorème peut se réénoncer à l'aide du fibré d'holonomie<ref>S. Kobayashi et K. Nomizu, ''{{Langue|en|Foundations of Differential Geometry}}'', §II.8.</ref> :

* L'algèbre de Lie de Hol<sub>p</sub>(ω) est le sous-espace de '''g''' engendré par les éléments de la forme Ω<sub>q</sub>(''X'',''Y''), où ''q'' ∈ ''H''(''p'') et ''X'' et ''Y'' sont des vecteurs horizontaux en ''q''.

== Holonomie riemannienne ==

L'holonomie d'une [[variété riemannienne]] (''M'', ''g'') est simplement le groupe d'holonomie de la [[connexion de Levi-Civita]] sur le [[fibré tangent]] de ''M''. Une variété riemannienne 'générique' de dimension ''n'' a une holonomie [[groupe orthogonal|O(''n'') (ou SO(''n'')]] si cette variété est orientable). Les variétés dont l'holonomie est un sous-groupe propre de O(''n'') ou SO(''n'') ont des propriétés particulières.

Un des premiers résultats fondamentaux concernant l'holonomie riemannienne est le théorème de [[Armand Borel|Borel]] et [[André Lichnerowicz|Lichnerowicz]] (1952)<ref>[[Armand Borel]] et [[André Lichnerowicz]], ''Groupes d'holonomie des variétés riemanniennes''.</ref>, qui affirme que le groupe d'holonomie est un sous-groupe de Lie fermé de O(''n''). En particulier, il est [[espace compact|compact]].

=== Holonomie réductible et décomposition de de Rham ===

Soit ''x'' un point arbitraire de ''M''. Le groupe d'holonomie Hol(''M'') agit sur l'espace tangent T<sub>x</sub>''M''. En tant que [[représentation de groupe]], cette action peut être irréductible, ou il peut exister une décomposition de T<sub>x</sub>''M'' en sous-espaces orthogonaux T<sub>x</sub>''M'' = T′<sub>x</sub>''M'' ⊕ T′′<sub>x</sub>''M'', chacun de ces sous-espaces étant [[invariant]] sous l'action de Hol(''M''). Dans ce dernier cas, on dit que ''M'' est '''réductible'''.

Supposons que ''M'' soit une variété réductible. Quand ''x'' varie, les fibrés T′<sub>x</sub>''M'' et T′′<sub>x</sub>''M'' forment des distributions lisses, qui sont [[théorème de Frobenius (géométrie différentielle)|intégrables au sens de Frobenius]]. Les {{Lien|langue=en|trad=Integrability conditions for differential systems|fr=Conditions d'intégrabilité pour les systèmes différentiels|texte=variétés intégrales}} de ces distributions sont des sous-variétés complètement géodésiques. Ainsi, ''M'' est localement un produit cartésien ''M''′ × ''M''′′. L'isomorphisme (local) de de Rham en résulte, en continuant ce processus jusqu'à ce qu'une réduction complète de l'espace tangent soit achevée<ref>S. Kobayashi et K. Nomizu, ''{{Langue|en|Foundations of Differential Geometry}}'', §IV.5.</ref> :

* Soit ''M'' une variété riemannienne [[simplement connexe]]<ref>Ce théorème se généralise à des variétés non simplement connexe, mais son énoncé est alors plus compliqué.</ref>, et T''M'' = T<sup>(0)</sup>''M'' ⊕ T<sup>(1)</sup>''M'' ⊕ ... ⊕ T<sup>(k)</sup>''M'' la réduction complète du fibré tangent sous l'action du groupe d'holonomie. Supposons que T<sup>(0)</sup>''M'' soit formé de vecteurs que le groupe d'holonomie laisse invariants (donc, tels que la représentation d'holonomie soit triviale). Alors, ''M'' est localement isométrique à un produit <math>V_0\times V_1\times \dots\times V_k</math>, où ''V''<sub>0</sub> est un ouvert d'un [[espace euclidien]], et chaque ''V''<sub>i</sub> est une variété intégrale pour T<sup>(i)</sup>''M''. De plus, Hol(''M'') se décompose en produit direct des groupes d'holonomie de chaque ''M''<sub>i</sub>.

Si, de plus, ''M'' est supposée être [[Variété géodésiquement complète|géodésique]], alors le théorème est vrai globalement, et chaque ''M''<sub>i</sub> est une variété géodésique<ref>S. Kobayashi et K. Nomizu, ''{{Langue|en|Foundations of Differential Geometry}}'', §IV.6.</ref>.

=== La classification de Berger ===

En 1953, [[Marcel Berger]] donna une classification complète des groupes d'holonomie correspondants aux variétés riemanniennes simplement connexes, irréductibles (ne s'identifiant pas localement à un [[Topologie produit|espace produit]]) et non symétriques (n'étant pas localement un [[espace symétrique]])<ref>{{Berger1}} section 13.4 {{p.|643}}.</ref>. La '''liste de Berger''' est la suivante :

{| class="wikitable" style="margin: auto;"

!scope="col"| Hol(''g'') !!scope="col"| dim(''M'') !!scope="col"| Type de variété !!scope="col"| Commentaires

|-

| [[groupe orthogonal|SO(''n'')]] || ''n'' || [[Orientation (mathématiques)|variété orientable]]

|-

| [[groupe unitaire|U(''n'')]] || 2''n'' || [[variété de Kähler]] || Kähler

|-

| [[groupe spécial unitaire|SU(''n'')]] || 2''n'' || [[variété de Calabi-Yau]] || [[tenseur de Ricci|courbure de Ricci nulle]], Kähler

|-

|[[groupe symplectique|Sp(''n'')·Sp(1)]]&nbsp; || 4''n''&nbsp; || {{Lien|langue=en|trad=Quaternion-Kähler manifold|fr=variété de Kähler quaternionique}} || [[variété einsteinienne]]

|-

| [[groupe symplectique|Sp(''n'')]] || 4''n'' || {{Lien|langue=en|trad=Hyperkähler manifold|fr=variété hyperkählerienne}} ||courbure de Ricci nulle, Kähler

|-

| [[G2 (mathématiques)|''G''<sub>2</sub>]] || 7 || {{Lien|langue=en|trad=G2 manifold|fr=variété G2|texte=variété ''G''<sub>2</sub>}} ||courbure de Ricci nulle

|-

| [[groupe Spin|Spin(7)]] || 8 || {{Lien|langue=en|trad=Spin(7) manifold|fr=variété Spin(7)}} ||courbure de Ricci nulle

|}
Les variétés avec groupe d'holonomie Sp(''n'')·Sp(1) ont été étudiées indépendamment en 1965 par {{Lien|trad=Edmond Bonan}}<ref>{{Article|auteur=Edmond Bonan |titre=Structure presque quaternale sur une variété différentiable |périodique=[[Comptes rendus de l'Académie des sciences]] |volume=261 |année=1965 |pages=5445–5448}}.</ref> et Vivian Yoh Kraines<ref>{{Article|langue=en |auteur=Vivian Yoh Kraines |titre=Topology of quaternionic manifolds |périodique=[[Transactions of the American Mathematical Society|Trans. Am. Math. Soc.]] |volume=122 |année=1966 |pages=357–367}}.</ref> qui construsirent la 4-forme invariante. Les variétés avec groupes d'holonomie [[G2 (mathématiques)|''G''<sub>2</sub>]] et [[groupe Spin|Spin(7)]] furent introduites par Edmond Bonan<ref>{{Article|auteur=Edmond Bonan |titre=Sur les variétés riemanniennes à groupe d'holonomie G2 ou Spin(7) |périodique=Comptes rendus de l'Académie des sciences |volume=320 |année=1966 |pages=127–129}}.</ref>, qui construisit les formes invariantes et prouva la nullité de leur courbure de Ricci.

La liste originale de Berger envisageait également Spin(9) comme sous-groupe de SO(16) ; mais, comme on le verra plus bas, les variétés riemanniennes ayant cette holonomie sont nécessairement localement symétriques, ce qui fut montré (indépendamment) par D. Alekseevski et Brown-Gray). On sait désormais que toutes ces possibilités sont réalisées en tant que groupes d'holonomie de variétés riemanniennes ; des exemples des deux derniers cas furent particulièrement difficiles à découvrir.

On remarque que Sp(''n'') ⊂ SU(2''n'') ⊂ U(2''n'') ⊂ SO(4''n''), et donc toute {{Lien|langue=en|trad=Hyperkähler manifold|fr=variété hyperkählerienne}} est une [[variété de Calabi-Yau]], toute variété de Calabi-Yau est une [[variété de Kähler]], et toute variété de Kähler est [[Orientation (mathématiques)|orientable]].

Cette étrange liste fut expliquée par la preuve de [[James Simons]] du théorème de Berger. Une preuve géométrique simple de ce théorème fut donnée par Carlos Olmos en 2005. On montre d'abord que si une variété riemannienne n'est pas localement symétrique et que l'holonomie réduite agit de façon irréductible sur l'espace tangent, elle [[Action de groupe (mathématiques)|agit transitivement]] sur la sphère unité. Les groupes de Lie agissant transitivement sur les sphères sont connus : ils forment la liste précédente, ainsi que deux autres cas : le groupe Spin(9) agissant sur '''R'''<sup>16</sup>, et le groupe ''T''·Sp(''m'') agissant sur '''R'''<sup>4''m''</sup>. Enfin, on vérifie que le premier de ces deux cas ne peut apparaître comme groupe d'holonomie que pour des espaces localement symétriques (qui sont localement isomorphes au [[Plan de Cayley|plan projectif de Cayley]]), et que le second n'est jamais un groupe d'holonomie.
<!-- paragraphe non sourcé dans la WPen ; et fin de section sans doute inutile à l'article de toute façon

La classification de Berger donnait également les holonomies possibles correspondant aux métriques pseudo-riemanniennes non définies positives et non localement symétriques. That list consisted of SO(''p'',''q'') of signature (''p'',''q''), U(''p'',''q'') and SU(''p'',''q'') of signature (2''p'',2''q''), Sp(''p'',''q'') and Sp(''p'',''q'')·Sp(1) of signature (4''p'',4''q''), SO(''n'','''C''') of signature (''n'',''n''), SO(''n'','''H''') of signature (2''n'',2''n''), split G<sub>2</sub> of signature (4,3), G<sub>2</sub>('''C''') of signature (7,7), Spin(4,3) of signature (4,4), Spin(7,'''C''') of signature (7,7), Spin(5,4) of signature (8,8) and, lastly, Spin(9,'''C''') of signature (16,16). The split and complexified Spin(9) are necessarily locally symmetric as above and should not have been on the list. The complexified holonomies SO(''n'','''C'''), G<sub>2</sub>('''C'''), and Spin(7,'''C''') may be realized from complexifying real analytic Riemannian manifolds. The last case, manifolds with holonomy contained in SO(''n'','''H'''), were shown to be locally flat by R. McLean.{{Fact|date=December 2007}} 

Riemannian symmetric spaces, which are locally isometric to [[homogeneous space]]s <math>G/H</math> have local holonomy isomorphic to <math>H</math>. These too have been [[list of simple Lie groups|completely classified]].

Finally, Berger's paper lists possible holonomy groups of manifolds with only a [[torsion-free]] [[affine connection]]; this is discussed below.
-->

=== Holonomie spéciale et spineurs ===

Les variétés munies d'une holonomie spéciale jouent un rôle fondamental dans la théorie des [[spineur]]s, en particulier de celle des {{Lien|langue=en|trad=pure spinor|fr=spineur simple|texte=spineurs simples}}<ref name="Spin Geometry">H. B. Lawson et M-L. Michelsohn, ''Spin Geometry'', §IV.9-10.</ref>. On a les résultats suivants :
* Hol(ω) ⊂ ''U''(n) si et seulement si ''M'' admet un champ projectif ''parallèle'' (constant de manière covariante) de spineurs simples.
* Si ''M'' est une variété munie d'une [[structure spin]], alors Hol(ω) ⊂ ''SU''(n) si et seulement si ''M'' admet un champ parallèle de spineurs simples. En fait, un champ parallèle de spineurs simples détermine une réduction canonique du groupe de structure à ''SU''(''n'').
* Si ''M'' est une variété de spin de dimension 7, ''M'' admet un champ parallèle de spineurs simples non trivial si et seulement si le groupe d'holonomie est contenu dans ''G''<sub>2</sub>.
* Si ''M'' est une variété de spin de dimension 8, ''M'' admet un champ parallèle de spineurs simples non trivial si et seulement si le groupe d'holonomie est contenu dans Spin(7).
<!--Anyone know of nice results specific to the hyper-Kaehler and quaternion-Kaehler holonomies?-->

De même, les holonomies unitaires et spéciales unitaires sont souvent étudiées en relation avec la [[théorie des twisteurs]]<ref>H. Baum, Th. Friedrich, R. Grunewald et I. Kath, ''Twistors and Killing spinors on Riemannian manifolds''.</ref>, ainsi que dans l'étude des [[variété presque complexe|variétés presque complexes]]<ref name="Spin Geometry"/>.

==== Applications à la théorie des cordes ====
Les variétés riemanniennes munies d'une holonomie spéciale jouent un rôle important en [[théorie des cordes]], et plus particulièrement dans les techniques de {{Lien|langue=en|trad=compactification (physics)|fr=compactification (physique)|texte=compactification}}<ref>Steven S. Gubser, [https://arxiv.org/abs/hep-th/0201114 ''Special holonomy in string theory and M-theory'' (TASI lectures)].</ref>. Cela vient de ce que ces variétés admettent des champs de spineurs ''parallèles'', et conservent ainsi une partie de la [[supersymétrie]] initiale. C'est en particulier le cas des [[variété de Calabi-Yau|variétés de Calabi-Yau]] ayant pour holonomie SU(2) ou SU(3), et des compactifications des {{Lien|langue=en|trad=G2 manifold|fr=variété G2|texte=variétés ''G''<sub>2</sub>}}.

== Holonomie affine ==

Les groupes d'holonomie affine sont les groupes d'holonomie des [[connexion affine|connexions affines]] dont le [[tenseur de torsion]] est nul ; ceux qui ne sont pas riemanniens ou pseudo-riemanniens sont aussi appelés des groupes d'holonomie non métriques. Le théorème de décomposition de de Rham ne s'applique pas aux groupes d'holonomie affine, et une classification complète semble donc inaccessible. Cependant, il reste naturel de classifier les holonomies affines irréductibles.

Au cours de sa classification des groupes d'holonomie riemannienne, Berger obtint deux critères que doit satisfaire l'algèbre de Lie du groupe d'holonomie d'une connexion affine sans torsion non [[espace symétrique|localement symétrique]] ; le ''premier critère de Berger'', conséquence du théorème d'Ambrose-Singer, est que la courbure doit engendrer l'algèbre (le ''second critère de Berger'', plus technique, provient de l'exigence de non-symétrie locale). Berger donna une liste de groupes agissant de manière irréductible, et satisfaisant ces deux critères ; on peut l'interpréter comme une liste des possibilités d'holonomies affines irréductibles.

Par la suite, il fut montré que cette liste de Berger était incomplète : d'autres exemples furent découverts par R. Bryant (en 1991) et par Q. Chi, S. Merkulov, et L. Schwachhöfer (en 1996); ils sont parfois appelés des ''holonomies exotiques''. Cette recherche mena finalement à une classification complète des holonomies affines irréductibles par Merkulov et Schwachhöfer (en 1999), Bryant montrant en 2000 que chaque groupe de leur liste se réalise effectivement comme un groupe d'holonomie affine.

La classification de Merkulov-Schwachhöfer a été simplifiée par la découverte d'une relation entre les groupes de la liste et certains espaces symétriques, les espaces symétriques hermitiens et les espaces symétriques Kähler-quaternioniques. Cette relation est particulièrement claire dans le cas des holonomies complexes affines, comme cela fut démontré par Schwachhöfer (2001).
{{Boîte déroulante/début|titre= La correspondance de Schwachhöfer}}
Soit ''V'' un espace vectoriel complexe de dimension finie, soit ''H'' ⊂ Aut(''V'') un sous-groupe de Lie irréductible, semi-simple et connexe, et soit ''K'' ⊂ ''H'' un sous-groupe compact maximal de ''H''.

# S'il existe un espace symétrique hermitien irréductible de la forme ''G''/(U(1) · ''K''), alors ''H'' et '''C'''<sup>∗</sup> · ''H'' sont des groupes d'holonomie affine non-symétriques irréductibles, où ''V'' est la représentation tangente de ''K''.
# S'il existe un espace symétrique Kähler-quaternionique irréductible de la forme ''G''/(Sp(1) · ''K''), alors ''H'' est un groupe d'holonomie affine non-symétrique irréductible, et il en est de même de '''C'''<sup>∗</sup> · ''H'' si dim ''V'' = 4. Ici, la représentation complexifiée tangente de Sp(1) · ''K'' est '''C'''<sup>2</sup> ⊗ ''V'', et ''H'' laisse invariante une forme complexe symplectique sur ''V''.

Ces deux familles donnent naissance à tous groupes d'holonomie affine non-symétriques irréductibles complexes, en dehors des trois suivants :

{{Retrait|1=<math> \begin{align}

&\mathrm{Sp}(2, \mathbb C) \cdot \mathrm{Sp}(2n, \mathbb C) &&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^{2} \otimes\mathbb C^{2n} )\\

&G_2^{\mathbb C} &&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^7 )\\

&\mathrm{Spin}(7, \mathbb C) &&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^8 ).

\end{align}</math>}}

Utilisant la classification des espaces hermitiens symétriques, la première famille correspond aux groupes d'holonomie affine suivants :

{{Retrait|1=<math> \begin{align}

&Z_{\mathbb C} \cdot \mathrm{SL}(m, \mathbb C)\cdot \mathrm{SL}(n, \mathbb C) &&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^m\otimes\mathbb C^n)\\

&Z_{\mathbb C} \cdot \mathrm{SL}(n, \mathbb C) &&\subset \mathrm{Aut}(\Lambda^2\mathbb C^n)\\

&Z_{\mathbb C} \cdot \mathrm{SL}(n, \mathbb C)&&\subset \mathrm{Aut}(S^2\mathbb C^n)\\

&Z_{\mathbb C} \cdot \mathrm{SO}(n, \mathbb C)&&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^n)\\

&Z_{\mathbb C} \cdot \mathrm{Spin}(10,\mathbb C )&&\subset \mathrm{Aut}(\Delta_{10}^+)\cong \mathrm{Aut}(\mathbb C^{16})\\

&Z_{\mathbb C} \cdot E_6^{\mathbb C}&&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^{27})

\end{align}</math>}}

where ''Z''<sub>'''C'''</sub> is either trivial, or the group '''C'''<sup>*</sup>.

De même, la classification des espaces symétrique Kähler-quaternioniques amène aux groupes d'holonomie suivants :

{{Retrait|1=<math> \begin{align}

&\mathrm{Sp}(2, \mathbb C)\cdot \mathrm{SO}(n, \mathbb C)&&\subset\mathrm{Aut}(\mathbb C^2\otimes\mathbb C^n)\\

&(Z_{\mathbb C}\,\cdot)\, \mathrm{Sp}(2n, \mathbb C)&&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^{2n})\\

&Z_{\mathbb C} \cdot\mathrm{SL}(2, \mathbb C) &&\subset \mathrm{Aut}(S^3\mathbb C^2)\\

&\mathrm{Sp}(6, \mathbb C)&&\subset \mathrm{Aut}(\Lambda^3_0\mathbb C^6)\cong \mathrm{Aut}(\mathbb C^{14})\\

&\mathrm{SL}(6, \mathbb C)&&\subset \mathrm{Aut}(\Lambda^3\mathbb C^6)\\

&\mathrm{Spin}(12,\mathbb C )&&\subset \mathrm{Aut}(\Delta_{12}^+)\cong \mathrm{Aut}(\mathbb C^{32})\\

&E_7^{\mathbb C}&&\subset \mathrm{Aut}(\mathbb C^{56})\\

\end{align}</math>}}

(dans la seconde ligne, ''Z''<sub>'''C'''</sub> doit être trivial sauf si {{nobr|''n'' {{=}} 2}}.)
{{Boîte déroulante/fin}}
À partir de ces listes, on peut observer un analogue du résultat de Simon affirmant que les groupes d'holonomie riemannienne agissent transitivement sur les sphères : les représentations des holonomies complexes sont toutes des {{Lien|langue=en|trad=prehomogeneous vector space|fr=espace vectoriel préhomogène|texte=espaces vectoriels préhomogènes}}. On ne connait pas de démonstration synthétique de ce résultat.

La classification des holonomies affines irréductibles réelles se déduit des listes précédentes à l'aide d'une analyse soigneuse utilisant le fait que les holonomies affines réelles se complexifient pour donner des holonomies affines complexes.

== Historique ==
La notion d'holonomie fut introduite par [[Élie Cartan]] en 1926 dans le but d'étudier et de classifier les [[espace symétrique|espaces symétriques]]. Ce n'est que longtemps après que les groupes d'holonomie furent utilisés pour étudier la géométrie riemannienne dans un cadre plus général. En 1952, [[Georges de Rham]] démontra le ''théorème de décomposition de de Rham'', permettant de décomposer une variété riemannienne en [[produit cartésien]] de variétés, en décomposant le [[fibré tangent]] en sous-espaces irréductibles sous l'action du groupe local d'holonomie. En 1953, M. Berger complèta ce théorème en donnant une classification des holonomies irréductibles ; ces résultats devaient trouver des applications en physique, en particulier en [[théorie des cordes]].

== Étymologie ==

Un mot similaire, "[[fonction holomorphe|holomorphe]]", fut introduit par deux des élèves de [[Augustin Louis Cauchy|Cauchy]], [[Charles Briot|Briot]] et [[Jean-Claude Bouquet|Bouquet]], qui le formèrent à partir du grec [[wikt:ὅλος|ὅλος]] (''holos''), signifiant "entier", et [[wikt:μορφή|μορφή]] (''morphē'') signifiant "forme" ou "apparence"<ref>A.I.Markushevich et R.A. Silverman, [https://books.google.com/?id=H8xfPRhTOcEC&dq ''Theory of functions of a Complex Variable'', {{2e|éd.}}, {{p.|112}}].</ref>.

L'étymologie de "holonomie" est plus obscure : S. Golwala l'attribue à [[Louis Poinsot|Poinsot]]<ref>S. Golwala, [http://www.astro.caltech.edu/~golwala/ph106ab/ph106ab_notes.pdf ''Lecture Notes on Classical Mechanics for Physics 106ab''], {{p.|65–66}}<!-- : ''I believe it was first used by Poinsot in his analysis of the motion of a rigid body. In this theory, a system is called "holonomic" if, in a certain sense, one can recover global information from local information, so the meaning "entire-law" is quite appropriate. The rolling of a ball on a table is non-holonomic, because one rolling along different paths to the same point can put it into different orientations''. ''However, it is perhaps a bit too simplistic to say that "holonomy" means "entire-law". The "nom" root has many intertwined meanings in Greek, and perhaps more often refers to "counting". It comes from the same Indo-European root as our word "number"''-->.</ref>, qui aurait introduit le mot dans son analyse du [[mouvement à la Poinsot|mouvement du solide]], l'utilisant pour parler de systèmes permettant de déterminer l'information globale à partir de données locales, le mot étant forgé à partir de ''holos'' et de [[wikt:νόμος|νόμος]] (''nomos''), signifiant "loi" (mais voir aussi [[wikt:-nomie|-nomie]] pour d'autres significations possibles de ce suffixe).

== Notes et références==
{{Traduction/Référence|en|Holonomy|365893032}}
{{Références}}

== Bibliographie ==
* {{Article|auteur=[[Élie Cartan]] |titre=Sur une classe remarquable d'espaces de Riemann (1) |périodique=Bull. Soc. Math. France, |volume=54 |année=1926 |pages=214–264}}
* {{Article|auteur=[[Élie Cartan]] |titre=Sur une classe remarquable d'espaces de Riemann (2) |périodique=Bull. Soc. Math. France, |volume=55 |année=1927 |pages=114–134}}
* {{Article|auteur1=[[Armand Borel]] |auteur2=[[André Lichnerowicz]] |titre=Groupes d'holonomie des variétés riemanniennes |périodique=[[Comptes rendus de l'Académie des sciences]] |volume=234 |année=1952 |pages=1835–1837}}
* {{Article|langue=en |auteur1=Ambrose W. Singer |auteur2=[[Isadore Singer|Isadore M. Singer]] |url=https://www.jstor.org/stable/1990721 |titre=A theorem on holonomy |périodique=Trans. Amer. Math. Soc. |volume=75 |année=1953 |pages=428–443}}
* {{Article|auteur=[[Marcel Berger]] |url=https://web.archive.org/web/20071004214921/http://www.numdam.org/numdam-bin/fitem?id=BSMF_1955__83__279_0 |titre=Sur les groupes d'holonomie des variétés à connexion affine et des variétés riemanniennes |périodique=Bull. Soc. Math. France |volume=83 |année=1953 |pages=279–330}}
* {{Ouvrage|langue=en |auteur1=S. Kobayashi |auteur2=K. Nomizu |titre=Foundations of Differential Geometry |volume=1 & 2 |éditeur=Wiley-Interscience |année=1963 ; nouvelle édition en 1996}}
* {{Ouvrage|langue=en |auteur=M. Spivak |titre=A comprehensive introduction to differential geometry |volume=II |éditeur=Publish or Perish |année=1999}}

=== Pour aller plus loin ===
* {{Lien archive|langue=en |url=http://page.mi.fu-berlin.de/~fwitt/LiteratureMSH.pdf |titre=Literature about manifolds of special holonomy |format=pdf |horodatage archive=20080528181258}}, une bibliographie due à Frederik Witt.

== Voir aussi ==
* [[Monodromie]]

{{Palette|Variété différentielle|Courbure en géométrie différentielle}}
{{Portail|géométrie}}

[[Catégorie:Connexion]]
[[Catégorie:Géométrie riemannienne]]