Geometria Różniczkowa I

Podobne dokumenty
Rys. 11: Pomocne wykresy.

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

Wykład 9. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ listopada 2011

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

= f. = df(d1 t, d 2 t,..., d n t) D γ(0) = df γ. x i. Biorąc funkcję f postaci f(q) + x i g i stwierdzamy, że f (q) = g

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Geometria Różniczkowa II wykład piąty

Wykład 11 i 12. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ i 18 listopada 2011

Wykład 15. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ listopada 2011

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Przestrzenie wektorowe

Geometria Różniczkowa I

Przestrzenie liniowe

Matematyka z el. statystyki, # 4 /Geodezja i kartografia I/

2. Definicja pochodnej w R n

5.6 Klasyczne wersje Twierdzenia Stokes a

Logika binarna. Prawo łączności mówimy, że operator binarny * na zbiorze S jest łączny gdy (x * y) * z = x * (y * z) dla każdego x, y, z S.

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

z pokryciem (O i ) i I rozkładu jedności (α i ) i I. Zauważmy najpierw, że ( i I α i )ω dω = d(1 ω) = d d(α i ω). Z drugiej jednak strony

Pochodną funkcji w punkcie (ozn. ) nazywamy granicę ilorazu różnicowego:

3. Iloczyn zewnętrzny w ogólności nie jest przemienny, ale zachodzi wzór:

Analiza funkcjonalna 1.

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Uzupełnienia dotyczące zbiorów uporządkowanych (3 lutego 2011).

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

2.1. Postać algebraiczna liczb zespolonych Postać trygonometryczna liczb zespolonych... 26

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

Pochodna funkcji odwrotnej

1 Relacje i odwzorowania

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

CO TO SĄ BAZY GRÖBNERA?

Matematyka liczby zespolone. Wykład 1

Funkcje wielu zmiennych

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Przekształcenia liniowe

Pochodne. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

Definicje i przykłady

Zadania o transferze

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

0 + 0 = 0, = 1, = 1, = 0.

O pewnych związkach teorii modeli z teorią reprezentacji

1 Określenie pierścienia

Rozwiązania, seria 5.

Matematyka dyskretna

Kryptografia - zastosowanie krzywych eliptycznych

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Zadania z Algebry liniowej 4 Semestr letni 2009

Pochodna funkcji. Niech f : A R, a A i załóżmy, że istnieje α > 0 taka, że

Funkcje analityczne. Wykład 3. Funkcje holomorficzne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) z = x + iy A

Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

Algebrę L = (L, Neg, Alt, Kon, Imp) nazywamy algebrą języka logiki zdań. Jest to algebra o typie

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

R k v = 0}. k N. V 0 = ker R k 0

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

WYKŁADY Z MATEMATYKI DLA STUDENTÓW UCZELNI EKONOMICZNYCH

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ OD RÓWNAŃ DO ODWZOROWAŃ LINIOWYCH

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Wykład 4. II Zasada Termodynamiki

5. Całka nieoznaczona

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

8 Całka stochastyczna względem semimartyngałów

Topologia Algebraiczna - Pomocnik studenta. 1. Język teorii kategorii

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

Geometria Różniczkowa I

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Fakty wstępne Problem brachistochrony Literatura. Rachunek wariacyjny. Bartosz Wróblewski

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

Wykład 5. Ker(f) = {v V ; f(v) = 0}

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

3. Funkcje wielu zmiennych

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

Zadania o numerze 4 z zestawów licencjat 2014.

5. Algebra działania, grupy, grupy permutacji, pierścienie, ciała, pierścień wielomianów.

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA... 13

8. Funkcje wielu zmiennych - pochodne cząstkowe

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

System BCD z κ. Adam Slaski na podstawie wykładów, notatek i uwag Pawła Urzyczyna. Semestr letni 2009/10

Pojęcie funkcji. Funkcja liniowa

7 Twierdzenie Fubiniego

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

Transkrypt:

Geometria Różniczkowa I wykład trzeci NiechC (M)oznaczazbiórwszystkichgładkichfunkcjinarozmaitościM.C (M)jestrzeczywistą, przemienną algebrą z jedynką. Istotną rolę w geometrii różniczkowej odgrywają homomorfizmy tej algebry w R(R też traktowane jak rzeczywista przemienna algebra z jedynką). Każdy punkt q M zadaje taki homomorfizm, mianowicie ϕ q :C (M) R, ϕ q (f)=f(q). Sprawdzenie, że takie odwzorowanie jest homomorfizmem polega na sprawdzeniu, że jest liniowe oraz że zachowuje strukturę mnożenia i element neutralny. Można pokazać, że homomorfizmy zadawaneprzezpunktysąjedynymihomomorfizmamialgebryc (M)wR.Mamywięcpewien rodzaj dualności między rozmaitością a algebrą funkcji gładkich na niej. Okazuje się, że rozmaitość różniczkowalną można definiować algebraicznie wykorzystując zaobserwowaną przez nas przed chwilą dualność. Niech F będzie rzeczywistą przemienną algebrą zjedynką,a F =Hom R (F,R)zbioremhomomorfizmów.Wiemyjuż,żegdyF=C (M) to F =M.PowstajepytanieczydlakażdejalgebryFznajdziemyrozmaitośćMtakąże F =M,czyliczykażdarzeczywistaalgebraprzemiennazjedynkąjestalgebrąfunkcjina jakiejś rozmaitości. Odpowiedź brzmi nie. W szczególności algebra taka musi spełniać warunek kerϕ=0 ϕ F gdyż nie ma nietrywialnych funkcji na rozmaitości znikających we wszystkich punktach. Algebry, które mają tę własność nazywają się geometryczne. Szczegółowe rozważania na temat jakie algebry mogą być algebrami funkcji i precezyjną definicję rozmaitości w tym języku znaleźć można w książce Jet Niestruyev Smooth manifolds and observables. Motywacją do takiego podejścia stanowią rozważania nad mechaniką kwantową. Klasyczna geometria różniczkowa stanowi naturalny język do opisywania świata fizyki klasycznej(w sensie niekwantowej). Przestrzenie konfiguracyjne dla układów klasycznych mają strukturę rozmaitości, czasoprzestrzeń w OTW też jest pewną rozmaitością. Wielkości takie jak energia, siła, metryka... pole elektromagnetyczne dają się bardzo dobrze opisać właśnie w języku geometrii różniczkowej. Problem pojawia się, kiedy przechodzimy do mechaniki kwantowej i okazuje się, że natychmiast wypadamy ze schematu algebry przemiennej. W szczególności potrzebujemy przestrzeni na której współrzędne nie są przemienne. Należałoby więc algebrę przemienną zastąpić nieprzemienną. W ten sposób powstała geometria nieprzemienna. Z jej zastosowaniami w fizyce bywa różnie, ale jako teoria matematyczna ma się bardzo dobrze. Nie będziemy szczegółowo rozwijać podejścia Jeta Niestruyeva, spójrzmy tylko na kilka przykładów rozmaitości, o których mówiliśmy w zeszłym tygodniu. Przykład1.JeśliF={f C (R): f(x)=f(x+1)}to F =S 1. Przykład2.JeśliF={f C (R 2 ): f(x,y)=f(x+1, y)}to F jestwstęgąmoebiusa. 1

2 Przykład3.JeśliF={f C (R): f(x)=f(x+1, y)=f(x,y+1}to F jestbutelką Kleina. WdalszymciąguzestrukturyC (M)korzystaćbędziemyjedynielokalnie.Potrzebnebędą takżegładkiekrzywe,tznelementyc (I,M),gdzieI RjestotwartymodcinkiemwR zawierającym zero. Definiujemy dwie relacje równoważności: (1)Niechγ,γ C (I,M).Mówimy,zekrzyweγiγ sąrównoważnejeśli γ(0)=γ (0) oraz f C d(f γ) (M) (0)= d(f γ ). Złożenie f γ jest gładką funkcją rzeczywistą określoną w otoczeniu zera, więc wyznaczaniepochodnejwt=0masens.klasęrównoważnościkrzywejγoznaczamy γ(0)albo tγ(0) i nazywamy wektorem stycznym do M w punkcie q. Zbiór wszystkich wektorów stycznych to przestrzeń styczna oznaczana TM. Łatwo zauważyć, że istnieje kanoniczneodwzorowanieτ M :TM M,τ M ( γ(0))=γ(0).strukturąprzestrzenistycznej będziemy zajmować się nieco później. (2)Wzbiorzepar(q,f),gdzieq M,f C (M)definiujemyrelacjęrównoważności następującymwarunkiem:dwiepary(q,f)i(q,f )sąrównoważnejeśli q=q, γ C d(f γ) (I,M),γ(0)=q (0)= d(f γ). Klasęrównoważnościpary(q,f)oznaczamydf(q)inazywamyróżniczkąfunkcjifw punkcieq.zbiórwszystkichróżniczektoprzestrzeńkostycznaoznaczanat M.Istnieje kanoniczneodwzorowanieπ M :T M M,π M (df(q))=q. O klasach równoważności krzywych mówimy, że są to wektory styczne, ale na razie żadnej struktury wektorowej na przestrzeni stycznej nie wprowadziliśmy. Dużo łatwiej jest zacząć od przestrzenikostycznej.strukturaprzestrzeniwektorowejwalgebrzec (M)jestzachowywana przezrelacjęrównoważności,tznjeślipara(q,f)jestrównoważna(q,f )orazpara(q,g)jest równoważna(q,g )totakże(q,f+g)jestrównoważna(q,f +g ),oznaczato,że df(q)+dg(q)=d(f+g)(q). Podobniejeślipara(q,f)jestrównoważna(q,f )topara(q,λf)jestrównoważnaparze(q,λf ) czyli λdf(q)=d(λf)(q). Przestrzeńróżniczekfunkcjizaczepionychwjednympunkcie(T q M)jestwięcprzestrzeniąwektorową. O każdej przestrzeni wektorowej chcemy zazwyczaj wiedzieć, jaki jest jej wymiar i jak wyglądają bazy tej przestrzeni: Fakt 1. Każdą różniczkę df(q) można jednoznacznie zapisać jako kombinację liniową różniczek funkcjix i tworzącychukładwspółrzędnychwotoczeniupunktuq. Dowód:NiechUbędziedziedzinąmapyzawierającąqiniechϕ=(x 1,...,x n )oznaczawspółrzędnewutakie,żeϕ(q)=(0,...,0).rozważmyukładnkrzywychγ i zdefiniowanychjako t γ i (t)=ϕ 1 (0,...,0,t,0,...,0),

gdzie t jest na i-tej pozycji. Wprowadzamy oznaczenie f x i(q)=df γ i (0). Inaczejmówiąc f x i (q)jestpochodnącząstkowąwzględemi-tejwspółrzędnejfunkcjif ϕ 1 w punkcie(0,...,0) R n.oznaczmyprzez ffunkcję f= f x 1(q)x1 + f x 2(q)x2 + + f x n(q)xn. Łatwozauważyć,żepary(q,f)i(q, f)sąrównoważne,czyliróżniczkidf(q)id f(q)sąrówne: ( f df(q)=d f(q)=d + + f ) (q)= f (1)+ + f (q). x 1(q)x1 x n(q)xn x 1(q)dx1 x n(q)dxn Różniczka funkcji f jest więc istotnie kombinacją liniową różniczek współrzędnych. Do wykazaniapozostajejednoznaczność,czyliliniowaniezależnośćróżniczekdx i.załóżmywięc,że iλ i dx i (q)=0.zdefinicjimnożeniaróżniczekprzezliczbęwiemy,że λ i dx i (q)=d( λ i x i )(q). i i Jeśli iλ i dx i (q)=0tofunkcjah= iλ i x i jestrównoważnafunkcjizerowej,atooznacza,że dlakażdejzkrzywychγ i h γ i mazerowąpochodnąwt=0: 0= dh γ i (0)= d(λ it) (0)=λ i. Przestrzeń kostyczna w punkcie q jest zatem n-wymiarową przestrzenią wektorową. Zauważmyteraz,żekażdywektorstycznyv= γ(0)definiujefunkcjonałliniowynaprzestrzenit q M (jeśliγ(0)=q)wzorem φ v (df(q))= d(f γ) (0). Przyporządkowanie funkcjonałów wektorom jest injektywne. Jeśli dwie krzywe są nierównoważne, to znaczy istnieją przynajmniej dwie funkcje gładkie, które je rozróżniają. Z definicji relacji równoważności par punkt-funkcja wnioskujemy, że także różniczki tych funkcji są różne.każdyfunkcjonałnat Modpowiadapewnemuwektorowistycznemu.Istotnie,skoro (dx 1 (q),...,dx n (q))jestbaząwt q M,tokażdyfunkcjonałjestjednoznaczniezadanyprzez układnliczbφ i =φ(dx i (q)).weźmykrzywą t ϕ 1 (φ 1 t,φ 2 t,...,φ n t). Wektorstycznydotejkrzywejodpowiadafunkcjonałowirównemuφ.MożemyzatemT q M zidentyfikowaćjakozbiórz(t q M) iwtensposóbwprowadzićwt q Mstrukturęprzestrzeni wektorowej. W ten sposób przestrzenie styczna i kostyczna w punkcie stanowią parę wektorowych przestrzenidualnych.elementybazydualnejdo(dx 1,...,dx n )(oejchwiliniebędziemypisać 3

4 argumentu q przy różniczkach funkcji wspołrzędnościowych) oznaczamy ( ) x 1,...,. x n Wektor x i jeststycznydokrzywejt ϕ 1 (x 1 (q),...,x i (q)+t,...x n (q)).oznaczeniana wektory styczne do krzywych wzdłuż współrzędnych przypominają operatory różniczkowania i nie jest to przypadkowa zbieżnosć oznaczeń. NiechAiBbędądwiemaalgebramirzeczywistymi,przemiennymizjedynkąiniechρ:A Boznaczahomomorfizmtychalgebr.OdwzorowanieD:A B,którejestlinioweispełnia warunek D(a 1 a 2 )=ρ(a 1 )D(a 2 )+ρ(a 2 )D(a 1 ) nazywamy różniczkowaniem względem homomorfizmu ρ. Powyższy warunek przypomina regułę Leibniza znaną z rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej. Istotnie operacja brania pochodnej w punkcie jest różniczkowaniem algebry różniczkowalnych funkcji rzeczywistych względemhomomorfizmubędącegoewaluacjąfunkcjiwpunkcie.zauważmy,żed(1 A )=0, ponieważ D(1 A )=D(1 A 1 A )=ρ(1 A )D(1 A )+ρ(1 A )D(1 A )=1 B D(1 A )+1 B D(1 A )=2D(1 A ). W dalszym ciągu będziemy rozważać różniczkowania algebry funkcji gładkich na rozmaitości M o wartościech w algebrze R względem ewaluacji funkcji w punkcie q. Zbiór tych różniczkowań jest oczywiście wyposażony w strukturę przestrzeni wektorowej, gdyż jest popdprzestrzenią w przestrzeni wszystkich odwzorowań liniowych z A do B. Niech teraz v = γ(0) będzie wektorem stycznym w punkcie γ(0) = q. Wektorowi temu przypisać można następujące różniczkowanie: D v (f)= d(f γ) (0). Definicja jest poprawna, tzn. nie zależy od wyboru reprezentanta wektora stycznego a także rzeczywiście definiuje różniczkowanie, gdyż D v (fg)= d(fg) γ (0)= d(f γ)(g γ) (0)= f(γ(0)) dg γ (0)+g(γ(0)) df γ (0)=f(q)D v (g)+g(q)d v (f). Różne wektory styczne definiują różne różniczkowania, co wynika wprost z definicji wektora stycznego. Powstaje teraz pytanie czy każdemu różniczkowaniu możemy przyporządkować wektorstyczny,tznczywektorystycznezadająwszystkieróżniczkowaniaalgebryc (M).Żebysię o tym przekonać będziemy potrzebować lematu o funkcjach znikających w punkcie: Lemat 1(O funkcjach znikających w punkcie). Niech f będzie funkcją gładką na otoczeniu O punktu0 R n.niechtakżef(0)=0.wówczasf(x)=x i g i (x)dlapewnychfunkcjigładkichg i. Dowód:Ustalmyx Oizdefiniujmy F:I R, F(t)=f(0+tx).

OdcinekIjestnatyleduży,żebyzawierać0i1.FunkcjaFjestgładka,gdyżfunkcjafjest gładka, wiadomo także, że F(0) = 0. Zgodnie z podstawowym twierdzeniem rachunku różniczkowego i całkowego F(1)= F (s)ds, F (s)= f. 0 x i(sx)xi Możemy więc napisać równość dla f(x)=f(1)= 0 f 1 ds=x i f g x i(sx)xi 0 x i(sx)ds=xi i (x) f g i (x)= 0 x i(sx)ds. Skorofunkcjafjestgładka,tofunkcjeg i takżesągładkie(twierdzeniaocałkachzparametrem). WracamyterazdodyskusjiróżniczkowańalgebryC (M)względemewaluacjiwpunkcieq. Korzystajączpowyższegolematuorazwspółrzędnychϕ=(x 1,...,x n )wotoczeniuupunktu qtakich,żeϕ(q)=0,funkcjęfwotoczeniupunktuqzapisaćmożemyjako f(y)=f(q)+x i (y)g i (y), y U. Sprawdzaliśmy już, że każde różniczkowanie na funkcjach stałych znika, więc D(f)=D(f(q)+x i g i )=D(x i g i )=D(x i )g(q)+x i (q)d(g i )=D(x i )g i (q) WartośćróżniczkowaniaDnafunkcjif zależywięcodwartościd i =D(x i )nafunkcjach współrzędnościowychorazwartościg i wq.weźmyterazkrzywąγ(t)=ϕ 1 (d 1 t,d 2 t,...,d n t)i sprawdźmy jakiemu różniczkowaniu odpowiada wektor styczny do tej krzywej: = f. x i(q)di Biorącfunkcjęfpostacif(q)+x i g i stwierdzamy,że f (q)=g x i i (q),zatemwektorstyczny do γ odpowiada właśnie różniczkowaniu D. Skonstruowaliśmy zatem wzajemnie jednoznaczną D γ(0) = df γ = df(d1 t,d 2 t,...,d n t) odpowiedniośćmiędzyróżniczkowaniamiawektoramistycznymi.oznaczenie x i nabierazatem sensu.różniczkowaniew kierunkuwspółrzędnej x i przyporządkowujefunkcjifpochodną x i (q),taksamozadziaławektorstycznydokrzywej t (x 1 (q),x 2 (q),...,x i (q)+t,...,x n (q)). Bezpośredni rachunkiem sprawdzamy, że istotnie baz złożona z różniczkowań cząstkowych jest dualna do bazy złożonej z różniczek współrzędnych. Prawdziwy jest więc wzór na ewaluację kowektora α na wektorze v we współrzędnych α i dx i,v j x j =αi v i. 5