DifferentialGeometry-FormulaSheet-v1.3
Transcription
DifferentialGeometry-FormulaSheet-v1.3
גיאומטריה דיפרנציאלית :דף נוסחאות 1.5 גרסה ,1.3ינואר 2011 ברק שושני [email protected] | http://baraksh.co.il/ 1 משפט ארבעת הקודקודים קודקוד של עקומה היא נקודה בה לעקמומיות יש מקסימום או מינימום מקומי .הקודקודים מתאימים לנקודות סינגולריות של מרכז העקמומיות ) .c (tלאליפסה יש ארבעה קודקודים בדיוק ,אלא אם היא מעגל. משפט ארבעת הקודקודים :לכל עקומה סגורה ופשוטה יש לפחות ארבעה קודקודים. עקומות במישור 2 עקומה γ : [a, b] → Rnנקראת רגולרית אם הנגזרת שלה γ 0שונה מאפס בכל נקודה ,פשוטה אם היא חד־חד־ערכית )כלומר ,לא חותכת את עצמה( וסגורה אם ).γ (a) = γ (b 1.1אורך של עקומה אורך העקומה γ : [a, b] → Rnניתן על־ידי האינטגרל: ˆ b ≡ )L (γ kγ 0 (t)k dt a פרמטריזציה טבעית kγ 0 (s)k = 1 :לכל .sלמציאת הפרמטריזציה נחשב את האורך ):s (t ˆ t = )s (t kγ 0 (x)k dx a ונהפוך את הפונקציה .איזומטריה היא העתקה F : Rn → Rn המקיימת לכל :p, q ∈ Rn ))d (p, q) = d (F (p) , F (q אם Fחד־חד־ערכית ועל ,ומקיימת ) L (γ) = L (F ◦ γלכל עקומה ,γאז Fאיזומטריה. אם לכל xהיעקוביאן ) JF (xהוא מטריצה אורתוגונלית ,אז F איזומטריה. 1.2עקמומיות של עקומות במישור משיק היחידה לעקומה בעלת פרמטריזציה טבעית הוא ≡ )ˆ (s T ˆ .Tנורמל היחידה לעקומה הוא וקטור ) ,γ 0 (sומתקיים (s) = 1 D E ˆ ˆ N יחידה שמאונך למשיק ,כלומר ˆ = 0 ,N T,ומתקיים (s) = 1 איתו בסיס אורתונורמלי בעל אוריינטציה חיובית ,כלומר והוא יוצר ˆ ˆ .det TNניתן להגדיר את נורמל היחידה גם כך: =1 )Rπ/2 γ 0 (t ))(−γ20 (t) , γ10 (t = 0 kγ (t)k kγ 0 (t)k π 0 0 כאשר Rπ/2היא מטריצת סיבוב בזווית , 2ו־) = (γ1 , γ2 משוואות פרנה הן: ˆ ˆ0 T 0 k T = −k 0 ˆ0 ˆ N N ≡ )ˆ (t N .γ 0 כאשר ) k (sהיא העקמומיות .אם העקומה נתונה בפרמטריזציה טבעית: k = det (γ 0 |γ 00 ) , |k| = kγ 00 k אם העקומה אינה נתונה בפרמטריזציה טבעית: ) det (γ 0 |γ 00 =k 3 kγ 0 k אם נסמן ב־) α (sאת הזווית בין )ˆ (s Tלציר ה־ ,xאז העקמומיות תהיה ).k (s) = α0 (s החלפת האוריינטציה במישור והחלפת סימן הפרמטר הטבעי s 7→ −s משנות את סימנה של העקמומיות ,הזזת הפרמטר s 7→ s + s0לא משנה את העקמומיות. אם לעקומה יש עקמומיות קבועה ,אז היא קו ישר כאשר k (s) ≡ 0 ומעגל מרדיוס 1/Kכאשר .k (s) ≡ K > 0 1.3רדיוס ומרכז עקמומיות ,אינוולוט ואוולוט רדיוס העקמומיות בכל נקודה הוא |).R (t) = 1/ |k (t העקמומיות הוא )ˆ (t .c (t) = γ (t) + R (t) N תהי γ : [a, b] → R2עקומה ,יהיו ] t1 , t2 ∈ [a, bונסמן = )l1 (x ˆ (t1 ) , l2 (x) = γ (t2 ) + xN ) ˆ (t2 .γ (t1 ) + xNאם ) p (t1 , t2היא נקודת החיתוך של הישרים l1 , l2אז: )p (t1 , t2 ) −−−−−→ c (t מרכז t1 ,t2 →t האינוולוט של עקומה ) γ (tמוגדר כך: )γ 0 (t I (t) ≡ γ (t) − s (t) 0 kγ (t)k האוולוט של עקומה ) γ (tהוא עקומה ) E (tשהאינוולוט שלה הוא ) .γ (tהוא מוגדר בפרמטריזציה טבעית כך: 1 E (s) = γ (s) + )n (s )k (s ובפרמטריזציה לא טבעית: 2 0 kγ (t)k E (t) = γ (t) + ))(−γ20 (t) , γ10 (t ))det (γ 0 (t)|γ 00 (t העקומה )ˆ (t מקבילה ל־ γבמרחק sממנה. Γs (t) = γ (t) + sN 0 לעקומה יש נקודות סינגולריות ) ( Γs (t) = 0אם ורק אם ) .s = R (tהנקודות הסינגולריות הן על האוולוט. 1.4עקמומיות כוללת ,אינדקס ליפוף ועקומות קמורות העקמומיות הכוללת של עקומה γ : [0, L] → R2בפרמטר טבעי היא: ˆ L ≡ ktotal k (s) ds 0 אינדקס הליפוף של עקומה סגורה γסביב ראשית הצירים הוא: ˆ L 1 )α (L) − α (0 ≡ )i (γ = k (s) ds 2π 0 2π משפט הופף :לכל עקומה פשוטה וסגורה במישור יש אינדקס ליפוף .±1 עקומה נקראת קמורה אם היא נמצאת בצד אחד בלבד של המשיק בכל נקודה .עקומה פשוטה וסגורה היא קמורה אם ורק אם העקמומיות שלה אינה משנה סימן. לכל עקומה במישור מתקיים: ˆ b k (t) dt ≥ 2π a כאשר שוויון מתקיים אם ורק אם העקומה קמורה. האי־שוויון האיזופרימטרי :תהי γעקומה פשוטה וסגורה בעלת עקמומיות חיובית בכל נקודה .אם Lהוא אורך העקומה ו־ Aהוא השטח החסום ע"י העקומה אז ,L2 ≥ 4πAכאשר שוויון מתקיים אם ורק אם העקומה היא מעגל. 2.1 עקומות במרחב משוואות פרנה ,עקמומיות ופיתול תהי ) γ (sעקומה ˆ T ˆ N ˆ B בפרמטריזציה טבעית .משוואות פרנה הן: 0 ! ˆ T 0 κ 0 N = ˆ0 −κ 0 τ 0 −τ 0 0 ˆ B כאשר κהיא העקמומיות τ ,הוא הפיתול ,משיק היחידה ˆ ≡ γ 0 T הוא וקטור יחידה שמשיק לעקומה ,נורמל היחידה: 00 ˆ0 ˆ ≡ T = γ N ˆ 0 kγ 00 k T הוא וקטור יחידה שמאונך לעקומה ,וקטור הבינורמל: 0 00 ˆ ≡T ˆ ×N ˆ = γ ×γ B 00 kγ k ˆ ˆ ל־ ,Nויוצר איתם בסיס הוא וקטור יחידה שמאונך גם ל־ T וגם ˆ N ˆ B אורתונורמלי חיובי ,כלומר ˆ = 1 .det Tבפרמטריזציה טבעית ,העקמומיות והפיתול הן: ) det (γ 0 |γ 00 |γ 000 κ ≡ kγ 00 k , ≡τ κ2 ובפרמטריזציה כללית: ) det (γ 0 |γ 00 |γ 000 kγ 0 × γ 00 k , ≡τ =κ 3 2 kγ 0 k kγ 0 × γ 00 k ניתן להשתמש בזהות: det (γ 0 |γ 00 |γ 000 ) = h(γ 0 × γ 00 ) , γ 000 i מטריצת גראם ) G (x1 , . . . , xnהיא המטריצה אשר מכילה בשורה ה־ iובעמודה ה־ jאת המכפלה הפנימית .hxi , xj iהדטרמיננטה של מטריצת גראם היא ריבוע נפח המקבילון שנוצר מהווקטורים .x1 , . . . , xnבשלושה מימדים מתקיים: p )|det (a|b|c)| = G (a, b, c עקומה נקראת סליל אם המשיקים לעקומה נמצאים בזווית קבועה עם וקטור כיוון כלשהו ,כלומר hγ 0 (s) , ui = constלכל sעבור וקטור uכלשהו .אם לעקומה ישנן פונקציות עקמומיות ופיתול קבועות ,אז היא בהכרח סליל. המישור המשיק לעקומה γבנקודה s0הוא: }) π (s0 ) = γ (s0 ) + Span {γ 0 (s0 ) , γ 00 (s0 אם κ (s0 ) , τ (s0 ) 6= 0אז ) γ (sעוברת מצד אחד של ) π (s0לצידו השני כאשר .s = s0 אם פונקציית הפיתול τשל עקומה היא קבועה ושווה לאפס ,אז העקומה נמצאת במישור. כאשר משנים את האוריינטציה במרחב ,פונקציית הפיתול מחליפה סימן. זהות שימושית עבור המכפלה הווקטורית היאa × (b × c) = : .b ha, ci − c ha, bi 3 משטחים ,חלק א' 3.1 מערכות קואורדינטות הומאומורפיזם היא העתקה חח"ע ,על ,רציפה ובעלת פונקציה הפוכה רציפה .מפת קואורדינטות x : U → Vהיא העתקה מקבוצה פתוחה U ⊆ Rnלקבוצה פתוחה V ⊆ Rmשהיא דיפאומורפיזם ,כלומר חד־חד־ערכית ,על ,חלקה )גזירה ברציפות אינסוף פעמים( ובעלת פונקציה הפוכה חלקה .ההעתקה היא אימרסיה אם הדיפרנציאל שלה חד־חד־ערכי ,או באופן שקול ,היעקוביאן שלה הוא מטריצה הפיכה. קואורדינטות כדוריות מוגדרות כך: )x (r, θ, φ) = (r sin θ cos φ, r sin θ sin φ, r cos θ p z y −1 = )x (x, y, z x2 + y 2 + z 2 , arccos , arctan r x קואורדינטות גליליות מוגדרות כך: )x (ρ, φ, z) = (ρ cos φ, ρ sin φ, z p y −1 = )x (x, y, z x2 + y 2 , arctan , z x ההטלה הסטריאוגרפית } f : S2 (R) → {z = 0מהספירה ברדיוס R סביב הראשית אל המישור } {z = 0היא: R = )f (x, y, z )(x, y R−z R f −1 (u, v) 2 2Ru, 2Rv, u2 + v 2 − R2 u + v 2 + R2 3.2 התבנית היסודית הראשונה פרמטריזציה של משטח דו־מימדי Mהיא מפת קואורדינטות x : .U ⊆ R2 → M ⊆ R3 המישור המשיק למשטח Mבנקודה ,pאשר יסומן ,Tp Mהוא אוסף הווקטורים המשיקים של כל העקומות שעוברות דרך .pכלומר, אם ) γ (tהיא עקומה המקיימת γ (0) = pאז הווקטור המשיק ) w = γ 0 (pיהיה ב־ .Tp Mהמישור המשיק נפרש ע"י הבסיס } ,{xu , xvכאשר: ∂x ∂x ≡ xu , ≡ xv ∂u ∂v אם f : M → Nהיא העתקה חלקה מהמשטח Mלמשטח ,Nאז הדיפרנציאל של fבנקודה p ∈ Mהוא: dp f : Tp M → Tf (p) N 0 )dp f (w) = dp f (γ 0 (0)) = (f ◦ γ) (0 dp f (w) = Jf w ) nכאשר S2היא ספירת היחידה( מתאימה העתקת גאוס ˆ : M → S2 לכל נקודה p = x (u) ∈ Mעל המשטח Mאת נורמל היחידה למישור המשיק :Tp M )n (p xu × xv n ≡ )ˆ (p ≡ kn (p)k kxu × xv k מטריקת רימן )התבנית היסודית הראשונה( של המשטח היא תבנית בילינארית סימטרית וחיובית ממש ,אשר מוגדרת ביחס לבסיס } {xu , xvשל המרחב המשיק כך: 2 g22 = kxv k , g12 = g21 = hxu , xv i 2 2 g11 = kxu k , kxu k hxu , xv i 2 hxu , xv i kxv k המטריקה מגדירה מכפלה פנימית h·, ·iונורמה k·kעל המרחב המשיק .לפיכך הזווית בין שני וקטורים במרחב המשיק היא: hv, wi θ = arccos kvk kwk והאורך של עקומה על המשטח הוא: ˆ L (γ) = kγ 0 (t)k dt = ) G = (gij אלמנט אורך על המשטח הוא ds2 = g√11 d u2 + 2g12 du dv + ,g22 dv 2ואלמנט שטח על המשטח הוא .dA = det G du dv המטריקה האוקלידית היא המטריקה G = Iכאשר Iמטריצת היחידה. 3.3התבנית היסודית השנייה ואופרטור הצורה ∼ S : Tp M → Tnˆ(p) S2בנקודה pמוגדר אופרטור הצורה = Tp M על וקטור משיק w ∈ Tp Mכך: Sw = −dp n )ˆ (w אופרטור הצורה הוא צמוד לעצמו.hSx, yi = hx, Syi : התבנית היסודית השנייה היא תבנית בילינארית אשר מוגדרת כך: B (x, y) = hSx, yi ביחס לבסיס } {xu , xvשל המרחב המשיק ניתן לייצג אותה באמצעות מטריצה: b11 = hxuu , n ˆ i , b22 = hxvv , n ˆ i , b12 = b21 = hxuv , n ˆi hxuv , n ˆi hxvv , n ˆi hxuu , n ˆi hxuv , n ˆi = ) B = (bij כאשר: ∂2x ∂2x ≡ xvv , = xuv xuu ∂v 2 ∂u∂v בנוסף מתקיים הקשר .S = G−1 B וקטור v ∈ Tp Mיקרא כיוון אסימפטוטי אם .B (v, v) = 0 ∂2x , ≡ ∂u2 3.4 עקמומיות של משטחים ערכי העקמומיות הראשיים k1 , k2הם הערכים העצמיים של אופרטור הצורה ,Sוהכיוונים הראשיים הם הווקטורים העצמיים המתאימים, אשר מאונכים זה לזה .קווי העקמומיות הן עקומות שהווקטורים המשיקים להן הם כיוונים ראשיים .נקודה אמבילית היא נקודה p שערכי העקמומיות הראשיים בה שווים זה לזה. עקמומיות גאוס מוגדרת כך: det B = K ≡ det S = k1 k2 det G העקמומיות הממוצעת מוגדרת כך: 1 1 ) H ≡ tr S = (k1 + k2 2 2 משטח נקרא משטח מינימלי אם H = 0בכל נקודה .אם משטח ב־ R3מקיים H = K = 0בכל נקודה ,אז הוא מישור. כאשר מחליפים אוריינטציה של משטח n־מימדי ,עקמומיות גאוס n מוכפלת ב־ ) (−1והעקמומיות הממוצעת משנה סימן. נתונים שני משטחים x ,ו־ .y = f ◦ xאם fהיא איזומטריה, כלומר f (v) = Av + bכאשר Aמטריצה אורתוגונלית ,אז מתקיים n .Ky = (det A) Kx , Hy = det A · Hxאם fהיא מתיחה ,כלומר 1 ,f (v) = avאז .Ky = a2 Kx , Hy = a1 Hx פסבדו־ספירה מרדיוס Rהיא משטח בעל עקמומיות קבועה ,−1/R2 באנלוגיה לספירה ,שהיא משטח בעל עקמומיות קבועה .1/R2 3.5 משטחי סיבוב משטח הסיבוב של עקומה )) γ (t) = (0, h (t) , g (tסביב ציר ה־z ניתן ע"י הפרמטריזציה )).x (u, v) = (h (u) cos v, h (u) sin v, g (u בפרט ,משטח הסיבוב של פונקציה ) h (uנתון ע"י הפרמטריזציה ) .x (u, v) = (h (u) cos v, h (u) sin v, uהכיוונים הראשיים שלו הם xu , xvוערכי העקמומיות הראשיים הם: h00 1 k1 = − k2 = q 3/2 , 2 2 ) h 1 + (h0 ) 1 + (h0 4 4.1 משטחים ,חלק ב' מקדמי כריסטופל ונגזרות של נורמל היחידה כלל הסכימה :אם אינדקס מופיע במכפלה פעמיים ,פעם אחת כאינדקס עליון ופעם אחת כאינדקס תחתון ,יש לסכום על הביטוי כאשר האינדקס הכפול משמש כאינדקס סכימה .טווח הערכים שאינדקס הסכימה יקבל יקבע לפי מספר המימדים בבעיה. .G = (gרכיבי רכיבי המטריצה Gיסומנו באינדקסים תחתונים ij ) , המטריצה ההופכית G−1יסומנו באינדקסים עליונים.G−1 = g ij , אם Iהיא מטריצת היחידה ,אז מתקיים G−1 G = Iולכן = g ik gkj .δ ij ניתן לרשום את הנגזרות השניות xuu , xuv , xvvכצירוף לינארי של וקטורי הבסיס: xuu = Γ111 xu + Γ211 xv + b11 n ˆ xuv = Γ112 xu + Γ212 xv + b12 n ˆ xvv = Γ122 xu + Γ222 xv + b22 n ˆ או באופן כללי )עבור מספר מימדים כלשהו(: ∂2x ∂x = Γkij k + bij n ˆ ∂ui ∂uj ∂u המקדמים Γkijנקראים מקדמי כריסטופל ,והמקדמים bijהם רכיבי התבנית היסודית השנייה .Bמקדמי כריסטופל הם סימטריים באינדקסים התחתונים.Γkij = Γkji : ניתן לחשב את מקדמי כריסטופל באמצעות מטריקת רימן בצורה הבאה : 1 ∂ ∂ ∂ Γkij = g km gmi + gjm − gij 2 ∂uj ∂ui ∂um גם את נגזרותיו של נורמל היחידה ניתן לבטא כצירוף לינארי של } :{xu , xv n ˆ u = a11 xu + a21 xv n ˆ v = a12 xu + a22 xv כאשר .aij = −g ik bkjבאופן כללי ניתן לרשום )עבור מספר מימדים כלשהו(: ˆ∂ n ∂x = −g ik bkj i ∂uj ∂u 4.2 5.3 את נגזרתו הקווריאנטית של וקטור בסיס בכיוון וקטור בסיס אחר ניתן לפרוש באמצעות הבסיס ,∇ei ej = Γkij ek :כאשר מקדמי כריסטופל Γkijהם פונקציות אשר תלויות רק בנגזרת הקווריאנטית הספציפית .מכאן נקבל: m ∂v = ∇w v + Γmij v j wi em ∂ui 4.7 נוסחאות למקדמי כריסטופל טנזור הפיתול k m טנזור מסדר הוא פונקציה לינארית של kקו־וקטורים ו־m וקטורים .בפרט ,וקטור הוא טנזור מסדר 10וקו־וקטור הוא טנזור k מסדר . 01לטנזור מסדר mיהיו kאינדקסים עליונים ו־m אינדקסים תחתונים. טנזור הפיתול הוא טנזור מסדר 12המוגדר כך: ]T (v, w) = ∇v w − ∇w v − [v, w ורכיביו הם .T kij = Γkij − Γkjiאם טנזור הפיתול מתאפס ,הנגזרת הקווריאנטית היא סימטרית ,כלומר מתקיים לכל .Γkij = Γkji i, j, k במקרה כזה ,עבור וקטורי הבסיס מתקיים .∇ei ej = ∇ej ei אם המטריקה Gאלכסונית ,G = diag (g1 , g2 ) ,אז: 1 ∂g1 1 ∂g1 , Γ211 = − Γ111 = + 2g1 ∂u 2g2 ∂v ∂g 1 1 Γ112 = Γ121 = + 2g1 ∂v 1 ∂g2 Γ212 = Γ221 = + 2g2 ∂u 1 ∂g 1 ∂g2 2 Γ122 = − , Γ222 = + 2g1 ∂u 2g2 ∂v ואם היא סקלרית ,G = gI ,אז: 1 ∂g 1 2 2 Γ 11 = Γ 12 = Γ 21 = + 2g ∂u 1 ∂g Γ222 = Γ112 = Γ121 = + 2g ∂v 1 ∂g 1 ∂g 1 2 Γ 22 = − , Γ 11 = − 2g ∂u 2g ∂v 4.8 קשירויות מיוחדות n יהיו v, wשדות וקטוריים על .Rהקשירות השטוחה )או הנגזרת הקווריאנטית האוקלידית( על Rnמוגדרת בנקודה p ∈ Rnכך: ◦ ∂w 0 ∇v w ≡ dp w (v) = (w ◦ γ) (0) = v i i ∂u כאשר העקומה γמקיימת .γ (0) = p, γ 0 (0) = vהקשירות השטוחה היא נגזרת קווריאנטית בה כל מקדמי כריסטופל מתאפסים, ולכן גם טנזורי הפיתול והעקמומיות )ראו להלן( שלה מתאפסים .ניתן ◦ משוואות גאוס־קודאצי 4.3 טנזור העקמומיות של רימן הוא: ∂ n ∂ n Γ − Γ + Γmij Γnmk − Γmik Γnmj ≡ ∂uk ij ∂uj ik משוואת גאוס היא: ) Rnijk = g nm (bij bmk − bik bmj ומשוואת קודאצי היא: ∂ ∂ bim − bij = bkm Γkij − bkj Γkim j ∂u ∂um את עקמומיות גאוס של משטח דו־מימדי ניתן לחשב בצורה הבאה: 1 ∂ 2 ∂ 2 =K Γ − Γ + g11 ∂v 11 ∂u 12 2 + Γ211 Γ222 + Γ111 Γ212 − Γ112 Γ211 − Γ212 Rnijk אם Gאלכסונית ,G = diag (g1 , g2 ) ,אז: ∂ 1 ∂g2 ∂ 1 ∂g1 1 + √ K=− √ √ 2 g1 g2 ∂u g1 g2 ∂u ∂v g1 g2 ∂v ואם Gסקלרית ,G = gI ,אז: 1 ∂ 2 ln g ∂ 2 ln g + K=− 2g ∂u2 ∂v 2 4.4 שדות וקטוריים ,גרדיאנט ,קווים אינטגרליים וזרמים שדה וקטורי על משטח Mהוא משפחה חלקה של וקטורים ∈ )v (p .Tp M הגרדיאנט grad fשל פונקציה f : M → Rעל המשטח מוגדר לכל w ∈ Tp Mכך: df (w) = hgrad f, wi ∂f i grad f = G−1 df, (grad f ) = g ij j ∂u הגרדיאנט מאונך לקווי הגובה של הפונקציה. העקומה ) γ (tנקראת קו אינטגרלי של שדה וקטורי vאם = )γ 0 (t )) .v (γ (tהזרם של השדה vהוא העתקה ϕt : U → Uהמוגדרת לפי ) ,ϕt (u) = γ u (tכאשר ) γ u (tהוא קו אינטגרלי של vאשר עובר בנקודה uבזמן ,t = 0כלומר .γ u (0) = uמתקיים: 0 ϕ (u) = u, ϕs ◦ ϕt = ϕs+t = ϕt+s = ϕt ◦ ϕs .Sv ≡ −∇v n כעת להגדיר את אופרטור הצורה כךˆ : יהי Mעל־משטח ב־ ) Rn+1כלומר ,משטח בעל nמימדים( .בנוסף תהי p ∈ Mנקודה על המשטח ויהי r ∈ Rn+1וקטור .ההטלה האורתוגונלית ) π p (rשל הווקטור rעל המרחב המשיק Tp M מוגדרת כך: π p (r) = r − hr, n ˆi n ˆ הקשירות המושרית על המשטח היא: ◦ ◦ ∇v w ≡ πp ∇v w = ∇v w − B (v, w) n ˆ היא סימטרית ,ומקדמי כריסטופל שלה זהים לאלה של המשטח. קשירות לוי־צ'יוויטה היא נגזרת קווריאנטית סימטרית המקיימת עבור שדות וקטוריים u, v, wעל משטח :M Lu hv, wi = h∇u v, wi + hv, ∇u wi לפי משפט לוי־צ'יוויטה ,למשטח עם מטריקה Gקיימת קשירות לוי־ צ'יוויטה יחידה ,שהיא הקשירות המושרית על המשטח. 4.9טנזור העקמומיות של רימן העקמומיות של רימן )בו כבר פגשנו בסעיף (4.3הוא טנזור טנזור מסדר 13המוגדר כך: R (u, v) w ≡ ∇u ∇v w − ∇v ∇u w − ∇[u,v] w R (u, v) w = Rnijk uk v j wi en הטנזור הוא אנטי־סימטרי .R (u, v) w = −R (v, u) w :אם טנזור הפיתול Tמתאפס ,כלומר ∇ סימטרית ,אז מתקיימת זהות יעקובי: R (u, v) w + R (w, u) v + R (v, w) u = 0 ואם ∇ היא קשירות לוי־צ'יוויטה אז: hR (u, v) w, zi = − hR (u, v) z, wi hR (u, v) w, zi = hR (w, z) u, vi באמצעות טנזור רימן ניתן להגדיר גם את טנזור ריצ'י: n X = )Ric (v, w) ≡ tr (u 7→ R (u, v) w hR (ei , v) w, ei i i=1 כאשר } {eiבסיס אורתונורמלי ב־ .Tp Mטנזור ריצ'י הוא סימטרי: ) .Ric (v, w) = Ric (w, vבקואורדינטות מתקיים: `(Ric)k` ≡ Rk` = Riik כאשר יש סכימה על האינדקס הכפול .iעקמומיות ריצ'י בכיוון ,v ,kvk = 1היא ).R (v) ≡ Ric (v, v 5 4.5 משטחים ,חלק ג' נגזרת לי וקומוטטור נגזרת לי של הפונקציה f : M → Rלפי השדה הווקטורי v ∈ Tp M מודדת את השינוי של הפונקציה בכיוון .vהיא מוגדרת כך: d ∂f i = )Lv f ≡ f (γ (t)) = df (v v i dt ∂u t=0 כאשר .γ (0) = p, γ 0 (0) = vהנגזרת מקיימת עבור ,a, b ∈ R :f, g : M → R Lav+bw f = aLv f + bLw f Lv (f g) = f Lv g + gLv f כמו כן מתקיים .Lei f = ∂f /∂uj יהיו v, wשדות וקטוריים .הקומוטטור ] [v, wמוגדר כך: L[v,w] = [Lv , Lw ] = Lv Lw − Lw Lv ∂wi j ∂v i j v − w ∂uj ∂uj i = ][v, w הקומוטטור מקיים: [v, w] = − [w, v] , [ei , ej ] = 0 ][au + bv, w] = [au, w] + [bv, w [f v, gw] = f g [v, w] + f (Lv g) w − g (Lw f ) v וכן את זהות יעקובי.[u, [v, w]] + [w, [u, v]] + [v, [w, u]] = 0 : יהיו v (u) = Au, w (u) = Buשדות וקטוריים ,כאשר A, B מטריצות קבועות .אז הקומוטטור הוא: [v, w] (u) = (BA − AB) u = [B, A] u 4.6 נגזרת קווריאנטית נגזרת קווריאנטית ∇u vהיא העתקה חלקה המקיימת עבור שדות וקטוריים u, v, wופונקציה fאת התכונות הבאות: לינאריות מעל Rביחס לפרמטר העליון והתחתון: ∇u (av + bw) = a∇u v + b∇u w ∇(av+bw) u = a∇v u + b∇w u התנהגות טנזורית ביחס לפרמטר התחתון ,∇f u v = f ∇u v :וכלל לייבניץ ביחס לפרמטר העליון: ∇u (f v) = f ∇u v + (Lu f ) v 5.1 דיברגנץ ואופרטור לפלס־בלטרמי תהי Gמטריקת רימן ונסמן .g ≡ det G כריסטופל היא: √ ∂ 1 i √ = Γ ij g g ∂uj הדיברגנץ של שדה וקטורי vמוגדר כך) :האינדקס jמופיע פעמיים ולכן יש סכימה על (j 1 ∂ √ j √ = )div v ≡ tr (u 7→ ∇u v gv g ∂uj אופרטור לפלס־בלטרמי של פונקציה fמוגדר כך) :כאן יש סכימה על (i, j ∂ 1 √ ij ∂f gg √ = ) ∆f ≡ div (grad f g ∂uj ∂ui העקבה של מקדמי 5.2 עקמומיות חתך יהי Mמשטח עם קשירות לוי־צ'יוויטה ∇ ,תהי p ∈ Mנקודה על המשטח ויהי σתת־מרחב דו־מימדי של Tp Mהנפרש ע"י הווקטורים המשיקים .u, vעקמומיות החתך של σבנקודה pמוגדרת כך: hR (u, v) v, ui ≡ Kσ 2 2 2 kuk kvk − hu, vi יהי M ⊆ Rn+1על־משטח n־מימדי ויהיו u, v, w, z ⊆ Rn+1 וקטורים משיקים ל־ .Mאז מתקיים: )hR (u, v) w, zi = B (v, w) B (u, z) − B (u, w) B (v, z 2 )B (u, u) B (v, v) − B (u, v 2 2 2 ≡ Kσ kuk kvk − hu, vi בפרט ,עבור משטח דו־מימדי ;Kσ = Kאם } {e1 , . . . , enבסיס אורתונורמלי של Tp Mהמורכב מווקטורים עצמיים של אופרטור הצורה ,Sו־ ei , ejהם הווקטורים העצמיים המתאימים לערכים העצמיים ,λi , λjאז Kσ = λi λjכאשר } ;σ = Span {ei , ejועל ספירת היחידה ,Snאופרטור הצורה הוא אופרטור הזהות ולכן כל עקמומיות חתך שווה ל־.1 העברה במקביל השדה הווקטורי vנקרא שדה מקביל לאורך γאם מתקיים = ∇γ˙ v .0משוואה זו שקולה למערכת המשוואות: m m i j v˙ + Γ ij γ˙ v = 0, m = 1, . . . , n או בצורה קומפקטית יותר v˙ + Av = 0 ,כאשר Aהיא מטריצה המקיימת ) .Amj = Γmij γ˙ iכל הנקודות מסמלות גזירה לפי הפרמטר tשל העקומה .(γנסמן ב־} {E1 , . . . , Enאת השדות המקבילים בעלי תנאי ההתחלה: Ei (γ (0)) = ei , i = 1, . . . , n אז כאשר } {e1 , . . . , enהוא בסיס של המרחב המשיק. } {E1 , . . . , Enהוא בסיס של מרחב השדות המקבילים לאורך העקומה ,γולכל שדה מקביל vניתן לרשום .v = v i Eiהשדה vהוא שדה מקביל אם ורק אם כל אחת מהקואורדינטות v iהיא קבועה .בנוסף ,אם v, w v, wהם שני שדות מקבילים ו־∇ היא קשירות לוי־צ'יוויטה אז hv, wiו־ kvkהם קבועים לאורך העקומה. נגדיר העתקה לינארית: t t Pa : Tγ(a) M → Tγ(t) M, ))Pa v (γ (a)) = v (γ (t ההעתקה היא איזומורפיזם בין המרחבים המשיקים בנקודות שונות על העקומה ,ומתקיים .Psa = Pst ◦ Pta ,Paa = I :אם ∇ היא קשירות לוי־צ'יוויטה ,אז Pהיא גם איזומטריה. 5.4קווים גיאודזיים עקומה γנקראת קו גיאודזי אם בפרמטריזציה טבעית מתקיים .∇γ˙ γ˙ = 0משוואה זו שקולה למערכת המשוואות: γ¨ m + Γmij γ˙ i γ˙ j = 0, m = 1, . . . , n ממשפט הקיום והיחידות ,לכל תנאי התחלה ) γ (0) , γ˙ (0קיים קו גיאודזי יחיד שמקיים אותו. אם ∇ היא קשירות לוי־צ'יוויטה של מטריקה Gכלשהי אז ההעברה במקביל היא איזומטריה ,ולכן עבור קו גיאודזי מתקיים = ˙ kγk .const אם γהיא קו גיאודזי על תחום דו־מימדי ו־ vהוא שדה מקביל לאורך ,γאז הזווית ) α (tבין γו־ vהיא קבועה והגודל kvkהוא קבוע. עקומה γעם עקמומיות שונה מאפס על משטח היא גיאודזית אם ורק אם הנורמל לעקומה מקביל לנורמל למשטח בכל נקודה .עקומה עם עקמומיות אפס היא תמיד גיאודזית. אם ) γ (tהיא קו גיאודזי אז גם ) γ (at + bהיא קו גיאודזי. נשים לב כי עבור קשירות שטוחה משוואת הקווים הגיאודזיים היא ◦ ¨ = 0 .∇γ˙ γ˙ = γמכאן γ (t) = at + bכאשר ) a = γ˙ (0ו־ ) .b = γ (0כל הקווים הגיאודזיים ב־ Rnהם קווים ישרים .בנוסף, על הספירה ,Sn ⊆ Rn+1הקווים הגיאודזיים הם המעגלים הגדולים. העקמומיות הגיאודזית של עקומה בפרמטריזציה טבעית היא = κg ˙ ,k∇γ˙ γkוהיא מתאפסת אם העקומה היא גיאודזית. 5.5 משוואות אוילר־לגראנג' נניח כי ∇ היא קשירות לוי־צ'יוויטה של מטריקה .G q ≡ q 1 , . . . , q nונגדיר את הלגראנג'יאן: 1 1 ˙ 2 = gij (q) q˙i q˙j ˙ ≡ kqk )L (q, q 2 2 בנוסף נגדיר את הפעולה )זהו פונקציונל אשר מקבל פונקציה q ומחזיר ערך ממשי(: ˆ b ˙ dt ≡ ]S [q )L (q, q נסמן a הפעולה מקבלת ערך קיצון עבור qהמקיים את משוואות אוילר־ לגראנג': d ∂L ∂L − i = 0, i = 1, . . . , n dt ∂ q˙i ∂q עבור הלגראנג'יאן שהגדרנו לעיל ,משוואות אלה שקולות למשוואות של קו גיאודזי. נוסחת קלרו :על משטח סיבוב המוגדר לפי ) z = g (uו־)r = h (u מתקיים עבור קו גיאודזי γהקשר ,r cos α = constכאשר αהיא הזווית בין ˙ γלבין קו הרוחב .u = const 5.6קואורדינטות חצי־גיאודזיות בשני מימדים ,נבנה קואורדינטות כך שהמטריקה תהיה: 2 g 0 2 2 2 2 ds = g (t, x) dt + dx , =G 0 1 יהי ) γ (tקו גיאודזי בפרמטריזציה טבעית ,kγ˙ (t)k = 1 ,ויהי ) β (t, xקו גיאודזי המתחיל בנקודה ) γ (tבכיוון וקטור ) w (tכך ∂ ∂ e1 = ∂tו־ ש־) w (t) ⊥γ˙ (tו־ .kw (t)k = 1נסמן .e2 = ∂xאז ניתן להראות כי מתקיים: gx 1 2 2 Γ 22 = Γ 22 = Γ 12 = 0, = Γ112 g gxx he1 , e2 i = 0, K = − , g (t, 0) = 1, gx (t, 0) = 0 g אם העקמומיות היא קבועה K = 0 ,K = +1 ,או ,K = −1אז המשטח איזומטרי לספירה ,למישור או למישור לובצ'בסקי בהתאמה. )מישור לובצ'בסקי הוא חצי המישור העליון עם המטריקה = ds2 .( dx2 + dy 2 /y 2 5.7 משפט גאוס־בונה יהי Mמשטח דו־מימדי .מאפיין אוילר של המשטח הוא: χ (M ) = V − E + F = 2 − 2g כאשר Vהוא מספר הקודקודים E ,הוא מספר הצלעות F ,הוא מספר הפאות ו־ gהוא הגנוס ,כלומר מספר ה"ידיות" או ה"חורים". לפי משפט גאוס־בונה מתקיים: ¨ ) K dσ = 2πχ (M M כאשר Kהיא עקמומיות גאוס של Mו־ dσהוא אלמנט שטח של M )לפי מטריקת רימן( .להוכחת המשפט מחלקים את Mלמשולשים קטנים כך שכל משולש נכנס למפה אחת של קואורדינטות חצי־ גיאודזיות ,ומשתמשים בשוויון: ¨ ˆ K dσ + κg ds + α1 + α2 + α3 = 2π γ ∆ כאשר ∆ הוא משולש γ ,היא שפת המשולש K ,היא עקמומיות גאוס κg ,היא העקמומיות הגיאודזית של γו־ α1 , α2 , α3הן הזוויות החיצוניות של המשולש )הזווית החיצונית לזווית βiשל המשולש היא .(αi = π − β1 עבור משולש גיאודזי ∆ על המשטח ,בעל שטח )∆( ,Aאם עקמומיות גאוס היא ) K = +1ספירה( אז מתקיים )∆( ,β1 +β2 +β3 = π +A ואם K = −1אז )∆( .β1 + β2 + β3 = π − A משפט גרין: ˆ ¨ ∂Q ∂P dx dy = )(P dx + Q dy − ∂x ∂y γ Ω