Differential Geometry [1]






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Differential Geometry [1]

Directional Derivatives

Definition 3.1

Let be a differential real-valued function on and let be a tangent vector to .
Then the number

is called the derivative of with respect to .

is a directional derivative
Alternative form :
Another form (see 1 Form):

Lemma 3.2

If is a tangent vector to , then

proof of Lemma 3.2
Let then

we use the chain rule to compute the derivative at of the function

Since


We obtain

Lemma 1.4.6

Let be a curve in and let be a differentiable function on . Then

생각해 보면 단순 Parameter curve 가 시간에 대한 변화율을 가지므로, 그럼 스칼라는 미분에 의해 벡터가 된다. 즉, 이 벡터에 대한 위의 Directional Derivative가 된다. 그럼 대신 가 된다.
점 p 대신 로 치환되는 것

따라서,

By definition, is the rate of change of along the line through in the direction.

1-forms

The differential of the

이는 마치 이렇게 보인다.

1 form


* 즉, Tangent Space를 스칼라로 보내는 함수
* 살펴보면 Tangent vector 에 의해 Directional Derivative라는 Scalar 값이 된다. 그렇다면, 를 보다 강조하여 이것을 Differential 1-form 이라고 할 수 있겠다.

If , and then is 1 form such that

Definition 5.1 : Defionition of 1-form

A 1-form on is a real-valued function on the set of all tangent vectors on such that is linear at each point, that is

for any number and tangent vectors at the same point of .

Definition 5.2 : Expression of 1-form

For , the differential of is the 1-form such that

Remind for 1-form

  • 의 모든 방향으로의 의 변화율, 즉,
  • 다음 방정식은 모두 같은 것이다.

Example of 1-form

  • Differential of Elemental cooridinate
  • Differential of Linear combination with 1-form
    when

Corollary 1.5.5 (Property of )


* 만일, 위에서 로 정의하면

따라서
* Tangent vector 은 Example of 1-form에 따라서 다음과 같이 이루어진 것으로 본다.

Lemma 1.5.7 : 합성함수의 Differential Form

For and ,

proof
Simple Chain Rule :

Thus,

Differential Forms

Differential forms 는 AssociationDistribution 이 성립되므로 Group 이다. 그러나 Commutative는 성립하지 않으므로 Ring 혹은 field는 성립하지 못한다.

Computation of Wedge Product

  • For

    다시말해 Orthogonal Coordinate 간의 wedge Product 이다. 이는 좌표축의 넓이 라는 측면에서 당연하다.

  • For ,

Lemma : Differential Form의 순서

If are 1-forms then

* Proof*:
Let and , then

Definition : The exterior derivatives

if is a 1-form on , the exterior derivative of is the 2-form such that

* Meaning if the exteriro derivatives*
Let , then

* 생각해보면 만일 3차원이라고 하면 – 값을 가진 Component는 나올 수 없으며 + 의 값을 가진 2개의 Component는 나올 수 있다. 이는 Covariant Derivatives 에서 확실히 보이도록 한다.

Theorem : Linear Property of exterior derivatives

Let be functions and be 1-forms on .

* proof *
처음 두 방정식은 자명하므로 증명에서 뺀다.
요는 마지막 방정식의 경우 의 영향으로 + 가 아닌 – 가 나타난다는 사실이다.
쉽게 생각하면 첫번째 미문은 첫항에 작용하므로 부호가 변하지 않지만, 두번째 Exterior Derivative는 두번째항에 적용되기 때문에 부호가 (-)가 된다는 의미이다. 이를 증명한다.

Let and then



따라서,
이는 앞에서 + 의 값을 가진 2개의 Component가 나오게 하기 위하여 두번째 항에 대한 Exterior Derivative 가 (-)가 되는 것이다.

Covariant Derivatives

Definition : Covariant Derivatives

Let be a vector field on , and let be a tangent vector field to at the point . Then the * covariant derivative * of with respect to is the tangent vector

measures * the initial rate of changes * of * as p moves in the direction *.

Lemma : Computation of Covariant Derivative

If is a vector field on and is a tangent vector at , then

* proof of Lemma*

By definition

By definition of the lemma is proved (Q.E.D)

It means that

Linearity of Covariant Derivative

Note : Basic Identify of

Example : Covariant of Vector Field

* Solution*
를 구하기 위해 먼저 를 구해야 한다.



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