Differential Geometry [1]
- Differential Geometry [1]
- Directional Derivatives
- 1-forms
-
- 1 form
- Definition 5.1 : Defionition of 1-form
- Definition 5.2 : Expression of 1-form
- Remind for 1-form
- Example of 1-form
- Corollary 1.5.5 (Property of )
- Lemma 1.5.7 : 합성함수의 Differential Form
- Differential Forms
- Computation of Wedge Product
- Lemma : Differential Form의 순서
- Definition : The exterior derivatives
- Theorem : Linear Property of exterior derivatives
- Covariant Derivatives
-
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 는 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
- 는 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 를 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 Association 과 Distribution 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.