Spațiul tangent

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Planul tangent la un punct al unei sfere . Spațiul tangent generalizează acest concept la varietăți de dimensiuni arbitrare.

Spațiul tangent al unui distribuitor este o entitate care permite generalizarea conceptului de plan tangent la o suprafață și extinderea definiției unui vector de la spații afine la orice distribuitor .

Intuitiv, conceptul de spațiu tangent apare în topologia diferențială ca spațiul format de toate direcțiile posibile ale curbelor care trec printr-un punct al unei varietăți diferențiate . Dimensiunea spațiului tangent este egală cu cea a varietății luate în considerare.

Definiția spațiului tangent poate fi generalizată și la structuri precum varietăți algebrice , unde dimensiunea spațiului tangent este cel puțin egală cu cea a varietății. Punctele în care cele două dimensiuni coincid se numesc non-singular , celelalte singular . De exemplu, o curbă împletită are mai multe tangente la nodurile sale.

Spațiile tangente ale unui colector pot fi „lipite” împreună pentru a forma pachetul tangent , un colector nou care este de două ori mai mare decât colectorul original.

Definiție

Există numeroase definiții echivalente pentru spațiul tangent al unei varietăți, care pornesc de la cel mai intuitiv și apropiat de conceptul de plan tangent la o suprafață, pentru a ajunge la cele mai abstracte, care prezintă o generalitate mai mare.

Soiuri scufundate

Spațiul tangent este spațiul tuturor vectorilor tangenți la curbele care trec prin punct.

Este o varietate diferențiată conținută într-un spațiu euclidian . Spațiul tangent la un punct este spațiul format de vectorii tangenți la toate curbele din trecători pentru . Mai formal, este spațiul format de toți vectorii

dupa cum între curbele diferențiate

definit pentru unii , având imagine în si cu . Aici indică tangenta lui , acesta este vectorul derivatelor sale.

Spațiul tangent a este indicat de obicei cu

Definiție prin direcții de curbe

Definiția tocmai dată poate fi extinsă în mod adecvat la o varietate diferențiată abstract, adică definit mai intrinsec ca un spațiu topologic cu hărți în și funcții de tranziție diferențiate , de clasă cu .

Este un punct al soiului e

o carte definită într-o deschidere care contine .

Lasa-i sa fie

două curbe diferențiate, adică astfel încât Și sunt derivabile în 0. Curbele Și se numesc tangente în 0 dacă coincid în 0 și derivatele lor coincid și prin hartă :

Tangenta dintre curbe este o relație de echivalență ; clasele de echivalență se numesc vectori tangenți ai varietății în sens și sunt scrise ca . Setul tuturor vectorilor tangenți nu depinde de carte și se numește spațiu tangent a în sens .

Fiecare vector tangent reprezintă direcția unei curbe care trece prin .

Definiție prin derivări

Este o varietate diferențiată . Setul de funcții infinit diferențiabile de pe este definit de

și are o structură algebrică asociativă reală, cu suma și produsul funcțiilor definite după cum urmează:

A ales un punct în , o derivare în este o funcție liniară

astfel încât pentru fiecare în relația este valabilă (analog regulii Leibnitz )

Mulțimea derivațiilor este un spațiu vectorial numit spațiu tangent și notat cu .

Relația dintre această definiție și cea precedentă este următoarea: o curbă pictogramă tangentă localizați derivarea

Pe de altă parte, fiecare derivare este identificată printr-o curbă adecvată.

Definiție prin spațiu cotangent

Este o varietate Și un punct de . Funcțiile din care anulează constituie un ideal al inelului .

Idealurile Și ele sunt, de asemenea, spații vectoriale și coeficientul lor este spațiul cotangent al în . Dualul acestui spațiu este definit ca spațiul tangent al în .

Această definiție mai abstractă poate fi ușor extinsă la structuri precum soiurile algebrice . Relația cu definiția anterioară este următoarea: dată unei derivări și o funcție în , din regula produsului este ușor de obținut [1] . Urmează apoi că generează în mod natural o funcție liniară din în .

În schimb, o funcție liniară

determină derivarea

Derivată a unei hărți

O aplicație diferențiată (numită și hartă ) între soiuri induce o aplicație liniară între spațiile tangente corespunzătoare:

unde prima definiție este valabilă pentru spațiile tangente definite prin direcția curbelor, a doua pentru spațiile tangente definite prin derivări.

Harta (scris și ca , , , ) se numește harta diferențială sau tangentă [2] a în , și reprezintă cea mai bună aproximare liniară a în jurul . În coordonatele locale determinate de o hartă, derivata lui poate fi reprezentat cu iacobianul său. De sine , definiția dată coincide cu cea obișnuită a diferențialului .

Mai mult, se menține următoarea teoremă, care este o extensie a teoremei funcției inverse între varietăți: dacă este un difeomorfism de varietate locală în acest sens din , apoi diferențialul este un izomorfism între spațiile tangente corespunzătoare. Dimpotrivă, dacă este un izomorfism, există o vecinătate deschisă a din care este cartografiat difeomorf pe .

Aplicații ale spațiilor tangente

Introducerea spațiilor tangente permite definirea multor alte structuri pe varietate; de exemplu, este posibil să se definească câmpuri vectoriale , care reprezintă abstractizarea câmpurilor de viteză ale particulelor care se deplasează pe colector. Prin câmpurile vectoriale este posibil să se asocieze un vector fiecărui punct al varietății, permițând de exemplu definirea ecuațiilor diferențiale pe varietate, ale cărei soluții sunt curbe diferențiate a căror derivată este punct cu punct egală cu vectorul aparținând câmpului vectorial .

Vectorii tangenți ca derivați direcționali

Având în vedere un vector în , derivata direcțională a unei hărți Și:

Harta definită mai sus este o derivare; în plus, se poate arăta că orice derivare a poate fi pus în această formă, pentru care există o corespondență unu-la-unu între derivații și vectori, înțeleasă ca vectori tangenți într-un punct.

Este posibil să extindeți această corespondență la orice varietate: dacă este un vector tangent la o varietate în punctul său , putem defini derivata direcțională în direcția dată de ca

,

unde este Și este direcția curbei .

Notă

  1. ^ Dovadă: de atunci este in , cu și din regula produsului pe care o obținem .
  2. ^ I. Kolář, P. Michor, J. Slovák , p. 8 .

Bibliografie

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 56148
Matematica Portalul de matematică : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de matematică