Geometria rozniczkowa - A.Panasyuk.pdf

(1422 KB) Pobierz
Geometriaró»niczkowa
AndriyPanasyuk
Wykład1:Poj¦ciepowierzchnigładkiej
n ;y = (y 1 ;:::;y m ) 2R
m .
Oznaczenia: x = (x 1 ;:::;x n ) 2R
n : jest to podzbiór U R
n o tej własno±ci, »e wraz z ka»dym punktem x 2 U
Zbiór otwarty U R
zawiera te» pewn¡ otwart¡ kul¦ K 3 x.
Odwzorowanie gładkie f :R
n U !R
m : Jest to odwzorowanie odwzorowuj¡ce punkt x 2R
n
w punkt y 2R m zadawane przez m funkcji od n zmiennych
y 1 = f 1 (x 1 ;:::;x n );
:::;
y m = f m (x 1 ;:::;x n )
okre±lonych na U, o tej własno±ci, »e w ka»dym punkcie x 0
= (x 1 ;:::;x n ) 2 U istniej¡ wszystkie
pochodne cz¡stkowe @f i
@x j (x 0 ) = lim x j !0 (f i (:::;x j + x j ;:::)=x j );i = 1;:::;m;j = 1;:::;n. Z
reguły b¦dziemy wymaga¢ te», »eby te pochodne cz¡stkowe były funkcjami ci¡głymi. W szczególno±ci,
tak b¦dzie, je±li dla funkcji f i istniej¡ pochodne cz¡stkowe drugiego rz¦du
@f i
@x j @x k .
Wykres f odwzorowania f :R n U !R m : jest to zbiór f = f(x;f(x)) j x 2 UgR n R m .
Inaczej f = f(x;y) 2R
m j x 2 U;y = f(x)g.
Przykłady:Wykresy funkcji jednej i 2 zmiennych:
n R
l zadana
przez równania x a 1 = 0;:::;x a lk = 0 dla pewnego podzbioru A = fa 1 ;:::;a lk gf1;:::;lg.
Przykładypłaszczyznwspółrz¦dno±ciowych:
k
l : Jest to płaszczyzna wR
Wspólrz¦dzno±ciowa płaszczyzna k-wymiarowaR
A R
R
A R
2 : A = f1gf1; 2g
A = f2gf1; 2g
1
1134307771.017.png 1134307771.018.png 1134307771.019.png 1134307771.020.png
 
R
A R
3 : A = f1gf1; 2; 3g
A = f2gf1; 2; 3g
A R
3 : A = f1; 2gf1; 2; 3g
R
A = f2; 3gf1; 2; 3g
A , gdzie A = f1;:::;lgnA.
(Gładka) k-wymiarowa powierzchnia S wR l : Jest to podzbiór S R l , który lokalnie jest
wykresem odwzorowania gładkiego zR
lk
l =R
A R
Uwaga:Wybór podzbioru A f1;:::;lg zadaje rozkładR
lk . Dokładniej ostatnie zdanie oznacza, »e dla ka»dego
x 2 S istniej¡: 1) podzbiór A x f1;:::;lg; 2) zbiór otwarty U x R
k wR
k
l ; 3) odwzorowanie gładkie
A R
lk
A
f x : U x !R
l ; takie, »e S \O x = f x .
Przykład:Niech S = f(x 1 ;x 2 ) j (x 1 ) 2 + (x 2 ) 2 = 1gR
; 4) zbiór otwarty O x R
2 b¦dzie okr¦giem jednostkowym. Wtedy S
jest powierzchni¡ 1-wymiarow¡, bo dla x 2 O x = f(x 1 ;x 2 ) j x 2 > 0g mo»emy wzi¡¢ A x = f2g;U x =
(1; 1);f x (x 1 ) = p 1 (x 1 ) 2
, dla x 2 O x = f(x 1 ;x 2 ) j x 2 < 0g mo»emy wzi¡¢ A x =
f2g;U x = (1; 1);f x (x 1 ) = p 1 (x 1 ) 2
, dla x 2 O x = f(x 1 ;x 2 ) j x 1 > 0g mo»emy
wzi¡¢ A x = f1g;U x = (1; 1);f x (x 2 ) = p 1 (x 2 ) 2
, dla x 2 O x = f(x 1 ;x 2 ) j x 1 < 0g
mo»emy wzi¡¢ A x = f1g;U x = (1; 1);f x (x 2 ) = p 1 (x 2 ) 2 .
Innyprzykład: Zadajmy S R 2 jako obraz odwzorowaniaR!R 2 ;t 7! (t 2 ;t 3 ). Wtedy S n
f(0; 0)g jest powierzchni¡ 1-wymiarow¡: mo»na j¡ przedstawi¢ jako wykres odwzorowaniaRnf0g3
x 2 7! (x 2 ) 2=3
. Zauwa»my, »e to odwzorowanie nie jest gładkie w zerze: (x 2=3 ) 0 (0) =
2
1134307771.001.png 1134307771.002.png 1134307771.003.png 1134307771.004.png 1134307771.005.png 1134307771.006.png 1134307771.007.png 1134307771.008.png 1134307771.009.png 1134307771.010.png 1134307771.011.png 1134307771.012.png
 
(2=3)x 1=3 j 0 = 1, czyli całe S nie koniecznie jest powierzchni¡ gładk¡. I rzeczywi±cie, istnienie
„dziubka” w zerze „przemawia” za tym, »e ona gładka w zerze nie jest.
Uwaga: Rozwa»my krzyw¡ S = f(x 1 ;x 2 ) j x 2 = x 1= 1 g. Jest ona wykresem funkcji f(x 1 ) = x 1= 1 ,
która nie jest gładk¡ w zerze ((x 1= 1 ) 0 (0) = (1=3)x 2=3 j 0 = 1). Niemniej jednak, S jest powierzchni¡
gładk¡, bo mo»e te» by¢ przedstawiona w postaci f(x 1 ;x 2 ) j x 1 = x 2 g, czyli jest wykresem funkcji
gładkiej f(x 2 ) = x 2 . Dlatego, »eby na pewno stwierdzi¢, »e krzywa z ostatniego przykładu nie jest
gładka w zerze (czyli, »e nie istnieje takiej funkcji gładkiej, której wykresem ona jest) potrzebne jest
dodatkowe jej badanie.
3
Wykład2:Sposobyokre±laniapowierzchnigładkich
Dwa sposoby zadawania powierzchni wR
l : Przykłady z poprzedniego wykładu sugeruj¡ nast¦pu-
j¡ce sposoby zadawania powierzchni:
l spełniaj¡cych równa-
nia F 1 (x) = 0;:::;F lk (x) = 0 dla pewnych funkcji F 1 ;:::;F lk :R
l zadaje si¦ jako zbiór punktów x 2R
I (poprzez równania) S R
l !R(w pierwszym
przykładzie mamy jedn¡ funkcj¦ F(x 1 ;x 2 ) = x 1 + x 2 1). Inaczej mówi¡c S jest poziomic¡
zerow¡ F 1 (0) pewnego odwzorowania F :R l !R lk .
II (poprzez parametryzacj¦) S R
l zadaje si¦ jako obraz pewnego odwzorowania p :R
k !R
l
(w drugim przykładzie jest to odwzorowanie t 7! (t 2 ;t 3 )). Współrz¦dne wR
k s¡ zwane te»
parametrami powierzchni S.
Wa»ne pytanie: Jakie warunki trzeba nało»y¢ na odwzorowanie F (przy I sposobie) oraz na p (przy
drugim), »eby S było powier»chni¡ gładk¡. Okazuj¦ si¦, »e samej gładko±ci F (lub p) nie wystarcza.
Istotnie, odwzorowanie t 7! (t 2 ;t 3 ) jest gładkie (pochodne (t 2 ) 0 oraz (t 3 ) 0 istniej¡ wsz¦dzie, nawet w
zerze), ale okre±lana przez nie powierzchnia nie.
Oznaczenia: Niech F :R
l U !R
lk b¦dzie odwzorowaniem gładkim zadawanym przez funkcje
F 1 (x 1 ;:::;x l );
:::;
F lk (x 1 ;:::;x l );
oraz niech A = fa 1 ;:::;a lk gf1;:::;lg. Oznaczmy przez D A (F;x) macierz kwadratow¡
2
3
@F 1 (x)
@F 1 (x)
@x a lk
@x a 1 :::
4
5 ;
:::
@F lk (x)
@F lk (x)
@x a lk
@x a 1 :::
a przez jD A (F;x)j jej wyznacznik. Ostatni b¦dziemy nazywa¢ „jakobianem cz¡stkowym”.
Teraz, z kolei, niech p :R
k U !R
l , gdzie k < l, b¦dzie odwzorowaniem gładkim zadanym praz
funkcje
p 1 (x 1 ;:::;x k );
:::;
p l (x 1 ;:::;x k );
a A = fa 1 ;:::;a k g f1;:::;lg. W takiej sytuacji jakobianem cz¡stkowym jD A (p;x)j b¦dziemy
nazywa¢ wyznacznik macierzy kwadratowej
2
3
@p a 1 (x)
@p a 1 (x)
@x k
@x 1 :::
4
5 :
D A (p;x) =
:::
@p a k (x)
@p a k (x)
@x k
@x 1 :::
Twierdzenie I: Niech F :R l U !R lk b¦dzie odwzorowaniem gładkim oraz niech x 0 2 U b¦dzie
wybrany punktem, a y 0 = F(x 0 ) 2R
lk jego obrazem. Załó»my, »e istnieje takie A = fa 1 ;:::;a lk g
f1;:::;lg, dla którego
jD A (F;x 0 )j6= 0:
4
Wtedy zbiór S = fx 2R
l j F(x) = y 0 g jest gładk¡ powierzchni¡ k-wymiarow¡ w otoczeniu punktu
x 0 .
Dowód tego twierdzenia wynika ze znanego z analizy twierdzenia o funkcji uwikłanej. Mianowicie, to
twierdzenie mówi, »e je±li jD A (F;x 0 )j6= 0, to S w otoczeniu x 0 jest wykresem pewnego odwzorowania
gładkiego f :R
lk
A .
Przykład: Niech S = f(x 1 ;x 2 ) j (x 1 ) 2 + (x 2 ) 2
A !R
= 1g R
2 , wtedy F(x 1 ;x 2 ) = x 1 + x 2 ;y 0
= 1.
Dla x 0
= (x 1 ;x 2 ) 2 S \O;O = f(x 1 ;x 2 ) j x 2 6= 0g, mo»emy wzi¡¢ A = f2g i mamy jD A (F;x 0 )j =
@x 2 (x 0 ) = 2x 2 6= 0. Dla x 0 2 S \ O;O = f(x 1 ;x 2 ) j x 1 6= 0g, mo»emy wzi¡¢ A = f1g i mamy
jD A (F;x 0 )j = @F
@F
@x 1 (x 0 ) = 2x 1 6= 0.
Innyprzykład: Krzyw¡, któr¡ zadawali±my jako obraz odwzorowania t 7! (t 2 ;t 3 ) mo»emy te»
okre±li¢ jako S = f(x 1 ;x 2 ) j x 1 x 2 = 0g. Tutaj F(x 1 ;x 2 ) = x 1 x 2 , gradient tej funkcji gradF =
( @F
@x 2 ) = (3x 1 ;2x 2 ) znika w punkcie (0; 0). Dlatego nie znajdzie si¦ takiego A f1; 2g, »e
odpowiedni jakobian cz¡stkowy jD A (F; (0; 0))j6= 0. W konsekwencji, krzywa S jest gładk¡ wsz¦dzie
poza punktem (0; 0).
Jeszczeinnyprzykład: Niech S = f(x 1 ;x 2 ;x 3 ) j x 1 + x 2 x 3 = 0;x 3 = cg. Wtedy
F 1 (x 1 ;x 2 ;x 3 ) = x 1 + x 2 x 3 ;F 2 (x 1 ;x 2 ;x 3 ) = x 3 ;y 0 = (0;c). Macierz Jakobiego tego odwzorowania
ma posta¢
@x 1 ; @F
" @F 1 (x)
@x 1
#
2x 1 2x 2 1
0
@F 1 (x)
@x 2
@F 1 (x)
@x 3
=
;
@F 2 (x)
@x 1
@F 2 (x)
@x 2
@F 2 (x)
@x 3
0
1
= 0 dla A = f1; 2g f1; 2; 3g,
2x 1 2x 2
0
a cz¡stkowe jakobiany s¡ postaci: jD A (F;x)j =
0
= 2x 2
dla A = f2; 3g f1; 2; 3g. Oznacza to, »e w otoczeniu punktów x 2 S;x 6= (0; 0) zbiór S jest
powierzchni¡ gładk¡, natomiast w punkcie (0; 0) (który nale»y do S przy c = 0) nie koniecznie.
Istotnie, S jest przeci¦ciem powierzchni siodłowej f(x 1 ;x 2 ;x 3 ) j x 1 + x 2 x 3 = 0g z płaszczyzn¡
poziom¡ f(x 1 ;x 2 ;x 3 ) j x 3 = cg. Dla c 6= 0 powierzchnia S jest hiperbol¡ fx 1 + x 2 = cg le»¡c¡
w płaszczy¹nie x 3 = c, natomiast dla c = 0 hiperbola ta degeneruje si¦ w sum¦ dwóch prostych
fx 1 = x 2 g.
= 2x 1 dla A = f1; 3gf1; 2; 3g oraz jD A (F;x)j =
2x 1 1
0
2x 2 1
0
jD A (F;x)j =
1
1
Przykład:Niech S = f(x 1 ;x 2 ) j x 1 + sin x 1 = x 2 + cos x 2 g. Zauwa»my, »e jest trudnym pokazanie
wprost, »e S jest powierzchni¡ gładk¡ (jak wyrazimy x 1 przez x 2 lub x 2 przez x 1 ?). Twierdzenie I,
natomiast daje nast¦puj¡c¡ odpowied¹: F(x) = x 1 + sin x 1 x 2 cos x 2 ; gradF = (1 + cos x 1 ;1 +
sin x 2 ). Gradient jest równy (0; 0) wtedy i tylko wtedy, gdy cos x 1 = 1; sin x 2 = 1 czyli x 1 =
+ 2N;x 2 = =2 + 2L;N;L 2Z. Łatwo sprawdzi¢, »e »aden z takich punktów (x 1 ;x 2 ) nie nale»y
do S. St¡d S jest powierzchni¡ gładk¡.
5
1134307771.013.png 1134307771.014.png 1134307771.015.png 1134307771.016.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin