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gtd(scheda): derivata covariante e trasporto parallelo
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scrivono in funzione degli $\vec{x_k} \cdot \vec{x_{ij}}$ tramite
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la I forma fondamentale.
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\item I $\vec{x_k} \cdot \vec{x_{ij}}$ si scrivono utilizzando le derivate
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di $E$, $F$ e $G$, e quindi anche i simboli di Christoffel.
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di $E$, $F$ e $G$, e quindi i simboli di Christoffel si scrivono
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in termini di $E$, $F$, $G$ e derivate.
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\item Il termine $\ell d - m b$, dove $b$ e $d$ sono gli elementi della
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seconda riga della II forma fondamentale, si scrive come $E \cdot \kappa$.
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\item Sviluppando $\vec{x_{uuv}}$ e $\vec{x_{uvu}}$ e applicando il teorema
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di Schwarz, si ottiene un'espressione di $\ell d - m b$ in termini dei
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simboli di Christoffel.
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\item Allora $\ell d - m b$ si scrive in termini di $E$, $F$ e $G$ per (ii.) e (iv.),
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\item Allora $\ell d - m b$ si scrive in termini di $E$, $F$ e $G$ e le loro derivate
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per (ii.) e (iv.),
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e così anche $\kappa$ per (iii.).
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\end{enumerate}
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\end{proof}
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@@ -613,4 +615,117 @@
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\begin{corollary}
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Un piano e la sfera \underline{non} sono localmente isometrici.
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\end{corollary}
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\section{Trasporto parallelo e geodetiche}
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\subsection{Campi vettoriali e derivata covariante}
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\begin{definition}[Campo vettoriale (tangente)]
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Sia $\Sigma$ una superficie. Un \textbf{campo vettoriale} (tangente) su $\Sigma$
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è una mappa liscia $X : \Sigma \to \RR^3$ tale per cui
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$X(P) \in T_P \Sigma$ per ogni $P \in \Sigma$.
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\end{definition}
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\begin{definition}[Derivata covariante]
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Sia $X$ un campo vettoriale di $\Sigma$. Si definisce allora
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la sua \textbf{derivata covariante} in direzione $v$ su un punto $P$ come:
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\[
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\boxed{\nabla_v X(P) \defeq (D_v X(P))^\top \defeq \pi_{T_P \Sigma}(D_v X(P)).}
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\]
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\end{definition}
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\begin{remark}
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In realtà, per definire la derivata covariante di $X$ in direzione $v$ è sufficiente
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che $X$ sia definita lungo una curva $\alpha$ passante per $P$ con velocità
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$v$.
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\end{remark}
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\subsection{Campi paralleli lungo una curva e proprietà del trasporto parallelo}
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\begin{definition}[Campo parallelo]
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Un campo vettoriale (tangente) $X$ su $\Sigma$ si dice \textbf{parallelo lungo
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una curva $\alpha : I \to \Sigma$} se:
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\[
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\boxed{\nabla_{\alpha'(t)} X(\alpha(t)) = 0, \quad \forall t \in I.}
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\]
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\end{definition}
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\begin{remark}
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Sia $X$ un campo vettoriale e sia $\alpha$ una curva su $\Sigma$. Poiché
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$X$ è una mappa liscia sulla superficie $\Sigma$, $X \circ \alpha$
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si scrive come:
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\[
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X(\alpha(t)) = a(t) \vec{x_u}(\alpha(t)) + b(t) \vec{x_v}(\alpha(t)).
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\]
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Dunque, usando la definizione di campo parallelo, $X$ è parallelo lungo $\alpha$ se
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e solo se soddisfa il seguente sistema, detto \textbf{sistema delle equazioni del
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trasporto parallelo}:
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\begin{equation*} \label{eq:TP}
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\boxed{\textnormal{(TP): } \begin{cases}
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a' + a (\Gamma_{uu}^u u' + \Gamma_{uv}^u v') + b(\Gamma_{vv}^u v' + \Gamma_{uv}^u u') = 0, \\
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b' + a (\Gamma_{uu}^v u' + \Gamma_{uv}^v v') + b(\Gamma_{vv}^v v' + \Gamma_{uv}^v u') = 0,
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\end{cases}}
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\end{equation*}
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dove $\alpha(t) = (u(t), v(t))$.
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\end{remark}
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\begin{proposition}[Esistenza e unicità del trasporto parallelo]
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Sia $\alpha : [0, 1] \to \Sigma$ una curva su una superficie $\Sigma$.
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Sia $X_0$ un vettore di $T_{\alpha(0)} \Sigma$. Allora esiste un
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unico campo vettoriale $X$ parallelo lungo $\alpha$ tale per cui
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$X(\alpha(0)) = X_0$.
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\end{proposition}
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\begin{proof}
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Sia $\{\vec{x_P}\}_{P \in \alpha([0, 1])}$ una famiglia di
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parametrizzazioni. Per compattezza di $[0, 1]$ e continuità di $\alpha$, anche $\alpha([0, 1])$
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è compatto. Dunque $\alpha(I)$ è contenuto in un numero finito delle parametrizzazioni della
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famiglia scelta in partenza. \smallskip
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È sufficiente dimostrare ora la proposizione sfruttando un'unica parametrizzazione e poi ``incollando''
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i campi ottenuti. Tuttavia questo è ovvio dal momento per il Teorema di esistenza e unicità globale
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per sistemi lineari di equazioni differenziali applicato al sistema dell'Osservazione \ref{eq:TP}.
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\end{proof}
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\begin{definition}
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L'immagine in $\alpha(1)$ del campo $X$ ottenuto dalla proposizione precedente per estensione parallela
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da un vettore $X_0 \in T_{\alpha(0)} \Sigma$ si dice ottenuta per \textbf{trasporto parallelo} sulla
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curva $\alpha$.
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\end{definition}
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\begin{remark}
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Dal momento che il sistema delle equazioni del trasporto parallelo è lineare e omogeneo,
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combinazioni lineari di soluzioni sono soluzioni, e quindi l'operazione di trasporto parallelo
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è lineare.
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\end{remark}
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\begin{proposition}[Il trasporto parallelo conserva le distanze]
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L'operazione di trasporto parallelo conserva il prodotto scalare dei vettori,
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e quindi anche le distanze. Inoltre, manda basi di un piano tangente all'altro
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mantenendone l'orientazione.
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\end{proposition}
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\begin{proof}
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Siano $X$ e $Y$ due campi paralleli lungo una stessa curva $\alpha : [0, 1] \to \Sigma$.
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Si definisce la funzione $f : [0, 1] \to \RR$ in modo tale che:
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\[
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f(t) = X(\alpha(t)) \cdot Y(\alpha(t)).
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\]
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Derivando $f$ in $t$ otteniamo:
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\begin{align*}
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f'(t) & = D_{\alpha'(t)} X(\alpha(t)) \cdot Y(\alpha(t)) \\
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& \quad + X(\alpha(t)) \cdot D_{\alpha'(t)} Y(\alpha(t)).
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||||
\end{align*}
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Poiché $X$ e $Y$ sono paralleli lungo $\alpha$, le due derivate direzionali sono
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parallele alla normale (locale) in $\alpha(t)$, mentre i termini non derivati
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ne sono perpendicolari. Dunque $f'(t)$ è nullo, e quindi il prodotto scalare si conserva. \smallskip
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Consideriamo ora la funzione $\varphi : [0, 1] \to \RR$ tale per cui:
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\[
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\varphi(t) = (X(\alpha(t)) \cdot Y(\alpha(t))) \cdot \vec{n}.
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\]
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Poiché $\varphi$ è continua e non può essere $\varphi(t) = 0$ ad alcun tempo $t$,
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essendo $[0, 1]$ connesso, deve essere necessariamente $\varphi > 0$ o
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$\varphi < 0$ su tutto $[0, 1]$, da cui la tesi.
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\end{proof}
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\end{multicols*}
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