diff --git a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf index 24ec3c1..8c6494f 100644 Binary files a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf and b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf differ diff --git a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex index 83a6764..52b62c7 100644 --- a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex +++ b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex @@ -594,13 +594,15 @@ scrivono in funzione degli $\vec{x_k} \cdot \vec{x_{ij}}$ tramite la I forma fondamentale. \item I $\vec{x_k} \cdot \vec{x_{ij}}$ si scrivono utilizzando le derivate - di $E$, $F$ e $G$, e quindi anche i simboli di Christoffel. + di $E$, $F$ e $G$, e quindi i simboli di Christoffel si scrivono + in termini di $E$, $F$, $G$ e derivate. \item Il termine $\ell d - m b$, dove $b$ e $d$ sono gli elementi della seconda riga della II forma fondamentale, si scrive come $E \cdot \kappa$. \item Sviluppando $\vec{x_{uuv}}$ e $\vec{x_{uvu}}$ e applicando il teorema di Schwarz, si ottiene un'espressione di $\ell d - m b$ in termini dei simboli di Christoffel. - \item Allora $\ell d - m b$ si scrive in termini di $E$, $F$ e $G$ per (ii.) e (iv.), + \item Allora $\ell d - m b$ si scrive in termini di $E$, $F$ e $G$ e le loro derivate + per (ii.) e (iv.), e così anche $\kappa$ per (iii.). \end{enumerate} \end{proof} @@ -613,4 +615,117 @@ \begin{corollary} Un piano e la sfera \underline{non} sono localmente isometrici. \end{corollary} + + \section{Trasporto parallelo e geodetiche} + + \subsection{Campi vettoriali e derivata covariante} + + \begin{definition}[Campo vettoriale (tangente)] + Sia $\Sigma$ una superficie. Un \textbf{campo vettoriale} (tangente) su $\Sigma$ + è una mappa liscia $X : \Sigma \to \RR^3$ tale per cui + $X(P) \in T_P \Sigma$ per ogni $P \in \Sigma$. + \end{definition} + + \begin{definition}[Derivata covariante] + Sia $X$ un campo vettoriale di $\Sigma$. Si definisce allora + la sua \textbf{derivata covariante} in direzione $v$ su un punto $P$ come: + \[ + \boxed{\nabla_v X(P) \defeq (D_v X(P))^\top \defeq \pi_{T_P \Sigma}(D_v X(P)).} + \] + \end{definition} + + \begin{remark} + In realtà, per definire la derivata covariante di $X$ in direzione $v$ è sufficiente + che $X$ sia definita lungo una curva $\alpha$ passante per $P$ con velocità + $v$. + \end{remark} + + \subsection{Campi paralleli lungo una curva e proprietà del trasporto parallelo} + + \begin{definition}[Campo parallelo] + Un campo vettoriale (tangente) $X$ su $\Sigma$ si dice \textbf{parallelo lungo + una curva $\alpha : I \to \Sigma$} se: + \[ + \boxed{\nabla_{\alpha'(t)} X(\alpha(t)) = 0, \quad \forall t \in I.} + \] + \end{definition} + + \begin{remark} + Sia $X$ un campo vettoriale e sia $\alpha$ una curva su $\Sigma$. Poiché + $X$ è una mappa liscia sulla superficie $\Sigma$, $X \circ \alpha$ + si scrive come: + \[ + X(\alpha(t)) = a(t) \vec{x_u}(\alpha(t)) + b(t) \vec{x_v}(\alpha(t)). + \] + Dunque, usando la definizione di campo parallelo, $X$ è parallelo lungo $\alpha$ se + e solo se soddisfa il seguente sistema, detto \textbf{sistema delle equazioni del + trasporto parallelo}: + \begin{equation*} \label{eq:TP} + \boxed{\textnormal{(TP): } \begin{cases} + a' + a (\Gamma_{uu}^u u' + \Gamma_{uv}^u v') + b(\Gamma_{vv}^u v' + \Gamma_{uv}^u u') = 0, \\ + b' + a (\Gamma_{uu}^v u' + \Gamma_{uv}^v v') + b(\Gamma_{vv}^v v' + \Gamma_{uv}^v u') = 0, + \end{cases}} + \end{equation*} + dove $\alpha(t) = (u(t), v(t))$. + \end{remark} + + \begin{proposition}[Esistenza e unicità del trasporto parallelo] + Sia $\alpha : [0, 1] \to \Sigma$ una curva su una superficie $\Sigma$. + Sia $X_0$ un vettore di $T_{\alpha(0)} \Sigma$. Allora esiste un + unico campo vettoriale $X$ parallelo lungo $\alpha$ tale per cui + $X(\alpha(0)) = X_0$. + \end{proposition} + + \begin{proof} + Sia $\{\vec{x_P}\}_{P \in \alpha([0, 1])}$ una famiglia di + parametrizzazioni. Per compattezza di $[0, 1]$ e continuità di $\alpha$, anche $\alpha([0, 1])$ + è compatto. Dunque $\alpha(I)$ è contenuto in un numero finito delle parametrizzazioni della + famiglia scelta in partenza. \smallskip + + È sufficiente dimostrare ora la proposizione sfruttando un'unica parametrizzazione e poi ``incollando'' + i campi ottenuti. Tuttavia questo è ovvio dal momento per il Teorema di esistenza e unicità globale + per sistemi lineari di equazioni differenziali applicato al sistema dell'Osservazione \ref{eq:TP}. + \end{proof} + + \begin{definition} + L'immagine in $\alpha(1)$ del campo $X$ ottenuto dalla proposizione precedente per estensione parallela + da un vettore $X_0 \in T_{\alpha(0)} \Sigma$ si dice ottenuta per \textbf{trasporto parallelo} sulla + curva $\alpha$. + \end{definition} + + \begin{remark} + Dal momento che il sistema delle equazioni del trasporto parallelo è lineare e omogeneo, + combinazioni lineari di soluzioni sono soluzioni, e quindi l'operazione di trasporto parallelo + è lineare. + \end{remark} + + \begin{proposition}[Il trasporto parallelo conserva le distanze] + L'operazione di trasporto parallelo conserva il prodotto scalare dei vettori, + e quindi anche le distanze. Inoltre, manda basi di un piano tangente all'altro + mantenendone l'orientazione. + \end{proposition} + + \begin{proof} + Siano $X$ e $Y$ due campi paralleli lungo una stessa curva $\alpha : [0, 1] \to \Sigma$. + Si definisce la funzione $f : [0, 1] \to \RR$ in modo tale che: + \[ + f(t) = X(\alpha(t)) \cdot Y(\alpha(t)). + \] + Derivando $f$ in $t$ otteniamo: + \begin{align*} + f'(t) & = D_{\alpha'(t)} X(\alpha(t)) \cdot Y(\alpha(t)) \\ + & \quad + X(\alpha(t)) \cdot D_{\alpha'(t)} Y(\alpha(t)). + \end{align*} + Poiché $X$ e $Y$ sono paralleli lungo $\alpha$, le due derivate direzionali sono + parallele alla normale (locale) in $\alpha(t)$, mentre i termini non derivati + ne sono perpendicolari. Dunque $f'(t)$ è nullo, e quindi il prodotto scalare si conserva. \smallskip + + Consideriamo ora la funzione $\varphi : [0, 1] \to \RR$ tale per cui: + \[ + \varphi(t) = (X(\alpha(t)) \cdot Y(\alpha(t))) \cdot \vec{n}. + \] + Poiché $\varphi$ è continua e non può essere $\varphi(t) = 0$ ad alcun tempo $t$, + essendo $[0, 1]$ connesso, deve essere necessariamente $\varphi > 0$ o + $\varphi < 0$ su tutto $[0, 1]$, da cui la tesi. + \end{proof} \end{multicols*}