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ベクトル場の共変微分 📂幾何学

ベクトル場の共変微分

定理1

MMを微分可能多様体とし、\nablaMM上のアフィン接続とする。この時、微分可能な曲線c:IM(tI)c : I \to M(t\in I)に沿うベクターフィールドVVccに沿う別のベクターフィールドDVdt\dfrac{D V}{dt}に対応させる関数Ddt:VDVdt\dfrac{D}{dt} : V \mapsto \dfrac{DV}{dt}唯一存在する。このマッピングをVV共変微分covariant derivative of VV along ccといい、以下の性質を持つ。WWccに沿うベクターフィールドで、ffII上で定義された微分可能な関数の時、

(a) Ddt(V+W)=DVdt+DWdt\dfrac{D}{dt}(V+W) = \dfrac{DV}{dt} + \dfrac{DW}{dt}

(b) Ddt(fV)=dfdtV+fDVdt\dfrac{D}{dt}(fV) = \dfrac{df}{dt}V + f \dfrac{DV}{dt}

(c) もしVVYX(M)Y \in \mathfrak{X}(M)縮小写像、つまりV(t)=Y(c(t))V(t) = Y(c(t))の場合、DVdt=dc/dtY\dfrac{DV}{dt} = \nabla_{dc/dt}Y

DVdt\dfrac{D V}{d t}は明示的に以下の通り。

DVdt=j(dvjdt+j,kvjdckdtXk)Xj \dfrac{DV}{dt} = \sum_{j} \left( \dfrac{d v^{j}}{dt} + \sum_{j,k} v^{j}\frac{dc_{k}}{dt} \nabla_{ X_{k}} \right) X_{j}

ここで、V=vjXjV = v^{j}X_{j}Xj=xjX_{j} = \dfrac{\partial }{\partial x_{j}}である。

説明

(a)と(b)を見ると、VVに対応するこのようなベクターフィールドをDVdt\dfrac{D V}{dt}と表示する理由がない。微分が持つべき性質を持っているからだ。

証明

  • Part 1. 一意性

    (a)〜(c)を満たすマッピングVDVdtV \mapsto \dfrac{DV}{dt}が存在すると仮定する。x:UM\mathbf{x} : U \to Mを曲線ccと重なる座標とする。

    c(I)x(U) c(I) \cap \mathbf{x}(U) \ne \varnothing

    c(t)=x(c1(t),,cn(t))c(t) = \mathbf{x}(c_{1}(t), \dots, c_{n}(t))とする。VVをベクターフィールドとする。

    V=vjxj=vjXj V = v^{j}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} = v^{j}X_{j}

    ここで、Xj=xj=xjc(t)X_{j} = \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} = \left.\dfrac{\partial }{\partial x_{j}}\right|_{c(t)}vj=vj(t)v^{j} = v^{j}(t)である。すると、性質(a)、(b)により、以下が成り立つ。

    DVdt= Ddt(jvjXj)= jDdt(vjXj)by (a)= j(dvjdtXj+vjDXjdt)by (b) \begin{align*} \dfrac{DV}{dt} =&\ \dfrac{D}{dt}\left( \sum_{j} v^{j}X_{j} \right) \\ =&\ \sum_{j} \dfrac{D}{dt}\left( v^{j}X_{j} \right) & \text{by (a)} \\ =&\ \sum_{j} \left( \dfrac{d v^{j}}{dt}X_{j} + v^{j}\dfrac{D X_{j}}{dt} \right) & \text{by (b)} \\ \end{align*}

    この時、性質(c)およびアフィン接続の性質1.により、以下が成り立つ。

    DXjdt= dc/dtXjby (c)= kdckdtXkXj= kdckdtXkXjby 1. \begin{align*} \dfrac{D X_{j}}{dt} =&\ \nabla_{dc/dt} X_{j} &\text{by (c)} \\ =&\ \nabla_{\sum_{k} \frac{dc_{k}}{dt} X_{k}} X_{j} \\ =&\ \sum_{k} \frac{dc_{k}}{dt} \nabla_{ X_{k}} X_{j} & \text{by 1.} \\ \end{align*}

    これを元の式に代入すると、以下を得る。

    DVdt= j(dvjdtXj+vjkdckdtXkXj)= jdvjdtXj+j,kvjdckdtXkXj \begin{align*} \dfrac{DV}{dt} =&\ \sum_{j} \left( \dfrac{d v^{j}}{dt}X_{j} + v^{j}\sum_{k} \frac{dc_{k}}{dt} \nabla_{ X_{k}} X_{j} \right) \\ =&\ \sum_{j} \dfrac{d v^{j}}{dt}X_{j} + \sum_{j,k} v^{j}\frac{dc_{k}}{dt} \nabla_{ X_{k}} X_{j} & \cdots \circledast \end{align*}

    補助定理

    (XY)(p)(\nabla_{X}Y)(p)は、X(p)X(p)およびY(γ(t))Y(\gamma (t))にのみ依存する。

    補助定理により、xkxj\nabla_{ \frac{\partial }{\partial x_{k}}} \dfrac{\partial }{\partial x_{j}}は座標により決定されることがわかる。残りの部分も座標により一つに決定される。したがって、存在するなら、一意である。

  • Part 2. 存在性

    DVdt\dfrac{DV}{dt}を以下のように定義する。すると、性質(a)〜(c)を満たす。


  1. Manfredo P. Do Carmo, Riemannian Geometry (Eng Edition, 1992), p50-52 ↩︎