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 M M M を微分可能多様体とし、∇ \nabla ∇ をM M M 上のアフィン接続とする。この時、微分可能な曲線c : I → M ( t ∈ I ) c : I \to M(t\in I) c : I → M ( t ∈ I ) に沿うベクターフィールドV V V をc c c に沿う別のベクターフィールドD V d t \dfrac{D V}{dt} d t D V に対応させる関数D d t : V ↦ D V d t \dfrac{D}{dt} : V \mapsto \dfrac{DV}{dt} d t D : V ↦ d t D V が唯一存在 する。このマッピングをV V V の共変微分 covariant derivative of V V V along c c c といい、以下の性質を持つ。W W W がc c c に沿うベクターフィールドで、f f f がI I I 上で定義された微分可能な関数の時、
(a) D d t ( V + W ) = D V d t + D W d t \dfrac{D}{dt}(V+W) = \dfrac{DV}{dt} + \dfrac{DW}{dt} d t D ( V + W ) = d t D V + d t D W
(b) D d t ( f V ) = d f d t V + f D V d t \dfrac{D}{dt}(fV) = \dfrac{df}{dt}V + f \dfrac{DV}{dt} d t D ( f V ) = d t df V + f d t D V
(c) もしV V V がY ∈ X ( M ) Y \in \mathfrak{X}(M) Y ∈ X ( M ) の縮小写像 、つまりV ( t ) = Y ( c ( t ) ) V(t) = Y(c(t)) V ( t ) = Y ( c ( t )) の場合、D V d t = ∇ d c / d t Y \dfrac{DV}{dt} = \nabla_{dc/dt}Y d t D V = ∇ d c / d t Y
D V d t \dfrac{D V}{d t} d t D V は明示的に以下の通り。
D V d t = ∑ j ( d v j d t + ∑ j , k v j d c k d t ∇ X k ) X j
\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}
d t D V = j ∑ d t d v j + j , k ∑ v j d t d c k ∇ X k X j
ここで、V = v j X j V = v^{j}X_{j} V = v j X j 、X j = ∂ ∂ x j X_{j} = \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} X j = ∂ x j ∂ である。
説明 (a)と(b)を見ると、V V V に対応するこのようなベクターフィールドをD V d t \dfrac{D V}{dt} d t D V 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V ↦ D V d t V \mapsto \dfrac{DV}{dt} V ↦ d t D V が存在すると仮定する。x : U → M \mathbf{x} : U \to M x : U → M を曲線c c c と重なる座標とする。
c ( I ) ∩ x ( U ) ≠ ∅
c(I) \cap \mathbf{x}(U) \ne \varnothing
c ( I ) ∩ x ( U ) = ∅
c ( t ) = x ( c 1 ( t ) , … , c n ( t ) ) c(t) = \mathbf{x}(c_{1}(t), \dots, c_{n}(t)) c ( t ) = x ( c 1 ( t ) , … , c n ( t )) とする。V V V をベクターフィールドとする。
V = v j ∂ ∂ x j = v j X j
V = v^{j}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} = v^{j}X_{j}
V = v j ∂ x j ∂ = v j X j
ここで、X j = ∂ ∂ x j = ∂ ∂ x j ∣ c ( t ) X_{j} = \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} = \left.\dfrac{\partial }{\partial x_{j}}\right|_{c(t)} X j = ∂ x j ∂ = ∂ x j ∂ c ( t ) 、v j = v j ( t ) v^{j} = v^{j}(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。
D V d t = D d t ( ∑ j v j X j ) = ∑ j D d t ( v j X j ) by (a) = ∑ j ( d v j d t X j + v j D X j d t ) 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*}
d t D V = = = d t D ( j ∑ v j X j ) j ∑ d t D ( v j X j ) j ∑ ( d t d v j X j + v j d t D X j ) by (a) by (b)
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。
D X j d t = ∇ d c / d t X j by (c) = ∇ ∑ k d c k d t X k X j = ∑ k d c k d t ∇ X k X j by 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*}
d t D X j = = = ∇ d c / d t X j ∇ ∑ k d t d c k X k X j k ∑ d t d c k ∇ X k X j by (c) by 1.
これを元の式に代入すると、以下を得る。
D V d t = ∑ j ( d v j d t X j + v j ∑ k d c k d t ∇ X k X j ) = ∑ j d v j d t X j + ∑ j , k v j d c k d t ∇ X k X j ⋯ ⊛
\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*}
d t D V = = j ∑ ( d t d v j X j + v j k ∑ d t d c k ∇ X k X j ) j ∑ d t d v j X j + j , k ∑ v j d t d c k ∇ X k X j ⋯ ⊛
補助定理
( ∇ X Y ) ( p ) (\nabla_{X}Y)(p) ( ∇ X Y ) ( p ) は、X ( p ) X(p) X ( p ) およびY ( γ ( t ) ) Y(\gamma (t)) Y ( γ ( t )) にのみ依存する。
補助定理により、∇ ∂ ∂ x k ∂ ∂ x j \nabla_{ \frac{\partial }{\partial x_{k}}} \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} ∇ ∂ x k ∂ ∂ 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
D V d t \dfrac{DV}{dt} d t D V を以下のように定義する。すると、性質(a)〜(c)を満たす。
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