共変微分とリーマン曲率テンソルの関係
📂幾何学共変微分とリーマン曲率テンソルの関係
定理
f:A⊂R2→Mをパラメータ付き曲面としよう。(s,t)をR2の標準座標としよう。V=V(s,t)をfに従うベクトル場としよう。各点(s,t)で次が成り立つ。
∂tD∂sDV−∂sD∂tDV=R(∂s∂f,∂t∂f)V
説明
証明
微分可能多様体の多様体M上の点pで座標系(U,x)を一つ選ぼう。接空間TpMの基底を{Xi=∂xi∂}としよう。そしてV=∑iviXi,vi=vi(s,t)としよう。すると、共変微分の性質により、
∂sDV=∂sD(i∑viXi)=i∑vi∂sDXi+i∑∂s∂viXi
ここに再び∂tDを適用すると次のようになる。
∂tD(∂sDV)=∂tD(i∑vi∂sDXi+i∑∂s∂viXi)=i∑vi∂tD∂sDXi+i∑∂t∂vi∂sDXi+i∑∂s∂vi∂tDXi+i∑∂t∂s∂2viXi
同じ方法で∂sD(∂tDV)を計算して互いに引くと、上の式から最後の三項は互いに打ち消しあうことが分かる。したがって、
∂tD∂sDV−∂sD∂tDV=i∑(vi∂tD∂sDXi−vi∂sD∂tDXi)=i∑vi(∂tD∂sDXi−∂sD∂tDXi)
今、p=f(s,t)=x(x1(s,t),…,xn(s,t))としよう。∂s∂fを計算すると、
∂s∂f:=df(∂s∂)=∂s∂x1⋮∂s∂xn∂t∂x1⋮∂t∂xn[10]=∂s∂x1⋮∂s∂xn=∂s∂xjXj
同様に∂t∂f=∂t∂xkXkだ。今、∂tD∂sDXiを計算すると、
∂sDXi=∇∂f/∂sXi=∇(∂xj/∂s)XjXi=∂s∂xj∇XjXi
そして
∂tD∂sDXi=∂tD(∂s∂xj∇XjXi)=∂t∂s∂2xj∇XjXi+∂s∂xj∇∂f/∂t(∇XjXi)=∂t∂s∂2xj∇XjXi+∂s∂xj∇(∂xk/∂t)Xk(∇XjXi)=∂t∂s∂2xj∇XjXi+∂s∂xj∂t∂xk∇Xk∇XjXi
したがって次を得る。
∂tD∂sDXi−∂sD∂tDXi=∂s∂xj∂t∂xk(∇Xk∇XjXi−∇Xj∇XkXi)
しかし、[Xi,Xj]=0なので、リーマン曲率は
R(Xj,Xk)Xi=∇Xk∇XjXi−∇Xj∇XkXi+∇[Xj,Xk]Xi=∇Xk∇XjXi−∇Xj∇XkXi
そして、上の式は、
∂tD∂sDXi−∂sD∂tDXi=∂s∂xj∂t∂xkR(Xj,Xk)Xi
これを(1)に代入すると、Rが線形であるため、
∂tD∂sDV−∂sD∂tDV=i∑vi(∂tD∂sDXi−∂sD∂tDXi)=i∑vi∂s∂xj∂t∂xkR(Xj,Xk)Xi=i∑R(∂s∂xjXj,∂t∂xkXk)viXi=i∑R(∂s∂f,∂t∂f)V
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