2차 미분 형식
📂기하학 2차 미분 형식 개요 이항연산 ∧ \wedge ∧ 를 정의하고 1차 미분형식 을 정의했던 센스로 미분다양체 M M M 에 대한 2차 형식 을 정의한다.
미분다양체가 어렵다면 M = R n M = \mathbb{R}^{n} M = R n 이라고 생각해도 좋다.
빌드업 1차 형식 ω \omega ω 를 생각해보자.
ω : M → T ∗ M p ↦ ω p
\begin{align*}
\omega : M &\to T^{\ast}M
\\ p &\mapsto \omega_{p}
\end{align*}
ω : M p → T ∗ M ↦ ω p
이는 n n n 차원 미분다양체 M M M 의 점 p p p 를 코탄젠트 공간 의 원소 ω p ∈ T p ∗ M \omega_{p} \in T_{p}^{\ast}M ω p ∈ T p ∗ M 로 매핑한다. 그러면 ω p \omega_{p} ω p 는 T p M T_{p}M T p M 의 듀얼 스페이스 의 원소이므로 다음과 같은 범함수 이다.
w p : T p M → R
w_{p} : T_{p}M \to \mathbb{R}
w p : T p M → R
즉 정리하면 '1차' 형식은 점 p p p 를, p p p 에서의 탄젠트 벡터 '1개' 를 변수로 갖는 함수 ω p \omega_{p} ω p 로 매핑한다고 생각할 수 있다. 이러한 센스로 '2차' 형식을 정의할 것이다.
쐐기곱 함수 φ : T p M × T p M → R \varphi : T_{p}M \times T_{p}M \to \mathbb{R} φ : T p M × T p M → R 을 쌍선형 인 교대 함수 라고 하자.
φ ( v 1 , v 2 ) = − φ ( v 2 , v 1 ) , v i ∈ T p M
\varphi (v_{1}, v_{2}) = - \varphi (v_{2}, v_{1}),\quad v_{i} \in T_{p}M
φ ( v 1 , v 2 ) = − φ ( v 2 , v 1 ) , v i ∈ T p M
이러한 φ \varphi φ 들의 집합을 Λ 2 ( T p ∗ M ) \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) Λ 2 ( T p ∗ M ) 라고 표기하자.
Λ 2 ( T p ∗ M ) : = { φ : T p M × T p M → R ∣ φ is bilinear and alternate }
\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) := \left\{ \varphi : T_{p}M \times T_{p}M \to \mathbb{R}\ | \ \varphi \text{ is bilinear and alternate} \right\}
Λ 2 ( T p ∗ M ) := { φ : T p M × T p M → R ∣ φ is bilinear and alternate }
이제 T p ∗ M T_{p}^{\ast}M T p ∗ M 의 두 원소를 Λ 2 ( T p ∗ M ) \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) Λ 2 ( T p ∗ M ) 으로 보내는 이항 연산 ∧ : T p ∗ M × T p ∗ M → Λ 2 ( T p ∗ M ) \wedge : T_{p}^{\ast}M \times T_{p}^{\ast}M \to \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) ∧ : T p ∗ M × T p ∗ M → Λ 2 ( T p ∗ M ) 를 정의해보자. 이는 Λ 2 ( T p ∗ M ) \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) Λ 2 ( T p ∗ M ) 의 원소를 T p ∗ M T_{p}^{\ast}M T p ∗ M 원소로 표현하겠다는 뜻이다. 그러면 φ 1 , φ 2 ∈ T p ∗ M \varphi_{1}, \varphi_{2} \in T_{p}^{\ast}M φ 1 , φ 2 ∈ T p ∗ M 이라고 할 때, Λ 2 ( T p ∗ M ) \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) Λ 2 ( T p ∗ M ) 는 교대함수들의 집합이므로 다음이 성립해야 한다. (참고로 기호 ∧ \wedge ∧ 자체는 [웨지]wedge 라고 읽으며, 이항 연산 ∧ \wedge ∧ 는 쐐기곱 wedge product 혹은 exteriot product라고 한다. 텍코드는 \wedge
)
φ 1 ∧ φ 2 ∈ Λ 2 ( T p ∗ M )
\varphi_{1} \wedge \varphi_{2} \in \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)
φ 1 ∧ φ 2 ∈ Λ 2 ( T p ∗ M )
( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , v 2 ) = − ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 2 , v 1 ) , v i ∈ T p M
(\varphi_{1} \wedge \varphi_{2}) (v_{1}, v_{2}) = - (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2}) (v_{2}, v_{1}),\quad v_{i} \in T_{p}M
( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , v 2 ) = − ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 2 , v 1 ) , v i ∈ T p M
∧ \wedge ∧ 를 다음과 같이 정의하면 위 조건을 정확히 만족한다.
( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , v 2 ) : = det [ ϕ i ( v j ) ]
(\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{1}, v_{2}) := \det \left[ \phi_{i}(v_{j}) \right]
( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , v 2 ) := det [ ϕ i ( v j ) ]
이때 i i i 는 행의 인덱스, j j j 는 열의 인덱스를 의미한다. 물론 쐐기곱 ∧ \wedge ∧ 자체도 교대함수 가 된다.
교대 성질 ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , v 2 ) = det [ φ i ( v j ) ] = ∣ φ 1 ( v 1 ) φ 1 ( v 2 ) φ 2 ( v 1 ) φ 2 ( v 2 ) ∣ = − ∣ φ 1 ( v 2 ) φ 1 ( v 1 ) φ 2 ( v 2 ) φ 2 ( v 1 ) ∣ by property of determinant = − ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 2 , v 1 )
\begin{align*}
(\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{1}, v_{2}) =&\ \det \left[ \varphi_{i}(v_{j}) \right]
\\ =&\ \begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{1}) & \varphi_{1}(v_{2}) \\ \varphi_{2}(v_{1}) & \varphi_{2}(v_{2}) \end{vmatrix}
\\ =&\ - \begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(v_{1}) \\ \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(v_{1}) \end{vmatrix} & \text{by property of determinant}
\\ =&\ - (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{2}, v_{1})
\end{align*}
( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , v 2 ) = = = = det [ φ i ( v j ) ] φ 1 ( v 1 ) φ 2 ( v 1 ) φ 1 ( v 2 ) φ 2 ( v 2 ) − φ 1 ( v 2 ) φ 2 ( v 2 ) φ 1 ( v 1 ) φ 2 ( v 1 ) − ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 2 , v 1 ) by property of determinant
■
선형성 for a ∈ R \text{for } a\in \mathbb{R} for a ∈ R ,
( φ 1 ∧ φ 2 ) ( a v 1 + v 2 , w ) = ∣ φ 1 ( a v 1 + v 2 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( a v 1 + v 2 ) φ 2 ( w ) ∣ = ∣ a φ 1 ( v 1 ) + φ 1 ( v 2 ) φ 1 ( w ) a φ 2 ( v 1 ) + φ 2 ( v 2 ) φ 2 ( w ) ∣ by linearity of φ i = ∣ a φ 1 ( v 1 ) φ 1 ( w ) a φ 2 ( v 1 ) φ 2 ( w ) ∣ + ∣ φ 1 ( v 2 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( v 2 ) φ 2 ( w ) ∣ by property of determinant = a ∣ φ 1 ( v 1 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( v 1 ) φ 2 ( w ) ∣ + ∣ φ 1 ( v 2 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( v 2 ) φ 2 ( w ) ∣ by property of determinant = a ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , w ) + ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 2 , w )
\begin{align*}
& (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(av_{1} + v_{2}, w) \\[1em]
=&\ \begin{vmatrix} \varphi_{1}(av_{1}+v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(av_{1}+v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} \\[1em]
=&\ \begin{vmatrix} a\varphi_{1}(v_{1}) + \varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ a\varphi_{2}(v_{1}) + \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} & \text{by linearity of } \varphi_{i} \\[1em]
=&\ \begin{vmatrix} a\varphi_{1}(v_{1}) & \varphi_{1}(w) \\ a\varphi_{2}(v_{1}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} + \begin{vmatrix}\varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} & \text{by property of determinant} \\[1em]
=&\ a\begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{1}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(v_{1}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} & \text{by property of determinant} \\[1em]
=&\ a(\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{1}, w) + (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{2}, w)
\end{align*}
= = = = = ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( a v 1 + v 2 , w ) φ 1 ( a v 1 + v 2 ) φ 2 ( a v 1 + v 2 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( w ) a φ 1 ( v 1 ) + φ 1 ( v 2 ) a φ 2 ( v 1 ) + φ 2 ( v 2 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( w ) a φ 1 ( v 1 ) a φ 2 ( v 1 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( w ) + φ 1 ( v 2 ) φ 2 ( v 2 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( w ) a φ 1 ( v 1 ) φ 2 ( v 1 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( w ) + φ 1 ( v 2 ) φ 2 ( v 2 ) φ 1 ( w ) φ 2 ( w ) a ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 1 , w ) + ( φ 1 ∧ φ 2 ) ( v 2 , w ) by linearity of φ i by property of determinant by property of determinant
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기저 이제 T p ∗ M T_{p}^{\ast}M T p ∗ M 의 기저 { ( d x j ) p } j \left\{ (dx_{j})_{p} \right\}_{j} { ( d x j ) p } j 들의 쐐기곱을 생각해보자. 눈치가 빠르다면 이들이 Λ 2 ( T p ∗ M ) \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) Λ 2 ( T p ∗ M ) 의 기저가 될 것임을 짐작할 수 있을 것이다. 우선 편의를 위해 다음과 같이 표기하자.
( d x i ∧ d x j ) p = notation ( d x i ) p ∧ ( d x j ) p ∈ Λ 2 ( T p ∗ M )
(dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} \overset{\text{notation}}{=} (dx_{i})_{p} \wedge (dx_{j})_{p} \in \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)
( d x i ∧ d x j ) p = notation ( d x i ) p ∧ ( d x j ) p ∈ Λ 2 ( T p ∗ M )
그러면 { ( d x i ∧ d x j ) p : i < j } \left\{ (dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} : i \lt j \right\} { ( d x i ∧ d x j ) p : i < j } 는 실제로 Λ 2 ( T p ∗ M ) \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) Λ 2 ( T p ∗ M ) 의 기저가 되고 , 다음이 성립한다.
( d x i ∧ d x j ) p = − ( d x j ∧ d x i ) p , i ≠ j ( d x i ∧ d x i ) p = 0
(dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} = - (dx_{j} \wedge dx_{i})_{p},\quad i \ne j
\\[1em] (dx_{i} \wedge dx_{i})_{p} = 0
( d x i ∧ d x j ) p = − ( d x j ∧ d x i ) p , i = j ( d x i ∧ d x i ) p = 0
이제 2차 형식을 정의할 준비가 되었다.
정의 점 p ∈ M p \in M p ∈ M 를 다음과 같이 매핑하는 함수 ω : M → Λ 2 ( T p ∗ M ) \omega : M \to \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) ω : M → Λ 2 ( T p ∗ M ) 를 M M M 에서의 2차 형식 exterior form of degree 2 이라 정의한다.
ω ( p ) = a 12 ( p ) ( d x 1 ∧ d x 2 ) p + a 13 ( p ) ( d x 1 ∧ d x 3 ) p + a 23 ( p ) ( d x 2 ∧ d x 3 ) p
\omega (p) = a_{12}(p)(dx_{1} \wedge dx_{2})_{p} + a_{13}(p)(dx_{1} \wedge dx_{3})_{p} + a_{23}(p)(dx_{2} \wedge dx_{3})_{p}
ω ( p ) = a 12 ( p ) ( d x 1 ∧ d x 2 ) p + a 13 ( p ) ( d x 1 ∧ d x 3 ) p + a 23 ( p ) ( d x 2 ∧ d x 3 ) p
ω \omega ω 를 간단히 다음과 같이 표기한다.
ω = a 12 d x 1 ∧ d x 2 + a 13 d x 1 ∧ d x 3 + a 23 d x 2 ∧ d x 3 = a i j d x i ∧ d x j ( i < j ) by Einstein notation
\begin{align*}
\omega =&\ a_{12}dx_{1} \wedge dx_{2} + a_{13}dx_{1} \wedge dx_{3} + a_{23}dx_{2} \wedge dx_{3}
\\ =&\ a_{ij}dx_{i}\wedge dx_{j} (i \lt j) & \text{by Einstein notation}
\end{align*}
ω = = a 12 d x 1 ∧ d x 2 + a 13 d x 1 ∧ d x 3 + a 23 d x 2 ∧ d x 3 a ij d x i ∧ d x j ( i < j ) by Einstein notation
이때 a i j : M → R a_{ij} : M \to \mathbb{R} a ij : M → R 이다. 각각의 a i j a_{ij} a ij 가 미분가능 하면, ω \omega ω 를 2차 미분형식 differential form of degree 2 이라 한다.
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