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2차 미분 형식 📂기하학

2차 미분 형식

개요

이항연산 \wedge를 정의하고 1차 미분형식을 정의했던 센스로 미분다양체 MM에 대한 2차 형식을 정의한다.

미분다양체가 어렵다면 M=RnM = \mathbb{R}^{n}이라고 생각해도 좋다.

빌드업1

1차 형식 ω\omega를 생각해보자.

ω:MTMpωp \begin{align*} \omega : M &\to T^{\ast}M \\ p &\mapsto \omega_{p} \end{align*}

이는 nn차원 미분다양체 MM의 점 pp코탄젠트 공간의 원소 ωpTpM\omega_{p} \in T_{p}^{\ast}M로 매핑한다. 그러면 ωp\omega_{p}TpMT_{p}M듀얼 스페이스의 원소이므로 다음과 같은 범함수이다.

wp:TpMR w_{p} : T_{p}M \to \mathbb{R}

즉 정리하면 '1차' 형식은 점 pp를, pp에서의 탄젠트 벡터 '1개' 를 변수로 갖는 함수 ωp\omega_{p}로 매핑한다고 생각할 수 있다. 이러한 센스로 '2차' 형식을 정의할 것이다.

쐐기곱

함수 φ:TpM×TpMR\varphi : T_{p}M \times T_{p}M \to \mathbb{R}쌍선형교대 함수라고 하자.

φ(v1,v2)=φ(v2,v1),viTpM \varphi (v_{1}, v_{2}) = - \varphi (v_{2}, v_{1}),\quad v_{i} \in T_{p}M

이러한 φ\varphi들의 집합을 Λ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)라고 표기하자.

Λ2(TpM):={φ:TpM×TpMR  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\}

이제 TpMT_{p}^{\ast}M의 두 원소를 Λ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)으로 보내는 이항 연산 :TpM×TpMΛ2(TpM)\wedge : T_{p}^{\ast}M \times T_{p}^{\ast}M \to \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)를 정의해보자. 이는 Λ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)의 원소를 TpMT_{p}^{\ast}M원소로 표현하겠다는 뜻이다. 그러면 φ1,φ2TpM\varphi_{1}, \varphi_{2} \in T_{p}^{\ast}M이라고 할 때, Λ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)는 교대함수들의 집합이므로 다음이 성립해야 한다. (참고로 기호 \wedge 자체는 [웨지]wedge라고 읽으며, 이항 연산 \wedge쐐기곱wedge product 혹은 exteriot product라고 한다. 텍코드는 \wedge)

φ1φ2Λ2(TpM) \varphi_{1} \wedge \varphi_{2} \in \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)

(φ1φ2)(v1,v2)=(φ1φ2)(v2,v1),viTpM (\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

\wedge를 다음과 같이 정의하면 위 조건을 정확히 만족한다.

(φ1φ2)(v1,v2):=det[ϕi(vj)] (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{1}, v_{2}) := \det \left[ \phi_{i}(v_{j}) \right]

이때 ii는 행의 인덱스, jj는 열의 인덱스를 의미한다. 물론 쐐기곱 \wedge 자체도 교대함수가 된다.

교대 성질

(φ1φ2)(v1,v2)= det[φi(vj)]= φ1(v1)φ1(v2)φ2(v1)φ2(v2)= φ1(v2)φ1(v1)φ2(v2)φ2(v1)by property of determinant= (φ1φ2)(v2,v1) \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*}

선형성

for aR\text{for } a\in \mathbb{R},

(φ1φ2)(av1+v2,w)= φ1(av1+v2)φ1(w)φ2(av1+v2)φ2(w)= aφ1(v1)+φ1(v2)φ1(w)aφ2(v1)+φ2(v2)φ2(w)by linearity of φi= aφ1(v1)φ1(w)aφ2(v1)φ2(w)+φ1(v2)φ1(w)φ2(v2)φ2(w)by property of determinant= aφ1(v1)φ1(w)φ2(v1)φ2(w)+φ1(v2)φ1(w)φ2(v2)φ2(w)by property of determinant= a(φ1φ2)(v1,w)+(φ1φ2)(v2,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*}

기저

이제 TpMT_{p}^{\ast}M의 기저 {(dxj)p}j\left\{ (dx_{j})_{p} \right\}_{j}들의 쐐기곱을 생각해보자. 눈치가 빠르다면 이들이 Λ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)의 기저가 될 것임을 짐작할 수 있을 것이다. 우선 편의를 위해 다음과 같이 표기하자.

(dxidxj)p=notation(dxi)p(dxj)pΛ2(TpM) (dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} \overset{\text{notation}}{=} (dx_{i})_{p} \wedge (dx_{j})_{p} \in \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)

그러면 {(dxidxj)p:i<j}\left\{ (dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} : i \lt j \right\}는 실제로 Λ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)기저가 되고, 다음이 성립한다.

(dxidxj)p=(dxjdxi)p,ij(dxidxi)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

이제 2차 형식을 정의할 준비가 되었다.

정의

pMp \in M를 다음과 같이 매핑하는 함수 ω:MΛ2(TpM)\omega : M \to \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)MM에서의 2차 형식exterior form of degree 2이라 정의한다.

ω(p)=a12(p)(dx1dx2)p+a13(p)(dx1dx3)p+a23(p)(dx2dx3)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\omega를 간단히 다음과 같이 표기한다.

ω= a12dx1dx2+a13dx1dx3+a23dx2dx3= aijdxidxj(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*}

이때 aij:MRa_{ij} : M \to \mathbb{R}이다. 각각의 aija_{ij}미분가능하면, ω\omega2차 미분형식differential form of degree 2이라 한다.

같이보기


  1. Manfredo P. Do Carmo, Differential Forms and Applications, p2 ↩︎