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미분기하에서 풀백 📂기하학

미분기하에서 풀백

개요

미분다양체 위의 풀백을 정의한다. 미분다양체가 어렵다면 M=RmM = \mathbb{R}^{m}, N=RnN = \mathbb{R}^{n}이라고 생각해도 좋다.

정의1

미분다양체 M,NM, N미분가능한 함수 f:MNf : M \to N이 주어졌다고 하자. 그러면 같이 NNkk-형식MMkk-형식으로 보내는 함수 ff^{\ast}를 생각할 수 있다. ω\omega를 다양체 NNkk-형식이라고 할 때, 다양체 MMkk-형식 fωf^{\ast}\omegaω\omega풀백pull back, 당김이라하고 다음과 같이 정의한다.

(fω)(p)(v1,,vk):=ω(f(p))(dfpv1,,dfpvk),viTpM \begin{equation} (f^{\ast}\omega)(p) (v_{1}, \dots, v_{k}) := \omega (f(p))\left( df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k} \right),\quad v_{i} \in T_{p}M \end{equation}

설명

풀백이라는 이름에는, (ffMM에서 NN 쪽으로의 매핑인것에 반해)ff^{\ast}NN에서 MM 쪽으로의 매핑이라는 의미가 있다. 정의와 표기법이 상당히 어려운데 차근차근 이해해보자.

  • ff^{\ast}

ff^{\ast}NNkk-형식을 MMkk-형식으로 보내는 맵이다. 따라서 ω\omegaNNkk-형식이라고 하면 fω=f(ω)f^{\ast}\omega = f^{\ast}(\omega)MMkk-형식이다.

  • fω(p)f^{\ast}\omega (p)

다양체 MM위의 kk-형식은 pMp \in MΛk(TpM)\Lambda^{k}(T_{p}^{\ast}M)의 원소로 매핑한다.

fω:MΛk(TpM) f^{\ast}\omega : M \to \Lambda^{k}(T_{p}^{\ast}M)

Λk(TpM):={φ:TpM××TpMk timesR  φ is k-linear alternating map} \Lambda^{k} (T_{p}^{\ast}M) := \left\{ \varphi : \underbrace{T_{p}M \times \cdots \times T_{p}M}_{k \text{ times}} \to \mathbb{R}\ | \ \varphi \text{ is k-linear alternating map} \right\}

다시말해 fω(p)Λk(TpM)f^{\ast}\omega (p) \in \Lambda^{k} (T_{p}^{\ast}M) 역시도 하나의 함수이다. Λk(TpM)\Lambda^{k} (T_{p}^{\ast}M)의 정의에 의해 fω(p)f^{\ast}\omega (p)는 "pp 위에서의 탄젠트 벡터" kk개를 변수로 갖는다. 그러면 이제 (1)(1)은 이 함수의 함숫값을 구체적으로 정의한 식이라는 게 눈에 보일 것이다. f(p)f^{\ast}(p) 자체가 하나의 함수라는 것을 더 강조하기 위해서 다음과 같은 표기를 쓰기로 하자.

(fω)p=fω(p) (f^{\ast}\omega)_{p} = f^{\ast}\omega (p)

  • ω(f(p))\omega (f(p))

ω\omegaNNkk-형식이므로, NN의 점 f(p)f(p)Λk(Tf(p)N)\Lambda^{k}(T_{f(p)}^{\ast}N)의 원소로 매핑한다.

Λk(Tf(p)N):={φ:Tf(p)N××Tf(p)Nk timesR  φ is k-linear alternating map} \Lambda^{k} (T_{f(p)}^{\ast}N) := \left\{ \varphi : \underbrace{T_{f(p)}N \times \cdots \times T_{f(p)}N}_{k \text{ times}} \to \mathbb{R}\ | \ \varphi \text{ is k-linear alternating map} \right\}

Λk(Tf(p)N)\Lambda^{k} (T_{f(p)}^{\ast}N)의 정의에 의해 ω(f(p))\omega (f(p)) 역시도 하나의 함수이다. ω(f(p))\omega (f(p))는 "f(p)f(p)위에서의 탄젠트 벡터" kk개를 변수로 갖는다. 여기서도 마찬가지로 w(f(p))w(f(p)) 자체가 하나의 함수인 것을 강조하기 위해 다음과 같은 표기를 쓰자.

ωf(p)=ω(f(p)) \omega_{f(p)} = \omega (f(p))

  • dfpvidf_{p}v_{i}

dfp:TpMTf(p)N df_{p} : T_{p}M \to T_{f(p)}N

f:MNf : M \to N에 대해서 ff미분 dfpdf_{p}는 위와 같이 정의된다. 따라서 viTpMv_{i} \in T_{p}M이라고 하면, dfpvi=dfp(vi)df_{p}v_{i} = df_{p}(v_{i})Tf(p)NT_{f(p)}N의 원소이다.

이제 이를 종합하면 (1)(1)을 얻는다.

(fω)p(v1,,vk):=ωf(p)(dfpv1,,dfpvk),viTpM (f^{\ast}\omega)_{p} (v_{1}, \dots, v_{k}) := \omega_{f(p)}\left( df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k} \right),\quad v_{i} \in T_{p}M

위 두 함수의 정의역을 보면 다음과 같은 차이가 있다.

(fω)p:TpM××TpMk timesRωf(p):Tf(p)N××Tf(p)Nk timesR \begin{align*} (f^{\ast}\omega)_{p} : && \underbrace{T_{p}M \times \cdots \times T_{p}M}_{k \text{ times}} &\to \mathbb{R} \\ \omega_{f(p)} : && \underbrace{T_{f(p)}N \times \cdots \times T_{f(p)}N}_{k \text{ times}} &\to \mathbb{R} \end{align*}

이를 미분 dfp:TpMTf(p)Ndf_{p} : T_{p}M \to T_{f(p)}N가 이어주는 것이라고 생각하면 된다. 그래서 dfpdf_{p}푸쉬 포워드push forward, 밂라고도 한다. 11-형식 φ\varphi에 대해서 다음이 성립한다.

φ(dfv)=fφ(v) \begin{equation} \varphi( dfv) = f^{\ast}\varphi(v) \end{equation}

00-형식의 풀백

f:MNf : M \to N을 두 미분다양체사이에서 정의된 함수라고 하자. g:NRg : N \to \mathbb{R}을 함수(NN에서의 00-형식)라고 하자. gg의 풀백 fg:MRf^{\ast}g : M \to \mathbb{R}은 다음과 같이 정의되는 함수(MM에서의 00-형식)이다.

fg:=gf f^{\ast}g := g \circ f

좌표 변환

함수 f:RnRmf : \mathbb{R}^{n} \to \mathbb{R}^{m}이 주어졌다고 하자. x=(x1,,xn)Rn\mathbf{x} = (x_{1}, \dots ,x_{n}) \in \mathbb{R}^{n}이고, y=(y1,,ym)Rm\mathbf{y} = (y_{1}, \dots ,y_{m}) \in \mathbb{R}^{m}이다.

f(x1,,xn)=(f1(x),,fm(x))=(y1,,ym) f(x_{1}, \dots, x_{n}) = (f_{1}(\mathbf{x}), \dots, f_{m}(\mathbf{x}) )= (y_{1}, \dots ,y_{m})

그리고 ω=IaIdyI\omega = \sum\limits_{I} a_{I} dy_{I}Rm\mathbb{R}^{m} 위의 kk-형식이라고 하자. 그러면 ω\omega의 풀백 fωf^{\ast}\omega는 아래의 성질들에 의해 다음과 같다.

fω=f(aIdyI)=f(aIdyI)=faIfdyI=faIf(dyi1dyik)=faI(fdyi1fdyik) \begin{align*} f^{\ast} \omega &= f^{\ast} \left( \sum a_{I}dy_{I} \right) \\ &= \sum f^{\ast} \left( a_{I}dy_{I} \right) \\ &= \sum f^{\ast}a_{I} f^{\ast}dy_{I} \\ &= \sum f^{\ast}a_{I} f^{\ast}(dy_{i1} \wedge \cdots \wedge dy_{ik}) \\ &= \sum f^{\ast}a_{I} (f^{\ast}dy_{i1} \wedge \cdots \wedge f^{\ast}dy_{ik}) \end{align*}

이때 (2)(2)에 의해 fdyi1(v)=dyi1(df(v))=d(yi1f)(v)=dfi1(v)f^{\ast}dy_{i1}(v) = dy_{i1}(df(v)) = d(y_{i1}\circ f)(v) = df_{i1}(v)이고, faI=aIff^{\ast}a_{I} = a_{I} \circ f이므로,

fω=aI(f1,fm)dfi1dfik \begin{equation} f^{\ast} \omega = \sum a_{I}(f_{1}, \dots f_{m}) df_{i1} \wedge \cdots \wedge df_{ik} \end{equation}

위 식은 좌표변환을 의미하는데, 구체적으로 어떻게 되는지 아래의 예제에서 보자.

예제

R2{0,0}\mathbb{R}^{2} \setminus \left\{ 0, 0 \right\} 위의 11-형식 ω\omega가 다음과 같다고 하자.

ω=yx2+y2dx+xx2+y2dy=a1dx+a2dy \omega = - \dfrac{y}{x^{2} + y^{2}}dx + \dfrac{x}{x^{2} + y^{2}}dy = a_{1}dx + a_{2}dy

이 직교좌표위의 11-형식을 극좌표로 바꿔보자. U={(r,θ):0<r,0θ<2π}U = \left\{ (r,\theta) : 0 \lt r, 0 \le \theta \lt 2\pi \right\}라고 하자. 그리고 f:UR2f : U \to \mathbb{R}^{2}를 다음과 같다고 하자.

f(r,θ)=(rcosθ,rsinθ)=(f1,f2) f(r,\theta) = (r\cos\theta, r\sin\theta) = (f_{1}, f_{2})

이제 df1,df2df_{1}, df_{2}를 계산해보자. f1=rcosθ,f2=rsinθf_{1} = r\cos\theta, f_{2}=r\sin\theta이므로,

df1=f1rdr+f1θdθ=cosθdrrsinθdθdf2=f2rdr+f2θdθ=sinθdr+rcosθdθ \begin{align*} df_{1} &= \dfrac{\partial f_{1}}{\partial r}dr + \dfrac{\partial f_{1}}{\partial \theta}d\theta = \cos\theta dr - r \sin \theta d\theta \\ df_{2} &= \dfrac{\partial f_{2}}{\partial r}dr + \dfrac{\partial f_{2}}{\partial \theta}d\theta = \sin\theta dr + r \cos \theta d\theta \\ \end{align*}

그러면 (3)(3)에 의해,

fω=a1(f1,f2)df1+a2(f1,f2)df2=f2f12+f22(cosθdrrsinθdθ)+f1f12+f22df2(sinθdr+rcosθdθ)=rsinθr2cos2θ+r2sin2θ(cosθdrrsinθdθ)+rcosθr2cos2θ+r2sin2θ(sinθdr+rcosθdθ)=sinθcosθrdr+sin2θdθ+cosθsinθrdr+cos2θdθ=dθ \begin{align*} f^{\ast} \omega &= a_{1}(f_{1}, f_{2})df_{1} + a_{2}(f_{1}, f_{2})df_{2} \\ &= - \dfrac{f_{2}}{f_{1}^{2} + f_{2}^{2}}(\cos\theta dr - r \sin \theta d\theta) + \dfrac{f_{1}}{f_{1}^{2} + f_{2}^{2}}df_{2}(\sin\theta dr + r \cos \theta d\theta) \\ &= - \dfrac{r\sin\theta}{r^{2}\cos^{2}\theta + r^{2}\sin^{2}\theta}(\cos\theta dr - r \sin \theta d\theta) \\ &\quad + \dfrac{r\cos\theta}{r^{2}\cos^{2}\theta + r^{2}\sin^{2}\theta}(\sin\theta dr + r \cos \theta d\theta) \\ &= -\dfrac{\sin\theta \cos\theta}{r}dr + \sin^{2}\theta d\theta + \dfrac{\cos\theta \sin\theta}{r}dr + \cos^{2}\theta d\theta \\ &= d\theta \end{align*}

따라서

yx2+y2dx+xx2+y2dy=dθ \int - \dfrac{y}{x^{2} + y^{2}}dx + \dfrac{x}{x^{2} + y^{2}}dy = \int d\theta

성질

M,NM, N을 각각 m,nm, n차원 미분다양체, f:MNf : M \to N라고 하자. ω,φ\omega, \varphiNN 위의 kk-형식이라고 하자. ggNN 위의 00-형식이라고 하자. φi\varphi_{i}들을 NN 위의 11-형식이라고 하자. 그러면 다음이 성립한다.

f(ω+φ)= fω+fφf(gω)= (fg)(fω)f(φ1φk)= f(φ1)f(φk) \begin{align} f^{\ast} (\omega + \varphi) =&\ f^{\ast}\omega + f^{\ast}\varphi \tag{a} \\ f^{\ast} (g \omega) =&\ (f^{\ast}g) (f^{\ast}\omega) \tag{b} \\ f^{\ast} (\varphi_{1} \wedge \cdots \wedge \varphi_{k}) =&\ f^{\ast}(\varphi_{1}) \wedge \cdots \wedge f^{\ast}(\varphi_{k}) \tag{c} \end{align}

이때 ++\wedge는 각각 kk-형식의 합과 쐐기곱이다.

ω,φ\omega, \varphiNN위의 임의의 두 형식이라고 하자. LLll차원 미분다양체, g:LNg : L \to N이라고 하자.

f(ωφ)=(fω)(fφ)(fg)ω=g(fω) \begin{align*} f^{\ast}(\omega \wedge \varphi) &= (f^{\ast}\omega) \wedge (f^{\ast}\varphi) \tag{d} \\ (f \circ g)^{\ast} \omega &= g^{\ast}(f^{\ast}\omega) \tag{e} \end{align*}

증명

증명 (a)(a)

(f(ω+φ))p(v1,,vk)= (ω+φ)f(p)(dfpv1,,dfpvk)= ωf(p)(dfpv1,,dfpvk)+φf(p)(dfpv1,,dfpvk)= (fω)p(v1,,vk)+(fφ)p(v1,,vk)= (fω+fφ)p(v1,,vk) \begin{align*} (f^{\ast}(\omega + \varphi))_{p} (v_{1}, \dots, v_{k}) =&\ (\omega + \varphi)_{f(p)} \left( df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k} \right) \\ =&\ \omega_{f(p)} \left( df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k} \right) + \varphi_{f(p)} \left( df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k} \right) \\ =&\ (f^{\ast} \omega)_{p}(v_{1}, \dots, v_{k}) + (f^{\ast} \varphi)_{p}(v_{1}, \dots, v_{k}) \\ =&\ \left( f^{\ast}\omega + f^{\ast}\varphi \right)_{p}(v_{1}, \dots, v_{k}) \end{align*}

증명 (b)(b)

00-형식 ggkk-형식 ω\omega의 곱을 다음과 같이 정의하자.

(gω)(p)=g(p)ω(p) (g\omega)(p) = g(p) \omega (p)

여기서 g(p)=gpg(p) = g_{p}는 스칼라, ω(p)=ωp\omega (p) = \omega_{p}는 함수임에 주의하라. 그러면,

(f(gω))p(v1,,vk)= gωf(p)(dfpv1,,dfpvk)= gf(p)ωf(p)(dfpv1,,dfpvk)= gf(p)ωf(p)(dfpv1,,dfpvk)= (fg)p(fω)p(v1,,vk) \begin{align*} (f^{\ast} (g\omega))_{p} (v_{1}, \dots, v_{k}) =&\ g\omega_{f(p)} \left( df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k} \right) \\ =&\ g_{f(p)} \omega_{f(p)} (df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k}) \\ =&\ g\circ f(p) \omega_{f(p)} (df_{p}v_{1}, \dots, df_{p}v_{k}) \\ =&\ (f^{\ast}g)_{p} (f^{\ast}\omega)_{p} (v_{1}, \dots, v_{k}) \end{align*}

증명 (c)(c)

(f(φ1φk))p(v1,,vk)= (φ1φk)f(p)(df1,,dfk)= det[φidf(vj)]= det[fφi(vj)] \begin{align*} (f^{\ast}\left( \varphi_{1} \wedge \cdots \wedge \varphi_{k} \right))_{p} (v_{1}, \dots, v_{k}) =&\ (\varphi_{1} \wedge \dots \wedge \varphi_{k})_{f(p)} \left( df_{1}, \dots, df_{k} \right) \\ =&\ \det [\varphi_{i}df(v_{j})] \\ =&\ \det [ f^{\ast} \varphi_{i}(v_{j})] \\ \end{align*}


  1. Manfredo P. Do Carmo, Differential Forms and Applications, p6-8 ↩︎