Variedades

Quise volver a recapitular algo de las cosas más hermosas que he estudiado cuando llevé mi curso de geometría diferencial con el Dr. Gregor Weingart, a los físicos les gusta mucho porque con esto pueden medir cualquier cosa  que tenga estructura de variedad y eso les sirve en astrofísica.

Para poder agarrar mejor este post te recomiendo le eches un vistazo a estas entradas
que publiqué anteriormente si comienzas a sentir que no entiendes mucho.

Teorema de la función inversa
Teorema de la función implícita
Espacios tangente en variedades y derivaciones
K-formas diferenciales (1 de 2)
K-formas diferenciales (2 de 2)


Empecemos tratando de recordar cosas.

Variedades diferenciales

Sabemos que para todo $latex m\in \mathbb{R}$, sea $latex \mathbb{R}^m$ el espacio vectorial $latex m$-dimensional equipado con la topología inducida por la métrica usual estándar que es la distancia $latex d(x,y)$ entre dos puntos $latex x,y\in \mathbb{R}^m$ dada por:

$latex d(x,y)=\sqrt{\displaystyle \sum_{i=1}^{m} (x_i-y_i)^2}$

En la práctica los casos usuales son $latex m=2,3$ pero en otras áreas de matemáticas y física el valor de $latex m$ puede ser más grande, en la teoría no hay ni por qué justificarlo.


También tenemos que para todo $latex n,r\in\mathbb{N}$ y un abierto $latex U$ de $latex \mathbb{R}^m$, denotamos por $latex C^r(U,\mathbb{R}^n)$ todas las funciones que son $latex r$ veces continuas diferenciables de $latex U$ a $latex \mathbb{R}^n$ , cuando hablamos de mapeos suaves $latex U \rightarrow \mathbb{R}^n$ nos referimos exactamente a los elementos (son funciones) de:


$latex C^\infty(U,\mathbb{R}^n)=\displaystyle \bigcap_{r=1}^\infty {C^r(U,\mathbb{R}^n)$

Entonces aquí ya tenemos todas las funciones suaves (infinitamente diferenciables) que van de un abierto a $latex \mathbb{R}^n$



Definición (Variedad Topológica, Carta):  Sea $latex (M,\Tau)$ un espacio topológico Hausdorff (Que para dos puntos distintos del espacio puedes encontrar una vecindad de cada uno que no choca con la otra) que tenga base numerable, decimos que $latex M$ es una variedad topológica si existe un número natural $latex m$ y para todo punto $latex p\in M$ , una vecindad $latex U$ abierta de $latex p$ y un mapeo continuo $latex x:U\rightarrow \mathbb{R}^m$ que es un homeomorfismo sobreyectivo en su imagen $latex x(U)$ el cual es un abierto de $latex \mathbb{R}^m$

El par $latex (U,x)$ es llamado carta coordenada local de $latex M$ y $latex m$ es la dimensión y la denotamos en $latex M$ como $latex M^m$



Lo que decimos aquí, una variedad topológica $latex M$ es localmente homeomorfa a $latex \mathbb{R}^m$ para algún $latex m\in\mathbb{N}$.



Estructura diferencial


Vamos a darle estructura diferencial para poder comenzar a explotar la metrica

Definición (atlas) : Si $latex M$ es una variedad topológica , entonces un $latex C^{r}-atlas$ en $latex M$ es la colección:


$latex \mathcal{A}=\lbrace (U_\alpha, x_\alpha) \mid \alpha \in I\rbrace$

Es decir son todas las cartas locales definidas anteriormente que cubren todo $latex M$, es decir.


$latex M=\bigcup_\alpha U_\alpha$

Y para todo $latex \alpha,\beta\in I$ tenemos los correspondientes mapeos de transición:


$latex x_\beta \circ {x}_{\alpha}^{-1} \mid_{x_\alpha(U_\alpha \cap U_\beta)} : x_\alpha(U_\alpha \cap U_\beta) \rightarrow \mathbb{R}^m$

Son $latex r-veces$ diferenciables.

¿Esto qué significa?

Los mapeos de transición nos dan una manera de comparar dos cartas de átlases diferentes, para comparar esto, se compone una carta con la inversa de otra, pero esto podría no estar definido así que lo hacemos sólo en su intersección, eso es lo que ves en los subindices.


Esto lo podemos ver con el siguiente dibujo, espero se entienda.

Ejemplo:


Sea $latex \hat{\mathbb{C}}$ el plano complejo extendido dado por $latex \hat{\mathbb{C}}=\mathbb{C}\cup \lbrace \infty \rbrace$ y sea $latex \mathbb{C}^{*}=\mathbb{C}\setminus \lbrace 0 \rbrace$, $latex U_0=\mathbb{C}$  y $latex U_\infty = \hat{\mathbb{C}} \setminus \lbrace 0 \rbrace$

Definimos la coordenadas locales:

$latex x_0:U_0\rightarrow \mathbb{C}$ y $latex x_\infty:U_\infty \rightarrow \mathbb{C}$ en $latex \hat{\mathbb{C}}$ por:

$latex x_0:z\mapsto z$
$latex x_\infty:w \mapsto 1/w$

Tenemos que de este atlas "chiquito" los correspondientes mapeso de transición:

$latex x_\infty \circ x_0^{-1}$ y $latex x_0\circ x_\infty^{-1}:\mathbb{C}^{*} \rightarrow \mathbb{C}^{*}$

Están dados ambos por $latex z\mapsto 1/z$ por lo que $latex \mathcal{A}=\lbrace (U_0,x_0),(U_\infty,x_\infty)$ es un $latex C^{\omega}$-atlas (analítico) en la esfera de Riemann $latex \hat{\mathbb{C}}$.


La variedad analítica $latex (\hat{\mathbb{C}},\mathcal{A})$ se le llama Esfera de Riemann.



También ya con esto es fácil intuir que el producto de dos variedades $latex M_1,M_2$ de clase $latex C^{r}$ y sea $latex M=M_1\times M_2$ el espacio producto equipado con la topología de Tychonoff
Entonces existe un atlas para $latex M$  que la hace una variedad diferenciable de clase $latex C^r$ con
$latex dim M = dim M_1 + dim M_2$


Dejaré esto por ahora aquí, luego continúamos con algo más profundo.

k-formas diferenciales y derivada exterior (Parte 2/2, k-formas diferenciales y derivada exterior de éstas)

Como vimos, las 1-formas elementales son la proyección en una coordenada, ahora veamos a los operadores diferenciales como k-formas en $latex \mathbb{R}^n$ donde sus coordenadas son $latex x_{1},x_{2},...,x_{n}$:

El punto de estos posts es poder hacer la construcción de las k-formas diferenciales en la topología de Zariski para poder justificar el cálculo de singularidades en variedades sobre cualquier campo algebraicamente cerrado de caracteristica p o 0
Y al final de este artículo construiremos con las k-formas diferenciales el rotacional, la divergencia y gradiente (hablando en términos de campos vectoriales en $latex \mathbb{R}^n$)

Sea $latex \mu=\lbrace i_{1}, ..., i_{k}\rbrace$ una subsucesión de
$latex \Omega = \lbrace 1,2,...,n \rbrace$, tal que $latex 1 \leq i_{1} < ... < i_{k} \leq n$  y sea


$latex \displaystyle dx_{\mu}=d{x_{i_{1}}}\wedge ... \wedge d{x_{i_{k}}}$

Una k-forma diferencial $latex \omega$ es:

$latex \omega = \sum_{|\mu|=k}{f_{\mu}dx_{\mu}}$

Donde $latex f_{\mu}$ es una función diferenciable, y $latex \mu \subset \Omega$ está ordenado de manera creciente y $latex |\mu|=k$, por ejemplo una 1-forma en $latex \mathbb{R}^{2}$:
$latex (x+cos(y))dx+xydy$


Y una 2-forma en $latex \mathbb{R}^{3}$

$latex e^{x+y}dx\wedge dz + y^{3}dy \wedge dz$


Cada k-forma diferencial define para todo punto en $latex \mathbb{R}^{n}$ una k-forma diferente por ejemplo la 1-forma $latex (x+sen(y))dx + xydy$ es la 1-forma $latex 3dx$ en el punto $latex (3,0)$ y es $latex 5dx+2\pi dy$ en el punto $latex (4,\frac{\pi}{2})$



Pa definir la derivada exterior, primero necesitamos ver que es la derivada exterior de una 0-forma (función diferenciable, es decir que esté definida bajo un operador diferencial... o sea un operador que cumpla la regla de Leibnitz, esto puede ser la derivada normal como la conocemos también) y por inducción se definirá la derivada exterior para una k-forma en general

Dada una función diferenciable (0-forma) $latex f(x_{1},...,x_{n})$, su derivada exterior será denotada como $latex d f$  y es:

$latex df=\sum_{i=1}^{n}{\frac{\partial{f}}{\partial x_{i}}dx_{i}}$


Por ejemplo:
Si $latex f(x,y)=xy-y^{3}$ su derivada exterior $latex d f$ es:

$latex df=ydx+(x+3y^{2})dx$



Esto se parece al gradiente (PARECE)
Ahora definiremos lo que es la derivada exterior de una k-forma $latex \omega = \sum_{|\mu|=k}{f_{\mu}dx_{\mu}}$ con  $latex \mu=\lbrace i_{1}, ..., i_{k}\rbrace$ ordenada creciente:


$latex d \omega = \sum_{|\mu|=k}{df_{\mu}\wedge dx_{\mu}} $

Veamos un ejemplo con la derivada de una 1-forma fácil:

Sea $latex \omega = f_{1}dx_{1} + f_{2}dx_{2} + f_{3}dx_{3}$ una 1-forma de $latex \mathbb{R}^3$, entonces:

$latex d \omega = df_{1}dx_{1}+df_{2}dx_{2}+df_{3}dx_{3}=$
$latex \Bigg ( \frac{\partial{f_{1}}}{\partial{x_{1}}}dx_{1}+\frac{\partial{f_{1}}}{\partial{x_{2}}}dx_{2}+\frac{\partial{f_{1}}}{\partial{x_{3}}}dx_{3} \Bigg )\wedge dx_{1}+$
$latex \Bigg ( \frac{\partial{f_{2}}}{\partial{x_{1}}}dx_{1}+\frac{\partial{f_{2}}}{\partial{x_{2}}}dx_{2}+\frac{\partial{f_{2}}}{\partial{x_{3}}}dx_{3} \Bigg )\wedge dx_{2}+$
$latex \Bigg ( \frac{\partial{f_{3}}}{\partial{x_{1}}}dx_{1}+\frac{\partial{f_{3}}}{\partial{x_{2}}}dx_{2}+\frac{\partial{f_{3}}}{\partial{x_{3}}}dx_{3} \Bigg )\wedge dx_{3}=$
$latex \Bigg ( \frac{\partial{f_{3}}}{\partial{x_{1}}} - \frac{\partial{f_{1}}}{\partial{x_{3}}} \Bigg ) dx_{1} \wedge dx_{3} + \Bigg ( \frac{\partial{f_{2}}}{\partial{x_{1}}} - \frac{\partial{f_{1}}}{\partial{x_{2}}} \Bigg ) dx_{1} \wedge dx_{2} + \Bigg ( \frac{\partial{f_{3}}}{\partial{x_{2}}} - \frac{\partial{f_{2}}}{\partial{x_{3}}} \Bigg ) dx_{2} \wedge dx_{3} $

Ufff.. imaginen escribir eso en latex inline en blogspot... pero bueno

Eso también se parece al rotacional del campo vectorial $latex (f_1,f_2,f_3)$ (PARECE)

Cómo ya se habrán dado cuenta para toda k-forma diferencial $latex \omega$ se tiene que $latex d(d\omega)=0$, eso lo pueden demostrar fácilmente suponiendo la anticonmutatividad del operador cuña y que el orden de diferenciación no afecta a la función diferenciable, es decir:

$latex \frac{\partial{}}{\partial{x_{i}}} \frac{\partial{f}}{\partial{x_{j}}} = \frac{\partial{}}{\partial{x_{j}}} \frac{\partial{f}}{\partial{x_{i}}}$ y que $latex dx_{i}\wedge dx_{j}=-dx_{j}\wedge dx_{i}$

Ahora como ven, hice hincapié en la palabra "parece" al decir que habíamos encontrado el rotacional y el gradiente en términos de k-formas, veamos cómo son estas cosas en $latex \mathbb{R}^3$ con coordenadas $latex x,y,z$, vamos a definir una funciones que nos ayudarán a que no "parezcan" sino que "sean"


Sean:
$latex \omega_{0}=f(x,y,z)$
una 0-forma

$latex \omega_{1}=f_{1}(x,y,z)dx+f_{2}(x,y,z)dy+f_{3}(x,y,z)dz$
una 1-forma en general

$latex \omega_{2}=f_{1}(x,y,z)dx\wedge dy + f_{2}(x,y,z)dx\wedge dz \wedge f_{3}(x,y,z)dy\wedge dz$
una 2-forma elemental general

Y como la única 3-forma elemental en $latex \mathbb{R}^{3}$ es $latex dx\wedge dy\wedge dz$ tenemos que una 3-forma elemental general sería de la forma:

$latex \omega_{3}=f(x,y,z)dx\wedge dy \wedge dz$

Donde $latex f_{i},f\in \mathfrak{F}(\mathbb{R}^{3})$ (funciones en $latex \mathbb{R}^{3}$)

Definimos las siguiente funciones: entre formas y funciones de $latex \mathbb{R}^{3}$ denotadas por $latex \mathfrak{F}(\mathbb{R}^{3})$ y formas con campos vectoriales de $latex \mathbb{R}^{3}$ denotadas por $latex \Delta(\mathbb{R}^{3})$

$latex \displaystyle \theta_{0}: {\bigwedge}^{0}{\mathbb{R}^{3}} \rightarrow \mathfrak{F}(\mathbb{R}^{3})$

    $latex \omega_{0} \mapsto f$

$latex \displaystyle \theta_{1}: {\bigwedge}^{1}{\mathbb{R}^{3}} \rightarrow \Delta(\mathbb{R}^{3})$

    $latex \omega_{1} \mapsto (f_{1},f_{2},f_{3})$

$latex \displaystyle \theta_{2}: {\bigwedge}^{2}{\mathbb{R}^{3}} \rightarrow \Delta(\mathbb{R}^{3})$

    $latex \omega_{2} \mapsto (f_{3},-f_{2},_f_{1})$

$latex \displaystyle \theta_{3}: {\bigwedge}^{3}{\mathbb{R}^{3}} \rightarrow \mathfrak{F}(\mathbb{R}^{3})$

    $latex \omega_{3} \mapsto f(x,y,z)$

Esto ¿para qué?, como vemos $latex \theta_{0}$ es la identidad y estas definiciones tienen una manera natural de ser, ya que si hacen la talachita pueden demostrar el siguiente teorema:

Teorema: En $latex \mathbb{R}^{3}$, si $latex \omega_{s}$ es una s-forma entonces

$latex \theta_{1}(d\omega_{0})=\nabla \theta_{0}(\omega_{0})=\vec{\nabla f}=grad(\theta_{0}(\omega_{0}))$
$latex \theta_{2}(d\omega_{1})=\nabla \times \theta_{1}(\omega_{1})=rot({\theta_{1}(\omega_{1})})$
$latex \theta_{3}(d\omega_{2})=\nabla \cdot \theta_{2}(\omega_{2})=div({\theta_{2}(\omega_{2})})$
$latex \square$

Cada uno de los cálculos se puede hacer explícitamente y no hay mucho que pensar en la demostración más que talacha dura, y con esto tenemos ya en términos de formas diferenciales lo que es el gradiente, rotacional y divergencia

El punto de estos posts es poder llegar a definir esto en términos de geometría algebraica en variedades usando la topología de Zariski

Eduardo Ruiz Duarte (beck)
rduarte@ciencias.unam.mx
@toorandom