Cohomología de de-Rham (parte 1 motivación desde análisis básico)

Aquí en mi blog he publicado cosas relacionadas con formas diferenciales, funciones alternantes, rotacionales, espacios tangentes, productos tensoriales de k-álgebras, de hecho construimos todas las funciones diferenciales en una variedad y vimos la derivada direccional como un funcional lineal y todo esto fue con álgebra, de hecho construimos un anillo en posts anteriores, por lo que ya estamos listos para poder definir un tema un poco más profundo, lo que haremos es examinar la cohomología de formas diferenciales.

Sabemos que una función continua real que está definida en un abierto de $latex \mathbb{R}$ tiene una función primitiva, es decir, se integra. Pero... ¿qué pasa con funciones multivariables? .

Para empezar vamos a restringirnos a funciones $latex C^{\infty}$ , es decir que tienen derivadas parciales continuas de todos los ordenes.

Con el propósito de saber por qué estamos examinando esta teoría , pongamos un ejemplo.

Sea $latex f:U\rightarrow \mathbb{R}^2$ diferenciable definida en un abierto de $latex \mathbb{R}^2$

Pregunta $latex \star$

¿Existe una función $latex F:U\rightarrow \mathbb{R}$ tal que:

* $latex \frac{\partial F}{\partial x_1}=f_1$  y   $latex \frac{\partial F}{\partial x_2}=f_2$  con $latex f=(f_1,f_2)$?

Sabemos que


$latex \frac{\partial^2 F}{\partial x_2 \partial x_1} = \frac{\partial^2 F}{\partial x_1\partial x_2}$

Por lo que deberíamos tener que

** $latex \frac{\partial f_1}{x_2}=\frac{\partial f_2}{x_1}$


Ahora, ¿existe $latex F$ suponiendo que $latex f=(f_1,f_2)$ satisface ** , ¿es esa condición de la igualdad suficiente?


Ejemplo:

Considera la función $latex f:\mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}^2$ dada por:

$latex f(x_1,x_2) = \Big ( \frac{-x_2}{x_1^2+x_2^2} , \frac{x_1}{x_1^2+x_2^2} \Big )$


Como ejercicio puedes calcular las parciales de esa función y verás que en efecto se satisfacen las ecuaciones de ** , sin embargo no existe una función $latex F:\mathbb{R}^2-\lbrace 0 \rbrace \rightarrow \mathbb{R}$ que satisface *, y esto es fácil verlo, supongamos que sí existe, entonces:


$latex \int_{0}^{2\pi} \frac{d}{d\theta}F(cos\theta, sen\theta)d\theta = F(1,0)-F(1,0)=0$


Por otro lado, si desarrollamos el término de la integral con la regla de la cadena:

$latex \frac{d}{d\theta}F(cos\theta, sen\theta)$

$latex = \frac{\partial F}{\partial x}\cdot (-sen\theta) +\frac{\partial F}{\partial y}\cdot cos\theta$
$latex = -f_1(cos\theta,sen\theta)\cdot sen\theta + f_2(cos\theta, sen\theta)\cdot cos\theta = 1$

Esto es claro 1, sustituye y usa la $latex f$ original , por lo que la integral no puede ser 0 y esta contradicción significa que tal $latex F$ no existe.

Definición: Un subconjunto $latex X\subset \mathbb{R}^n$ se dice que es estrellado con respecto a un punto $latex x_0 \in X$ si el segmento $latex \lbrace tx_0 + (1-t)x \mid t\in [0,1]\rbrace$ está contenido en $latex X$ para todo $latex x\in X$

Teorema 1: Sea $latex U \subset \mathbb{R}^2$ un abierto estrellado, entonces para toda función diferenciable $latex (f_1,f_2):U\rightarrow \mathbb{R}^2$ que satisface **, tenemos que la pregunta $latex \star$ tiene solución.

La demostración es un poco de talacha, ya la hice y no es difícil, pero el punto es ver que el que se pueda definir la primitiva de una función depende de la topología del abierto $latex U$, esto no es coincidencia, podemos definir un invariante.


Por simplicidad y como esto es motivación para lo fuerte, seguiremos en $latex \mathbb{R}^2$.

Dado el abierto $latex U\subset \mathbb{R}^2$ y sea $latex C^{\infty}(U,\mathbb{R}^2)$ todas las funciones diferenciables $latex \phi:U\rightarrow \mathbb{R}^2$ , esto es uno de los primero ejemplos de espacios vectoriales de funciones, puedes demostrar que lo son bajo la suma usual y producto por escalares, puedes ver a la $latex \phi$ como un campo vectorial sobre $latex U$ (dibujando $latex \phi(u)$ con el punto $latex u\in U$.

Como lo habíamos definido antes en otro post, pero aquí en dimensión 2, tenemos el gradiente y rotacional:

$latex grad:C^{\infty}(U.\mathbb{R})\rightarrow C^{\infty}(U,\mathbb{R}^2)$
$latex grad(\phi)=\Big( \frac{\partial \phi}{\partial x_1},\frac{\partial \phi}{\partial x_2}\Big)$

 $latex rot:C^{\infty}(U.\mathbb{R}^{2})\rightarrow C^{\infty}(U,\mathbb{R})$

$latex rot(\phi_1,\phi_2)=\frac{\partial \phi_1}{\partial x_2} - \frac{\partial \phi_2}{\partial x_1}$

Aquí empieza lo interesante:


Nota que $latex rot \circ grad=0$, eso significa que el kernel del rotacional contiene a la imagen del gradiente .

Tenemos que el rotacional y gradiente son operadores lineales esto es que $latex Im(grad)$ es un subespacio de $latex Ker(rot)$, por lo que podemos hablar de el cociente de espacios vectoriales, es decir el espacio de clases $latex \alpha + Im(grad)$ donde $latex \alpha \in Ker(rot)$

***

$latex H^1(U)= Ker(rot)/Im(grad)$

Con esta definición podemos reformular el teorema 1

Teorema 1a: $latex U\subset \mathbb{R}^2 estrellado \Rightarrow H^1(U)=0$

Por otro lado , tenemos que el Ejemplo que desarrollamos $latex H^1(\mathbb{R}-\lbrace 0 \rbrace)\neq 0$.

De hecho se puede demostrar con un poco de cuidado que:

$latex H^1(\mathbb{R}^2 - \displaystyle \cup_{i=1}^k \lbrace x_i \rbrace) \cong \mathbb{R}^k$

De hecho... $latex k$ será el número de componentes conexas del espacio en cuestión, por lo que podemos decir que la dimensión de $latex H^1(U)$ es el número de hoyos en $latex U$

Podemos definir en analogía con *** a $latex H^0(U)=Ker(grad)$.

Lo anterior de los hoyos y eso es algo que suena muy importante por lo que realmente creo que debemos demostrarlo, y no es difícil, por lo que vamos a definir un criterio de conexidad para $latex U$

Teorema 2: Un abierto $latex U\subset \mathbb{R}^k$ es conexo $latex \Leftrightarrow$ $latex H^0(U)=\mathbb{R}$

Demostración:

Tenemos que $latex H^0(U)=Ker(grad)$. por lo que supón que tienes que $latex grad(f)=0$, esto implica que $latex f$ es localmente constante, o sea que todo $latex x_0 \in U$ tiene una vecindad $latex V(x_0)$ con $latex f(x)=f(x_0)$ cuando $latex x \in V(x_0)$ , si $latex U$ es conexo, entonces toda función localmente constante es constante, de hecho , si $latex x_0 \in U$ el conjunto:

$latex \lbrace x\in U\mid f(x)=f(x_0)\rbrace = f^{-1}(f(x_0))$

Es cerrado porque recuerden que $latex f$ es continuo, diferenciable, etcétera, también es abierto ya que $latex f$ es localmente constante, por lo que es igual a $latex U$ y $latex H^0(U)=\mathbb{R}$.

Para el regreso es más fácil ya que si $latex U$ no es conexo, entonces existe una función sobre
$latex f:U\rightarrow \lbrace 0,1 \rbrace$ tal que es localmente constante, entonces $latex grad(f)=0$ por lo que $latex dim H^0(U)>1$   $latex \blacksquare$

De hecho con lo que vimos anteriormente con el número de hoyos podrías extender esta demostración para decir que la dimensión es el número de componentes conexos.

En $latex \mathbb{R}^3$ las cosas son más interesantes.


En tres dimensiones tenemos el operador de divergencia que también lo habíamos construido en un post anterior, si extendemos $latex grad$ y $latex rot$ a $latex \mathbb{R}^3$ de manera natural y definimos

$latex div(f_1,f_2,f_3)=\frac{\partial f_1}{\partial x_1} + \frac{\partial f_2}{\partial x_2} + \frac{\partial f_3}{x_3}$

Podemos notar que aquí también sucede que $latex rot \circ grad = 0$ y adicionalmente que $latex div \circ rot=0$

Construimos de manera similar a $latex H^0(U)$ y $latex H^1(U)$ y definimos:

$latex H^2(U)=Ker(div)/Im(rot)$


Ya se imaginarán por donde voy los que han llevado un poco de topología algebraica,
el siguiente post será ya con complejos CW para ir aterrizando la idea.

saludos

Eduardo Ruíz Duarte (beck)
Twitter: @toorandom

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