미분기하학

수학노트
http://bomber0.myid.net/ (토론)님의 2010년 1월 27일 (수) 06:33 판
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개요
  • 위상적으로는 국소적으로 유클리드 공간과 같으며, 그 위에 메트릭이 주어진 곡면의 기하학을 공부함.
  • 비유클리드기하학을 이해하는 틀을 배우게 된다
  • 미분형식을 이용하여 전개할 수도 있고, 미분형식을 사용하지 않고 크리스토펠 기호를 사용하여 전개할 수도 있다

 

 

선수 과목 또는 알고 있으면 좋은 것들

 

 

다루는 대상
  • 곡선
  • 곡면

 

중요한 개념 및 정리

 

 

곡면을 이해하는 두 가지 관점
  • 3차원 공간에 놓인 곡면
  • 3차원 공간을 생각하지 않고, 거리와 각도를 잴 수 있는 방식이 주어진 곡면
  • 학부 미분기하학에서는 곡면에 대한 첫번째 관점에서 두번째 관점으로의 이동을 배우게 됨

 

 

사용되는 언어
  • 텐서 해석학
  • 미분형식

 

 

매개화된 곡면
  • \(X(u,v)\)
  • 벡터장
  • \(X_1:=X_u\), \(X_2:=X_v\)

 

 

제1기본형식(first fundamental form)과 면적소
  • 곡면의 제1기본형식은 곡면 상에서 거리와 각도를 재는 방법에 해당한다
  • 곡면의 접평면마다 내적이 주어진 것으로 이해할 수 있다
  • 메트릭 텐서라고도 한다
  • 제1기본형식
    \(ds^2 =(X_u du+X_v dv)\cdot (X_u du+X_v dv)= Edu^2+2Fdudv+Gdv^2\)
  • 면적소
    \(dA=\sqrt{EG-F^2} \, du\, dv\)
  • 3차원의 곡면에 대해서는 다음과 같이 계산할 수 있다
    \(g_{ij} : = X_i \cdot X_j\)
    \(E=g_{11}\), \(F=g_{12}=g_{21}\), \(G=g_{22}\)
    \(ds^2 =(X_u du+X_v dv)\cdot (X_u du+X_v dv)= Edu^2+2Fdudv+Gdv^2\)

 

 

접속(connection)
  • 방향미분의 일반화
  • 벡터장 \({\mathbf v}\)와 벡터장 \( {\mathbf Y}\)에 대해서 정의되며, 벡터장 \(\nabla_{\mathbf v} {\mathbf Y}\) 을 얻는다
  • 다음 성질을 가진다
    \(\begin{align}&\nabla_X(Y_1 + Y_2) = \nabla_XY_1 + \nabla_XY_2\\ &\nabla_{X_1 + X_2}Y = \nabla_{X_1}Y + \nabla_{X_2}Y\\ &\nabla_{X}(fY) = f\nabla_XY + X(f)Y\\ &\nabla_{fX}Y = f\nabla_XY\end{align}\)
  • 적당한 1-form \(A_{ij}\)에 대하여, 다음과 같이 표현할수 있다
    \(\nabla X_i = \sum_{j=1}^{2} A_{ij}\otimes X_j= A_{i}^{j}\otimes X_j\)
    \(A_{ij}= A_{i}^{j}\) 로 두었다
  • 여기서 1-form \(A_{ij}\)는 벡터장 \({\mathbf v}\)에 대하여 다음을 만족시킴
    \(\nabla_{\mathbf v} X_i = (\nabla X_i)({\mathbf v})= \sum_{j=1}^{2} A_{ij}({\mathbf v}) X_j\)
  • 이때의 \(A=(A_{ij})\) 를 접속 1형식(1-form)이라고 부른다
  • \(F=dA-A\wedge A\) 는 곡률 2형식(2-form) 이라 부른다
  • 3차원의 매개화된 곡면의 경우, 접속은  벡터장의 방향미분을 취한뒤, 곡면에 수직한 성분을 빼주는 것으로 얻어진다

 

 

크리스토펠 기호
  • 정의된 접속형ㅅ으로부터 다음과 같이 크리스토펠 기호 \({\Gamma^k}_{ij}\), \(i,j,k\in\{1,2\}\)를 정의한다
    \(\nabla_iX_j = {\Gamma^k}_{ij}X_k\)
  • 접속형식 \(A=(A_{ij})\)을 통해서는 다음과 같이 표현할 수 있다
    \(\nabla_i X_j = A_{j}^{k}(X_i) X_k\)
    즉 \( A_{jk}(X_i)={\Gamma^k}_{ij}\)
  • 3차원 상의 매개화된 곡면의 경우에는 다음과 같이 얻어진다(아래의 *는 곡면에 수직한 성분을 뜻함)
    \(X_{uu}=\Gamma^1_{11}X_u+\Gamma^2_{11}X_v+(*)\)
    \(X_{uv}=\Gamma^1_{12}X_u+\Gamma^2_{12}X_v+(*)\)
    \(X_{vu}=\Gamma^1_{21}X_u+\Gamma^2_{21}X_v+(*)\)
    \(X_{vv}=\Gamma^1_{22}X_u+\Gamma^2_{22}X_v+(*)\)
  • 제1기본형식을 이용한 표현
  • 크리스토펠 기호 항목 참조

 

 

공변미분(covariant derivative), 평행이동, 측지선
  • 곡선 \(\alpha : I \to M\) 를 따라 정의된 벡터장 \(Y\)에 대하여, 공변미분은 다음과 같이 정의됨
    \(\frac{DY}{dt}=\nabla_{\alpha'(t)}Y\)
  • 곡선 \(\alpha : I \to M\) 를 따라 정의된 벡터장 \(Y\)에 대하여, 공변미분이 0이 되는 경우, 즉 \(\nabla_{\alpha'(t)}Y=0\) 인 경우, 벡터장 \(Y\)는 곡선 \(\alpha\)를 따라 평행하다고 한다
  • 곡선 \(\alpha : I \to M\)가  \(\nabla_{\alpha'(t)}\alpha'(t)=0\)를 만족시키는 경우, 곡선 \(\alpha\)를 이 곡면의 측지선이라 부른다
  • coordinate chart 에서 \(\alpha(t)=(\alpha_1(t),\alpha_2(t))\) 로 표현되는 경우, 크리스토펠 기호를 쓰면 측지선은 다음 미분방정식을 만족시킨다
    \(\frac{d^2\alpha_k }{dt^2} + \Gamma^{k}_{~i j }\frac{d\alpha_i }{dt}\frac{d\alpha_j }{dt} = 0\)
  • 측지선

 

 

 

가우스곡률과 가우스의 정리
  • 곡면에 정의된 가우스곡률은 곡선의 곡률과 마찬가지로, 곡면에 수직인 정규벡터(normal vector)의 변화와 관련된 개념
  • 가우스의 정리는 이러한 곡률을 곡면의 제1기본형식을 통해서 표현할 수 있음을 말해준다
  • 가우스곡률은 \(F=0\)인 제1기본형식에 대하여, 다음과 같이 주어진다
    \(K = -\frac{1}{2\sqrt{EG}}\left(\frac{\partial}{\partial u}\frac{G_u}{\sqrt{EG}} + \frac{\partial}{\partial v}\frac{E_v}{\sqrt{EG}}\right)\)
  • 곡률의 개념이 곡면이 3차원에 놓인 상태와는 무관한 곡면에서 측량할 수 있다는 사실을 말해줌
  • 가우스의 놀라운 정리(Theorema Egregium) 항목 참조
  • 가우스곡률

 

 

곡면의 예

 

 

역사

 

 

메모

 

 

다른 과목과의 관련성

 

 

관련된 대학원 과목 또는 더 공부하면 좋은 것들
  • 미분다양체론(differentiable manifolds)
    • 다양체란 1차원 공간인 곡선, 2차원 공간인 곡면을 일반화한 n차원의 공간
    • 미분다양체는 미적분학을 할 수 있는 다양체를 뜻함
  • 리만기하학(Riemannian geometry)
    • 곡면에 메트릭을 주는 것을 일반화하여 메트릭이 주어진 미분다양체를 공부함
  • 리군과 Symmetric spaces의 분류

 

 

유명한 정리 혹은 재미있는 문제

 

 

관련된 항목들

 

수학용어번역

 

 

사전 형태의 자료

 

 

관련논문

 

 

표준적인 교과서
  • do Carmo, Manfredo (1976). Differential Geometry of Curves and Surfaces.

 

 

추천도서 및 보조교재
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