diff --git a/diffgeoII/.gitignore b/diffgeoII/.gitignore index c654057bd89e8a54766091fcfaa40870d7feacc6..60e8788f52401b95e642ef28862c0420d3b5e87e 100644 --- a/diffgeoII/.gitignore +++ b/diffgeoII/.gitignore @@ -4,3 +4,4 @@ *.log gdim.tex for-compile.tex +tmp.tex diff --git a/diffgeoII/edit-this-file.tex b/diffgeoII/edit-this-file.tex index 1fefc9e7fd5a069ba35ba8a6b88a6117200860eb..307963574daa56900fe84dc479bdb92e821db6db 100644 --- a/diffgeoII/edit-this-file.tex +++ b/diffgeoII/edit-this-file.tex @@ -2630,3 +2630,240 @@ $$ ist eine Karte für $\partial M$ an $p$ Nächstes mal: um der Stokes-Formel Sinn zu geben werden wir für orientiertes $M$ eine Orientierung auf $\partial M$ angeben. + +%2019-05-28 + +letztes Mal: Mannigfaltigkeiten mit Rand + +Errinnerung: $(M, \partial M)$, modelliert auf $\mathbb R^n$ oder auf $H^n = \{x\in R^n \mathrel | x^n \geqslant 0 \}$ + +%TODO Bild B1 + +$$ + M = \overline B (0,1) &\subset& \mathbb R^{n+1} + \\ \partial M &=& S^m \subseteq \mathbb R^{n+1} +$$ + +Beweis: + +$$ +\dim M = n \Rightarrow \dim \partial M = n-1 +$$ + +Ziel: + +$$ + \int_M \intd \omega = \int_{\partial M} \omega\quad \forall \omega\in \Omega^k (M) +$$ + +%TODO Bild B2 + +Errinnerung: eine glatte Funktion au $H^n$ ist per Definition die Einschränkung einer glatten Funktion von $\underbrace{ U }_{\mathbb R^n, \text{ offen}}\supseteq H^n$ + +Folglich ist $T_pH^n \cong T_p\mathbb R^n\quad\forall p\in \partial H^n = \mathbb R^{n-1}$ + +Daher gilt $T_pM$ hat Dimension $n$ selbst für Punkte auf +$\partial M$ +! + +(insbesondere $\neq T_p(\partial M)$) + +** Definition + +Sei $v \in T_p M$, $p\in \partial M$. $v$ heißt nach außen (bzw. nach innen) zeigend, wenn $v(x^n) < 0$ für jede Karte $(U,x)$ mit $x(p)=0$ + +%TODO Bild B3 + +** Bemerkung + +Dies ist wohldefiniert, weil für jede andere Karte $(V,y)$ mit $y(p)=0$ gilt: + +$$ + D(y\circ x^{-1}) = \left[ TODO \right]%TODO B4 +$$ + +(weil $y\circ x^{-1}\colon H^n \overset{Diffeo}\to H^n$) %TODO Bilchen B5 + +$$ + \tilde x^{-1} = x^-1|_{\mathbb R^{n-1}} + \\ \tilde y^{-1} = y^{-1}|_{\mathbb R^{n-1}} +$$ +mit $\alpha > 0$ + +Wenn $M$ orientiert ist, bekommen wir auch eine Orientierung auf +$\partial M$: wenn $\{(U,x)\}$ ein orientierter Atlas von $M$ ist +$\Rightarrow \det D_{x(p)}(y\circ x^{-1}) > 0$, auch für $p\in \partial M$, was $\det D_0(y\circ x^{-1}) = \alpha \det D_0 (\tilde y \circ \tilde x^{-1})$ + +$\Rightarrow \{ (U\cap \partial M, \tilde x) \}$ ist ein orientierter Atlas für $\partial M$ + +** Geometrisch + +$v_1, \ldots, v_{n-1} \in T_p(\partial M)$ ist positiv orientiert $\Leftrightarrow v, v_1, \ldots, v_{n-1} \in T_p M$ positiv orientiert für jedes nach außen zeigende $v$ + +%TODO Bilchen B6 + +Ziel: + +$$ +\int_M \intd \omega = \int_{\partial M} \omega \quad \forall \omega\in \Omega^{n-1}(M) +$$ + +** Erinnerung + +$$ + \int_M \intd \omega = \sum_{k\in \mathbb N} \int_M \varphi_k \intd \omega, \quad (\varphi_k)_{k\in \mathbb N} \text{Teilung der Eins} +$$ + +s.d. +$$ + \operatorname{supp} \varphi_k \subset c([0,1]^n), c\colon [0,1]^n\to M\text{ positiv orientiert} +$$ + +Für eine Mannigfaltigkeit mit Rand gilt: Es gibt eine Überdeckung $U = \{U_i\}_i$ von $M$ mit der Eigenschaft: jedes $U_i \subseteq c([0,1]^n)$, wobei $c\colon[0,1]^n\to M$ orientierungserhaltend mit entweder + +$$ + c([0,1]^n) \subset M\partial M +$$ + +oder + +$$ + c([0,1]^n)\cap \partial M = c_{n,0}([0,1]^{n-1}) +$$ + +%TODO Bildchen B7 + +($U$ existiert nach Definition von einer Mannigfaltigkeit mit Rand: (benutze Karten) + +** Notation + +Wenn $M$ orientiert ist, bezeichnen wir durch $-M$ die Mannigfaltigkeit $M$ mit Umgekehrter Orientierung (mit Volumenform $-\omega$ statt $\omega$) + +NB:%TODO NB? + +$$ +\int_{-M} \alpha = - \int_M \alpha +$$ + +** Satz(Newton, Leibnitz, Green, Gauss, Poincaré) + +Sei $M$ eine orientierte Mannigfaltigkeit mit Rand $\partial M$, $\dim M = n$; sei $\omega \in \Omega^{n-1}(M)$, $\operatorname{supp} \omega$ ist kompakt. Dann gilt: + +$$ + \int_M \intd \omega = \int_{\partial M}\omega_{.,} +$$ + +Beweis: + +Sei $U$ eine Überdeckung wie oben, $(\varphi_k)$ die untergeordnete Teilung der Eins, haben dann + +$$ + \int_M \intd \omega = \sum_{k\in \mathbb N}\int_M \varphi_k \cdot \diffd\omega + \\ \operatorname{supp} \varphi_k \subseteq \underbrace{U_{i_k}}_{\text{offen}} \subseteq c\left([0,1]^n\right) +$$ + +%TODO Bilchen B8 + +Wenn $\omega \in \Omega^n(M)$ mit $\operatorname{supp}\omega \subseteq U_{i_k} \subseteq c\left([0,1]^n\right)$, $c([0,1]^n) \cap \partial M=\emptyset$ + +$\Rightarrow \operatorname{supp} \omega \cap \partial\left( c[0,1]^n \right) = \emptyset$ und + +$$ + \int_M \intd \omega \overset{\text{Def.}}= \int_c \intd \omega \overset{\text{lokale Version}}= \int_{\partial c}\omega = 0 +$$ + +Andererseits $\int_{\partial} \omega =0$, weil $\operatorname{supp} \omega \cap \partial M = \emptyset$ + +Wenn $\omega\in \Omega^n(M)$ mit $\operatorname{supp}\omega \subseteq U_{i_k} \subseteq c\left( [0,1]^n \right)$: + +$$ + c\left([0,1]^n\right)\cap \partial M = c_{n,0}\left( [0,1]^{n-1} \right) +$$ + +$$ + \int_M \intd \omega &=& \int_c \intd \omega + \\&\overset{\text{lokale Version}}=& \int_{\partial c} \omega + \\&=& \int_{(-1)^nc_{n,0}} \omega + \\&=& (-1)^n \int_{c_{n,0}} \omega + \\&\overset{\text{Vergleich von Orientierungen}}=& (-1)^n(-1)^n \int_{\partial M} \omega + \\&=& \int_{\partial M} \omega +$$ + +%TODO Bildchen B9 + +$c$ orientiert $\Rightarrow \underbrace{ e_1 }_{c_*\left(\frac{\partial}{\partial u^1} \right)}, \ldots, \underbrace{ e_n }_{c_*\left(\frac{\partial}{\partial u^n} \right)}$ positiv orientiert. + +Orientierung auf dem Rand ist aber so definiert, dass $-e_n, e_1, \ldots, e_{n-1}$ positiv orientiert sein soll. + +** Im Allgemeinen + +($\omega \in \Omega^{n-1}(M)$ beliebig) + +$$ + \int_{\partial M} \omega &=& \int_{\partial M} \sum_k \varphi_k \cdot\omega + \\&=& \sum_k \int_{\partial M} \varphi_k \cdot \omega + \\&\overset{\operatorname{supp}(\varphi_k, \omega)\text{ in }U_{i_k}}=& \sum_k \int_M \intd (\varphi_k \omega) + \\&=& \sum_k \int_M \intd(\varphi_k \omega) + \\&=& \sum_k \int_M \intd \varphi_k\wedge\omega + \sum_k \int_M \varphi_k \intd \omega + \\&=& \int_M \intd\left(\underbrace{ \sum_k \varphi_k }_{=1} \right) \wedge \omega + \int_M\intd \omega + \\&=& \int_M \intd \omega +$$ + +(weil $\diffd (1)=0$) + +** Korollar + +Wenn $\partial M = \emptyset$, $\omega \in \Omega^{n-1}(M)$, gilt + +$$ +\int_M \intd \omega = 0 +$$ + +Erinnerung: + +$$ + d\circ d = 0 +$$ + +$\Rightarrow$ wenn $\eta = \intd \omega \Rightarrow \intd \eta=0$, ($\overset{?}\Leftarrow$) + +** Definition + +$\eta \in \Omega^k(M)$ heißt: + + 1. geschlossen, wenn $\diffd \eta = 0$ + 2. exakt, wenn $\eta = \diffd \omega$ + +$\diffd^2 = 0$ heißt exakt $\Rightarrow$ geschlossen + +$\Leftarrow$ gilt im Allgemeinen nicht: + +** Beispiel + +$M=S^1$, $\omega = \diffd \theta$ (im lokelen Koordinaten) + +%TODO Bildchen B10 + +$$ + \int_{S^1} \omega = \int_0^{2\pi} \intd \theta = 2\pi +$$ + +$\Rightarrow \nexists f \in \Omega^0 (S^1)$ mit $\omega = \diffd f$ + +** $\text{Beispiel}'$ + +$M$ kompakt, $\dim M = n$, ohne Rand, orientiert, $\omega\in \Omega^n(M)$ Volumenform + +$$ +0 < \int_M \omega,\quad \diffd \omega = 0 +$$ + +weil $\Omega^{n+1}(M) = 0$ $\Rightarrow \omega$ geschlossen, aber nicht exakt. + +** Definition + + - $B^k(M) := \{ \eta \in \Omega^k(M) \mathrel| \eta = \diffd \omega \}$ + - $Z^k(M) := \{ \eta \in \Omega^k(M) \mathrel| \eta = \diffd 0 \}$ + +$B^k(M) \nsubseteq Z^k(M)$, $H^k (M) := Z^k(M) / B^k (M)$ heißt ($k$-te) de Khan-Kohomologie von $M$ +