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SEEP sobre colectores

Me pregunto si hay un general coordinar independiente de la forma de definir una Ecuación Diferencial Parcial en una Suave colector.

Definitivamente es cierto que en cada coordenada barrio en el que podría definir una función de satisfacer una ecuación diferencial, pero cuando cambio de coordenadas, a continuación, la ecuación diferencial más probable es que tenga una forma diferente.

Por ejemplo, en $\mathbb{R}^3$ uno dice que una función es armónica si satisface

$ \frac{\partial^2}{\partial x^2} f + \frac{\partial}{\partial y^2} f + \frac{\partial}{\partial z^2} f = 0 $

pero es no es cierto que esféricas en coordenadas de una función es armónica si

$ \frac{\partial^2}{\partial r^2} f + \frac{\partial}{\partial \theta^2} f + \frac{\partial}{\partial \phi^2} f = 0 $

El cambio de variables a coordenadas esféricas le da una muy diferente de la PDE. Así que, básicamente, ¿cómo se puede definir un operador diferencial que es coordinar independiente en un suave colector, de modo que usted puede tener alguna idea de un PDE en un colector.

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rck Puntos 121

Ryan ya dio una muy buena respuesta. Sólo quiero dar un par de aclaraciones sobre cómo uno debe pensar de ecuaciones en derivadas parciales en general. Lo que es más importante: usted debe no creo que un operador diferencial como se define por "una fórmula". ¿A qué me refiero con eso? En su pregunta, usted escribió que el Laplaciano en coordenadas Euclidianas es $\frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2}$, pero en coordenadas Esféricas es no $\frac{\partial^2}{\partial r^2} + \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} + \frac{\partial^2}{\partial \phi^2}$. Pero, ¿por qué debe uno haber pensado que las dos expresiones son iguales?

Para ilustrar, creo que de la función en el avión $f(x,y) = x^2 + y^2$. Esto representa el cuadrado de la distancia de un punto desde el origen. En coordenadas radiales, la misma función se escribe como $f(r,\theta) = r^2$. No $r^2 + \theta^2$, lo cual es una bestia diferente. Justo como el reemplazo directo $x \to r$ $y\to \theta$ cambios de la función que usted está considerando, que los reemplazos $\frac{\partial}{\partial x} \to \frac{\partial}{\partial r}$ etc cambia el operador que usted está considerando.

Ahora: pensar geométricamente (colectores), una (real valorados) la función es una asignación de un número a cada punto en el colector. A continuación, en cualquier sistema de coordenadas no es una representación de la función de una fórmula. Ya que nos gusta trabajar con fórmulas, podemos interpretar la noción de una función como un "mapa". Este mapa toma como entrada un sistema de coordenadas, y las salidas de una fórmula que representa su función en ese sistema de coordenadas. (Si usted está familiarizado con la categoría de la teoría, esto es similar a cómo uno puede pensar en términos de flechas en lugar de puntos.)

Del mismo modo, un operador diferencial parcial puede ser pensado como un objeto en sí mismo. Nuestra forma habitual de escribir como derivadas parciales en algún sistema de coordenadas con coeficientes es sólo una representación conveniente de que el objeto real en el piso de arriba. Por lo tanto, de forma análoga a cómo una función es meramente un "mapa" de sistema de coordenadas a la fórmula de representación, se puede pensar en un diferencial parcial operador también como un "mapa" que toma como entrada un sistema de coordenadas y salidas de una expresión que es una suma de las derivadas parciales con algunos de los coeficientes.

El jet paquete de formulación es sólo un sofisticado y riguroso manera de formular esta idea. La dificultad principal es asegurarse de que la intuición anterior es compatible con el cambio de las variables de las fórmulas. Supongamos que tenemos un sistema de coordenadas $A$, y una expresión en términos de las derivadas parciales que vamos a llamar a $L_A$. La pregunta es: ¿existe algún resumen diferenciales parciales operador $L$ de tal forma que su representación en el sistema de coordenadas $A$ es, precisamente,$L_A$? Y si hay un operador, es el hecho de que, para algunos la función $f$ (escrito en el sistema de coordenadas $A$ $f_A$), $L_A f_A = 0$ invariantes bajo el cambio de sistema de coordenadas? (Que, dado cualquier otro sistema de coordenadas $B$, $L_Bf_B = 0$ también.) Las herramientas de chorro de paquetes le permite hacer una definición consistente en la descripción de las ecuaciones diferenciales parciales.

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Chris Puntos 133

Usted puede ver el concepto de un "Jet paquete" para ser exactamente lo que usted necesita para hacer de las ecuaciones diferenciales parciales de coordenadas independientes en los colectores, como los puntos de chorro de paquetes representan precisamente los polinomios de Taylor de funciones en coordenadas locales. Echa un vistazo en el Capítulo 4 de Hirsch "Topología Diferencial" de libros de texto para más detalles.

El problema subyacente es que la tangente paquete de un colector no es trivial en general, de manera que usted tiene que hacer algo nuevo para hacer sentido de ecuaciones diferenciales parciales.

Quizás la más sencilla sería la de ver un campo de vectores como 1 de la orden de la ecuación diferencial a través del operador de la derivada direccional. Desde allí se puede tomar mezclado derivadas direccionales. Esto no es lo ideal ya que no se puede expresar "natural" ecuaciones diferenciales como el Laplaciano de esta manera (por ejemplo, piense en $S^2$ -- todos los vectores de campo tiene un cero...). edit: como se ha señalado, en $S^2$ no es una formulación de la Laplaciano en términos de iteradas 1 de la orden DE. Supongo que debería haber enunciado de cosas como "incluso si usted es capaz de expresar una PDE según se expresa 1er orden DEs en un colector, puede no ser deseable, debido a la ruptura de simetrías provocado por llevar en campos vectoriales."

El enfoque más directo es pensar de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales de funciones en motos de paquetes. Pero con frecuencia se puede expresar interesante ecuaciones diferenciales con otros modales-disponer de una conexión en un colector es una de las formas más sencillas de convertir 2º derivados en tangenciales de datos. La correspondiente formulación se llama un Ehresmann de Conexión. Pero hay otros tipos de estructuras en los colectores donde Pde puede acechan. Formas diferenciales da un estándar de lenguaje -- el exterior de derivados y Hodge estrella de los operadores de Riemann colectores de darle un idioma donde se puede expresar el Laplaciano.

Creo que esta es una muy buena pregunta, en que, en gran medida el idioma que usted necesita para expresar un PDE en un colector mucho informa sobre lo que realmente sabes geométricamente sobre la PDE. Así que es un paso clave para llegar a comprender la naturaleza de un PDE. Tener un PDE en el jet paquete de nivel básicamente significa que usted no sabe nada acerca de ella, aparte de que es un PDE.

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