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La curvatura de Ricci: paso en la prueba de un documento por parte de Hamilton

En Hamilton en papel de "La Curvatura de Ricci Ecuación" (en Seminario sobre no Lineal de Ecuaciones Diferenciales Parciales, aquí), puedo hacer todo de Lema 4.2, excepto por la siguiente relación: $$ -g^{ik}g^{j\ell}h_{pk}\partial_jF^p_{i\ell}=-\frac{1}{2}\Delta E+g^{ik}g^{j\ell}(\partial_jh_{kq})F^q_{i\ell} $$ donde $g$ $h$ son métricas, $\Delta$ es el Laplaciano w.r.t. $g$, e $E=g^{ij}h_{ij}$.

Por lo que puedo entender la relación de la siguiente manera directa el cálculo de la LHS: $$ -g^{ik}g^{j\ell}h_{pk}\partial_jF^p_{i\ell} $$ donde $$ F^p_{i\ell}=\frac{1}{2}h^{sp}(\partial_ih_{\ell s}+\partial_\ell h_{es}-\partial_sh_{i\ell}), $$ sin embargo, lo que actualmente estoy tratando de no está funcionando.

Edit: Una respuesta correcta se le ha dado.

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Natrium Puntos 171

Esta $\partial_i$ es utilizado por Hamilton para denotar la de Levi-Civita de conexión con respecto a la métrica de $g$ o, con respecto a $\Gamma_{i}{}^{k}_{j}$

Aviso de que hay una errata en el documento original en la quinta línea en la página.52, donde se dice que "$\partial_i$ es covariante diferenciación con respecto a los $F_{i}{}^{k}_{j}$".

Me voy a cambiar la notación para hacer las cosas más claras. Yo uso $\nabla^{(g)}$ $\nabla^{(h)}$ para la de Levi-Civita de las conexiones de las métricas $g$ $h$ respectivamente. En otras palabras, yo uso $\nabla^{(g)}_i$ en lugar de Hamilton $\partial_i$ para evitar una posible confusión con las derivadas parciales.

La diferencia de las conexiones de $F_{i}{}^{k}_{j}$ en el expresado por la identidad: $$ \nabla^{(g)}_i \omega_j = \nabla^{(h)}_i \omega_j + F_{i} {a}^{k}_{j} \omega_k $$ donde $\omega_i$ es arbitraria $1$-forma (covector).

Ahora podemos calcular el Laplaciano w.r.t. $g$ de la función de $E = g^{i j} h_{i j}$. $$ \begin{align} \Delta^{(g)} E & = g^{i j} \nabla^{(g)}_i \nabla^{(g)}_j (g^{k l} h_{k l}) \\ & = g^{i j} g^{k l} \nabla^{(g)}_i \nabla^{(g)}_j h_{k l} \\ & = g^{i j} g^{k l} \nabla^{(g)}_i \Big( \nabla^{(h)}_j h_{k l} + F_{j}{}^{p}_{k} h_{p l} + F_{j}{}^{p}_{l} h_{k p} \Big) \ \end{align} $$

Ahora observamos que el $\nabla^{(h)}_j h_{k l} = 0$ y recuperar la identidad $$ \nabla^{(g)}_j h_{k, l} = F_{j}{}^{p}_{k} h_{p l} + F_{j}{}^{p}_{l} h_{k p} $$

De continuar con este proceso obtenemos

$$ \begin{align} \Delta^{(g)} E & = g^{i j} g^{k l} \nabla^{(g)}_i \Big( F_{j}{}^{p}_{k} h_{p l} + F_{j}{}^{p}_{l} h_{k p} \Big) \\ & = g^{i j} g^{k l} \Big( h_{p l} \nabla^{(g)}_i F_{j}{}^{p}_{k} + F_{j}{}^{p}_{k} \nabla^{(g)}_i h_{p l} + h_{k p} \nabla^{(g)}_i F_{j}{}^{p}_{l} + F_{j}{}^{p}_{l} \nabla^{(g)}_i h_{k p} \Big) \\ & = 2 \, g^{i j} g^{k l} h_{p l} \nabla^{(g)}_i F_{j}{}^{p}_{k} + 2\, g^{i j} g^{k l} F_{j}{}^{p}_{k} \nabla^{(g)}_i h_{p l} \end{align} $$ que es equivalente a la ecuación en la pregunta. Esto también confirma la identidad en @Avitus la respuesta: $$ \begin{align} \Delta^{(g)} E & = 2 \, g^{i j} g^{k l} \nabla^{(g)}_i \Big( h_{p l} F_{j}{}^{p}_{k} \Big) \end{align} $$

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Avi Puntos 21

Sugerencia: teniendo en cuenta la r.h.s. de la ecuación en el OP podemos escribir

$$g^{ik}g^{jl}(\partial_j h_{kq})F^{q}_{il}=g^{ik}g^{jl}\partial_j\left( h_{kq}F^{q}_{il}\right)-g^{ik}g^{jl}h_{kq}(\partial_j F^{q}_{il}); $$

pero

$$-g^{ik}g^{jl}h_{kq}(\partial_j F^{q}_{il})=-g^{ik}g^{jl}h_{qk}(\partial_j F^{q}_{il})=-g^{ik}g^{jl}h_{pk}(\partial_j F^{p}_{il}),$$

es decir, el l.h.s. de la ecuación dada en el OP, por la simetría del tensor de $h$ y cambiando los nombres para índices repetidos.

Queda por demostrar que

$$g^{ik}g^{jl}\partial_j\left( h_{kq}F^{q}_{il}\right)=\frac{1}{2}\Delta(E), $$

mediante la definición de Laplace-Beltrami operador $\Delta$ w.r.t. $g$.

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