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Formulario de área para $M^2 \subseteq \Bbb R^4$

Sabemos que en general, dada una hipersuperficie orientable $M^{n-1} \subseteq \Bbb R^n$ la forma de volumen en $M$ viene dada por $$dM = \sum_{i=1}^n(-1)^{i-1}n_i\,dx^1 \wedge\cdots\wedge \widehat{dx^i}\wedge \cdots \wedge dx^n,$$ donde $(n_1,\cdots,n_n)$ es la unidad normal a $M$ . Además, tenemos $$n_i\,dM = (-1)^{i-1}dx^1 \wedge\cdots\wedge \widehat{dx^i}\wedge \cdots \wedge dx^n$$ para los vectores tangentes. Otro caso general es el de las superficies bidimensionales en $\Bbb R^n$ para lo cual en coordenadas podemos escribir usando $\sqrt{EG-F^2}$ .

Pero quería escribir algo como la primera expresión para superficies $M^2 \subseteq \Bbb R^4$ específicamente. Que yo sepa, no hay una elección estándar de bases ortonormales para el espacio normal. ¿Hay alguna manera de evitar esto, al menos en este caso? Si la hay, supongo que se adaptaría para submanifolds de codimensión $2$ pero eso sería la guinda del pastel.

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Ivo Terek Puntos 27665

Me subí las mangas e hice el cálculo para $M^2 \subseteq \Bbb R^4$ . Lo publicaré aquí, pero dejaré la pregunta abierta un tiempo por si alguien ve una forma no medieval de hacerlo.

En primer lugar, tome $\{e_1,e_2\}$ una base ortonormal positiva de $T_xM$ y elegir cualquier base ortonormal positiva $\{n,\nu\}$ de $T_xM^\perp$ con $\{e_1,e_2,n,\nu\}$ siendo de nuevo una base ortonormal de $T_x(\Bbb R^4)$ . Observamos que $\det(e_1,e_2,n,\nu) = 1$ para que $$dM(v,w) = \det(v,w,n,\nu)$$ es la forma del área en $M$ . Hagamos una rápida comprobación de la realidad y veamos que esto no depende de nuestra elección de $n$ y $\nu$ . Si $n',\nu'$ es otra opción con las propiedades anteriores, escriba $$n' = (\cos t) n + (\sin t) \nu, \quad \nu' = (-\sin t) n + (\cos t) \nu$$ para algunos convenientes $t$ . Usando eso $\det$ es multilineal, es fácil ver que $$\det(v,w,n,\nu)=\det(v,w,n',\nu')$$ para todos $v$ y $w$ . Ahora escribe $n = (n^1,\cdots,n^4)$ y $\nu = (\nu^1,\cdots,\nu^4)$ y de forma similar para $v$ y $w$ . Recordemos que $$dx^i \wedge dx^j(v,w) = \begin{vmatrix} v^i & v^j \\ w^i & w^j\end{vmatrix}.$$ Entonces usted toma $$dM(v,w) = \begin{vmatrix} v^1 & v^2 & v^3 & v^4 \\ w^1 & w^2 & w^3 & w^4 \\ n^1 & n^2 & n^3 & n^4 \\ \nu^1 & \nu^2 & \nu^3 & \nu^4 \end{vmatrix}$$ y ampliarlo en la fila inferior para obtener una combinación de $3 \times 3$ subdeterminantes con algunos signos y coeficientes $\nu_i$ . Entonces se expanden estos subdeterminantes por sus filas inferiores de nuevo, y después de un poco de dolor y sufrimiento se obtiene $$dM= \sum_{1 \leq i<j\leq 4}(-1)^{i+j-1}\begin{vmatrix} n_{i'} & n_{j'} \\ \nu_{i'} &\nu_{j'}\end{vmatrix}dx^i \wedge dx^j,$$ donde $i'<j'$ son los índices restantes (¿hay alguna forma de escribirlo con claridad?).

En la práctica, si se tiene una parametrización $\varphi\colon U \subseteq \Bbb R^2 \to M \subseteq \Bbb R^4$ uno de los vectores de la base estándar no será tangente a $M$ digamos, $e_4$ . Entonces toma $n = \varphi_u\times \varphi_v \times e_4$ normalizado y $\nu = \varphi_u \times \varphi_v \times n$ normalizado, y arreglar algunas señales si es necesario.

Se puede imaginar el caso general de $M^k \subseteq \Bbb R^n$ , recogiendo $n-k$ direcciones normales ortonormales, y tendríamos alguna combinación como $$dM = \sum_{1 \leq i_1 <i_2 < \cdots < i_k \leq n}(-1)^{-1+\sum i_j} \det(\text{something }(n-k)\times (n-k))\,dx^{i_1}\wedge\cdots \wedge dx^{i_k},$$ pero tómalo con un grano de sal.

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