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¿Cómo entender la segunda derivada covariante?

Estoy leyendo las conferencias de P. Li sobre el análisis geométrico. En la página 14, el autor define la segunda derivada covariante como sigue:

Dejemos que $f$ sea una función suave sobre $M$ . $\omega_1, \cdots, \omega_n$ sea una base local ortonormal de $T^*M$ alrededor de un punto fijo $p$ . Y $d\omega_i=\sum_j\omega_{ij}\wedge\omega_j$ . Entonces $$df=\sum_i f_i\omega_i$$ A continuación, el autor da la definición: $$ f_{ij}\omega_j=df_i+f_j\omega_{ji}. $$

Mi pregunta es cómo entender esta definición en comparación con la habitual, es decir $$ \nabla^2_{X,Y}f=XY(f)-\nabla_XY (f) $$

También la derivada covaiante de tercer orden se define de forma similar: $$ f_{ijk}\omega_k=df_{ij}+f_{kj}\omega_{ki}+f_{ik}\omega_{kj} $$ La pregunta similar para esta expresión, ¿cómo entender estos índices?

Gracias por cualquier respuesta detallada, tengo un poco de miedo de estos cálculos locales en comparación con la definición global habitual. Sin embargo, en la mayoría de los documentos, los cálculos locales son más comunes. Así que quiero entenderlo claramente.

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MickG Puntos 142

En realidad son lo mismo. Yo estoy acostumbrado a una notación ligeramente diferente y me ceñiré a la mía. Dejemos que $\{\omega^i\}_{i=1}^n$ sea un marco local ortonormal dual al marco ortonormal $\lbrace e_i\rbrace_{i=1}^n$ y definimos la conexión $1$ -forma $\omega_i^j$ por $\nabla _X e_i = \omega_i^j(X)e_j$ (notación de Einstein). Entonces, diferenciando $\delta_i^j=\omega^j(e_i)$ tenemos $\nabla _X \omega^j =-\omega_i^j (X)\omega^i$ .

La ecuación $d\omega^i=\omega^j\wedge \omega_j^i$ (nota que $\omega_i^j$ es $\omega_{ij}$ en la nota de Peter Li, y también $\omega_i^j=-\omega_j^i$ debido a la ortogonalidad), conocida como la (primera) ecuación estructural de Cartan, puede obtenerse mediante $$d\omega^i(X, Y)= (\nabla _X \omega^i)(Y)- (\nabla _Y \omega^i)(X)=-\omega^i_j(X)\omega^j(Y)+\omega^i_j(Y)\omega^j(X)=(\omega^j\wedge \omega ^i_j)(X, Y).$$ Alternativamente, a partir de lo anterior es fácil ver que si $\omega^i_j $ satisface la ecuación de Cartan, entonces $\nabla _X \omega^j =-\omega_i^j (X)\omega^i$ . Las formas de conexión 1 son exactamente el análogo de los símbolos de Christoffel en un sistema de coordenadas.

Recordemos que para una función $f$ la derivada covariante $\nabla f$ coincide con $df$ es decir $\nabla f(X)= df(X)(=X(f))$ . La segunda derivada covariante (es decir, el hessiano) viene dada por $\nabla ^2 f :=\nabla (\nabla f)= \nabla (df)$ . En un marco ortonormal, tenemos \begin{equation*} \begin{split} f_{ij}:=(\nabla ^2 f)(e_i , e_j)= (\nabla (\nabla f))(e_i, e_j):= (\nabla _{e_i}\nabla f)(e_j)= &\nabla _{e_i}(\nabla _{e_j}f)- (\nabla f)(\nabla _{e_i}e_j)\\ =& e_i(e_j(f))-(\nabla _{e_i}e_j)f\\ =& e_i(f_j)-(\nabla _{e_i}e_j)f. \end{split} \end{equation*} donde $f_j:= e_j(f)$ . Utilizando el lenguaje de los fotogramas en movimiento, este cálculo se convierte en \begin{equation*} \begin{split} f_{ij}= e_i(f_j)-f_k \omega_j^k(e_i). \end{split} \end{equation*} Como $dh=e_i (h) \omega^i$ para una función $h$ Esto significa que $$ f_{ij}\omega^i= df_j- f_k \omega^k_j= df_ j + f_k \omega_k^j.$$

Resulta que no importa si definimos $f_{ij}$ como $\nabla ^2 f(e_i, e_j)$ o $\nabla ^2 f (e_j, e_i)$ . Sin embargo, para la tercera derivada, el orden de $i, j, k$ sí importa. En la nota de Peter Li, $f_{ijk}$ se define como $(\nabla _k (\nabla ^2 f))(e_j, e_i)$ que en mi convención es $(\nabla (\nabla ^2 f))(e_k, e_j, e_i)= :\nabla ^3 f(e_k , e_j, e_i)$ . Teniendo esto en cuenta, ahora calculamos $f_{ijk}$ .

Como $\nabla ^2 f= f_{lm}\omega^l \omega^m$ tenemos \begin{equation*} \begin{split} f_{ijk}= (\nabla _k (\nabla ^2f))(e_j, e_i) =& \nabla _k (\nabla ^2 f (e_j , e_i))- \nabla ^2 f (\nabla _k e_j , e_i)-\nabla ^2 f ( e_j, \nabla _k e_i)\\ =&e_k(f_{ij})- \omega_j^l(e_k)f_{li}-\omega_i^l (e_k)f_{jl}\\ =& (df_{ij}- f_{li}\omega^l_k- f_{jl}\omega^l_i)(e_k) \end{split} \end{equation*} Por lo tanto, $$ f_{ijk}\omega^k=df_{ij}- f_{li}\omega^l_k- f_{jl}\omega^l_i=df_{ij}+f_{li}\omega^k_l+f_{jl}\omega^i_l.$$

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