Carlos Antonio Julio Arrieta Geometr´ıa de Superficies ´Indice general 1. Curvas regulares elementales 1.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Curvas parametrizadas . . . . . . . . . . . 1.3. Una nota sobre producto interno y norma 1.4. Producto vectorial . . . . . . . . . . . . . 1.5. Curvas regulares . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Longitud de arco . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Teor´ıa local de curvas . . . . . . . . . . . . 1.8. Expresi´on de la curvatura . . . . . . . . . 1.9. Vector normal, plano osculador y torsi´on . 1.10. F´ormula de Frenet . . . . . . . . . . . . . 1.11. Expresiones de la Torsi´on . . . . . . . . . 1.12. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 5 8 9 14 14 17 18 22 25 26 30 2. Superficies: Teor´ıa y ejemplos elementales 2.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Representaci´on param´etrica . . . . . . . . . . . 2.3. Parametrizaciones locales . . . . . . . . . . . . . 2.4. Superficies regulares y ejemplos . . . . . . . . . 2.5. Superficie regular de dimensi´on k o k−superficie 2.6. Cambio de par´ametro . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Superficies obtenidas por valores regulares . . . 2.8. Funciones diferenciables entre superficies . . . . 2.9. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 35 35 39 40 47 50 53 59 60 3. Vectores tangentes, campos vectoriales y orientaci´ on 3.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Vectores tangentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. La diferencial en superficies regulares . . . . . . 3.2.2. Inmersiones, submersiones y encajes . . . . . . . 3.2.3. Espacio cotangente . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Fibrado tangente y cotangente . . . . . . . . . . . . . . . . 65 65 65 69 71 72 73 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ´INDICE GENERAL 3.3. Campos vectoriales sobre k−superficies 3.3.1. Curvas integrales y flujo local . 3.3.2. Corchete de Lie . . . . . . . . . 3.3.3. Propiedades del corchete de Lie 3.4. Superficies orientables . . . . . . . . . 3.5. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 75 76 78 78 84 4. Peque˜ na introducci´ on al ´ algebra multilineal 4.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Una nota sobre espacio dual . . . . . . . . . . . . ´ 4.3. Algebra tensorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Tensores covariantes y contravariantes . . ´ 4.4. Algebra exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Producto exterior . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Acci´on de transformaciones lineales sobre tensores 4.5.1. Traspuesta de una transformaci´on lineal . 4.5.2. Pull-back y push-forward para tensores . . 4.6. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 87 87 88 89 92 94 95 95 96 100 5. Formas diferenciales sobre superficies 5.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Formas diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Formas diferenciales sobre Rn . . . . . . . 5.3. Traspuesta o Pull-back de una k−forma . . . . . 5.4. Forma de volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Elemento volumen o m−volumen en Rn . 5.4.2. Forma de volumen para m−superficies . . 5.4.3. Elemento volumen de una hipersuperficie . 5.4.4. Volumen de una m−superficie . . . . . . . 5.4.5. Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Derivaci´on exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Integraci´on de formas . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1. Integraci´on sobre varias parametrizaciones 5.6.2. Dominio regular y borde . . . . . . . . . . 5.6.3. Teorema Fundamental del C´alculo . . . . . 5.7. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 105 106 107 108 109 110 112 114 117 118 120 125 126 129 131 132 . . . . . . . 137 137 140 141 142 146 147 152 6. Primera y segunda forma fundamental 6.1. Primera forma cuadr´atica fundamental . . . . ´ 6.1.1. Angulos de curvas sobre una superficie 6.1.2. Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Segunda forma cuadr´atica fundamental . . . . 6.2.1. Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Curvaturas principales . . . . . . . . . . . . . 6.4. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ´INDICE GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´INDICE GENERAL 5 A. Particiones de la unidad 155 A.1. Particiones diferenciables de la unidad . . . . . . . . . . 155 Bibliograf´ıa 161 ´INDICE GENERAL 5 6 ´INDICE GENERAL 6 ´INDICE GENERAL Cap´ıtulo 1 Curvas regulares elementales § 1.1. Introducci´ on La geometr´ıa de curvas y superficies tiene dos aspectos: una, que se puede llamar Geometr´ıa Diferencial cl´asica y usa los principios del C´alculo. Hablando a grosso modo, la Geometr´ıa Diferencial cl´asica estudia las propiedades locales de las curvas y superficies. Por propiedades locales de las curvas se entiende que son las propiedades que dependen del comportamiento de las curvas o superficies en una vecindad de un punto; por esto, las curvas y superficies que se consideran en Geometr´ıa Diferencial ser´an aquellas que se pueden derivar un cierto n´ umero de veces. El otro aspecto es la Geometr´ıa Diferencial global donde se estudia la influencia de las propiedades locales sobre el comportamiento de la curva o superficie entera. Posiblemente, la parte m´as interesante y representativa de la Geometr´ıa Diferencial cl´asica es el estudio de las superficies, por lo tanto algunas propiedades locales de las curvas aparecen naturalmente en el estudio de las superficies. § 1.2. Curvas parametrizadas Primero se dice que una funci´on de una variable real es diferenciable (o suave) si tiene en todos sus puntos, derivadas de todos los ordenes (que son autom´aticamente continuas). Una primera definici´on de curva, no enteramente satisfactoria, pero suficiente para el prop´osito de este cap´ıtulo es: Definici´ on 1.2.1 Una curva diferenciable parametrizada es una funci´ on 3 3 diferenciable α : I → R de un abierto I = (a, b) de R en R La palabra diferenciable en esta definici´on significa que α es una correspondencia que envia a cada t ∈ I en un punto α(t) = (x(t), y(t), z(t)) ∈ R3 5 6 CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES en la que las funciones x(t), y(t), z(t) son diferenciables. La variable t se llama par´ ametro de la curva. La palabra intervalo se toma en sentido generalizado, esto es, puede suceder a = −∞ , b = +∞. Si se denota por x′ (t) la primera derivada de x en el punto t y si se usa una notaci´on similar para las funciones y, z el vector (x′ (t), y ′ (t), z ′ (t)) = α′ (t) ∈ R3 recibe el nombre vector tangente o (vector velocidad) de la curva α en t. La imagen α(I) ⊆ R3 se llama traza de α. Tambi´en se usa el t´ermino infinitamente diferenciable para funciones que tiene derivadas en todos los ´ordenes que no ser´a el caso de estas notas. Ejemplo 1.2.1 Sea α : I = (−2, 2) → R3 dada por α(t) = (1, t, t2 + 1) cuya grafica en R3 es la curva sobre el paraboloide z = x2 + y 2 que se muestra en la Figura 1.1. z x Figura 1.1 y Ejemplo 1.2.2 Una curva diferenciable dada por: α(t) = (a cos t, a sin t, bt), t ∈ R tiene como traza en R3 una elice que tiene tiro de 2bπ sobre el cilindro x2 + y 2 = 1; ver Figura 1.2 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.2. CURVAS PARAMETRIZADAS 7 z x y Figura 1.2 Ejemplo 1.2.3 La funci´on α : R → R2 dada por α(t) = (t3 , t2 ), t ∈ R, una curva parametrizada que tiene la Figura 1.3 como su traza α′ (0) = (0, 0) 2 1 −3 −2 −1 −1 1 2 Figura 1.3 Ejemplo 1.2.4 La funci´on α : R → R3 dada por α(t) = (t3 − 4t, t2 − 4), t ∈ R es una curva parametrizada diferenciable Figura 1.4 Figura 1.4 CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 8 Ejemplo 1.2.5 Las dos curvas parametrizadas de manera distinta α(t) = (cos t, sin t) y β(t) = (cos 3t, sin 3t) donde t ∈ (−ǫ, 2π + ǫ), ǫ > 0 tienen la misma traza, esto es, la circunferencia x2 + y 2 = 1. Note que el vector velocidad de la segunda curva es el triple que el de la primera curva, ver Figura 1.5 β ′ (t) α′ (t) Figura 1.5 § 1.3. Una nota sobre producto interno y norma Si x, y ∈ Rn x = (x1 , ..., xnh ) y y = (y1 , ..., yn ) el producto interno de x con y, notado por hx, yi, se define: hx, yi = Propiedades: n X xi yi (1.1) i=1 hx, yi = hy, xi hλx, yi = λhx, yi hx, y + zi = hx, yi + hx, zi hx, xi ≥ 0 ∀x ∈ Rn y hx, xi = 0 si y s´olo si x = 0. p Si se define k x k= x21 + x22 + ... + x2n entonces se tiene: hx, yi =k x k k y k cos θ, donde θ es el ´angulo formado entre x e y FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.4. PRODUCTO VECTORIAL 9 Si x, y son funciones vectoriales diferenciables de una variable real de I = (a, b) en Rn , entonces d hx, yi = hx′ , yi + hx, y ′ i dt § 1.4. Producto vectorial Definici´ on 1.4.1 (Producto vectorial de dos vectores) Dados los vectores a = (a1 , a2 , a3 ) y b = (b1 , b2 , b3 ) en el espacio definimos su producto vectorial como el vector a×b= ! a2 a3 a1 a3 a1 a2 b2 b3 , − b1 b3 , b1 b2 . Una forma de recordar las componentes del vector producto vectorial de a y b es observar que corresponden al resultado de eliminar la primera, la segunda y la tercera columna, respectivamente, de la matriz a1 a2 a3 b1 b2 b3 teniendo siempre cuidado de que a la segunda componente es necesario cambiarle el signo. Otra forma de recordarlo es la siguiente: sean i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0) y k = (0, 0, 1) los vectores coordenados unitarios; entonces se puede escribir a = a1 i + a2 j + a3 k y b = b1 i + b2 j + b3 k y por lo tanto de la definici´on de a × b se tiene la ecuaci´on i j k a × b = a1 a2 a3 b1 b2 b3 dearrolado por la primera fila. Esto indica, entonces que las propiedades de los determinantes se trasladan naturalmente al producto vectorial entre vectores. As´ı, por ejemplo a×b = −b×a. La siguiente gr´afica muestra la posisi´on de a × b en el orden que muestra la Figura 1.6. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 10 a×b b b 0 a 0 a b×a Figura 1.6 Ejemplo 1.4.1 Hallar el producto vctorial entre a = (1, 0, −1) y b = (2, −1, 1). En efecto, a×b= ! 0 −1 1 −1 1 0 −1 1 , − 2 1 , 2 −1 = (−1, −3, −1); Proposici´ on 1.4.1 Propiedades del producto vectorial. Cualesquiera que sean los vectores a, b y c en R3 se tiene: (a) a × b = −b × a. (b) Si a y b son no nulos, a × b = 0 si y solo si a y b son paralelos (c) (a + b) × c = a × c + b × c. (d) Para el producto mixto se tiene a1 a2 a3 ha × b, ci = b1 b2 b3 c1 c2 c3 (e) ha × b, ai = 0 y ha × b, bi = 0. (f) ha × b, ci = ha, b × ci = hb, c × ai. (g) a × (b × c) = ha, cib − ha, bic (h) ||a × b||2 = ||a||2 ||b||2 − ha, bi2 . FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.4. PRODUCTO VECTORIAL 11 Demostraci´ on. Las propiedades (a), (b), (c), (d), (e) y (f) se deducen inmediatamente de la definici´on de producto vectorial y las propiedades ya conocidas de los determinantes. Las propiedades g) y h) pueden demostrarse directamente utilizando la definici´on de producto vectorial, por lo tanto, s´olo se demuestra h) y g) se deja como ejercicio para le lector. En efecto, a = (a1 , a2 , a3 ), b = (b1 , b2 , b3 ) y c = (c1 , c2 , c3 ) a2 a3 2 a1 a3 2 a1 a2 2 + ||a × b|| = b1 b3 + b1 b2 b2 b3 2 =(a2 b3 − a3 b2 )2 + (a1 b3 − a3 b1 )2 + (a1 b2 − a2 b1 )2 =a22 b23 + a23 b22 + a21 b23 + a23 b21 + a21 b22 + a22 b21 − − 2[a2 b3 a3 b2 + a1 b3 a3 b1 + a1 b2 a2 b1 ] 2 =(a1 + a22 + a23 )(b21 + b22 + b23 ) − a21 b21 − a22 b22 − a23 b23 − 2[a2 b3 a3 b2 + a1 b3 a3 b1 + a1 b2 a2 b1 ] 2 =(a1 + a22 + a23 )(b21 + b22 + b23 ) − (a1 b1 + a2 b2 + a3 b3 )2 =||a||2 ||b||2 − ha, bi2 X Lo que termina la demostraci´on. ♦ Las propiedades del producto vectorial implican los siguientes resultados. Proposici´ on 1.4.2 Area de un paralelogramo en el espacio El ´area A de un parelelogramo en el espacio determinado por dos vectores a y b est´a dado por la siguiente f´ormula: A = ||a × b|| (1.2) Demostraci´ on. Sea θ el ´angulo formado entre los vectores a y b como en la Figura 1.7 a×b b h θ a Figura 1.7 Luego, A = kakh = kakkbk sen θ. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS (1.3) CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 12 Adem´as por la identidad de Lagrange ka × bk2 =kak2 kbk2 − ha, bi2 =kbk2 kbk2 (1 − cos2 θ) =kak2 kbk2 sen2 θ. (1.4) X ♦ Lo que demuestra la proposici´on Ejemplo 1.4.2 Encontrar el ´area del tri´angulo que tiene como v´ertices los puntos de intersecci´on del plano 2x + y + 3z = 6 con los ejes coordenados. Soluci´ on. Los puntos de corte del plano 2x + y + 3z = 6 con los ejes coordenados son (ver, Figura 1.8) A = (3, 0, 0, ) B = (0, 6, 0) y C = (0, 0, 2). C = (0, 0, 2) A = (3, 0, 0) B = (0, 6, 0) Figura 1.8 Se toman los siguientes vectores AB = (−3, 6, 0) y AC = (−3, 0, 2) con lo que y por lo tanto AB × AC = (−12, 6, 18) √ 1 1 1√ ´ Area = ||AB × AC|| = [144 + 36 + 324]1/2 = 504 = 3 14. 2 2 2 El problema que ha conducido a los resultados anteriores es el de encontrar una f´ormula para determinar el volumen de un paralelep´ıpedo en R3 . Este problema puede ser resuelto ahora de una forma elegante. Proposici´ on 1.4.3 Volumen de un paralelep´ıpedo. El volumen de un paralelep´ıpedo determinado por los vectores a, b y c en el espacio puede calcularse mediante la f´ormula a1 a2 a3 V = |ha × b, ci| = b1 b2 b3 c1 c2 c3 donde a = (a1 , a2 , a3 ), b = (b1 , b2 , b3 ) y c = (c1 , c2 , c3 ). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.4. PRODUCTO VECTORIAL 13 Demostraci´ on. Sea θ el ´angulo formado por los vectores a × b y c, como en la Figura 1.9. a×b c h θ b a Figura 1.9 Por lo tanto, el volumen del paralelep´ıpedo V es V = (´area de la base) × h = ||a × b|| ||c|| cos θ = |ha × b, ci|. X ♦ Lo que demuestra la proposici´on. Ejemplo 1.4.3 El volumen del paralelep´ıpedo determinado por los vectores a = (1, 2, −3), b = (0, 1, 2) y c = (1, −2, −1) es el valor absoluto de 1 2 −3 1 2 2 −3 2 = V = 0 1 + = −1 + 4 + 4 + 3 = 10 −2 −1 1 2 1 −2 −1 Por lo tanto, V = 10u2 Proposici´ on 1.4.4 Sean α(t) = (α1 (t), α2 (t), α3 (t)) y β(t) = (β1 (t), β2 (t), β3 (t)) curvas parametrizadas diferenciables en un intervalo abierto I. Entonces d α(t) × β(t) = α′ (t) × β(t) + α(t) × β ′ (t). dt para todo t ∈ I Demostraci´ on. Es un ejercicio simple. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS (1.5) X ♦ CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 14 § 1.5. Curvas regulares Sea α : I → R3 una curva parametrizada diferenciable. Para cada t ∈ I donde α′ (t) 6= 0 existe una recta bien definida, que contiene el punto α(t) y el vector α′ (t), esta recta recibe el nombre de recta tangente de α en t. Para el estudio de la geometr´ıa diferencial de una curva es importante que exista tal recta tangente en cualquier punto de la curva. Si α′ (t) = 0 entonces se dice que t es un punto singular de α Definici´ on 1.5.1 Una curva parametrizada diferenciable α : I → R3 se dice regular si α′ (t) = 6 0 para todo t ∈ I. De ahora en adelante se consideran curvas parametrizadas diferenciables regulares y por simplicidad se omite la palabra diferenciable. § 1.6. Longitud de arco Sea t ∈ I, la longitud de arco de una curva parametrizada regular α : I → R3 desde el punto t0 es por definici´on: Z t s(t) = k α′ (t) k dt (1.6) donde k α′ (t) k= p t0 [x′ (t)]2 + [y ′ (t)]2 + [z ′ (t)]2 . Es la longitud de arco del vector α′ (t). Como α′ (t) 6= 0, la longitud de arco s es una funci´on diferenciable y si tiene: ds =k α′ (t) k (1.7) dt Puede suceder que el par´ametro t ya sea la medida de longitud de arco desde alg´ un punto. En este caso: ds =k α′ (t) k= 1 dt Esto es, el vector velocidad tiene longitud de arco igual a 1. Reciprocamente, si : k α′ (t) k= 1, entonces: s= Z t t0 dt = t − t0 . (1.8) y t es entonces la medida de longitud de arco para α medida desde alg´ un punto t0 . En resumen: el par´ametro t es la medida de longitud de arco desde alg´ un punto si y solo si k α′ (t) k= 1. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.6. LONGITUD DE ARCO 15 para simplificar la exposici´on se restringe a curvas parametrizadas por la longitud de arco, esta es k α′ (t) k= 1. Pero primero veamos: Teorema 1.6.1 Sea α : I → R3 una curva regualar. Entonces existe una reparametrizaci´on por longitud de arco para α definida por β(s) = α(t(s)) donde t(s) es la funci´on inversa de la funci´on longitud de arco asociada con α. Demostraci´ on. Por el teorema fundamental del c´alculo, cualquier funci´on de longitud de arco s de α satisface: Z ds d t ′ (t) = s (t) = k α′ (t) k dt =k α′ (t) k (1.9) dt dt t0 Puesto que α es una curva regular α′ (t) 6= 0 para todo t y por lo tanto ds dt es siempre positiva. El teorema de la funci´on inversa del c´alculo implica que t → s(t) posee inversa s → t(s) y dt = ds s(t) 1 ds dt t(s) Ahora, se define β por β(s) = α(t(s)). Entonces por la regla de la cadena: β ′ (s) = α′ (t(s)) dt . ds Por lo tanto k β ′ (s) k=k α′ (t(s)) dt dt dt ds k= k α′ (t(s)) k= (s) (t(s)) = 1 ds ds ds dt X ♦ Ejemplo 1.6.1 Obtener una reparametrizaci´on por longitud de arco de la h´elice x(t) = (a cos t, a sen t, bt). Soluci´ on Como s = s(t) = Z 0 t ′ ||x (t)||dt = Z t (a2 + b2 )1/2 dt = √ a2 + b2 t, 0 entonces la funci´on inversa de s es CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 16 t = t(s) = √ s + b2 a2 y por el teorema anterior la reparametrizaci´on de x por longitud de arco es x(t(s)) = a cos √ s s bs , a sen √ ,√ . a2 + b 2 a2 + b 2 a2 + b 2 Ejemplo 1.6.2 Dada la circunferencia x(t) = (a cos θ, a sin θ), −π ≤ θ ≤ π. Introducir a lo largo de ella el param´etro t = tan 4θ . Soluci´ on. Por las identidades relativas al ´angulo medio se obtiene θ θ θ θ + sen4 − 6 cos2 sen2 4 4 4 4 2 θ tan 1 1 − 6 2 θ4 . = 4θ + θ 4 sec 4 csc 4 sec 4 cos θ = cos4 Usando las identidades tan2 t + 1 = sec2 t y cot2 t + 1 = csc2 t se obtiene cos θ = t4 6t2 t4 − 6t2 + 1 1 + − = . (t2 + 1)2 (t2 + 1)2 (t2 + 1)2 (t2 + 1)2 An´alogamente θ θ θ θ cos3 − sen3 cos 4 4 4 4 3 4t t = 2 − 2 2 (t + 1) (t + 1)2 4t(1 − t2 ) . = 2 (t + 1)2 sen θ =4 sen Por lo tanto t4 − 6t2 + 1 4t(1 − t2 ) ,b 2 . x(t) = a 2 (t + 1)2 (t + 1)2 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.7. TEOR´IA LOCAL DE CURVAS § 1.7. 17 Teor´ıa local de curvas parametrizadas por longitud de arco Se presentan los resultados principales que se usar´an posteriormente. Para tal efecto, sea α : I = (a, b) −→ R3 una curva param´etrizada por la longitud de arco, Esto es, 1 = ||α′ (s)||, (∀s ∈ I), entonces ||α′′ (s)|| mide la raz´on de cambio en el ´angulo que hacen los vectores tangentes, en una vecindad, con la tangente en s. α′ (s) α′′ (s) Figura 1.10 por lo tanto, ||α′′ (s)|| proporciona una medida de rapidez con que la curva se aleja de la tangente en s, en una vecindad de s. Definici´ on 1.7.1 Sea α : I = (a, b) → R3 una curva par´ ametrizada por la longitud de arco s ∈ I : El n´ umero ||α′′ (s)|| = k(s) se llama curvatura de α en s, y el vector k(s) = α′′ (s) = k(s)n(s) con knk = 1 se llama vector curvatura. Ejemplo 1.7.1 Si α es una linea recta, entonces α(s) = us + v donde u y v son vectores constantes de R3 . Naturalmente, ||u|| = 1 para que la recta est´e par´ametrizada por la longitud de arco y as´ı α′′ (s) = 0. Rec´ıprocamente, si k = 0 = kα′′ (s)k, entonces por simple integraci´on α(s) = us + v y la curva es una l´ınea recta. N´otese que por el cambio de orientaci´on el vector tangente cambia de direcci´on, esto es si β(−s) = α(s), entonces dβ dα(s) dα(s) = =− , d(−s) d(−s) d(s) por lo tanto, α′′ (s) y la curvatura son invariantes bajo un cambio de orientaci´on. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 18 Ejemplo 1.7.2 Sea α : I → R2 la circunferencia de radio 1, esto es, s ∈ (−ǫ, 2π + ǫ), α(s) = (cos s, sin s), entonces α′′ (s) = (− cos s, − sen s), esto es, ||α′′ (s)|| = 1 = k. Ejemplo 1.7.3 Calcular la curvatura de la h´elice circular de ecuaciones s s x = a cos , y = a sen , c c √ con −∞ < s < ∞ , c = a2 + b2 . z= bs c Soluci´ on. Como ′ k(x, y, z) k = a2 b 2 + c2 c2 1/2 = 1, entonces la h´elice est´a param´etrizada por la longitud de arco, luego. a s a s b s a s a (x, y, z)′′ = (− sen , cos , )′ = − 2 cos , − 2 sin , 0 c c c c c c c c c luego k= § 1.8. r a2 a a = 2 = 2 . 4 c c a + b2 Expresi´ on de la curvatura en funci´ on de un par´ ametro cualquiera Teorema 1.8.1 Sea α : I → R3 una curva param´etrizada regular (no necesariamente por longitud de arco) y β : J → R3 una reparametrizaci´on de α(I) por la longitud de arco medida desde t0 ∈ I. Sea t = t(s) la 2 funci´on inversa de la funci´on longitud de arco s. Si dα = α′ , ddtα2 = α′′ , dt etc. Entonces (a) se tiene que dt ds = 1 , ||α′ || d2 t ds2 ′ ′′ i = − hα||α,α ′ ||4 . (b) La curvatura k(t) = kα′ × α′′ k ||α′ ||3 (1.10) Demostraci´ on. (a) Bajo hip´otesis (y usando el Teorema de la funci´on invesa) dt 1 1 = ds = . ds ||α′ || dt FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE LA CURVATURA 1.8. EXPRESION Tambi´en 2 19 s 1 d d dt 1 = = 2 ′ ′ ds ds ||α || ds hα , α′ i 2 hα′′ , α′ i dt 1 1 −1/2 − = 2 hα′ , α′ i hα′ , α′ i2 ds ||α′ || hα′ , α′′ i 1 =− ds ||α′ ||4 dt hα′ , α′′ i =− ||α′ ||4 (b) Como α admite una reparametrizaci´on por la longitud de arco medida desde t0 ∈ I, t → s(t), con inversa s → t(s). Ver Figura 1.11 α(t) α(s) t t = t(s) s = s(t) s Figura 1.11 entonces se escribir α(t) = α(t(s)) = α(s), con lo que α(t) = α(s(t)), luego α′ = y as´ı dα dα ds = dt ds dt d2 α ds 2 dα d2 s d dα ds dα d2 s + · 2 = 2 · + · . α = dt dt dt ds dt ds dt ds dt2 ′′ Ahora, # " 2 2 2 dα d α dα ds ds d s α′ × α′′ = × + · ds dt ds2 dt ds dt2 3 ds dα d2 α , × 2 = ds ds dt CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS (1.11) CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 20 como d2 α = k n y ||n(s)|| = 1 ds2 se obtiene 3 dα ds α ×α = ×n k , ds dt ′ ′′ luego ′ ′′ ′ ′′ hα × α , α × α i = k 2 esto es, k2 = Lo que muestra que ds dt (1.12) 6 ||α′ × α′′ ||2 . ||α′ ||6 k(t) = ||α′ × α′′ || ||α′ ||3 X ♦ Ejemplo 1.8.1 Calcular la curvatura de la curva dada por α(t) = (t2 , cos(t), sin(t)), 0<t<∞ Soluci´ on. Como α′ = (2t, − sin t, cos t) y α′′ = (2, − cos t, − sin t), entonces i j k ′ ′′ cos(t) α × α = 2t − sen(t) 2 − cos(t) − sen(t) (1.13) = (1,2t sin t + 2 cos t, −2t cos t + 2 sin t). Con lo que ||α′ || = √ 4t2 + 1 y ||α′ × α′′ || = Por lo tanto k(t) = √ 4t2 + 5. √ 4t2 + 5 . (4t2 + 1)3/2 Ejemplo 1.8.2 Calcular la curvatura de la curva plana situada en el plano z = 0 dada por x = x(t), y = y(t). Soluci´on. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE LA CURVATURA 1.8. EXPRESION 21 Sea α(t) = (x(t), y(t), 0), entonces α′ = (x′ , y ′ , 0), por lo tanto α′′ = (x′′ , y ′′ , 0) i j α′ × α′′ = x′ y ′ x′′ y ′′ as´ı que con lo que y ||α′ || = p x˙ 2 + y˙ 2 , k 0 = (0, 0, x′ y ′′ − y ′ x′′ ), 0 ||α′ × α′′ || = |x′ y ′′ − y ′ x′′ |, k(t) = |x′ y ′′ − y ′ x′′ | . (x′2 + y ′2 )3/2 Ejemplo 1.8.3 calcular la curvatura de la curva dada en forma de coordenadas polares r = r(θ). Soluci´ on. Derivando con respecto a θ las f´ormulas de cambio de variables x = r(θ) cos θ, y = r(θ) sen θ implican dx dr = cosθ − r sen θ dθ dθ y volviendo a derivar y dy dr = sen θ − rcosθ dθ dθ d2 r dr d2 x = cos θ − 2 sen θ − r cos θ 2 2 dθ dθ dθ d2 r dr d2 y = sen θ + 2 cos θ − r sen θ. 2 2 dθ dθ dθ Como k(t) = |x′ y ′′ − y ′ x′′ | , (x′2 + y ′2 )3/2 entonces |x¨ ˙ y − y¨ ˙ x| =(r′ cos θ − r sin θ)(r′′ sin θ + 2r′ cos θ − r sin θ)− (r′ sin θ − r cos θ)(r′′ cos θ + 2r′ sin θ − r cos θ) =r2 + 2(r′ )2 − rr′′ y x˙ 2 + y˙ 2 = (r′ cos θ − r sin θ)2 + (r′ sin θ − r cos θ)2 = (r′ )2 + r2 , luego k= |r2 + 2(r′ )2 − rr′′ | . [r2 + (r′ )2 ]3/2 CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 22 § 1.9. Vector normal, plano osculador y torsi´ on Consid´erese de nuevo α : I → R una curva regular param´etrizada por la longitud de arco. En los puntos donde k(s) 6= 0 el vector unitario n(s) en direcci´on de α′′ (s) est´a bien definida mediante la ecuaci´on α′′ (s) = k(s)n(s) (1.14) como hα′ (s), α′ (s)i = 1, entonces hα′′ (s), α′ (s)i = 0. Lo que muestra que α′′ (s) es normal a α′ (s). Por lo tanto, n(s) es normal a α′ (s) y recibe el nombre de vector normal en s. El plano determinado por el vector tangente unitario y el vector normal, es decir por α′ (s) y n(s), recibe el nombre de plano osculador en s. Ver Figura 1.12 t(s) = α′ (s) n(s) Figura 1.12 Un plano donde k(s) = 0 el vector normal (y por lo tanto el plano osculador) no est´a definido. En lo que sigue, las curvas ser´an parametrizadas por la longitud de arco sin puntos singulares de orden 1 (esto es, α′′ (s) 6= 0). Se denota con t(s) = α′ (s) (1.15) el vector tangente unitario de α en s (Obseve que se est´a utilizando a t de dos maneras diferentes una como param´etro y ahora como vector tangente unitario). As´ı t′ (s) = k(s)n(s). (1.16) b(s) = t(s) × n(s) (1.17) El vector tiene las siguientes propiedades: (a) b(s) es normal a t(s) y a n(s), por lo tanto, al plano osculador y recibe el nombre de vector binormal en s, ver figura 1.13 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 1.9. VECTOR NORMAL, PLANO OSCULADOR Y TORSION 23 b(s) n(s) t(s) Figura 1.13 (b) La identidad de Lagrange implica ||b(s)||2 =||t(s) × n(s)||2 =||t(s)||2 ||n(s)||2 − ht(s), n(s)i =1 (1.18) (c) Como ||b(s)||2 = 1, entonces hb(s), b(s)i = 1 y as´ı hb′ (s), b(s)i = 0, con lo que b′ (s) ⊥ b(s). (d) Puesto que d b(s) = t′ (s) × n(s) + t(s) × n′ (s) = t(s) × n′ (s), ds (1.19) entonces b′ (s) ⊥ t(s), ver Figura 1.14. b′ (s) n′ (s) t(s) Figura 1.14 (e) Como n(s) ⊥ t(s) y b(s) = t(s) × n(s) se obtiene que {t(s), n(s), b(s)} forman una base de R3 para cada s anclado en α(s), por lo tanto, al expresar b′ (s) = a1 n(s) + a2 t(s) + a3 b(s) CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 24 resulta a1 = hb′ (s), n(s)i a2 = 0 a3 = 0 con lo que b′ (s) es paralelo a n(s) y se puede escribir b′ (s) = −τ (s)n(s) Como ||b(s)|| = 1 para todo s, entonces la longitud ||b′ (s)|| mide la raz´on de cambio del plano osculador, en una vecindad de s, con respecto al plano osculador en s. As´ı que ||b′ (s)|| mide que tan rapido la curva se aleja del plano osculador en s, en una vecindad de s. Esto proporciona la definici´on siguiente. Definici´ on 1.9.1 Sea α : I → R3 una curva parametrizada por la longitud de arco, tal que α′ (s) 6= 0, s ∈ I. El n´ umero τ (s) definida por ′ b (s) = −τ (s)n(s) se llama torsi´ on de α en s. Ejemplo 1.9.1 Por definici´on, la torsi´on de una curva regular contenida en R2 es cero. Ejemplo 1.9.2 Sea α : I → R3 una curva regular parametrizada no rectil´ınea (es decir, k 6= 0). Entonces α es una curva plana si y s´ olo si τ = 0. Soluci´ on. Si α es una curva plana, es decir α(I) esta contenida en un plano, entonces el plano de la curva coincide con el plano osculador y as´ı τ = 0. Reciprocamente se τ = 0 (k 6= 0) y usando parametrzaci´on por longitud de arco, entonces b′ (s) = τ n = 0n = 0 con lo que b(s) = b0 (constante en R3 ), por lo tanto hα(s), b0 i′ = hα′ (s), b0 i como α′ (s) ⊥ b(s) = b0 , entonces hα′ (s), b0 i = 0. Por integraci´on hα(s), b0 i = c (constante). Luego, para todo s1 y s2 se tiene hα(s2 ) − α(s1 ), b0 i = c − c = 0. Lo que demuestra que el vector con puntos estremos α(s1 ) y α(s2 ) est´a contenido en P (plano ortogonal a bo ) para todo s1 , s2 esto es α(I) ⊆ P , es decir α es una curva plana. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 1.10. FORMULA DE FRENET 25 Ejemplo 1.9.3 Calcular la torsi´on de la h´elice vertical circular de ecuaci´on s b s α(s) = a cos , a sin , s c c c con s ∈ R. Soluci´ on. Claramente α est´a parametrizada por longitud de arco. a a s a s b s a s ′ α (s) = − sen , cos , , α′′ (s) = − 2 cos , − 2 sen , 0 . c c c c c c c c c Tambi´en s s n = (− cos , − sen , 0) c c as´ı que ′ b(s) = α (s) × n = con lo que ′ b (s) = por lo tanto s b s a b sen , − cos , c c c c c b s b s cos , 2 sen , 0 2 c c c c =− , b n c2 b b = 2 2 c a + b2 En contraste con la curvatura, la torsi´on puede ser positiva o negativa. El signo de la torsi´on tiene una interpretaci´on geom´etrica que ser´a dada mas tarde. N´otese que al cambiar la orientaci´on, el vector binormal cambia de signo ya que b = t × r. Sigue entonces que b′ (s) y por lo tanto, la torsi´on permanece invariante bajo cambio de orientaci´on. τ (s) = § 1.10. F´ ormula de Frenet A cada valor de el parametro s, se le ha asociado tres vectores ortogonales unitarios: t(s), n(s), b(s) donde t(s) = α(s), ˙ α′′ (s) = k(s)n(s) y b(s) = t(s) × n(s). Estos tres vectores ortogonales unitaros as´ı formandos se conocen como triedro de frenet en s. Ahora bien (omitiendo el parametro s) t′ = kn, b′ = −τ n As´ı que los vectores t′ y b′ quedan expresados en combinaci´on lineal de la base {t, n, b} de R3p ≈ R3 que proporciona informaci´on geometr´ıca CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 26 (curvatura k y torsi´on τ ) sobre el comportamiento de α en una vecidad de s. Otra informaci´on geom´etrica local la proporciona el c´alculo de n′ . Esto es, como n = b × t, entonces en el punto s se tiene n′ = b′ × t + b × t′ = (−τ n) × t + b × (kn) = −τ (n × t) + k(b × n) = −τ (−b) + k(t × n) × n = τ b + k(−t) = −kt + τ b Como el producto vectorial satisface x × (y × z) = hx, yiy − hx, yiz entonces (t × n) × n = −n × (t × n) = [hn, nit + hn, tin] = −t. Por lo tanto, o bien: ′ kn t = ′ n = −kt ′ b = −τ n + τb (1.20) t 0 k 0 t′ n′ = −k 0 n τ ′ b 0 −τ 0 b ´ rmula de Frenet (por conveniencia se ha omitido la letra se llama Fo s). Se continua entonces con el estudio de la torsi´on para posteriormente poder estudiar de manera directa e inversa las f´ormulas de frenet. § 1.11. Expresiones de la Torsi´ on Teorema 1.11.1 (Torsi´ on en funci´ on del parametro arco.) Sea α : I = (a) → R3 una curva parametrizada por la longitud de arco. entonces: τ= hα′ , α′′ × α′′′ i hα′′ , α′′ i Demostraci´ on. Se va a calcular hα′ , α′′ × α′′ i. Como α′′ = kn, entonces (omitiendo la letra s) α′′′ = k ′ n + kn′ = k ′ n + k(−kt + τ b) = k ′ n − k 2 t + kτ b. Tambi´en α′′ × α′′′ = (kn) × k ′ n − k 2 t + kτ b = 0 − k 3 (n × t) + k 2 τ (n × b) = −k 3 (n × t) + k 2 τ (n × b). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 1.11. EXPRESIONES DE LA TORSION 27 Pero n × t = −b y n × b = n × (t × n) = hn, nit − hn, tin = t + 0 = t, asi que α′′ × α′′′ = k 3 b + k 2 τ t, con lo que hα′ , α′′ × α′′′ i = ht, k 3 b + k 2 τ ti = 0 + ht, k 2 τ ti = k 2 τ ht, ti. Luego τ= hα′ , α′′ × α′′′ i hα′′ , α′′ i X ♦ Teorema 1.11.2 (La torsi´ on en funci´ on de cualquier parametro). Si α = α(t), entonces se verifica que τ= hα′ × α′′ , α′′′ i kα′ × α′′ k2 (1.21) Demostraci´ on. Para simplificar las expresiones sean α′ = dα , dt α′′ = α˙ = dα , ds α ¨= al igual que ds , dt con lo que ′ ′′ α × α = (α˙ × α ¨) Como α ¨ = kn entonces: ′ α′′′ = d3 α dt3 d2 α ... d3 α α = 3. , ds2 ds 2 ds d2 s ′′ α =α ¨ + α˙ 2 , dt dt Entonces: α′ = α˙ d2 α , dt2 ′′ α × α = (α˙ × n)k ds dt 3 ds dt 3 Calculando α′′′ , en efecto: 2 d2 s d α ¨ ds + α ˙ 2 dt dt α′′′ = dt 3 ds d2 s ds d2 s d3 s ... ds + 2¨ α · 2 +α ¨ · 2 + α˙ 2 =α dt dt dt dt dt dt 3 2 3 ds d s ds ... ds =α + 3¨ α · 2 + α˙ 2 . dt dt dt dt CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 28 Como α ¨ = kn, y α˙ × n ⊥ α, ˙ entonces ... hα × α , α i = ht × n, αik ′ ′′ ′′′ ds dt 6 (1.22) ... Ahora se calcula α , en efecto (en variable s) 2 d α d ds2 d(kn) ... ˙ + k n˙ α= = = kn ds ds Para clacular n, ˙ se observa en el triedo de frenet que b × t = (t × n) × t = ht, tin − ht, nit as´ı que b×t=n luego n˙ = Con lo que d(n) ˙ = b × t + b × t˙ ds i h ... ˙ ˙ ˙ α = kn + k b × t + b × t . Como b˙ = −τ n, n = b × t; t˙ = kn. Se tiene ... ˙ α = k [b × (kn) + (−τ n) × t] + kn ˙ = k 2 (b × n) − kτ (n × t) + kn ˙ = k 2 (b × n) + kτ (t × n) + kn como b × n = (t × n) × n = −n × (t × n) = − [hn, nit − hn, tin] = −t entonces ... ˙ α = −k 2 t + kτ b + kn Por lo tanto: ˙ k hα × α , α i = ht × n, −k t + kτ b + kni 6 ds 2 . = hb, bi(k )τ dt ′ ′′ ′′′ 2 Esto muestra que ′ ′′ ′′′ 2 hα × α , α i = k τ FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ds dt ds dt 6 6 ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 1.11. EXPRESIONES DE LA TORSION y como ds dt 29 = kα′ k , se obtiene hα′ × α′′ , α′′′ i τ= . k 2 kα′ k6 Como k2 = se obtiene τ= kα′ × α′′ k2 , kα′ k6 hα′ × α′′ , α′′′ i kα′ × α′′ k2 X ♦ Ejemplo 1.11.1 Calcular la torsi´on de la h´elice dada en un par´ ametro arbitario α(t) = (a cos t, a sen t, bt), −∞ < t < ∞. Soluci´ on: Como α(t) = (a cos t, a sen t, bt), α′ = (−a sen t, a cos t, b) α′′ = (−a cos t, −a sen t, 0) α′′′ = (a sen t, −a cos t, 0), entonces y por lo tanto α′ × α′′ = (ab sen t, −ab cos t, a2 ) 2 kα′ × α′′ k = a2 b2 sen2 t + a2 b2 cos2 t + a4 = a4 (a2 + b2 ). Tambi´en Con lo que hα′ × α′′ , α′′′ i = a2 b sen2 t + a2 b cos2 t = a2 b. τ= a2 b b = 2 . 4 2 2 a (a + b ) a + b2 Teorema 1.11.3 Teorema fundamental de la teor´ıa local de curvas Dada las funciones diferenciables k = k(s) y τ = τ (s), s ∈ I, existe una curva parametrizada α : I → R3 tal que s es la longitud de arco, k es la curvatura y τ es la torsi´on de α. Adem´ as cualquier curva α, que satisface las mismas condiciones, difiere de α por un movimiento rigido; esto es, existe una transformaci´ on lineal ortogonal ρ de R3 con determinante positivo y un vector c tal que α=ρ◦α+c Una demostraci´on completa usa el Teorema de existencia y unicidad de soluciones de ecuaciones diferenciales ordinarias, adem´as que usa otros resultados de Geometr´ıa de superficies bi-dimensional. Por tal motivo la prueba no se presentar´a en este momento. Ver, por ejemplo Do Carmo, Geometr´ıa diferencial de curvas y superficies, p´agina 309. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 30 CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES § 1.12. Ejercicios Curvas y producto vectorial 1. Encontrar una parametrizaci´on para cada una de las secciones c´onicas, las cuales son: a) Par´abola b) Circunferencia c) Elipse d ) Hip´erbola 2. La cicloide. Una cicloide es un lugar geom´etrico descrito por un punto fijo de una circunferencia que rueda, sin resbalar, sobre el eje x del plano xy (en general sobre cualquier recta en el plano x, y), como en la Figura 1.15 α C D a P θ O A B Figura 1.15 Obs´ervese que OB = arco P B y que las coordenadas del punto P son x = OA = OB − AB y = AP = BC − DC. Calcular una parametrizaci´on de la cicloide. 3. Hallar el ´area de la Figura 1.16, poligono de v´ertices ABCDE, donde A = (−2, 0), B = (−1, −2), FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - C = (2, 1), D = (0, 1), E = (−1, 3) ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.12. EJERCICIOS E 31 3 2 1 D C A −2 −1 −1 B 1 2 −2 Figura 1.16 4. Demostrar que la distancia de un punto A = (x0 , y0 , z0 ) al plano ax + by + cz + d = 0 es d= |ax0 + by0 + cy0 + d| √ a2 + b 2 + c 2 5. Calcular el punto A del plano 5x − 14y + 2z + 9 = 0 que est´e m´as pr´oximo al punto B = (−2, 15, −7). 6. Hallar la ecuaci´on del plano paralelo a 2x − y + 2z + 4 = 0 si el punto (3,2,-1) equidista de ambos. 7. Dada la pir´amide de base ABCD y v´ertice E, donde A = (2, 0, 0), B = (3, 1, 0), C = (0, 1, 0), D = (−1, 0, 0) y E = (1, 1, 3), hallar: (a) El ´area de la cara ABE. (b) El ´area de la base. (c) El volumen del prisma. (d) La distancia entre las rectas EB y DC. (e) El valor de la altura. 8. Hallar el volumen del prisma determinado por los vectores a = (1, 2, −1), b = (0, 1, 2) y c = (1, 2, −3) 9. Demostrar las siguientes propiedades del producto vectorial: (a) ha × b, ci = ha, b × ci = hb, c × ai (b) (a × b) × c = ha, cib − hb, cia. Curvatura, torsi´ on y pano osculador CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES 32 10. Calcuar curvatura y torsi´on de 1 t 1 a) γ(t) =( (1 + t)3/2 , (1 − t)3/2 , √ ) 3 3 2 3 4 b) γ(t) =( cos t, 1 − sen t, − cos t) 3 5 3 2 b) γ(t) =(cos t, sen t, 0) en donde el par´ametro tenga sentido. 11. Demostrar que la curva γ(t) = ( 1−t 1 + t2 , t + 1, − ) t t es planar. 12. Demostrar que en las ecuaciones de Frenet - Serret, t, n y b son ortogonales uno al otro. 13. Sea γ(t) = (a cos t, a sen t, t), t ∈ R. a) Reparametrizar γ por longitud de arco b) Calcular la curvatura, torsi´on y el plano osculador en cada punto de γ. c) Sea γ(t) una curva con velocidad unitaria en R3 , y se asume que la curvatura k(t) es no-cero para todo t. Se define una nueva curva β por d γ(t) β(t) = . dt Demostrar que β es regular y que, si s es la longitud de arco par´ametro de β, entonces ds =k dt Probar que la cuevatura de β es 1+ ’ τ 1/2 k2 14. Se considera la curva definida en forma impl´ıcita por F (x, y, z) = 0 G(x, y, z) = 0. Hallar la expresi´on de la recta tangente en el punto (x0 , y0 , z0 ). 15. Hallar la recta tangente y el plano normal a la curva de ecuaciones x2 + y 2 + z 2 = 3, 9x2 + 4y 2 − 13z 2 = 0 en el punto (1, 1, 1). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 1.12. EJERCICIOS 33 16. Hallar la ecuaci´on del plano osculador de la curva x = senh t, y = cosh t, z = 4t en un punto generico a ella. 17. Probar que si todas las rectas tangentes a una curva que pasan por un punto fijo la curva es una recta. 18. Calcular la expresi´on de la curvatura de la curva plana, situada en el plano z = 0, cuando su expresi´on viene dada en a) forma expl´ıcita y = f (x), b) forma polar r = 3 sen θ. 19. Probar que si todas las tangentes a una curva son paralelas a un plano, entonces la curva es planar. 20. Sea la curva x = x(s), y = y(s), z = 0 donde s es la longitud de arco. Probar que la curvatura k verifica k 2 = (x′ y ′′ − y ′ x′′ )2 21. Dada la curva x4 − 2x2 y 2 − xy 3 − x2 + y 2 + xy = 0, z = 0, hallar la curvatura en x = 1 y ordenada racional. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 34 CAP´ITULO 1. CURVAS REGULARES ELEMENTALES FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE Cap´ıtulo 2 Superficies: Teor´ıa y ejemplos elementales § 2.1. Introducci´ on Intuitivamente, se considera una superficie, como un conjunto de puntos del espacio que localmente es como una vecindad del plano. Esto ocurre cuando la superficie es localmente la im´agen de una funci´on suficientemente suave o diferenciable, es decir, regular desde una vecindad de un punto del plano en puntos del espacio. Como lo que se necesita es extender y aplicar a superficies los m´etodos del C´alculo, se supone que la funci´on es de clase C ∞ y adem´as que la superficie tiene en cada punto un plano tangente y por lo tanto, el rango de la matriz jacobiana de la funci´on es dos. Como en curvas regulares, las superficies tambi´en admiten representaci´on param´etrica. § 2.2. Representaci´ on param´ etrica Definici´ on 2.2.1 Una representaci´ on param´etrica de clase C ∞ de un 3 conjunto de puntos M de R es una funci´on x = x(u, v) de un conjunto abierto U de R2 sobre M, tal que (a) x es de clase C ∞ en U, (b) Si {e1 , e2 , e3 } es una base de R3 y x(u, v) = x1 (u, v)e1 + x2 (u, v)e2 + x3 (u, v)e3 , entonces para todo (u, v) ∈ U se tiene: 35 36 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES Rango ∂x1 ∂u ∂x2 ∂u ∂x3 ∂u ∂x1 ∂v ∂x2 ∂v ∂x3 ∂v =2 (2.1) Se recuerda que x es de clase c∞ (U ), si todas sus derivadas parciales existen y son continuas en U y el rango de una matriz es el orden del menor, no-nulo, m´as grande de la matriz. De esta forma, el rango de la matriz anterior es 2, si y s´olo si uno de los siguientes determinantes: ∂x1 ∂x1 ∂x1 ∂x1 ∂x2 ∂x2 ∂u ∂v ∂u ∂v ∂u ∂v (2.2) , , ∂x2 ∂x2 ∂x3 ∂x3 ∂x3 ∂x3 ∂u ∂v ∂u ∂v ∂u ∂v es no nulo. A las variables u y v se las denomina par´ametros. Adem´as se denota una representaci´on param´etrica mediante x = x(u, v) y sus derivadas parciales con los simbolos: xu = ∂x , ∂u xv = ∂x , ∂v xuu = ∂ 2x , ∂ 2u xuv = ∂ 2x , ∂v∂u ··· (2.3) Proposici´ on 2.2.1 Sea U un conjunto abierto de R2 , entonces x = x(u, v), es una representaci´ on param´etrica regular de U sobre M si y s´ olo si: (a) x es de clase C ∞ en U (b) xu × xv 6= 0, ∀(u, v) ∈ U Demostraci´ on. xu × xv = = e1 e2 e3 ∂x1 ∂x2 ∂x3 ∂u ∂u ∂u ∂x1 ∂x2 ∂x3 ∂v ∂v ∂v ∂x1 ∂x1 ∂x1 ∂x1 ∂x2 ∂x2 ∂u ∂v e − ∂u ∂v e + ∂u ∂v e ∂x2 ∂x2 3 ∂x3 ∂x3 2 ∂x3 ∂x3 1 ∂u ∂v ∂u ∂v ∂u ∂v Las componentes de xu × xv difieren de los menores de orden 2 × 2 de la matriz jacobiana para x, a lo sumo en un signo; por lo tanto el rango de la matriz jacobiana de x es dos si y s´olo si xu × xv 6= 0. Lo que demuestra X la proposici´on. ♦ FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ PARAMETRICA ´ 2.2. REPRESENTACION 37 Ejemplo 2.2.1 La ecuaci´on x(u, v) = (u, v, u2 + v 2 ) es una funci´on de R2 sobre el paraboloide z = x2 + y 2 . Se observa que x tiene derivadas parciales continuas de todos los ordenes. Tambi´en : e1 e2 e3 √ kxu × xv k = kdet 1 0 2u k = 4u2 + 4v 2 + 1 6= 0 0 1 2v Con lo que x es una representaci´on param´etrica regular de clase c∞ para el paraboloide z = x2 + y 2 Ejemplo 2.2.2 Cuando se estudia geometr´ıa, una de las reflexiones importantes, es ver que sucede en la esfera. Para tal efecto, se define S 2 = (x, y, z) : x2 + y 2 + z 2 = 1 (2.4) y por coordenadas esf´ericas se puede escribir (ver Figura 2.1): x = (cos θ sin φ, sin θ sin φ, cos φ) z S (2.5) sen φ 2 φ y θ x Figura 2.1 define una funci´on del plano R2 de coordenadas (θ, φ) sobre la esfera: x2 + y 2 + z 2 = 1. Al igual que el ejemplo 1, x tiene derivadas parciales de todos los ordenes. Pero: e1 e2 e3 0 kxθ × xφk = − sin θ sin φ cos θ sin φ cos θ cos φ sin θ cos φ − sin φ = k(− cos θ sin2 φ, − sin θ sin2 φ, − sin φ cos φ)k q cos2 θ sin4 φ + sin2 θ sin4 θ + sin2 φ cos2 φ = q = | sin4 φ + sin2 φ cos2 φ| = |sin φ| CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES 38 que es cero en φ = nπ, n ∈ Z. Esto es, x no es regular a lo largo de las rectas φ = nπ, n ∈ Z. Por lo tanto, el dominio de x se debe restringir a la franja −∞ < θ < ∞, 0 < φ < π para que sea una representaci´on param´etrica regular de clase C ∞ de S 2 − {N, S}, donde N es el polo norte y S el polo sur. (Ver Figura 2.2.) z φ ◦ π φ = φ0 φ = φ0 θ = θ0 θ = θ0 θ 0 y x Figura 2.2 La familia de curvas φ = φ0 , de par´ametro θ se obtiene claramente z = cos φ0 = constante dando como resultado una circunferencia paralela al plano xy. Esta familia de curvas en S 2 reciben el nombre de: paralelos de latitud. La familia de curvas θ = θ0 de par´ametro φ se llaman : meridianos de longitud. Los meridianos de longitud son las intersecciones de la esfera con la familia de planos que contienen el eje z. Para calcular la ecuaci´on de este plano, se calcula primero su vector normal, esto es: e1 e2 e3 → 0 0 1 n = cos θ0 sin φ sin θ0 sin φ cos φ = (sin θ0 sin φ, cos θ0 sin φ, 0) , D→ E la ecuaci´on del plano buscado es n, (x, y, z) = 0, esto es, x sin θ0 sin φ + y cos θ0 sin φ = 0, es decir: x sin θ0 + y cos θ0 = 0 Los paralelos de latitud y los meridianos de longitud se cortan en ´angulos rectos ya que: xθ × xφ = h(− sin θ sin φ, cos θ sin φ, 0), (cos θ cos φ, sin θ sin φ, − sin φ)i = − sin θ sin φ cos θ cos φ + cos θ sin φ sin θ cos φ =0 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.3. PARAMETRIZACIONES LOCALES § 2.3. 39 Parametrizaciones locales Es necesario observar que una representaci´on param´etrica regular de clase C ∞ puede solamente cubrir una parte de la superficie que se desea estudiar. Como resultar´ıa excesivo restringirnos a considerar u ´nicamente representaciones param´etricas que sean inyectivos. Por tal motivo se presenta la siguiente Definici´ on 2.3.1 Parametrizaci´ on Local. Sea U un conjunto abierto 2 3 en R , y M ⊆ R , la funci´on α : U → M, o el par (U, α) se llama una parametrizaci´on local de M si (a) α es de clase C ∞ (U ) (b) α es un homeomorfismo. Esto es x es inyectiva, continua con inversa continua. (c) αu × αv 6= 0, ∀(u, v) ∈ U. α(U ) recibe el nombre de vencidad coordenada. La condici´on (c), es equivalente a que dα es 1 − 1 en cada punto p ∈ U. Ya que para α = (x, y, z) la dαp es 1 − 1 si y s´olo si los vectores columnas de ∂x ∂x ∂u ∂v ∂y ∂y (2.6) ∂u ∂v ∂z ∂z ∂u ∂v son linealmente independientes (im´agen directa e inversa de una transformacion lineal 1 − 1), equivalentemente, a que el producto vectorial. ∂α ∂α × 6= 0 ∂u ∂v Lo que proporciona el siguiente Lema 2.3.1 Sean U un conjunto abierto en R2 y α : U → M una funci´on. Entonces α es una parametrizaci´on local de M si y s´ olo si (a) α es de clase C ∞ (U ) (b) α es un homeomorfismo. Esto es x es inyectiva, continua con inversa continua. (c) La diferencial de α es uno a uno para todo (u, v) ∈ U. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 40 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES § 2.4. Superficies regulares y ejemplos Definici´ on 2.4.1 Se dice que un conjunto M ⊆ R3 es una superficie regular si cada punto p ∈ M existe un conjunto abierto de V de R3 y una parametrizaci´on α : U → V ∩ M de un conjunto abierto U de R2 sobre V ∩ M ⊆ R3 tal que (ver Figura 2.3) (a) α es de clase C ∞ (U ) (b) α es un homeomorfismo. Esto es α es inyectiva, continua con inversa continua. (c) Para cada q, la diferencial dαq : R2 → R3 es uno a uno. Es decir, un conjunto M ⊆ R3 es una superficie regular si cada punto p ∈ M admite una parametrizaci´on local de clase C ∞ . α(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)) z M v α(u, v) •p • (u, v) U y u Figura 2.3 x 1. Sea f : U → R una funci´on difernciable en un conjunto abierto U de R2 , entonces la gr´afica de f, esto es, el subconjunto de R3 dado por M = {(u, v, f (u, v)), (u, v) ∈ U } es una superficie regular. En efecto, la funci´on x : U → R3 definida por x(u, v) = (u, v, f (u, v)) es una parametrizaci´on de la gr´afica de f. Adem´as su vencidad coordenada cubre cualquier punto de M. La condici´on (a) se satisface inmediatamente. La condici´on (c) no es dif´ıcil ya que xv 6= 0 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ∂(x,y) ∂(u,v) = 1, es decir xu × ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.4. SUPERFICIES REGULARES Y EJEMPLOS 41 Finalmente x claramente es 1 − 1 y continua. Como x−1 : Im(f ) → R2 est´a dada por x−1 (u, v, f (u, v)) = (u, v) es uno a uno. Tambi´en es la restricci´on a M de la funci´on continua π : R3 → R2 dada por π(u, v, w) = (u, v), por lo tanto x−1 es continua y uno a uno. 2. Sea S 2 = (x, y, z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z 2 = 1 . Usar coordenadas rectangulares para verificar que S 2 es una superficie regular. Soluci´ on. Primero, verifiquemos que x1 : U → R3 definida con x1 (x, y) = (x, y, p 1 − x2 − y 2 ), (x, y) ∈ U donde U = {(x, y) ∈ R2 : x2 + y 2 < 1} , es una parametrizaci´on local de S 2 , por ser la imagen de una funci´on diferenciable. Se puede ahora terminar de cubrir la esfera S 2 con parametrizaciones locales similares como sigue x2 (x, y) = (x, y, − p 1 − x2 − y 2 ), (x, y) ∈ U entonces x1 (U ) ∪ x2 (U ) cubre S 2 menos el ecuador, usando los planos xz y zy, se define las siguientes parametrzaciones x3 (x, z) = (x, p 1 − x2 − y 2 , z), x4 (x, z) = −(x, p 1 − x2 − y 2 , z) Con U1 = {(x, z) ∈ R2 : x2 + z 2 < 1} y x5 (y, z) = ( p 1 − y 2 − z 2 , y, z), x6 (y, z) = (− p 1 − y 2 − z 2 , y, z) Con U2 = {(y, z) : y 2 + z 2 < 1}. Estas 6 parametrizaciones cubren completamente a S 2 , ver Figura 2.4. Por lo tanto,S 2 es una superficie regular. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 42 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES z S2 ◦ y x Figura 2.4 3. El Elipsoide x2 y 2 z 2 + 2 + 2 =1 a2 b c es una superficie regular y se cubre al igual que la esfera S 2 , por cp 2 2 cp 2 2 x1 (x, y) = (x, y, a b − b2 x2 − a2 y 2 ), x2 (x, y) = (x, y, − a b − b 2 x 2 − a2 y 2 ) ab ab con U1 = {(x, y) : b2 x2 + a2 y 2 < a2 b2 }, b√ 2 2 bp 2 2 x3 (x, z) = (x, a c − c2 x2 − a2 z 2 ), x4 (x, z) = (x, y, − a c − c 2 x 2 − a2 y 2 ) ac ac con U2 = {(x, z) : c2 x2 + a2 z 2 < a2 c2 } y con ap 2 2 ap 2 2 x5 (y, z) = ( b c − c2 y 2 − b2 z 2 , y, z), x6 (y, z) = (− b c − c2 y 2 − b2 z 2 , y, z) bc bc con U3 = {(y, z) : c2 y 2 + b2 z 2 < b2 c2 }. 4. El hiperboloide de dos hojas −x2 − y 2 + z 2 = 1 es una superficie regular. En efecto (ver Figura 2.5), z y x Figura 2.5 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.4. SUPERFICIES REGULARES Y EJEMPLOS como z=± p 1 + x2 + y 2 . Entonces se toma U = R2 y as´ı p x1 (x, y) = (x, y, 1 + x2 + y 2 ), x2 (x, y) = (x, y, − p 43 1 + x2 + y 2 ), (x, y) ∈ U (x, y) ∈ U Ahora se observa que es un par de parametrizaciones que cubren al hiperboloide de dos hojas ya que en ambos casos es la imagen de funciones continuamente diferenciable. Un Lema que en ocaciones es de gran utilidad es el siguiente Lema 2.4.1 Sea p un punto de una superficie regular y sea α : U ⊆ R2 → R3 una funci´on con p ∈ α(U ) que satisface las condiciohnes (a) y (c) de la definici´on de superficie regular. Si α es 1 − 1, entonces α−1 es continua. Demostraci´ on. Se escribe α(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)), (u, v) ∈ U y sea q ∈ U , por la condici´on (a) y (c), se puede admitir, intercambiando los ejes coordenados si es necesario, que ∂(x, y) 6= 0 ∂(u, v) Sea π : R3 → R2 la proyecci´on π(x, y, z) = (x, y). Entonces π ◦ α : R2 → R2 y J(π ◦ α) = ∂(x, y) 6= 0 ∂(u, v) (2.7) y por el teorema de la funci´on inversa, se obtiene vecindades V1 de q en U y V2 de π ◦ α(q) en R2 tal que π ◦ α : V1 → V2 es un difeomorfismo sobre V2 Se asume que α es 1 − 1. Entonces restringido a α(V1 ) y como: α−1 = (π ◦ α)−1 ◦ π, entonces α−1 es continua como composici´on de funciones continuas. Como X q es arbitrario, α−1 es continua en α(U ). ♦ CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES 44 Ejemplo 2.4.1 Considerese S 2 = {(x, y, z) : x2 + y 2 + z 2 = 1} y ϕ(θ, φ) = (cos θ sin φ, sin θ sin φ, cos φ) sus coordenaadas esf´ericas. Ya se sabe que ϕ(U ) cubre a S 2 − {N, S} si U = {(θ, φ) : 0 < θ < ∞, 0 < φ < π} . Entonces para que ϕ sea una parametrizaci´on regular de S 2 s´olo se necesita redefinir el dominio de ϕ para que sea 1 − 1 y entonces aplicar el Lema anterior. Pero, para que esto suceda se toma V = (θ, φ) : 0 < θ < 2π, 0 < φ < π Adem´as obs´ervese que ϕ(V ) cubre a S 2 −C donde C es la semi-circunferencia C = (x, y, z) ∈ S 2 : y = 0, x ≥ 0 . Se nota que ϕ(u, v) s´olo omite una semi-circunferencia de S 2 (incluyendo los dos polos) y que S 2 se puede cubrir con sus dos vecindades coordenadas de este tipo. Ejemplo 2.4.2 El elipsoide x2 y 2 z 2 + 2 + 2 =1 a2 b c Es una superficie regular vista como sigue, se hace X = xa , Y = ay , Z = y se obtiene X2 + Y 2 + Z2 = 1 z a Usando una parametrizaci´on en coordenadas esf´ericas se tiene X = cos θ sin φ, Y = sin θ sin φ, Z = cos φ Con U = {(θ, φ) : 0 < θ < 2π, 0 < θ < π} Esto es (x, y, z) = (a cos θ sin φ, b sin θ sin φ, c cos φ), con U = {(θ, φ) , 0 < θ < 2π, 0 < θ < π} . Y como en S 2 , ´esta es una parametrizaci´on local que cube el elipsoide, excepto una semi-elipse incluyendo los polos. Para poder cubrir todo el elipsoide se necesita otra carta similar. Ejemplo 2.4.3 (El cilindro) En R3 la ecuaci´on x2 + y 2 = a2 para a > 0, representa un cilindro de base circular con generatrices paralelas al eje 0z (ver Figura 2.6). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.4. SUPERFICIES REGULARES Y EJEMPLOS 45 z y x Figura 2.6 Se puede obtener un sistema de ecuaciones param´etricas a partir de las coordenadas polares, as´ı: como x2 + y 2 = a2 entonces: x = a cos θ, y = a sin θ Con 0 ≤ θ ≤ 2π. por lo tanto, α(θ, φ) = (a cos θ, a sin θ, φ) Con 0 < θ < 2π y −∞ < φ < ∞ es una representaci´on local del cilindro. Para ver que se trata de una parametrizaci´on regular del cilindro, se procede as´ı: α es de clase c∞ , pues sus componentes lo son. Es f´acil ver que α es 1 − 1 cuando 0 < θ < 2π y −∞ < φ < ∞ y que α−1 es continua. La dierencial de α es 1 − 1, ya que i j k ∂α ∂α ∂θ × ∂φ = k −a sin θ a cos θ 0 0 0 1 p = a2 cos2 θ + a2 sin2 θ = a2 k Ejemplo 2.4.4 (Superficie de Revoluci´ on) Sea M ⊆ R3 el conjunto obtenido al rotar una curva plana regular C alrededor de un eje en el plano que no intersecta la curva. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 46 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES Se tomar´a el plano xz como plano de la curva y el eje z como eje de rotaci´on. Sea x = f (v), z = g(v), a < v < b, f (v) > 0 la parametrzaci´on de la curva regular (ver Figura 2.7) z Eje de rotaci´ on (f (v), g(v)) Meridiano y Paralelo x u Figura 2.7 se observa que si (x, y, z) ∈ M, entonces z = g(v), a<v<b y tambi´en x = f (v) cos u, y = f (v) sen u 2 Con 0 < u < 2π, v ∈ (a, b). Y si U = (u, v) ∈ R : 0 < u < 2π, a < v < b , α(u, v) = (f (v) cos u, f (v) cos u, g(v)), ∀(u, v) ∈ U (2.8) es una representaci´on param´etrica del solido de revoluci´on generado por la curva C. La idea ahora es demostrar que (U, α) es una parametrizaci´on local regular del solido de revoluci´on M. En efecto. Claramente α es diferenciable La diferencial de α, d α es inyectiva. Pues, i j k ∂x ∂x ∂u × ∂v = −f′ (v) sin u f ′(v) cos u ′ 0 f (v) cos u f (v) sin u g (v) = f (v)g ′ (v) cos u, f (v)g ′ (v) sin u, f ′ (v)f (v) q = [f (v)g ′ (v)]2 + [f ′ (v)f (v)]2 = |f (v)| k(f (v), g(v))′ k 6= 0 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ K O K−SUPERFICIE 2.5. SUPERFICIE REGULAR DE DIMENSION 47 α es un homeomorfismo. En efecto, primero se demostrar´a que x es 1 − 1, como (f (v), g(v)) es una parametrizaci´on de la curva regular C, entonces dado z y x2 +y 2 = [f (v)]2 , se determina de manera u ´nica v. esto hace que α sea 1 − 1. Se hace notar que, como (f (v), g(v)) p es una parametrizaci´on regular de C, v es una funci´on continua de z y de x2 + y 2 , por lo tanto, una funci´on continua de (x, y, z). Para demostrar que α−1 es continua s´olo resta demostrar que u es una funci´on continua de (x, y, z). Para ver esto, observ´ese que si u 6= π (y usando que f (v) 6= 0) se obtiene u u u sen 2 sen cos u 2 = 2 2 = sen u tan = u u 2 1 + cos u cos cos2 2 2 y y y f (v) p = x = f (v) + x = x + x2 + y 2 1+ f (v) Con lo que y p x + x2 + y 2 Por lo tanto, si u 6= π, u es una funci´on continua de (x, y, z). u = z tan−1 Usando el procedimiento, inmediatamente anterior, pero con cot u2 y u en un intervalo peque˜ no alrededor de π, se obtiene u = 2 cot−1 y p −x + x2 + y 2 as´ı que, u es una funci´on continua de (x, y, z). Esto muestra que α−1 es continua y completa, la verificaci´on del ejemplo. § 2.5. Superficie regular de dimensi´ on k o k−superficie El concepto de superficie regular admite, sin ning´ un tipo de complicaci´on, una generalizaci´on a dimensiones m´as altas, pero a´ un manteniendo un espacio ambiente: Definici´ on 2.5.1 Un subconjunto M ⊆ Rn es una superficie regular de dimensi´ on k o simplemente una k−superficie regular si para cada p ∈ M, existe un conjunto abierto V de p en Rn y una funci´on x : U ⊆ Rk → V ∩ M, de un abierto U de Rk en V ∩ M tales que CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 48 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES (a) x es un homeomorfismo diferenciable; (b) la diferencial, (dx)q : Rk → Rn , es inyectiva para todo q ∈ U. El par (U, x) recibe el nombre de parametrizaci´on de M alrededor p; como tambi´en a x(U ) se le dice una vecindad coordenada de p. Observaciones Sea M es una k−superficie y p ∈ M. (a) En la pr´actica, se dice que (U, x) es una parametrzaci´on de M en p indicando las coordenadas de U en Rk que se van a usar, por ejemplo, (U, x) es una parametrizaci´on de M en p con coordenadas x1 , · · · , xk . (b) Como cada punto de p ∈ M est´a una vecindad coordenada de M, entonces existe una familia de parametrizaciones F = {(Ui , ϕi )}, tal que [ ϕi (Ui ) = M i y a la familia F se le conoce con el nombre de Estructura diferenciable para M. Ejemplo 2.5.1 La imagen de una funci´ on diferenciable es una k−superficie regular. En efecto, sea Ω un conjunto abierto de Rk y f : Ω → Rm una funci´on diferenciable. Entonces la imagen de f es el conjunto: o Im(f ) = (x1 , · · · , xk , f1 (x), · · · , fm (x)) : x = (x1 , · · · , xk ) ∈ Ω , y como se observa ϕ : Rk → Im(f ) dada por ϕ(x1 , · · · , xk ) = (x1 , · · · , xk , f1 (x), · · · , fm (x)) es diferenciable con inversa diferenciable y ϕ(Rk ) = Im(f ). Esto es Im(f ) es una k−superficie regular con una s´ola parametrizaci´on. Ejemplo 2.5.2 La esfera de dimensi´ on n. Sea M = S n , la esfera de radio 1, dada por S n = {(x1 , · · · , xn , xn+1 ) : x21 + · · · + x2n + x2n+1 = 1} y se construir´a una biyecci´on f de la siguiente manera: Se proyectan los puntos de la esfera desde el polo norte sobre Rn ≈ Rn × {0}, entonces a cada punto de la esfera le corresponde un punto sobre Rn , con excepci´on del polo norte y a cada punto de Rn le corresponde un punto sobre la esfera y s´olo uno. Esta correspondencia se denomina proyecci´on estereogr´afica (ver, Figura 2.8, caso n = 2). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ K O K−SUPERFICIE 2.5. SUPERFICIE REGULAR DE DIMENSION 49 N· • P • Y Figura 2.8, caso n = 2 La proyecci´on estereogr´afica se puede expresar anal´ıticamente como sigue: sea N = (0, · · · , 1) (polo norte); se conecta cualquier punto Y = (y1 , · · · , yn , 0) de Rn con N por medio de una recta y se observa que esta recta corta a la esfera S n en un u ´nico punto P = (x1 , · · · , xn , xn+1 ). La ecuaci´on de la esfera es x21 + · · · + x2n + x2n+1 = 1. (2.9) → → Como los puntos N, P y Y son colineales se debe tener N P = tN Y para alg´ un n´ umero real t 6= 0, de donde x1 = ty1 , x1 y1 = , t x2 = ty2 , · · · , xn = tyn , xn+1 = 1 − t, x2 xn y2 = , · · · , yn = , 1 − xn+1 = t, t t como x21 + · · · + x2n + x2n+1 = 1 se obtiene que t = 2/(1 + y12 + · · · + yn2 ). Luego la proyecci´on esterogr´afica es la funci´on f : Rn −→ S n − N ; f (y1 , · · · , yn ) = (ty1 , · · · , tyn , 1 − t), y su funci´on inversa f −1 es f −1 : S n − {N } −→ Rn dada por la f´ormula f −1 (x1 , · · · , xn+1 ) = 1 (x1 , · · · , xn ). 1 − xn+1 Para cubrir el polo norte, se hace necesario proyectar desde otro punto de la esfera, por ejemplo, desde el polo sur, esto es, si S = (0, · · · , 0, −1) CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 50 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES y P = (x1 , · · · , xn+1 ) ∈ S n , con P 6= S, entonces la proyecci´on desde el polo sur esta dada por g : Rn −→ S n − S ; g(y1 , · · · , yn ) = (ty1 , · · · , tyn , t − 1). con t = 2/(1 + y12 + · · · + yn2 ). Adem´as g −1 : S n − S −→ Rn ; g −1 (x1 , · · · , xn+1 ) = 1 (x1 , · · · , xn ). 1 + xn+1 Tomando V1 = Rn = V2 , entonces la colecci´on (V1 , f ), (V2 , g) satisface (b) S 2 = f (V1 ) ∪ g(V2 ), (a) f y g son homeomorfismos (y adem´as diferenciables) (c) Inmediatamente se tiene que d f |q y d g|q son 1-1 para todo q ∈ Rn . Adem´as, se oserva que si f (V1 ) ∩ g(V2 ) = S n − N, S = W es no vac´ıo y es un conjunto abierto en la Topolog´ıa de subespacio sobre S n , tambi´en f −1 ◦ g est´a dada por 1 (y1 , · · · , yn ) + · · · + yn2 que es una funci´on diferenciable de Rn − (0, · · · , 0) sobre Rn − (0, · · · , 0) . Esta propiedad se trata en la siguiente secci´on. f −1 ◦ g(y1 , · · · , yn ) = § 2.6. y12 Cambio de par´ ametro En la mayor´ıa de los casos los puntos de una superficie regular est´an en varias parametrizaciones o vecindades coordenadas, por ejemplo, esto sucede en el caso de la esfera S 2 . Cada punto del interior del primer octante pertenece, por lo menos, a dos vecindades coordenadas. Por lo tanto, se hace necesario que los puntos de una superficie no dependan de la escogencia de una parametrizaci´on. Esto es, si un punto p de una superficie est´a en dos vecindades coordenadas se debe tener un procedimiento para pasar de una parametrizaci´on a la otra. Esto es asegurado por la siguiente proposici´on. Teorema 2.6.1 (Cambio de par´ ametro) Sea p un punto de una k−superficie k regular M, y sean x : U ⊆ R → M, y : V ⊆ Rk → M dos parametrizaciones de M en p tal que p ∈ x(U ) ∩ y(V ) = W. Entonces el cambio de coordenadas h = y −1 ◦ x : x−1 (W ) → y −1 (W ) es un difeomorfismo (ver Figura 2.9). Esto es h es diferenciable y tiene funci´on inversa h−1 diferenciable. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 2.6. CAMBIO DE PARAMETRO 51 W x(U ) y(V ) M y x R R h = y −1 ◦ x U x−1 (W ) V y −1 (W ) k−1 R Rk−1 Figura 2.9 De esta forma x = y ◦ h e y = x ◦ h−1 . Demostraci´ on. Es una aplicaci´on del Teorema de la Funci´on Inversa. En efecto, h = y −1 ◦ x es un homeomorfismo, ya que es compuesta de dos homeomorfismos. Situaci´on que no se puede concluir, por argumento an´alogo, que h sea diferenciable, ya que y −1 no necesariamente est´a definida en un subconjunto abierto de alg´ un RN y a´ un no se conoce cual es el significado de una funci´on diferenciable sobre M. El procedimiento es como se muestra a continuaci´on. Sean r ∈ x−1 (W ) y q = h(r). Si (u1 , · · · , uk ) ∈ V ⊆ Rk , (v1 , · · · , vn ) ∈ Rn y sea y(u1 , · · · , uk ) = (v1 (u1 , · · · , uk ), · · · vn (u1 , · · · , uk )) una parametrizaci´on de M, entonces la diferencial de y en cualquier punto de su dominio tiene rango k y por lo tanto, se puede asumir, renombrando los ejes si es necesario, que ∂(v1 , · · · , vk ) (q) 6= 0. ∂(u1 , · · · , uk ) Se extiende y a la funci´on F : V × Rn−k → Rn definida por (por comodidad se escribe u = (u1 , · · · , uk )): F (u1 , · · · , uk , tk+1 , · · · , tn ) = (v1 (u), · · · , vk (u), vk+1 (u)+tk+1 , · · · , vn (u)+tn ), CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 52 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES donde (u1 , · · · , uk ) ∈ V, ti ∈ R. Es claro que F es diferenciable y que la restricci´on F |V ×{0} = y, y por un c´alculo simple, se obtiene ∂v1 ∂v1 · · · 0 · · · 0 ∂u1 ∂uk . .. .. .. .. . . . ∂vk ∂v k ··· 0 · · · 0 ∂u ∂uk = ∂(v1 , · · · , vk ) (q) 6= 0. det dFq = ∂v 1 ∂v k+1 ∂(u1 , · · · , uk ) k+1 · · · 1 · · · 0 ∂u1 ∂u k . .. .. .. .. . . . ∂vn ∂v n ··· 0 · · · 1 ∂u ∂uk 1 q En estas condiciones es posible entonces aplicar el Teorema de la Funci´on Inversa, que garantiza la existencia de un par de conjuntos abiertos V1 de y(q) en Rn y V2 de q × 0 en Rn tal que F es un difeomorfismo. Por la continuidad de x, existe un conjunto abierto U1 de r ∈ V tal que x(U1 ) ⊆ V1 . N´otese que, sobre U1 , h|U1 = F −1 ◦ x|U1 es una composici´on de funciones diferenciables. De esta manera, se puede aplicar la regla de la cadena para concluir que h es una funci´on diferenciable en r : Como r es arbitrario, entonces h es diferenciable sobre x−1 (W ). El mismo argumento se le puede aplicar para demostrar que h−1 es una X funci´on diferenciable y as´ı h es un difeomorfismo. ♦ Observaciones Sea M una k−superficie contenida en Rn y F = {(Ui , ϕi )} una estructura diferenciable sobre M. (a) Si (Ui , ϕi ) y (Uj , ϕj ) son elementos de F con p ∈ ϕi (Ui ) ∩ ϕj (Uj ) = W, entonces el teorema de cambio de par´ametro dice que −1 −1 h = ϕ−1 i ◦ ϕj : ϕi (W ) → ϕj (W ) es un difeomorfismo. Es decir, si las coordenadas de (Ui , ϕi ) y (Uj , ϕj ) son x1 , · · · , xk y y1 , · · · , yk respectivamente, entonces h se representa por las funciones y1 =y1 (x1 , · · · , xk ) .. . yk =yk (x1 , · · · , xk ) (2.10) y para cada q en el dominio de h, ∂(y1 , · · · , yk ) 6= 0. ∂(x1 , · · · , xk ) FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.7. SUPERFICIES OBTENIDAS POR VALORES REGULARES 53 (b) La prueba del teorema de cambio de par´ametro, garantiza que para cada una de las parametrizaciones (Ui , ϕi ), existe un subconjuntos abiertos de la forma Ui × Rn−k del espacio euclideo Rn y una funci´on Fi : Ui × Rn−k → Rn tal que Fi es un difeomorfismo de una vecindad abierta de ϕ−1 ∈ Ui × Rn−k sobre una vecindad abierta i (p) es de p ∈ M ⊆ Rn , con Fi Ui = ϕi . Lo que indica que cada ϕ−1 i diferenciable. (c) A la familia {(Vi , ψi )}, donde Vi = ϕi (Ui ) y ψi = ϕ−1 i , se conoce un atlas para M y al par (Vi , ψi ) una carta. (d) En general se puede trabajar con atlas o estructura diferenciable, o bien, con parametrizaciones o cartas, siempre que exista la suficiente claridad de la forma como se desea trabajar. § 2.7. Superficies obtenidas por valores regulares Definici´ on 2.7.1 Una funci´on diferenciable F : A ⊂ Rn → Rm definida en un conjunto abierto A de Rn se dice que tiene en p ∈ A un punto critico si dFp : Rn → Rm no es sobreyectiva. La imagen F (p) ∈ Rm de un punto critico se llama valor critico. Un punto de Rm se dice valor regular si no es un valor critico. La teminolog´ıa se motiva desde el caso particular en que f : A ∈ R → R es una funci´on de valor real en una variable real. Un punto p ∈ A es critico si f ′ (p) = 0, esto es, la diferencial dfp envia todo vector de R en cero, lo que implica que la dfp no es sobreyectiva. Tambi´en n´otese que cualquier a 6∈ f (A) es trivialmente un valor regular. Si f : A ⊂ Rn → R es una funci´on diferenciable y p = (p1 , · · · , pn ), entonces la diferencial dfp aplicado al vector ei = (0, · · · , 0, xi , 0, · · · , 0) se obtiene calculando el vector tangente en f (p) a la curva xi → f (p1 , · · · , pi−1 , xi , pi+1 , · · · , pn ) y entonces dfp (ei ) = CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ∂f (p), ∂xi ´ CARRERA DE MATEMATICAS 54 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES Se concluye que la matriz asociada con dfp relativo a la base e1 = (1, 0, · · · , 0), · · · , en = (0, · · · , 0, 1) es dada por ∂f ∂x1 ∂xn p N´otese, por lo menos en este caso, que la dfp no es sobreyectiva es equivalente a que ∂f ∂f (p) = · · · = (p) = 0 ∂x1 ∂xn dfp = ∂f ,··· , Por lo tanto, a ∈ f (A) es un valor regular de f : A ⊂ R3 → R si y s´olo si ∂f 6= 0, ∂xi para alg´ un i = 1, · · · , n en cada uno de los puntos de la imagen inversa f −1 (a) = {(x1 , · · · , xn ) ∈ A : f (x1 , · · · , xn ) = a}. De igual manera, si f = (f1 , · · · , fm ) : A ⊆ Rn → Rm y a ∈ A es un valor regular de f (con lo que n ≥ m), p ∈ f −1 (a) e indicando con q = (x1 , · · · , xk , y1 , · · · , ym ) ∈ Rn=m+k , entonces si a es un valor regular de f implica dfp es sobreyectia, con lo que se puede suponer (haciendo una reordenaci´on de las variables si es necesario) que ∂(f1 , · · · , fm ) (p) 6= 0, ∂(y1 , · · · , ym ) ya que el rango de de la diferencial de f en p es m. Teorema 2.7.1 Si f : A ⊂ Rn → Rm es una funci´on diferenciable y a ∈ f (A) es un valor regular de f, entonces f −1 (a) es una superficie regular de dimensi´ on k = n − m. Demostraci´ on. Sea p ∈ f −1 (A). Se hace la siguiente notaci´on x = (x1 , · · · , xk ), y = (y1 , · · · , ym ), (x, y) = (x1 , · · · , xk , y1 · · · , ym ) a = (a1 , · · · , am ) y f (x, y) = (f1 (x, y), · · · , fm (x, y)) denota a la funci´on f. Como a es un valor regular de f. se asume, reordenando los ejes si es necesario, que ∂(f1 , · · · , fm ) (p) 6= 0 ∂(y1 , · · · , ym ) FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.7. SUPERFICIES OBTENIDAS POR VALORES REGULARES 55 en p. Se define la funci´on F : A ⊂ Rn → Rn por entonces F (x, y) = x1 , · · · , xk , f1 (x, y), · · · , fm (x, y) , 1 .. . 0 ∂f det(dFp ) = 1 ∂x1 . .. ∂fm ∂x 1 ··· 0 .. . ··· 1 ∂f1 ∂xk .. . ∂fm ∂xk ··· ··· ··· 0 .. . 0 ··· ∂f1 ··· ∂y1 .. . ∂fm ··· ∂y1 0 ∂f1 ∂(f1 , · · · , fm ) (p) 6= 0 = ∂ym ∂(y1 , · · · , ym ) .. . ∂fm ∂ym 0 .. . El teorema de la funci´on inversa garantiza la existencia de conjuntos abiertos U de p y V de F (p) tal que F : U → V es un difeomorfismo. Y sigue que F −1 : V → U tambi´en es un difeomorfismo y tiene la forma F −1 (x1 , · · · , xk , t1 , · · · , tm ) = (x1 , · · · , xk , g(x1 , · · · , xk , t1 , · · · , tm )), donde (x, t) = (x1 , · · · , xk , t1 , · · · , tm ) ∈ V y g(x1 , · · · , xk , t1 , · · · , tm ) = (g1 (x, t), · · · , gm (x, t)) Se denota la funci´on proyeci´on de Rn sobre Rk por π, esto es π(x, y) = x. Ahora, cualquier punto (x, y) ∈ f −1 (a) ∩ U tiene la forma (x, y) =F −1 ◦ F (x, y) = F −1 (x1 , · · · , xk , f (x, y)) =F −1 (x, a) = (x, g(x, a)) (2.11) con x en el abierto π(U ) de Rk . Sea h(x) = g(x, a), entonces f −1 (a) ∩ U = {(x, h(x)) : x ∈ π(U )} = gr´af h ∩ U (2.12) Lo que muestra que f −1 (a) ∩ U es una carta local de p, por ser la gr´afica de una funci´on diferenciable y po lo tanto cualquier punto p ∈ f −1 (a) se X puede cubrir con una carta local; as´ı f −1 (a) es una superficie regular. ♦ Ejemplo 2.7.1 El elipsoide x2 y 2 z 2 + 2 + 2 =1 a2 b c es una superficie regular ya que es el conjunto f −1 (0) donde f (x, y, z) = CARLOS A. JULIO-ARRIETA x2 y 2 z 2 + 2 + 2 −1 a2 b c - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES 56 es una funci´on diferenciable y 0 es un valor regular de f. puesto que las derivadas parciales fx = 2x , a2 fy = 2y , b2 fz = 2z c2 que se anulan simultaneamente en el punto (0, 0, 0), que no est´a en f −1 (0). Este ejemplo incluye la esfera como un caso particular cuando a = b = c = 1. Ejemplo 2.7.2 (El Toro) (a) El toro se puede realizar especificando las orientaciones de pegamiento de los lados opuestos de un rect´angulo, como se muestra en la Figura 2.10. Figura 2.10 (b) El toro de revoluci´ on T 2 . Sea S 1 la circunferencia en el plano yz con centro (0, a, 0). Entonces S 1 tiene por ecuaci´on cartesiana (y − a)2 + x2 + z 2 = r2 , (r < |a|). Los puntos de la figura obtenida al rotar este circulo alrededor del eje z recibe el nombre de toro de revoluci´o√n y se denota con T 2 . Como en la Figura 2.11 y obs´ervese AB = r2 − z 2 ; z O r O y x x •A P = (x, y, z) r A B y OA = a, AB = B √ r2 − z 2 Figura 2.11 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.7. SUPERFICIES OBTENIDAS POR VALORES REGULARES 57 con lo que se deduce OB = OA + AB = a + por lo tanto, x2 + y 2 = (a + √ y despejando r2 se tiene r2 = z 2 + ( √ r 2 − x2 r 2 − z 2 )2 p x2 + y 2 − a)2 . (2.13) Por lo tanto, T 2 es la imagen inversa de de r2 bajo la funci´on p (2.14) f (x, y, z) = z 2 + ( x2 + y 2 − a)2 Esta funci´on es diferenciable para (x, y) 6= (0, 0), y como p p 2x( x2 + y 2 − a) 2y( x2 + y 2 − a) p p fx = , fy = , fz = 2z, x2 + y 2 x2 + y 2 r2 es un valor regular de f. Y queda demostrado que el toro T 2 es una superficie regular. (c) Un sistema de parametrzaciones. El Toro de revoluci´on T 2 se puede pensar como una superficie generada al rotar una cirunferencia de radio r > 0 alrededor de una l´ınea recta que est´a en el plano que contiene la circunferencia y la recta est´a a una distancia a > r del centro de la circunferencia (ver Figura 2.12). z S a u 0 r C v x y C Figura 2.12 A continuaci´on se procede a calcular un sistema de parametrizaciones del toro T 2 . En efecto, sup´ongase que la circunferencia S ha rotado un ´angulo u manteniendo su centro sobre la circunferencia C, como muestra la Figura 2.13 CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES 58 z u 0 y x C S r a (x, y, z) v r cos v Figura 2.13 primero, se observa que z = r sen v (2.15) y en segundo lugar, cuando S se ha rotado con centro en C un ´angulo u, en el plano x0y, se forma un tri´angulo como el que se presenta en la Figura 2.14 x u Eje y Eje x y a + r cos v Figura 2.14 y por lo tanto: x = (a + r cos v) cos u, y = (a + r cos v) sen u donde 0 < u < 2π, 0 < v < 2π. Por lo tanto, si U = (u, v) ∈ R2 : 0 < u < 2π, 0 < v < 2π y α(u, v) = ((a + r cos v) cos u, (a + r cos v) sen u, r sen v) Con (u, v) ∈ U, entonces α es una representaci´on local del toro. Ahora se debe mostrar que (U, α) es una parametrizaci´on local del torro T 2 . La condici´on (a) se observa facilmente ya que las componentes de α en U son de clase C ∞ . FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.8. FUNCIONES DIFERENCIABLES ENTRE SUPERFICIES 59 Para mostrar la condici´on (c) procedemos as´ı i j k ∂α ∂α = −(a + r cos v) sen u (a + r cos v) cos u 0 × ∂u ∂v −r sen v sen u r cos v −r sen v cos u =k(−r(a + r cos v) cos u cos v, −r(a + r cos v) cos v sen u, − r(a + r cos v) sen v)k 2 2 =r (a + r cos v) La u ´ltima expresi´on es diferente de cero para todo u ∈ (0, 2π), ya que r > 0 y a > r. Esto prueba la condici´on (c). Para probar que que sin u = p α es 1-1. Primero se observa z π 2 2 ; Tambi´en si x + y < a, entonces 2 ≤ u ≤ 3π , y si r 2 p π 3π 2 2 x + y ≥ a, entonces 0 < u ≤ 2 o 2 ≤ u < 2π. As´ı dado (x, y, z), u se determina de manera u ´nica para 0 < u < 2π. Al conocer u, x, y se puede encontrar cos v y sin v. Esto determina a v, de manera u ´nica si 0 < v < 2π, luego α es 1 − 1. Ahora se puede observar inmediatamente que el toro T 2 se puede cubrir por 3 parametrizaciones similares. Ejemplo 2.7.3 Una prueba relativamente simple de que S n = {(x1 , · · · , xn ) : x21 + · · · + x2n = 1} ⊂ Rn+1 es una superficie regular es como sigue: sea f : Rn+1 → R definida con f (x1 , · · · , xn ) = x21 + · · · + x2n . Como f −1 (1) = S n y como x = (x1 , · · · , xn+1 ) ∈ S n , entonces x 6= 0 y para alg´ un i = 1, · · · , n + 1 ∂f = 2xi 6= 0 ∂xi con lo que 1 es valor regular de f, por lo tanto S n es una superficie regular. § 2.8. Funciones diferenciables entre superficies En esta secci´on se extiende la noci´on de funciones diferenciables a superficies regulares. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 60 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES Definici´ on 2.8.1 Sean M m y N n superficies regulares. Entonces una funci´on f : M → N se dice diferenciable en p ∈ M si dada una parametrizaci´ on (Uj , ϕj ) en f (p), existe una parametrizaci´on (Ui , ϕi ) en p tal que f (ϕi (Ui )) ⊆ ϕj (Uj ) y la funci´on ϕ−1 j ◦ f ◦ ϕi : Ui → Uj (2.16) es una funci´on diferenciable (ver, Figura 2.15). La funci´on ϕ−1 on de f en coordenaj ◦ f ◦ ϕi recibe el nombre de expresi´ das respecto a las parametrizaciones (Ui , ϕi ) y (Uj , ϕj ); su dominio es el conjunto Ui . M ϕj (Uj ) ϕi (Ui ) N f p · · ϕj ϕi Ui Uj ϕ−1 j ◦ f ◦ ϕi · ϕi (p) · ϕj (f (p)) m R Rn Figura 2.15 Esta definici´on est´a bien hecha ya que es independiente del sistema de coordenadas escogidas para p y f (p). En efecto, sean (Ui′ , ϕ′i ) y (Uj′ , ϕ′j ); otras parametrzaciones con p ∈ ϕ′i (Ui′ ) y f (ϕ′i (Ui′ )) ⊆ ϕ′j (Uj′ ). Entonces −1 −1 ′ ϕ′j ◦ f ◦ ϕ′i = (ϕ′j ◦ ϕj ) ◦ (ϕj−1 ◦ f ◦ ϕi ) ◦ (ϕ−1 i ◦ ϕi ) es compuesta de funciones diferenciables. Por lo tanto, ϕ′j ◦ f ◦ ϕ′i −1 es diferenciable. Sean M y N superficies regulares de la misma dimensi´on. Entonces una funci´on biyectiva f : M → N tal que f y f −1 son funciones diferenciables se llama un difeomorfismo y las dos superficies se dicen difeomorfas si existe un difeomorfismo de una a la otra; las superficies son necesariamente de la misma dimensi´on. § 2.9. 1. Tomar u= FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - Ejercicios x y − , 3 4 v= x y + 3 4 ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.9. EJERCICIOS 61 para encontrar una parametrizaci´on que cubra el paraboloide hperb´olico x2 y 2 − =z 9 16 2. ¿Cu´ales de las siguientes superficies cu´adricas son regulares? x2 y 2 + 2 , (a, b > 0). ( Praboloide) a2 b x2 y 2 z 2 b) 2 + 2 − 2 = 1, (a, b, c > 0). ( Hiperboloide de una a b c hoja ) z 2 x2 y 2 ( Hiperboloide de dos c) 2 − 2 − 2 = 1, (a, b, c > 0). c a b hojas ) a) z = d ) x 2 + y 2 = a2 z 2 , (a > 0). ( Cono circular ) 3. A cada una de las superficies cu´adricas regulares del punto 2 encontrarles dos estructuras diferenciables. 4. Probar que cada conjunto abierto de una k−superficie es una k−superficie. 5. Hallar la superficie de revoluci´on que se obtiene al girar alrededor de la recta x = y = z la curva de ecuaciones y = x2 , x + y = 0. Encontrar un sistema de parametrizaciones. 6. Sea T : R3 → R3 invertible, probar entonces que T envia superficies regulares en superficies regulares. 7. Probar que si M m y N n son superficies regulares, entonces M × N es una (n + m)−superficie. 8. Probar que todo espacio vectorial de dimensi´on finita n, es una n−superficie. 9. Probar que T n = S 1 ×S 1 ×· · ·×S 1 , llamado toro plano n−dimensional es una n−superficie regular. 10. Probar que S 2 × S 3 es una 5−superficie regular. Encontrar una estructura diferenciable para esta superficie. 11. Demostrar que el espacio de todas las matrices de tama˜ no n × n es una n2 −superficie. 12. Sea Gl(n), el conjunto de todas las matrices invertibles con entradas reales. Demostrar que Gl(n) es una n2 −superficie. 13. Sea 0(n), el conjunto de todas las matrices ortogonales, esto es, el conjunto de las matrices de tama˜ no n×n que satisfacen la ecuaci´on t A × A = I, donde I es la matriz identidad. Probar CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 62 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES n(n − 1) −superficie regular. 2 b) 0(n) ⊆ S n × · · · × S n , (n−factores de S n ). a) 0(n) es una 14. ¿Son las matrices sim´etricas de tama˜ no n × n una superficie regular?. Justificar la respuesta. 15. ¿Son las matrices anti-sim´etricas de tama˜ no n × n una superficie regular?. Justificar la respuesta. 16. Sea T : S n → S n definida por T (x) = −x (funci´on antipodal). Demostrar que T es un difeomorfismo de S n sobre S n . 17. Sea A una transformaci´on lineal de Rn y b ∈ Rn . Demostrar que la funci´on T : Rn → Rn dada por T (x) = Ax + b es un difeomorfismo de Rn si y s´olo si A es no- singular. 18. Banda de M¨ obius. Una forma de definir esta superficie es como sigue: se considera una circunferencia S 1 dada por x2 + y 2 = 9 y un segmento abierto AB dado en el plano yz por y = 3, |z| < 1. Se hace mover el centro C de AB a lo largo de S 1 y se va girando AB alrededor C en el plano CZ de tal manera que si c ha recorrido un ´angulo u, entonces AB tenga una rotaci´on de un ´angulo de u2 como se muestra en la siguiente Figura 2.17. z 0 A u C y A E D x B C u 2 B Figura 2.17 Obs´ervese que, cunando C complete una vuelta alrededor de S 1 , AB ha regresado a su posici´on inicial con los puntos extremos invertido. La superficie as´ı obtenida recibe el nombre de Banda de M¨ obius. Sia E = (x, y, z) es un punto de la Banda de M¨obius y v la distancia del punto (x, y, z) sobre AB al centro AB. Entonces (a) Bajo estas condiciones, calcular una estructura diferenciable para la Banda de M¨ obius. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 2.9. EJERCICIOS 63 (b) Como la banda de M¨obius se cubre con la imagen de dos parametrizaciones, calcular entonces, dominio, imagen y el determinante Jacobiano de la funci´on de cambio de par´ametro. 19. El espacio proyectivo real RP2 . Se indica con RP2 al conjunto de todas las rectas de R3 que pasan por el origen 0 = (0, 0, 0); esto es, RP2 es el conjunto de todas las direcciones de R3 . Introducir una estructura diferenciable para RP2 . Sugerencia. Considerar (x1 , x2 , x3 ) ∈ R3 y observar que RP2 es el espacio cociente 3 R − {0} / ∼, donde ∼ est´a definida por (x1 , x2 , x3 ) ∼ (λx1 , λx2 , λx3 ), λ ∈ R, λ 6= 0; indicar los puntos de RP2 por [(x1 , x2 , x3 )] y si xi 6= 0, x2 x3 , [x1 , x2 , x3 ] = 1, , x1 x1 x1 x3 , 1, [x1 , x2 , x3 ] = , x2 x2 x1 x2 , ,1 , [x1 , x2 , x3 ] = x3 x3 x1 6= 0 x2 6= 0 x3 6= 0 y definir en RP2 los subconjuntos V1 , V2 V3 por Vi = [x1 , x2 , x3 ] : xi 6= 0 , i = 1, 2, 3. Usar estos conjuntos para proporcionar una estructura diferenciable a RP2 y encontrar las funciones de cambio de par´ametro. 20. Generalizar el problema anterior a RPn , es decir, proporcionar una estructura diferenciaciable al espacio de todas las rectas que pasan por el origen de Rn+1 CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 64 CAP´ITULO 2. SUPERFICIES: TEOR´IA Y EJEMPLOS ELEMENTALES FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE Cap´ıtulo 3 Vectores tangentes, campos vectoriales y orientaci´ on § 3.1. Introducci´ on Se presentar´an los conceptos de vectores tangentes, campos vectoriales sobre una n−superficie de manenra introductoria y luego orientaci´on sobre superficies y su relaci´on con los campos vectoriales. Estos temas fundamentales en el estudio de la Geometr´ıa t Topolog´ıa de superficies y variedades. § 3.2. Vectores tangentes Para presentar la definici´on de vector tangente sobre una superficie que permita manipularlo como un operador diferencial, primero se hace la traducci´on de lo que sucede en Rk a esta terminolog´ıa. (a) Caso Rk . Sea α : (−ε, ε) → Ω ⊆ Rk una curva regular en el conjunto abierto Ω con α(0) = p, entonces α(t) = (α1 (t), · · · , αk (t)), por lo tanto, dα dαk (0) = (v1 , · · · , vk ) = v ∈ Rk ; dt dt sea f una funci´on a valor real derivable en Ω, entonces se puede restringir f a la curva α y as´ı n n X X ∂f d d ∂f (α(t)) vi αi (t) = f ◦α = dt ∂x ∂xi p t=0 t=0 dt t=0 i i=1 i=1 α′ (0) = 1 (0), · · · , esta u ´ltima expresi´on por C´alculo elemental en Rn es la derivada direccional de f en direcci´on del vector v en el punto p, que se denota con f ′ (v, p), o v(f )|p . 65 ´ 66 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION Se observa que v actua como un operador sobre el espacio vectorial de las funciones diferenciables. Espec´ıficamente, si f es una funci´on diferenciable sobre un conjunto abierto de p en Rn , entonces v asigna a f el n´ umero real v(f ) que es la derivada direccional de f en la direcci´on de v en el punto p. Esto es, ∂f ∂f d f ◦ α = v1 + · · · + vk (3.1) v(f ) = dt ∂x1 ∂xk t=0 p p Observaciones Al presentar a Ω como una superficie regular, la parametrizaci´on natural es (Ω, i) donde i : Ω → Ω es la funci´on identidad i(x1 , · · · , xk ) = (x1 , · · · , xk ) para toda (x1 , · · · , xk ) ∈ Ω, por lo tanto se tienen cada una de las siguientes afirmaciones triviales (1) si e1 = (1, 0, · · · , 0), · · · , ek = (0, · · · , 0, 1), entonces ∂i ∂i e1 = , · · · , ek = ; ∂x1 p ∂xk p es decir cada ej , elemento b´asico de Rk , vectores tangente en p, se encuentra derivando parcialmente la parametrizaci´on en p respecto al par´ametro xj del sistema de coordenada, que omitiendo la parametrizaci´on y el punto p, por ser obvio que estan presentes, se escribe e1 = ∂ ∂ , · · · , ek = ; ∂x1 ∂xk (2) los operadores b´asicos dados en la parte (1), actuan de la siguiente forma ej : C ∞ (Ω) → R es el operador diferencial que para toda f ∈ C ∞ (Ω) ej (f ) = ∂ ∂f (f ) = , ∂xj ∂xj j = 1, · · · , k; (3) la acci´on del vector v se se escribe como h ∂ i ∂ (f ) + · · · + vn v(f ) = v1 ∂x1 ∂xn con lo que ∂ ∂ + · · · + vn (3.2) ∂x1 ∂xn y ∂/∂xj actua como la derivada respecto a xj del sistema de coordenadas; v = v1 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.2. VECTORES TANGENTES 67 (4) la operaci´on del vector v sobre funciones diferenciables satisface dos propiedades importantes v(f + λg) = v(f ) + λv(g) v(f g) = g(p)v(f ) + f (p)v(g), (3.3) donde f y g son funciones diferenciables alrededor de p. y λ es un n´ umero real. La primera propiedad dice que v actua linealmente sobre funciones diferenciables y la segunda dice que v satisface la regla del producto o regla de Leibniz. Lo que proporciona que cada vector tangenta, en subconjuntos abiertos no vacios de Rk , se puedan ver como una derivaci´on. Estas observaciones motiva la definici´on de vector tangente sobre una superficies regulares como derivadas direccionales o bien derivaciones sobre funciones diferenciables. (b) Caso superficies regulares. Sea M m una superficie regular y U un conjunto abierto en M, entonces el conjunto de todas las funciones de clase C ∞ definidas sobre U, C ∞ (U ), es un algebra conmutativa sobre R con las opraciones de suma, producto por escalares y producto entre funciones como en los cursos de C´alculo y se denota por C ∞ (U ). Sea ahora α : (−ǫ, ǫ) → M una curva diferenciable, llamada una curva diferenciable sobre M. Se supone que α(0) = p ∈ M, el vector tangente a la curva α en t = 0, y por lo tanto a M, es la funci´on (realmente operador diferenciable) α′ (0) : C ∞ (U ) → R dada por d ′ α (0)f = f ◦α . (3.4) dt t=0 Un vector tangente en p ∈ M es el vector tangente en t = 0 de alguna curva α : (−ǫ, ǫ) → M con α(0) = p. El conjunto de todos los vectores tangentes a M en p se denota con Tp M. Se espera pues, que se mantengan las propiedades observadas en caso de Rk ; en efecto, se escoge una parametrizaci´on (U, x) en p = x(0), y se puede entonces expresar la curva α y la funci´on f en t´erminos de esta parametrizaci´on, para q = (x1 , · · · , xk ) ∈ U x−1 ◦ α(t) = (x1 (t), · · · , xk (t)). Por lo tanto, usando regla de la cadena, d d f ◦α = f ◦ x(x1 (t), · · · , xk (t)) α′ (0)f = dt dt t=0 t=0 k X ∂(f ◦ x) = x′i (0) ∂xi 0 i=1 CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS (3.5) ´ 68 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION como de costumbre, tomando el operador ei = ∂x ∂ = : C ∞ (U ) → R, ∂xi ∂xi 0 ∂F ∂xi (3.6) hX ∂ ∂ i ′ (f ) = xi (0) (f ) ∂xi ∂xi i=1 (3.7) f→ donde F = f ◦ x. se puede escribir ′ α (0)f = k X k x′i (0) i=1 de donde k X ′ α (0) = i=1 x′i (0) ∂ ∂xi (3.8) Observaciones ∂ es el vector tangente en p ∈ M a la curva ∂xi coordenada (ver Figura 3.1) (1) El vector xi → x(0 · · · , 0, xi , 0, · · · , 0). xn ∂ ∂xi x • 0 xi • p M Figura 3.1 (2) La expresi´on 3.8 demuestra que el vector tangente a una curva α en p s´olo depende de las derivadas de un sistema de coordenadas (3) La expresi´on 3.8 tambi´en demuestra que el conjunto Tp M, con las operaciones usuales entre funciones, forma un espacio vectorial. (4) Al escoger una parametrizaci´on (U, x) alrededor de p ∈ M, inmediatamente se determina un conjunto de vectores tangente en p, n ∂ ∂ o ,··· , ∂x1 ∂xk FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.2. VECTORES TANGENTES 69 que generan a Tp M. Este conjunto resulta tambi´en linealmente independiente, para ver esto, basta tomar una combinaci´on lineal igualadas a cero y hacerla actuar sobre cada funci´on coordenada para obtener que los coeficientes de dicha combinaci´on son todos nulos. Por lo tanto n ∂ ∂ o ,··· , (3.9) ∂x1 ∂xk forma una base para Tp M. (5) Es inmediato que la estructura lineal de Tp M no depende de la parametrizaci´on x. (6) Tambi´en se observa que 3.8 proporciona las caracter´ısticas naturales de que cada vector tangente es un operador diferencial de C ∞ (U ) en R. 3.2.1. La diferencial en superficies regulares Sean M m y N n superficies regulares y sea ϕ : M → N una funci´on diferenciable. La diferencial ϕ∗ (o dϕ) de ϕ en p ∈ M es la funci´on (ver Figura 3.2) ϕ∗ : Tp M → Tϕ(p) N ϕ∗ u u M p ϕ(p) ϕ f ◦ϕ N f R Figura 3.2: Diferenciabilidad definida de la siguiente forma: sean u ∈ Tp M y f ∈ C ∞ (N ), entonces ϕ∗ (u)(f ) = u(f ◦ ϕ) o dϕ(u)(f ) = u(f ◦ ϕ). Para que esta definici´on quede bien hecha se debe demostrar que ϕ∗ (u) es un vector tangente de N en ϕ(p). Esto es, se debe demostrar que la funci´on ϕ∗ (u) : C ∞ (N ) → R es lineal y satisface la regla del producto. Sean u, v ∈ Tp M y λ, µ ∈ R. Entonces de la definici´on de suma de vectores tangentes, ϕ∗ (λu + µv)(f ) = (λu + µv)(f ◦ ϕ) = λu(f ◦ ϕ) + µv(f ◦ ϕ) = λϕ∗ u(f ) + µvϕ∗ (f ) CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 70 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION lo que muestra la linealidad. Para ver que satisface del producto, sean f, g ∈ C ∞ (N ), entonces ϕ∗ (u)(f g) =u (f g) ◦ ϕ = u[(f ◦ ϕ) · (g ◦ ϕ)] =g(ϕ(p))u(f ◦ ϕ) + f (ϕ(p))u(g ◦ ϕ) =g(ϕ(p))ϕ∗ (u)(f ) + f (ϕ(p))ϕ∗ (u)(g). Lo que t´ermina la demostraci´on. El caso especial N = R, es importante y proporciona la justificaci´on del uso del t´ermino Diferencial. N =R ϕ∗ u u M R p ϕ f ϕ(p) Figura 3.3: Diferencial, caso particular Si ϕ : M → R es diferenciable y f ∈ C ∞ (R), entonces se tiene por definici´on de diferencial que (ver Figura 3.3): [dϕ(u)](f ) = u(f ◦ ϕ). Como superficie regular, R tiene asociada la u ´nica parametrizaci´on (R, id) donde id es la funci´on identidad con una s´ola componente. Adem´as Tϕ(p) N = Tϕ(p) R es uni-dimensional, y por lo tanto dϕ(u) y ∂/∂x (en R) son linealmente dependientes y as´ı u(f ◦ ϕ) = [dϕ(u)](f ) = k ∂ (f ) ∂x donde k ∈ R. Tomando f (x) = id(x) = x se tiene u(ϕ) = k, por lo tanto, [dϕ(u)](f ) = u(ϕ) ∂ (f ), ∂x es decir, la u ´nica componente del vector dϕ(u) es u(ϕ). Con lo que se puede establecer entonces un isomorfismo natural entre Tϕ(p) N y R identificando cada vector tangente con su u ´nica componente; con lo que se escribe dϕ(u) = u(ϕ). (3.10) FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.2. VECTORES TANGENTES 71 Teorema 3.2.1 Sean M, N, P superficies regulares y ϕ : M → N, ψ : N → P funciones diferenciables. Entonces para cualquier p ∈ M ψ∗ ◦ ϕ∗ = (ψ ◦ ϕ)∗ . Se recuerda que por notaci´on ϕ∗ = dϕ. Adem´as que ϕ∗ toma valor en p, ψ∗ en ϕ(p) y (ϕ ◦ ψ)∗ en p (ver Figura 3.4) u M p ψ∗ (ϕ∗ (u)) P ψ(ϕ(p)) ϕ∗ u N ϕ ϕ(p) ψ f R Figura 3.4: Compuesta de Diferenciales Demostraci´ on. Sean p ∈ M, u ∈ Tp M y f ∈ C ∞ (P ), (Figura 3.4), entonces por definici´on de una funci´on diferenciable ψ∗ (ϕ∗ (u))(f ) = ϕ∗ (u)(f ◦ ψ) = u(f ◦ ψ ◦ ϕ) = (ψ ◦ ϕ)∗ (u)(f ). Luego ψ∗ ◦ ϕ∗ = (ψ ◦ ϕ)∗ Lo que t´ermina la demostraci´on. 3.2.2. X ♦ Inmersiones, submersiones y encajes Definici´ on 3.2.1 Sea M m y N n superficies regulares. (a) Una funci´on diferenciable ϕ : M → N es una inmersi´on si dϕp : Tp M → Tϕ(p) N es inyectiva para todo p ∈ M, en cuyo caso m ≤ m. (b) Si ϕ, adem´as de satisfacer (a) es un homeomorfismo sobre ϕ(M ) ⊆ N, donde ϕ(M ) se considera con la topolog´ıa de de subconjunto, se dice que ϕ es un encaje. (c) Una funci´on ψ : M → N es una submersi´on si dψp : Tp M → Tψ(p) N es sobreyectiva para todo p ∈ M en cuyo caso m ≥ n. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 72 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION Ejemplo 3.2.1 La funci´on ϕ : R → R3 dada por ϕ(t) = (t3 − 4t, t2 − 4), t ∈ R es una inmersi´on que posee una autointersecci´on para t = ±2, Figura 2.16, por lo tanto no es un encaje ni submersi´on. Figura 2.16 3.2.3. Espacio cotangente De nuevo se considera una superficie regular M de dimensi´on k y una parametrizaci´on (U, x) con sistema de coordenadas (x1 , · · · , xk ) de un punto p ∈ M con x(p) = 0, entonces una base para Tp M asociada a esta parametrizaci´on es ∂ ∂ . ,··· , ∂x1 ∂xk Cada vector ∂/∂xi es una derivaci´on de la forma f→ ∂(f ◦ x) , ∂xi con f ∈ C ∞ (M ). Como ∂ ∂(f ◦ x) ∂ (f ) = . = ∂xi ∂xi ∂xi entonces se puede tomar f como la funci´on coordenada xi = πi ◦ x, y por lo tanto, su expresi´on en coordenadas, xi ◦ x−1 (x1 , · · · , xk ) = xi con lo que ∂ ∂xi dxi = = δij , ∂xj ∂xj por lo tanto, la base dual de ∂x∂ 1 , · · · , ∂x∂ k es dx1 , · · · , dxk en (Tp M )∗ que se denotar´a con Tp∗ M y para cada punto de U. El espacio Tp∗ M se conoce como espacio cotangente en el punto p. As´ı, un vector cotangente tiene la forma df ω= k X i=1 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ai (p) dxi p , p∈U (3.11) ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.2. VECTORES TANGENTES 73 o simplemente, cuando no existe confusi´on ω= k X ai dxi , i=1 p∈U (3.12) se puede escribir ω= k X ω i=1 En particular, ∂ dxi . ∂xi (3.13) 1. si f : M → R es una funci´on diferenciable, entonces df = k X i=1 k k ∂ X X ∂(f ◦ x) ∂ df (f ) dxi = dxi . dxi = ∂xi ∂xi ∂xi i=1 i=1 2. Si u = (u1 , · · · , uk ) entonces k k X X ∂(f ◦ x) ∂(f ◦ x) df (u) = dxi (u) = . ui ∂xi ∂xi i=1 i=1 3. Como Tp M y Tp∗ M son espacios vectoriales de dimensi´on finita y con igual dimensi´on, son algebraicamente isomorfos. 3.2.4. Fibrado tangente y cotangente Sean M una k−superficie y T M el conjunto T M = (p, u) : p ∈ M y u ∈ Tp M , (3.14) entonces T M recibe el nombre de fibrado tangente de M. De igual manera, el conjunto T ∗ M es T ∗ M = (p, u) : p ∈ M y u ∈ Tp∗ M , (3.15) entonces T ∗ M recibe el nombre de fibrado cotangente de M. Se demostrar´a que T M y T ∗ M son 2k−superficies. Teorema 3.2.2 T M y T ∗ M son superficies regulares de dimensi´ on 2k. Demostraci´ on. Se demostrar´a con detalle que T M es una superficie regular de dimensi´on 2k. En efecto, sea (p0 , u0 ) ∈ T M, entonces p0 ∈ M y u0 ∈ Tp M, por lo tanto, existe una parametrizaci´on de M, (Ui , ϕi ), con p0 ∈ Vi = ϕi (Ui ) y con sistema de coordenadas (x1 , · · · , xk ). Se considera la proyecci´on π : T M → M definida por π(p, u) = p, y tambi´en π −1 (Vi ) = (p, u) : p ∈ Vi . CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 74 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION Sea (p, u) ∈ π −1 (Vi ), entonces p tiene coordenadas (x1 , · · · , xk ) es decir ϕ−1 i (p) = (x1 , · · · , xk ) y u es de la forma u= La funci´on βi : ϕ−1 i (Vi ) k X ai i=1 2k k ×R ⊆R ∂ . ∂xi → π −1 (Vi ) definida por βi (x1 , · · · , xk , a1 , · · · , ak ) = (p, u) k es una funci´on inyectiva del abierto ϕ−1 i (Vi ) × R sobre el subconjunto −1 2k abierto π (Vi ) de R . Se toman los conjuntos π −1 (Vi ) como las vecindades coordenadas sobre k T M y las biyecciones apropiadas (ϕ−1 i (Vi ) × R , βi ) forman unsistema de parametrizaciones cuyas imagenes cubren a T M. Para demostrar esta afirmaci´on se debe probar la compatibilidad de las parametrizaciones. En efecto, sea (Uj , ϕj ) otra parametrizaci´on para M con Vj = ϕj (Uj ) tal que p ∈ Vi ∩ Vj y con sistema de coordenadas (yi ) (i = 1, · · · , k) y por lo tanto, las (xi ) (y sus derivadas) se relacionan con las (yi ) ( y sus derivadas) difeomorficamente. Entonces (p, u) ∈ π −1 (Vi ∩ Vj ), u= k X i=1 k X ∂ ∂ ai = bj ∂xi ∂yj j=1 y como ∂/∂xi se puede expresar en t´erminos de ∂/∂yi , esto es, k X ∂ ∂ = , cj ∂xi ∂yj j=1 calculando esta expresi´on en yk (k = 1, · · · , n) se obtiene k X ∂yj ∂ ∂ = ∂xi ∂xi ∂yj j=1 de donde bj = k X i=1 ai ∂yj ∂xi Como cada ∂yj /∂xi es una funci´on diferenciable de xi , entonces cada bj es una funci´on diferenciable de (a1 , · · · , ak , x1 , · · · , xk ) y puesto que los yi son funciones diferenciables de las xi , se concluye que las coordenadas (x1 , · · · , xn , a1 , · · · , ak ) y (y1 , · · · , yn , b1 , · · · , bk ) estan relacionadas difeomorficamente. Con lo que T M es una superficie regular de dimensi´on 2k. La demostraci´on de que T ∗ M es una superficie regular de dimensi´on 2k es paso a paso similar, por lo tanto se deja como ejercicio. X ♦ FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.3. CAMPOS VECTORIALES SOBRE K−SUPERFICIES § 3.3. 75 Campos vectoriales sobre k−superficies Sea M una k−superficie de Rn y T M su fibrado tangente. Un campo vectorial X sobre M es una funci´on X : M → TM : p → X(p) = Xp ∈ Tp M. El campo se dice diferenciable si la funci´on X : M → T M es diferenciable. Al considerar una parametrizaci´on (U, x) de M, centrada en p ∈ M, con funciones de coordenadas x1 , · · · , xn es posible escribir el campo X en esta parametrizaci´on X(p) = k X Xpi i=i ∂ ∂xi (3.16) donde cada X i : U → R con X i : p → Xpi es una funci´on en U y ∂x∂ i es la base asociada con X, (i = 1, 2, · · · , k). Es claro que X es diferenciable si y s´olo si las funciones X i son funciones diferenciables para alguna (por lo tanto, para toda) parametrizaci´on. Como cada campo vectorial se comporta tambi´en como una derivaci´on X : D → F del conjunto D de las funciones diferenciables en M en el conjunto F de las funciones en M, definidas por (Xf )(p) = Xp (f ) = k X i=1 Xpi ∂F ∂xi 0 (3.17) donde F = f ◦ x es la expresi´on de f en la parameteizaci´on (U, x). Es inmediato verificar que, la funci´on Xf en 3.17 no depende de la escogencia de la parametrizaci´on. Se observa que si ϕ : M → M es un difeomorfimo y f : M → R una funci´on diferenciable en una vecindad de ϕ(p), entonces o dϕ(v)f (ϕ(p)) = v(f ◦ ϕ)(p) (3.18) = v(f ◦ ϕ) [dϕ(v)](f ) ϕ(p) p En efecto, sea α : (−ε, ε) → M una curva diferenciable tal que α(0) = p, v = α′ (0). Entonces d = (f ◦ ϕ ◦ α) = v(f ◦ ϕ) [dϕ(v)](f ) dt ϕ(p) p p 3.3.1. Curvas integrales y flujo local Como una k−superficie es localmente difeomorfa a un Rk , el Teorema fundamental de existencia, unicidad y dependencia de las condiciones iniciales de las ecuaciones diferenciables ordinarias, que es un Teorema local, se extiende naturalmente a las k−superficies. Es necesario enunciarlo CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 76 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION explicitamente para usarlo posteriormente. ver por ejemplo [??????], p´ag. . Sea X un campo vetorial diferenciable sobre una k−superficie M y sea p ∈ M. Entonces existen una vecindad U ⊆ M de p, un intervalo (−δ, δ), δ > 0 y una funci´on diferenciable ϕ : (−δ, δ) × U → M tales que la curva t → ϕ(t, q), t ∈ (−δ, δ), q ∈ U es la u ´nica curva que satisface ∂ϕ = X(ϕ(t, q)) ∂t con ϕ(0, q) = q. Una curva α : (−δ, δ) → M que satisface la condici´on α′ (t) = X(α(t)) con α(0) = q se llama trayectoria o curva integral del campo X que pasa por el punto q cuando t = 0. Tambi´en se garantiza que por cada punto de cierta vecindad pasa una u ´nica curva integral del campo vectorial X; la funci´on as´ı obtenida depende diferenciablemente t y de la condici´on inicial q. Es com´ un utilizar la notaci´on ϕt (q) = ϕ(t, q) y llamar ϕt : U → M el flujo local de X. Adem´as, existe δ > 0 tal que (a) ϕs ◦ ϕt = ϕt ◦ ϕs = ϕs+t (|s| < δ, |t| < δ, |s + t| < δ), (b) ϕr ◦(ϕs ◦ϕt ) = (ϕr ◦ϕs )◦ϕt = ϕr+s+t , (|r| < δ, |s| < δ, |t| < δ, |r + s + t| < δ), (c) ϕ0 es la funci´on identidad, (d) ϕ−1 t = ϕ−t . La prueba de (a) y (b) se obtienen como aplicaciones directa del Teorema fundamental de existencia, unicidad y dependencia de las condiciones in iniciales de las ecuaciones diferenciales ordinarias, (c) es inmediato y (d) se deducen de (a). Finalmente, esta colecci´on de transformaciones ϕt se conoce como el grupo local 1−param´ etrico del campo X. 3.3.2. Corchete de Lie La interpretaci´on de un campo vectorial X sobre una variedad diferenciable como un operador diferenciable en D permite considerar iteraciones de X. Por ejemplo, se X e Y son campos vectoriales sobre una k−superficie, M y f : M → R es una funci´on diferenciable, se puede considerar para cada p ∈ M, Xp (Y f ) y Yp (Xf ). En general, estas operaciones no conducen a campos vectoriales por que contienen derivadas de orden dos, pero el siguiente Lema proporciona una salida. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.3. CAMPOS VECTORIALES SOBRE K−SUPERFICIES 77 Lema 3.3.1 Sea X, Y campos vectoriales diferenciables sobre una k−superficie M. Entonces existe un u ´nico campo vectorial Z sobre M tal que, para todo f ∈ D y para cada p ∈ M, Zp f = Xp (Y f ) − Yp (Xf ). Demostraci´ on. Primero se demuestra la unicidad bajo el supuesto que existe. Por lo tanto, sea p un punto de M y (U, x) con cordenadas (x1 , · · · , xn ) una parametrizaci´on de M centrada en p ∈ U. (a) Unicidad. Si X= X Xi i ∂ , ∂xi Y = X Yj j ∂ ∂xj las expresiones de X e Y en esta parametrizaci´on. Entonces para todo f ∈ D, con expresi´on en coordenadas F = f ◦ x y omitiendo el punto p, se tiene, X ∂F X ∂Y j ∂F 2 X j i j ∂ F i XY f =X Y + XY = X ∂xj ∂xi ∂xj ∂xi ∂xj j i,j i,j X ∂F X ∂X i ∂F X ∂ 2F Y Xf =Y = Yj Xi + X iY j . ∂x ∂x ∂x ∂x ∂x i j i i j i,j i i,j (3.19) Por lo tanto, Z, en esta parametrizaci´on, est´a dado por i X ∂Y j ∂F j ∂X ∂F i −Y Z(f ) =XY f − Y Xf = X ∂xi ∂xj ∂xj ∂xi i,j X X ∂Y i ∂X i ∂F −Yj = Xj ∂xj ∂xj ∂xi i j Con lo que Zi = X Xj j i ∂Y i j ∂X − Y ∂xj ∂xj (3.20) (3.21) (b) Existencia. Se define Zα en cada vecindad coordenada Uα de la estructura diferenciable (Ui , xi ) de M por la expresi´on anterior. Por la unicidad, Zi = Zj en xi (Ui ) ∩ xj (UJ ) 6= ∅, lo que permite definir Z en toda la variedad M. X ♦ Definici´ on 3.3.1 [Corchete de Lie]. Sean X < Y campos vectoriales diferenciables sobre una k−superficie M. Se define el campo vectorial [X, Y ], lamado Corchete de Lie de X e Y por [X, Y ]p (f ) = Xp (Y f ) − Yp (Xf ) para todo p ∈ M y toda funci´on diferenciable f : M → R. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 78 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION 3.3.3. Propiedades del corchete de Lie La operaci´on corchete de Lie tiene las siguientes propiedades Proposici´ on 3.3.1 Sean X, Y y Z campos vectoriales diferenciables sobre una k−superficie M, a, b ∈ R y sean f, g : M → R funciones diferenciables , entonces (a) Anticonmutatividad [X, Y ] = −[Y, X]. (b) Linealidad [aX + bY, Z] = a[X, Z] + b[Y, Z] (c) Identidad de Jacobi [[X, Y ], Z] + [[Y, Z], X] + [[Z, X], Y ] = 0 (d) [f X, gY ] = f g[X, Y ] + f X(g)Y + −gY (f )X. Demostraci´ on. Son inmediato (a) y (b). Para demostrar (c), se observa que [[X, Y ], Z] =[XY − Y X, Z] = XY Z − Y XZ − ZXY + ZY X [[Y, Z], X] =[Y Z − ZY, X] = Y ZX − ZY X − XY Z + XZY [[Z, X], Y ] =[ZX − XZ, Y ] = ZXY − XZY − Y ZX + Y XZ al sumar estas igualdades miembro a miembro y usando (a) se concluye (c). Finalmente, se demuestra (d) [f X, gY ] =f X(gY ) − gY (f X) = f gXY + f X(g)Y − gf Y X − gY (f )X =f g[Y, Y ] + f X(g)Y − gY (f )X X ♦ § 3.4. Superficies orientables Dos sistemas de coordenadas (xi ), (yi ) en Rn se dicen consistentemente orientadas o simplemente consistentes si el Jacobiano del cambio de par´ametro ∂(y1 , · · · , yn ) ∂(x1 , · · · , xn ) es positivo en donde est´e definido. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.4. SUPERFICIES ORIENTABLES 79 1. En R2 los sistemas coordenados relacionados por y1 = x1 cos θ + x2 sen θ, y2 = −x1 sen θ + x2 cos θ, es decir, relacionados por una rotaci´on, son consistentes. 2. En R2 el sistema de coordenadas relacionados por y1 = x1 , y2 = −x2 , es decir, relacionados por una reflexi´on, no son consistentes. Definici´ on 3.4.1 Una k−superficie regular se dice orientable si posee una estructura diferenciable tal que para cualquier par de parametrizaciones (U, x), (V, y) en donde x(U ) ∩ y(V ) = W 6= ∅, los sistemas de coordenadas asociados (xi ), (yi ) son consistentes, es decir, la funci´on de cambio de coordenadas y −1 ◦ x : x−1 (W ) → y −1 (W ) tal que (x1 , · · · , xk ) → (y1 , · · · , yk ) se verifica que det d(y −1 ◦ x) = ∂(y1 , · · · , yk ) >0 ∂(x1 , · · · , xk ) en cada punto x−1 (W ). Dos estructuras diferenciables tal que cualquier parametrizaci´on de la primera estructura se relaciona por un determinante jacobiano negativo con cualquier parametrizaci´on de la otra se dice que tienen orientacion opuesta para la superficie. Una estructura consistentemente orientada se puede obtener de un atlas con orienteaci´on opuesta cambiando el signo de una coordenada en particular, por ejemplo, cambiando el signo en la primera coordenada en cada sistema de coordenadas o tomando una permutaci´on impar en cada sistema. Cada una de las superficies: Rk , k = 1, 2, · · · , subconjuntos abiertos de Rk , imagen de una funci´on diferenciable f : U → Rm , U subconjunto abierto de Rk , se pueden cubrir por una s´ola carta y por lo tanto son orientables. El Teorema que sigue demuestra que, toda n−superficie orientable implica que para cualquier par de parametrizaciones (U1 , x) (U2 , y) el determinante Jacobiano del cambio de par´ametro tiene el mismo signo sobre toda la intersecci´on U1 ∩ U2 . Situaci´on que resulta de gran utilidad para demostrar que algunas variedades no son orientables. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 80 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION Teorema 3.4.1 Sea M una k−superficie orientable, entonces para todo par de parametrizaciones (U1 , x) y (U2 , y) de M con coordenadas (xi ), (yi ), respectivamente, U1 y U2 conexos, x(U1 ) ∩ y(U2 ) = W 6= ∅, implica que ∂(y1 , · · · , yk ) ∂(x1 , · · · , xk ) tiene el mismo signo sobre x−1 (W ). Demostraci´ on. Como U1 y U2 heredan la orientaci´on de M, entonces existe una estructura diferenciable (Vi , ψi ) sobre U1 para el cual el determinante Jacobiano es positivo sobre la intersecci´on de cualquier par de cartas. Entonces seg´ un U1 , que es conexo, es o no consistentemente orientado con el atlas {(Vi , ψi )} y ∂(x1 , · · · , xk ) ∂(z1 , · · · , zk ) es mayor o menor que cero en cada punto de U1 y en particular, en cada punto de U1 ∩ U2 , donde (zi ) son las funciones de coordenadas para la parametrizaci´on (Vi , ψi ) apropiada a los puntos en asunto. De la misma forma, ∂(y1 , · · · , yk ) ∂(z1 , · · · , zk ) es mayor o menor que cero en cada punto de U1 ∩ U2 de acuerdo como (U2 , y) sea consistente o de orientaci´on opuesta a la estructura diferenciable (Vi , ψi ). Como ∂(y1 , · · · , yk ) ∂(y1 , · · · , yk ) ∂(x1 , · · · , xk ) = ÷ ∂(x1 , · · · , xk ) ∂(z1 , · · · , zk ) ∂(z1 , · · · , zk ) entonces que ∂(y1 , · · · , yk ) ∂(x1 , · · · , xk ) es positivo sobre U1 ∩ U2 si (U1 , x) y (U2 , y) son ambos consistentemente orientados o ambos opuestamente orientados a (Vi , ψi ); ser´a negativo sobre todo U1 ∩ U2 si la orientaci´on (U1 , x) y (U2 , y) con respecto a (Vi , ψi ) X son diferentes. ♦ Ejemplo 3.4.1 Ahora, se est´a en condiciones para presentar un ejemplo de una 2−superficie que no es orientable, se trata de la famosa Banda de M¨ obius que se obtiene siguiendo la idea elemental que proporciona la construcci´on de un cilindro a partir de un rect´angulo de papel y pegando dos lados paralelos, es decir, identificando estos lados. Se puede, por ejemplo, dar una media vuelta a uno de estos lados en el proceso para entonces obtener como resultado la Banda de M¨ obius. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.4. SUPERFICIES ORIENTABLES 81 Siguiendo la idea anterior, se puede definir la Banda de M¨obius como el cociente X/ ∼, donde X es la banda {(x, y) ∈ R2 : −1 ≤ x ≤ 2, −1 < y < 1} y ∼ es la relaci´on definida por (x, y) ∼ (z, w) si y s´olo si z = x + 2 y w = −y; con lo que (x, y) ∼ (x + 2, −y) (ver, Figura 3.5), ϕ1 1 ϕ2 π p· 0 −1 1 ·q 2 Figura 3.5 tambi´en, (−1, −1) ∼ (1, 1), (−1, 1) ∼ (1, −1), p ∼ q. Sea π : X → X/ ∼ tal que π(x, y) sea la clase de equivalencia de (x, y) bajo la relaci´on ∼ . Entonces X/ ∼ se puede cubrir con la imagen de dos parametrizaciones (U1 , ϕ1 ) y (U2 , ϕ2 ) donde U1 ={(x, y) : −1 < x < 1, −1 < y < 1} U2 ={(x, y) : 0 < x < 2, −1 < y < 1}, ϕ1 : U1 → X/ ∼ definida por ϕ1 (x, y) = π(x, y), (x, y) ∈ U1 . De igual manera, ϕ2 es la funci´on ϕ2 : U2 → X/ ∼ . definida tambi´en por ϕ2 (x, y) = π(x, y), Se puede escribir entonces W = ϕ1 (U1 ) ∩ ϕ2 (U2 ) = π (−1, 1) × (−1, 1) ∪ π (1, 2) × (−1, 1) que es uni´on de dos conjuntos abiertos disyuntos. Como los puntos de (0, 1)×(−1, 1) est´an uno a uno relacionados con (1, 2)×(−1, 1), entonces 2 ϕ−1 2 ◦ ϕ1 : (0, 1) ∪ (1, 2) × (−1, 1) → R CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 82 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION dada por ϕ−1 2 ◦ ϕ1 (x, y) = (x, y) (x − 2, −y) si (x, y) ∈ (0, 1) × (−1, 1) si (x, y) ∈ (1, 2) × (−1, 1) claramente es una funci´on diferenciable. Por lo tanto, det d(ϕ1 ◦ ϕ−1 2 (x, y) = 1 −1 si (x, y) ∈ (0, 1) × (−1, 1) si (x, y) ∈ (1, 2) × (−1, 1) Lo que muestra que la Banda de m¨ obius no es orientable. Ejemplo 3.4.2 Una k−superficie que admite un atlas de dos parametrizaciones (U1 , x), (U2 , y) para la cual U1 ∩ U2 es conexo, es orientable. Demostraci´ on. Se supone que las parametrizaciones (U1 , x), (U2 , y) tienen sistemas de coordenadas (xi , ) (yi ) (i = 1, · · · , k). Entonces, como U1 ∩ U2 es conexo, ∂(y1 , · · · , yk ) ∂(x1 , · · · , xk ) tiene signo constante sobre U1 ∩ U2 . Si el signo es positivo, entonces los sistemas de coordenadas son consistentes y la superficie es orientable. Si el signo es negativo, entonces los sistemas de coordenadas (x1 , · · · , xk ) y (−y1 , · · · , yk ) son consistentemente orientados y de nuevo la k−superficie X es orientable. ♦ Ejemplo 3.4.3 Como caso particular del ejemplo anterior se tiene que cada una de las esferas S n , n = 1, 2, 3, · · · es una variedad orientable, ya que mediante la proyecci´on esterogr´afica S n , para cada n = 1, 2, 3, · · · admite un atlas con dos cartas y la intersecci´on de las dos vecindades coordenadas es conexo. Teorema 3.4.2 Sea M ⊆ Rn una superficie regular, de dimensi´ on m; si existen n − m campos vectoriales normales continuos v1 , · · · , vn−m : M −→ Rn linealmente independientes en cada p ∈ M, entonces M es orientable. Demostraci´ on. Sea P el conjunto de todas las parametrizaciones ϕ : U0 → U ⊆ M tales que i) U0 es convexo, por ejemplo bolas centradas en el origen, y ii) Para todo x ∈ U0 , la matriz de tama˜ no n × n, ∂ϕ ∂ϕ Φ(x) = (x), · · · , (x), v1 (ϕ(x)), · · · , vn−m (ϕ(x)) ∂x1 ∂xm cuyas columnas son los vectores indicados tiene determinante positivo. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.4. SUPERFICIES ORIENTABLES 83 Para cada x ∈ U0 , Note que Φ(x) es invertible ya que sus primeras m columnas forman una base paqra Tϕ(x) M y las restantes forman una base pata el complemento ortogonal de ese subespacio en Rn . Como Φ(x) depende continuamente de x, su determinante no cambia de signo en el conjunto conexo U0 . Si para una cierta parametrizaci´on Φ(x) < 0 se puede cambiar el signo de ϕ y obtener ϕ1 ∈ P, con la misma imagen U. Por lo tanto P es un atlas para M. Para demostrar que P es coherente, sean ϕ : U0 → U, ψ : V0 → V pertenecientes a P y p = ϕ(x) = ψ(x) ∈ U ∩ V. Si (ψ −1 ◦ φ)′ (x) = (Aij ) = A, entonces m X ∂ϕ ∂ψ (x) = (y). Aij ∂xj ∂yj i=1 Esto indica, en t´erminos de matrices, que Φ(x) = Ψ(y)×A, con A = A0 I0 , donde I indica la matriz identidad de orden n − m. Como det Φ(x) > 0 y det Ψ(x) > 0, resulta entonces que 0 < det A = det A = det(ψ −1 ◦ φ)′ (x). X ♦ Y la demostraci´on se ha t´erminado. Ejemplo 3.4.4 Sea U un subconjunto abierto de Rn y f : U −→ Rm una funci´on diferenciable con n ≥ m, entonces M = f −1 (c) es una superficie orientable, si c es un valor regular de f, (dim M = n − m). Soluci´ on. En efecto, sea c = (c1 , · · · , cm ) entonces M ⊆ fi−1 (ci ) para cada i = 1, · · · , m. As´ı, para cada p ∈ M y cada v ∈ Tp M, sea λ : (−ǫ, ǫ) −→ M un camino diferenciable, con λ(0) = p, λ′ (0) = v entonces fi (λ(t)) = ci para todo t y cada i = 1, 2, · · · , m y por lo tanto, 0 = hgrad fi (p) , λ′ (t)i (i = 1, 2, · · · , m) lo que muestra que grad fi ⊥ M. Adem´as grad f ∈ C ∞ (M ). Como c es valor regular de f en cada punto p ∈ M = f −1 (c), la derivada fp′ : Rn → Rm es sobreyectiva. Por lo tanto, las m−filas de la matriz de fp′ son linealmente independientes y esas filas son los vectores grad fi |p . Lo prueba el ejercicio en virtud del Teorema anterio. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 84 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION § 3.5. Ejercicios Vectores tangentes y campos vectoriales 1. Calcular una base para el espacio tangente Tp M cuando a) M = S 2 , p = ( 12 , 12 , √ 2 ) 2 b) M = {(x, y, x2 + y 2 ) : x, y ∈ R}, p = (2, 0, 4) 2. Sea M una k−superficie, verificar entonces que Tp M y Tp∗ M son k−superficies 3. Demostrar que si (U, ϕ) es una parametrizaci´on de una k−superficie M, con coordenadas x1 , · · · , xk , entonces h ∂ ∂ i , =0 ∂xi ∂xj sobre U. 4. Sea M una k−superficie. Demostrar que T ∗ M es una superficie regular de dimensi´on 2k. 5. Un campo vectorial se dice completo si el dominio de cualquier curva integral se puede extender a todo R. Determinar si los campos vactoriales ∂ ∂ + x1 , ∂x1 ∂x2 ∂ ∂ b) X = (x1 − x2 ) + x2 ∂x1 ∂x2 a) X = −x2 son completos sobre R2 Orientaci´ on 6. Demostrar que RP1 , es decir el conjunto de todas las rectas que pasan por el origen de R2 , es orientable. 7. Demostrar que el n o x21 x22 x23 M = (x1 , x2 , x3 ) ∈ R : 2 + 2 + 2 = 1 a b c 3 con a > 0, b > 0 y c > 0 es orientable. 8. Demostrar que el toro T 2 de revoluci´on es orientable. 9. Demostrar que RP2 , es decir, el conjunto de todas las rectas que pasan por el origen de R3 , es FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 3.5. EJERCICIOS 85 a) una 2−superficie; b) no orientable. 10. Probar que toda k−superficies que es difeomorfa a una superficie orientable es orientable. 11. Demostrar que el fibrado tangente de una k−superficie es orientable. 12. Demuestrar que si una 2−superficie regular M de R3 contiene una Banda de M¨obius, entonces M no es orientable. 13. Usar campos vectoriales normales para dar otra demostraci´on de la no orientabilidad Banda de M¨obius. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ´ 86 CAP´ITULO 3. VECTORES TANGENTES, CAMPOS VECTORIALES Y ORIENTACION FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE Cap´ıtulo 4 Peque˜ na introducci´ on al ´ algebra multilineal § 4.1. Introducci´ on ´ En este cap´ıtulo se revisar´an algunos temas de Algebra Lineal y Multilineal que ya de por s´ı son de gran inter´es en la Matem´atica y en la t´ecnica. As´ı que se presentar´an los conceptos funciones multilineales, tensores sobre espacios vectoriales, espacios vectoriales de formas y elemento volumen entre otros necesarios para presentar resultados importantes del C´alculo en varias variables y en k−superficies. Todos los espacios vectoriales V, W, U usados en este cap´ıtulo son de dimensi´on finita y L(V ; W ) representa el espacio vectorial de todas las transformaciones lineales T : V → W con las operaciones usuales entre funciones. § 4.2. Una nota sobre espacio dual Sea V un espacio vectorial real. Como es usual, V ∗ denotar´a el espacio vectorial dual de V, esto es, el espacio vectorial formado por todas las transformaciones (o funcionales) lineales T : V → R. Adem´as si e = {ei : i = 1, ·, n} es una base para V, es decir cualquier elemento de V es combinaci´on lineal de estos elementos, entonces su base dual asociada (de V ∗ ) es e∗ = {ej : j = 1, ·, n} es tal que ( 1, si i = j ei (ej ) = 0, si i 6= j. Se observa que si x = x1 e1 + · · · + xn en ∈ V, entonces ej (x) = xj esto es, ej actua como el funcional lineal proyecci´on en la j−´esima componente. En la teor´ıa de tensores los elementos con super´ındices siempre estar´an en el dual. por ejemplo vi ∈ V ∗, uj ∈ U ∗ 87 88 ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL Adem´as, obs´ervese que si v ∈ V, entonces v= n X ei (v)ei i=1 y para cada α ∈ V ∗ , α= n X α(ei )ei . i=1 Empleando la convenci´on, en donde la suma est´a invocada cuando un ´ındice est´a repetido inferior y superiormente, estas expresiones se convierten en v = ei (v)ei y α = α(ei )ei . Se puede enviar V en V ∗∗ = L(V ∗ , R) en donde a cada v ∈ V se le asocia v ∗∗ ∈ V ∗∗ , definido por v ∗∗ (α) = α(v) para todo α ∈ V ∗ . En el caso en que V tiene dimensi´on finita V ∗∗ y V tienen la misma dimensi´on y como la funci´on V → V ∗∗ es uno a uno es por lo tanto un isomorfismo. Por identificaci´on se tiene que ( 1, si i = j i i ej (ei ) = e∗∗ j (e ) = e (ej ) = 0, si i 6= j ´ Algebra tensorial § 4.3. Si V1 , · · · , Vn son espacios vectoriales sobre un campo K, donde K = R o K = C, existen muchas funciones t : V1 × · · · × Vn → K con caracter´ısticas muy especiales y de gran utilidad en la Matem´atica seg´ un el caso. En esta secci´on se estudiar´a el caso cuando t es una funci´on multilineal, esto es, lineal en cada componente. En particular para n = 2, t debe satisfacer: t(x1 + x2 , y) = t(x1 , y) + t(x2 , y) t(x, y1 + y2 ) = t(x, y1 ) + t(x, y2 ) t(cx, y) = ct(x, y) = t(x, cy) Para todo x, x1 , x2 en V1 y todo y, y1 , y2 en V2 . Por comodidad este estudio se presentar´a sobre R (es decir cuando K = R). El conjunto de todas las funciones multilineales en V1 ×· · ·×Vn forman un espacio vectorial con suma y producto por escalares las naturalmente definidas entre funciones. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 4.3. ALGEBRA TENSORIAL 4.3.1. 89 Tensores covariantes y contravariantes Definici´ on 4.3.1 Para un espacio vectorial V de dimensi´ on n, sea Tsr (V ) = Lr+s (V ∗ , · · · , V ∗ , V, · · · , V ; R) r copias de V ∗ y s copias de V, el espacio vectorial de todas las funciones multilineales de la forma ∗ · · × V} −→ R. t:V · · × V }∗ × V | × ·{z | × ·{z r-copias s-copias Los elementos de Tsr (V ) se llaman tensores de tipo variante de orden r y covariante de orden s. r s sobre V, contra- Definici´ on 4.3.2 (Producto tensorial) Sea V un espacio vectorial, si t1 ∈ Tsr11 (V ) y t2 ∈ Tsr22 (V ), el producto tensorial +r2 t1 ⊗ t2 ∈ Tsr11+s (V ) 2 esta dado por t1 ⊗ t2 (β 1 , · · · , β r1 , γ 1 , · · · , γ r2 , f1 , · · · , fs1 , g1 , · · · , gs2 ) = t1 (β 1 , · · · , β r1 , f1 , · · · , fs1 )t2 (γ 1 , · · · , γ r2 , g1 , · · · , gs2 ) donde β j , γ j ∈ V ∗ y f1 , g2 ∈ V. Reemplazando R por un espacio F se obtiene Tsr (V ; F ), el espacio tensorial con valores en F de tipo rs . Ahora obs´ervese que el producto tensorial no es conmutativo y satisface las siguientes propiedades: t1 ⊗ (t2 ⊗ t3 ) = (t1 ⊗ t2 ) ⊗ t3 , (t1 + t2 ) ⊗ t3 = t1 ⊗ t3 + t2 ⊗ t3 , t1 ⊗ (t2 + t3 ) = t1 ⊗ t2 + t1 ⊗ t3 , (ct1 ) ⊗ t2 = c(t1 ⊗ t2 ) = t1 ⊗ (ct2 ) para todo t1 , t2 , t3 tensores y c ∈ Rn . Adem´as, (a) T10 (V ) = V ∗ , (b) T01 (V ) = V ∗∗ , (c) T20 (V ) = L(V ; V ∗ ) CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 90 ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL Por convenci´on se toma T00 (V ; F ) = F. Teorema 4.3.1 Sea V un espacio vectorial tales que si {ei : i = 1, · · · , n} es una base para V, {ej : j = 1, · · · , n} su base dual para V ∗ . Entonces una base para Tsr (V ) est´ a dada por ei1 ⊗ · · · ⊗ eir ⊗ ej1 ⊗ · · · ⊗ ejs ik , jk = 1, · · · , n . (4.1) En particular, Tsr (V ) tiene una estructura de espacio vectorial con dimensi´on nr+s . Demostraci´ on. Se debe demostrar que los elementos ei1 ⊗ · · · ⊗ eir ⊗ ej1 ⊗ · · · ⊗ ejs de Tsr (V ) son linealmente independientes y general a Tsr (V ). (a) Se supone una suma finita ti1 ···ir j1 ···js ei1 ⊗ · · · ⊗ eir ⊗ ej1 ⊗ · · · ⊗ ejs = 0. Entonces al aplicar esta ecuaci´on a (ek1 , · · · , ekr , el1 , · · · , els ) y usando la identificaci´on ei (ej ) = ej (ei ) se obtiene ti1 ···ir j1 ···js = 0. (b) Sea t ∈ Tsr (V ). Si X 1 = x1i1 ei1 , · · · , X r = xrir eir en V ∗ , y tomando tambi´en Y1 = y 1j1 ej1 , · · · , Ys = y sis ejs en V, entonces t(X 1 , · · · , X r , Y1 , · · · , Ys ) =t(x1i1 ei1 , · · · , xrir eir , y 1j1 ej1 , · · · , y sjr ejs ) =t(ei1 , · · · , eir , ej1 , · · · , ejs ) x1i1 · · · xrir y 1j1 · · · y sjs Como x1i1 · · · xrir y 1j1 · · · y sjs =ei1 (X 1 ) · · · eir (X r )ej1 (Y1 ) · · · ejs (Ys ) =ei1 ⊗ · · · ⊗ eir ⊗ ej1 ⊗ · · · ⊗ ejs (X 1 , · · · , X r , Y1 , · · · Ys ), todo esto muestra que t = t(ei1 , · · · , eir , ej1 , · · · , ejs ) ei1 ⊗ · · · ⊗ eir ⊗ ej1 ⊗ · · · ⊗ ejs . (4.2) X ♦ Lo que demuestra el Teorema. Por Teorema anterior, el espacio tensorial Tsr (V ) tiene otra notaci´on m´as intuitiva dada por: V ⊗ ··· ⊗ V ⊗ V ∗ ⊗ ··· ⊗ V ∗ (4.3) donde se presentan r copias de V y s copias de V ∗ . FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 4.3. ALGEBRA TENSORIAL 91 § Ejemplos Ejemplo 4.3.1 Sean e1 = (1, 0, · · · , 0), e2 = (0, 1, 0, · · · , 0), · · · , en = (0, · · · , 0, 1) los vectores de la base can´onica de Rn y {ei , 1 ≤ i ≤ n} base para (Rn )∗ dual a {e1 , · · · , en }. Son 02 tensores sobre Rn : t = e1 ⊗ en , Un tensor de tipo 03 es t = e1 ⊗ e2 + 5e2 ⊗ en . t = en ⊗ e2 ⊗ e3 Por u ´ltimo un tensor de tipo 12 es t = 2e1 ⊗ e1 ⊗ e2 + 4e2 ⊗ e1 ⊗ e1 + 6e3 ⊗ e2 ⊗ e3 Ejemplo 4.3.2 (a) Si t es un 0 2 tensor sobre V, entonces t tiene componentes tij = t(ei , ej ), es decir una matriz de tama˜ no n × n. Esta es la forma usual de asociar una forma bilineal con una matriz. Por ejemplo, en R2 la forma bilineal t(x, y) = Ax1 y1 + Bx1 y2 + Cx2 y1 + Dx2 y2 (donde x = (x1 , x2 ) y y = (y1 , y2 )) est´a asociada a la matriz A B C D (b) Si t es un 02 tensor sobre R2 , entonces tiene sentido decir que t es sim´etrico si t(e1 , e2 ) = t(e2 , e1 ). Esto es equivalente a decir que la matriz tij es sim´etrica. Un 02 tensor sim´etrico se puede recuperar de su forma cuadratica Q(e) = t(e, e) por 1 Q(e1 + e2 ) − Q(e1 − e2 ) 4 y t tiene como matriz asociada A B B D t(e1 , e2 ) = entonces Q(x) = Ax21 + 2Bx1 x2 + Dx22 CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 92 ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL (c) En general, un 0 s tensor sim´etrico se define con la condici´on t(v1 , · · · , vs ) = t(vσ(1) , · · · , vσ(s) ) para toda permutaci´on σ de {1, · · · , s}, y para todos elementos v1 , · · · , vs ∈ V. Se le puede asociar a t un polinomio homogeneo de grado k : P (v) = t(v, · · · , v) y como en el caso s = 2, P y t determina uno al otro. Tambi´en se puede hacer una definici´on similar para el caso de 0r tensores. Es claro que un tensor es sim´etrico si y s´olo si todas sus componentes en cualquier base son sim´etricos. (d) Un producto interior h , i sobre V es un 02 tensor y su matriz se escribe generalmente con gij = h ei , ej i. As´ı gij es sim´etrico y defido positivo. La matriz inversa se escribe con g ij . § 4.4. ´ Algebra exterior Esta secci´on trata fundamentalmente de un ejemplo importante de tensores sobre espacios vectoriales, llamado tensores alternados que son usados en muchos apartes de la Geometr´ıa Diferencial y en integraci´on sobre variedades. Sea V un espacio vectorial de dimensi´on finita n sobre el campo F, un elemento t ∈ Tk0 (V ; F ) = Lk (V ; F ); es decir, una funci´on k−lineal de V × · · · × V → F se dice anti-sim´etrica cuando t(x1 , · · · , xi , · · · , xj , · · · , xk ) = −t(x1 , · · · , xj , · · · , xi , · · · , xk ). para todo x1 , · · · , Xk ∈ V. Esto es equivalente a decir que t(x1 , · · · , xk ) = (sig σ)t(xσ(1) , · · · , xσ(k) ). donde σ es cualquier elemento de Sk , el grupo de permutaciones de k elementos. El subespacio de Lk (V ; F ), formado por todos los elementos anti-sim´etricos con valores en F, se denota con Λk (V ; F ) y recibe el nombre de k−formas exteriores con valores en F ; si el campo F es naturalmente concebido, s´olo se dir´a k−formas exteriores o simplemente k−formas. Por definici´on, Λ0 (V ; F ) = F. Cuando F = R, se escribe Λ0 (V ) = R Λ1 (V ) = V ∗ y Λk (V ) al subespacio vectorial de Lk (V ; R) formado por los elementos que son anti-sim´etricos. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 4.4. ALGEBRA EXTERIOR Si v 1 , v 2 · · · , v k son funcionales lineales se puede v 1 ∧ · · · ∧ v k de Λk (V, F ) definido por v 1 (w1 ) v 2 (w1 ) v 1 ∧ v 2 ∧ · · · ∧ v k (w1 , · · · , wk ) = .. k. v (w1 ) 93 obtener un elemento ··· ··· ··· · para todo w1 , · · · , wk ∈ V. k v (wk ) v 1 (wk ) v 2 (wk ) .. . La funci´on de determinante implica que v 1 ∧ v 2 ∧ · · · ∧ v k es k−lineal y alternada y si v i = v j , entonces v 1 ∧ · · · ∧ v k = 0. Teorema 4.4.1 Sea e = (e1 , · · · , en ) una base para V y e∗ = (e1 , · · · , en ) base dual de e para V ∗ , entonces (a) ei ∧ ej = ei ⊗ ej − ej ⊗ ei . (b) El conjunto i1 e ∧ · · · ∧ eik : 1 ≤ i1 < i2 < · · · < ik ≤ n, (4.4) donde ij ∈ {1, 2, · · · , n}, forma una base para Λk (V, F ). (c) dim Λk (V ) = nk Demostraci´ on. La parte (a) se obtiene de manera inmediata al aplicar la definici´on de determinante de orden 2 × 2. Para demostrar (b) primero se observa que los elementos del conjunto dado son linealmente independientes ya que si X Ai1 ···ik ei1 ∧ · · · ∧ eik = 0, ij ∈ {1, 2, · · · , n}, i1 <···<ik es aplicado a (ej1 , · · · , ejk ), con j1 < · · · < jk y jl ∈ {1, 2, · · · , n} se obtiene que X Ai1 ···ik ei1 ∧ · · · ∧ eik (ej1 , · · · , ejk ) = 0, i1 <···<ik lo que implica que Ai1 ···ik = 0. Para mostrar que el conjunto genera a Λk (V, F ), se considera f ∈ Λk (V, F ) y sea X f (ei1 · · · eik )ei1 ∧ · · · ∧ eik = g i1 <···<ik entonces g ∈ Λk (V ; F ). Adem´as, g(ei1 , · · · , eik ) = f (ei1 , · · · , eik ), CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL 94 para todo i1 , · · · , ik . lo que forza que f = g. Haciendo f (ei1 , · · · , eik ) = Ai1 ···ik se obtiene X f= f (ei1 · · · eik )ei1 ∧ · · · ∧ eik . (4.5) i1 <···<ik X ♦ (c) es consecuencia inmediata de (b). Si w es una k−forma lineal y ϕ una k−forma, es decir, X X w= ai1 ···ik ei1 ∧ · · · ∧ eik , ϕ = bi1 ···ik ei1 ∧ · · · ∧ eik , (4.6) i1 <···<ik i1 <···<ik es natural tener el siguiente par de operaciones: (a) La suma X w+ϕ= i1 <···<ik (ai1 ···ik + bi1 ···ik )ei1 ∧ · · · ∧ eik , (b) El producto por escalares X αw = α ai1 ···ik ei1 ∧ · · · ∧ eik , i1 <···<ik 4.4.1. (4.7) (4.8) Producto exterior Sean w= X i1 <···<ik ai1 ···ik ei1 ∧ · · · ∧ eik , θ= X j1 <···<jk bj1 ···js ej1 ∧ · · · ∧ ejs (4.9) el producto exterior w ∧ θ, es la (k + s)−forma definida de la siguiente manera: para entonces X w∧θ = ai1 ···ik bj1 ···js ei1 ∧ · · · ∧ eik ∧ ej1 ∧ · · · ∧ ejs i1 <···<ik j1 <···<js Es inmediato verificar que la operaci´on de producto exterior goza de las siguientes propiedades: w ∈ Λk (V ), ϕ ∈ Λs (V ) y θ ∈ Λr (V ), entonces (w ∧ ϕ) ∧ θ = w ∧ (ϕ ∧ θ), w ∧ ϕ = (−1)ks ϕ ∧ w, (cw) ∧ ϕ = c(w ∧ ϕ) = w ∧ (cϕ), (w + ϕ) ∧ θ = w ∧ θ + ϕ ∧ θ, (si k = s), w ∧ (ϕ + θ) = w ∧ ϕ + ϕ ∧ θ, (si s = r). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE TRANSFORMACIONES LINEALES SOBRE TENSORES 4.5. ACCION 95 El producto exterior ∧, junto con con las operaciones usuales entre funciones, inducen en la suma directa Λ(V ) = Λ0 (V ) ⊕ Λ1 (V ) ⊕ · · · ⊕ Λn (V ), la estructura de ´algebra no conmutativa con elemento unidad, el 1 de ´ ´ Λ0 (V ), llamada Algebra exterior o Algebra de Grassman de ∗ V .y n n n n dim Λ(V ) = + + ··· + + = 2n 0 1 n−1 n § 4.5. Acci´ on de transformaciones lineales sobre tensores Primero se observa un efecto que tienen las transformaciones lineales sobre espacios vectoriales duales. 4.5.1. Traspuesta de una transformaci´ on lineal Si ϕ ∈ Hom(V, W ) la traspuesta de ϕ, denotada con ϕ∗ ∈ Hom(W ∗ , V ∗ ) se define por: para todo β ∈ W ∗ , ϕ∗ (β) ∈ V ∗ y para v ∈ V ϕ∗ (β)(v) = β(ϕ(v)) o (ϕ∗ (β), v) = (β, ϕ(v)). Se analizar´a entonces la matriz de ϕ y de ϕ∗ . Como es costumbre en ´algebra lineal, los vectores en una base dada se representan por columnas cuyas entradas son las componentes del vector. Sean ϕ ∈ Hom(V, W ) y v = (v1 , · · · , vn ), w = (w1 , · · · , wm ) bases ordenadas de V y W respectivamente. Como existen escalares Aa i tales que ϕ(vi ) = Aa i wa donde se colocan ´ındices diferentes en la sumatoria con los ´ındices en W, entonces la matriz de ϕ es A11 · · · A1n .. A = Aa i m×n = ... . m A1 · · · Am n para no confundirse El ´ındice superior proporciona el ´ındice de las filas y el ´ındice inferior proporciona el ´ındice de las columnas. Tambi´en obs´ervese que si x = xi vi ∈ V, ϕ(x) = xi ϕ(vi ) = xi Aai wa , CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL 96 las componentes de ϕ(x)a = Aai xi . Luego pensando x y ϕ(x) como vectores columnas, esta formula muestra que ϕ(x) se calcula multiplicando a x a la izquierda por A, la matriz de ϕ, como en ´algebra Lineal Elemental, esto es, ϕ(x) = A · x. Consecuentemente, ϕ(vi ) representa la i-´esima columna de la matriz de ϕ. Ahora se estudia la matriz de ϕ∗ ∈ Hom(W ∗ , V ∗ ). En efecto, si v ∗ = (v 1 , · · · , v n ) y w∗ = (w1 , · · · , wm ) son las bases duales ordenadas de v y w respectivamente, entonces ϕ∗ (wa )(vi ) = wa (ϕ(vi )) = wa (Abi wb ) = Abi (wa wb ) = Abi δba = Aai Por lo tanto, ϕ∗ (wa ) en la base v ∗ de V ∗ es ϕ∗ (wa ) = Aai v i En este caso, se observa que la variaci´on de los sub´ındices en Aa i es como sigue: el ´ındice superiore es el ´ındice de las columnas y el inferior es el de las filas, esto es, la matriz de ϕ∗ respecto a las bases v ∗ y w∗ es A11 · · · Am n .. .. = At . . 1 An · · · Am n donde t est´a indicando traspuesta. Si β = βa wa ∈ W, entonces ϕ∗ (β) = βa ϕ∗ (wa ) = βa Aa i v i . La i-´esima fila componente de ϕ∗ (β) es igual βa Aa i . Obs´ervese que los elementos en el dual se presentan como filas cuyas entradas son sus componentes en la base dual, la conclusi´on inevitable en los c´alculos es que ϕ∗ (β) se calcula multiplicando β a derecha por A, la matriz de ϕ, otra ´ vez como en Algebra Lineal, esto es, ϕ∗ (β) = β · (Aa i ), o bien ϕ∗ (β) = (Aa i )t β donde At indica la matriz traspuesta de A. 4.5.2. Pull-back y push-forward para tensores Ahora, se puede trabajar el efecto que tienen las transformaciones lineales sobre tensores. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE TRANSFORMACIONES LINEALES SOBRE TENSORES 4.5. ACCION 97 Definici´ on 4.5.1 Sea ϕ ∈ Hom(V, W ), (a) se define el pull-back (regreso) de ϕ : ϕ∗ ∈ Hom(Ts0 (W ), Ts0 (V )) por ϕ∗ t(v1 , · · · , vs ) = t(ϕ(v1 ), · · · , ϕ(vs )) donde t ∈ Ts0 (W ) y v1 , · · · , vs ∈ V. (b) Si ϕ es un isomorfismo, se define el push-forward (empuje) de ϕ: Ts0 ϕ = ϕ∗ ∈ Hom(Ts0 (V ), Ts0 (W )) por ϕ∗ t(w1 , · · · , ws ) = t(ϕ−1 (w1 ), · · · , ϕ−1 (ws )) donde t ∈ Ts0 (V ) y w1 , · · · , ws ∈ W (ver, Figura 4.1). ϕ∗ = push forward Objetos sobre V Objetos sobre W ϕ∗ = pull back V W ϕ Figura 4.1 La figura 4.1 proporciona la raz´on de los nombres de pull back (o traspuesta) y push forward. El push-forward y el pull back de ϕ se pueden presentar para tensores mixtos, en efecto, se empieza con el push-forward, si ϕ ∈ Hom(V, W ) es un isomorfismo, entonces se define Tsr ϕ = ϕ∗ ∈ Hom(Tsr (V ), Tsr (W )) (4.10) se define por ϕ∗ t (w1 , · · · , wr , w1 , · · · , ws ) = t (ϕ∗ (w1 ), · · · , ϕ∗ (wr ), ϕ−1 (w1 ), · · · , ϕ−1 (ws )) CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 98 ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL para todo t ∈ Tsr (V ), y todo wi ∈ W ∗ , wj ∈ W. Tambi´en, Como la funci´on (ϕ−1 )∗ actua enviando hacia “atr´as”, o traspone hacia atras, ´este es pull-back de ϕ y se denota con ϕ∗ (recuerde que la traspuesta de ϕ coincide con esta idea y este s´ımbolo). En tal caso y por definici´on se debe tener: para ϕ ∈ Hom(V, W ) un isomorfismo ϕ∗ ∈ Hom(Tsr (W ), Tsr (V )) si y s´olo si ϕ∗ t(v 1 , · · · , v r , v1 , · · · , vs ) = t(ϕ−1∗ (v 1 ), · · · , ϕ−1∗ (v r ), ϕ(v1 ), · · · , ϕ(vs )) N´otese que T10 ϕ = (ϕ−1 )∗ . Si V y W son de dimensi´on finita entonces T01 (V ) = V ∗∗ ≈ V y T01 (W ) = W ∗∗ ≈ W adem´as, en lo sucesivo se identifica ϕ con T01 ϕ. El Siguiente par de teorema aseguran que ϕ∗ y ϕ∗ son compatibles con la composici´on y el producto tensorial. Su prueba es inmediata. Teorema 4.5.1 Sean ϕ ∈ Hom(V, W ), ψ ∈ Hom(W, G). Entonces (a) (ψ ◦ ϕ)∗ = ϕ∗ ◦ ψ ∗ . (b) Si i : V → V es la identidad, entonces tambi´en lo es i∗ ∈ Hom Ts0 (V ), Ts0 (V ) . (c) Si ϕ es un isomorfismo, entonces tambi´en lo es ϕ∗ . (d) Si t1 ∈ Ts01 (W ) y t2 ∈ Ts02 (W ), entonces ϕ∗ (t1 ⊗t2 ) = ϕ∗ (t1 )⊗ϕ∗ (t2 ). Demostraci´ on. Se demuestra (a) y se deja como ejercicio (b), (c) y (d). En efecto, bajo hip´otesis (ψ ◦ ϕ)∗ t(v1 , · · · , vs ) =t(ψ ◦ ϕ(v1 ), · · · , ψ ◦ ϕ(vs )) =t(ψ(ϕ(v1 )), · · · , ψ(ϕ(vs ))) =ϕ∗ ◦ ψ ∗ t(v1 , · · · , vs ) X ♦ Lo que termina la prueba. Teorema 4.5.2 Sean ϕ : V → W, ψ : W → G isomorfismos. Entonces (a) (ψ ◦ ϕ)∗ = ψ∗ ◦ ϕ∗ . (b) Si i : V → V es la identidad, entonces tambi´en lo es i∗ : Tsr (V ) → Tsr (V ). (c) ϕ∗ : Tsr (V ) → Tsr (V ) es un isomorfismo y (ϕ∗ )−1 = (ϕ−1 )∗ . (d) si t1 ∈ Tsr11 (V ) y t2 ∈ Tsr22 (V ), entonces ϕ∗ (t1 ⊗ t2 ) = ϕ∗ (t1 ) ⊗ ϕ∗ (t2 ). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE TRANSFORMACIONES LINEALES SOBRE TENSORES 4.5. ACCION 99 Demostraci´ on. Para demostrar (a), primero se observa que es un ejer´ cicio de Algebra Lineal B´asica verificar que la traspuesta de una composici´on de transformaciones lineales satisface (ψ ◦ ϕ)∗ = ϕ∗ ◦ ψ ∗ . Luego ψ∗ (ϕ∗ t)(f 1 , · · · , f r , g1 , · · · , gs ) = = ϕ∗ t ψ ∗ (f 1 ), · · · , ψ ∗ (f r ), ψ −1 (g1 ), · · · , ψ −1 (gs ) = t ϕ∗ ψ ∗ (f 1 ), · · · , ϕ∗ ψ ∗ (f r ), ϕ−1 ψ −1 (g1 ), · · · , ϕ−1 ψ −1 (gs ) = t (ψ ◦ ϕ)∗ (f 1 ), · · · , (ψ ◦ ϕ)∗ (f r ), (ψ ◦ ϕ)−1 (g1 ), · · · , (ψ ◦ ϕ)−1 (gs )) = (ψ ◦ ϕ)∗ t(f 1 , · · · , f r , g1 , · · · , gs ), donde f 1 , · · · , f r ∈ G∗ , g1 , · · · , gs ∈ G y t ∈ Tsr (V ). La parte (b) es una consecuencia inmediata de la definici´on y el hecho que i∗ = i e i−1 = i. Para (c) obs´ervese que por (a) y (b) se tiene ϕ∗ ◦ (ϕ−1 )∗ = i∗ , la identidad en Tsr (W ); similarmente, (ϕ−1 )∗ ◦ ϕ∗ = i∗ la identidad en Tsr (V ), y as´ı (c) es verdadero. Finalmente (d) es una X consecuencia de la definici´on. ♦ § Observaciones Sean V y W espacios vectoriales (de dimensi´on finita). Si ϕ : V → W es una transformaci´on lineal con {vi : i = 1, · · · , n}, {wj : j = 1, · · · , m} bases para V y W respectivamente y sus bases duales {v i : i = 1, · · · , n}, {wj : j = 1, · · · , m} respectivamente. Entonces (a) ϕ∗ (wj )(v) = wj (ϕ(v)), es decir, ϕ∗ actua sobre elementos b´asicos como la traspuesta de ϕ. (b) Si ϕ es un isomorfismo, entonces ϕ∗ (v i ) = T10 (v i ) = (ϕ−1 )(v i ), ya que por definici´on T10 (v i )(w) = v i (ϕ−1 (w)) = (ϕ−1 )∗ v i (w) (c) ϕ∗ (vi ) = T01 ϕ(vi ) = ϕ(vi ). Ya que de nuevo por definici´on T01 ϕ(vi )(w∗ ) = vi (ϕ∗ (w∗ )) = ϕ∗∗ (vi (w∗ )) = (ϕ(vi ))(w∗ ) CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL 100 (d) ϕ∗ (wj ) = ϕ−1 (wj ). Ya que ϕ∗ (wj )(v) = T10 ϕ−1 (wj )(v) = wj ((ϕ−1 )∗ v) = (ϕ−1 wj )v. Ejemplo 4.5.1 Sobre R2 se toma la base est´andar {e1 , e2 }. Si y t = e1 ∧ e2 y w = e1 ⊗ e2 . Calcular ϕ∗ t, ϕ∗ w cuando ϕ : R2 → R2 con x 2 1 . ϕ(x, y) = y 1 1 Soluci´ on. Primero se observa que si 2 1 A= 1 1 entonces, A= 2 1 1 1 ∗ 1 t =A con lo que ϕ (e ) = y ∗ 2 ϕ (e ) = Por lo tanto, y A 2 1 1 1 2 1 1 1 −1 = 1 0 0 1 1 −1 −1 2 = (A−1 )t , = 2e1 + e2 , = e1 + e2 . ϕ∗ t = ϕ∗ (e1 ) ∧ ϕ∗ (e2 ) = (2e1 + e2 ) ∧ (e1 + e2 ) = e1 ∧ e2 . Y como ∗ −1 ϕ (e1 ) = ϕ (e1 ) = 1 −1 −1 2 1 0 = e1 − e2 , entonces ϕ∗ w = (e1 − e2 ) ⊗ (e1 + 2e2 ) = e1 ⊗ e1 + e1 ⊗ e2 − e2 ⊗ e1 − e2 ⊗ e2 . § 4.6. Ejercicios 1. Sea e = (1, 0, · · · , 0) e2 = (0, 1, 0, · · · , 0) en = (0, · · · , 0, 1) base para Rn con base dual e1 , · · · , en para (Rn )∗ . Probar que t = e1 ⊗ e1 + · · · + en ⊗ en es un 02 −tensor sobre Rn y que coincide con el producto interior usual (o can´onico) de Rn . ¿Cu´al es su representaci´on matricial?. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 4.6. EJERCICIOS a) T01 (V )=V ∗∗ c) T20 (V )=L(V, V ∗ ) b) T10 (V )=V ∗ d) T11 (V )=L(V, V ∗∗ ) 101 2. Probar que todo producto interno sobre un espacio vectorial V es un 02 −tensor sobre V. 3. Sea V un espacio vectorial de dimensi´on finita n. Probar: 4. Sea V un espacio vectorial de dimensi´on finita n. Si w ∈ Λk (V ), ϕ ∈ Λs (V ) y θ ∈ Λr (V ), entonces demostrar que a) (w ∧ ϕ) ∧ θ = w ∧ (ϕ ∧ θ), b) (cw) ∧ ϕ = c(w ∧ ϕ) = w ∧ (cϕ), c) w ∧ ϕ = (−1)ks ϕ ∧ w. d) w ∧ (ϕ + θ) = w ∧ ϕ + ϕ ∧ θ, (si s = r), e) (w + ϕ) ∧ θ = w ∧ θ + ϕ ∧ θ, (si k = s), 5. Probar que si v1 , ..., vn son elementos de Rn , entonces el volumen del paralelep´ıpedo formado por ´estos y el origen, es decir, el volumen de p(0; v1 , ..., vn ) = {v ∈ Rn : v = t1 v1 + ... + tn vn , t ∈ [0, 1]} es el valor absoluto del determinante la matriz cuyas columnas son las componentes de los vectores v1 , ..., vn . Sugerencia: usar integraci´on multiple bajo un cambio de coordenadas adecuado. 6. m-volumen: Sean a1 , ..., am vectores linealmente independientes en Rn , m ≤ n. Probar que el m−volumen del paralelep´ıpedo, sobre el m−espacio vectorial, formado por los a1 , · · · , am y el origen est´a dado por la siguiente f´ormula ha1 , a1 i ... ha1 , am i 2 .. .. vol(p(0; a1 , ..., am )) = det . . ham , a1 i ... ham , am i 7. En el problema (6), se considera Rn con base can´onica e = {e1 = (1, 0, · · · , 0), · · · en = (0, · · · , 0, 1)} ∗ con base dual e∗ = {e1 , · · · en } para Rn . Si Ω = a1 ∧ · · · ∧ am , donde cada ai , i = 1, · · · , m es el vector correspondiente a ai en CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 102 ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL [Rn ]∗ bajo el isomorfismo ϕ : Rn → [Rn ]∗ dado por, si x = x1 e1 + · · · + xn en ∈ Rn , entonces ϕ(x) = x1 e1 + · · · + xn en . Probar entonces que [vol(p(0; a1 , · · · , am ))]2 = Ω(a1 , · · · , am ), donde Ω = a1 ∧ · · · ∧ am . Ω recibe el nombre de Elemento volumen. 8. Bajo las hipotesis del ejercicio 7, probar a1 ∧ · · · ∧ am (a1 , · · · , am ) = X i1 <···<im det ··· ai m 1 ai 1 m · · · ai m m ai 1 1 donde a1 = (a11 , · · · , a1n ), · · · am = (am1 , · · · , amn ) con m ≤ n. 9. Sean V, W y Q espacios vectoriales de dimensi´on finita. Si ϕ : V → W y ψ : W → Q son transformaciones lineales, entonces probar a) (ψ ◦ ϕ)∗ =ϕ∗ ◦ ψ ∗ b) Si t1 ∈ Ts01 (W ), t2 ∈ Ts02 (W ), entonces ϕ∗ (t1 ⊗ t2 ) = (ϕ∗ t1 ) ⊗ (ϕ∗ t2 ) c) Sea e1 =(1, 0, 0), e2 =(0, 1, 0), e3 =(0, 0, 1) base usual de R3 y (e1 , e2 , e3 ) base dual para [R3 ]∗ . Si ϕ : R3 → R3 est´a dada por x 1 1 1 ϕ(x, y, z) = 0 1 1 y z 0 0 1 Calcular: (i) ϕ∗ (e1 ⊗ e2 ) (ii) ϕ∗ (e1 ⊗ e3 ) (iii) ϕ∗ (t) si t = e1 ∧ e2 + 2e1 ∧ e3 10. Sean V y W espacios vectoriales con bases {ei : i = 1, · · · , n}, {wj : j = 1, · · · , m} con bases duales {ei : i = 1, · · · , n}, {wj : j = 1, · · · , m} respectivamente para V ∗ y W ∗ . FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 4.6. EJERCICIOS 103 a) Expresar en funci´on del producto tensorial la expresi´on e1 ∧ (e2 ∧ e3 ). b) Sean T ∈ Λk (W ) y ϕ : V → W una transformaci´on lineal. Demostrar (i) ϕ∗ (T ∧ S) = (ϕ∗ T ) ∧ (ϕ∗ S), ∀S ∈ Λr (W ) (ii) Si ϕ : V → V (transformaci´on lineal, dim V = n), entonces para cada T ∈ ∧n (V ) se tiene que ϕ∗ T = (det ϕ)T , en particular ϕ∗ (e1 ∧· · ·∧en ) = (ϕ∗ e1 )∧· · ·∧(ϕ∗ en ) = (det ϕ)e1 ∧· · ·∧en 11. Sea V un espacio vectorial de dimensi´on finita 2n. Sea {e1 , · · · , en , f1 , · · · , fn } una base para V, con base dual {e1 , · · · , en , f 1 , · · · , f n } para V ∗ . Si ω = e1 ∧ f 1 + · · · + en ∧ f n y se define ω k = |ω ∧ ·{z · · ∧ ω} , k−factores (k = 1, 2, · · · , ). Demostrar que a) ei ∧ f i conmuta con ej ∧ f j , b) ω n = n! e1 ∧ f 1 ∧ · · · ∧ en ∧ f n CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 104 ˜ INTRODUCCION ´ AL ALGEBRA ´ CAP´ITULO 4. PEQUENA MULTILINEAL FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE Cap´ıtulo 5 Formas diferenciales sobre superficies § 5.1. Introducci´ on La idea central de este cap´ıtulo es presentar la formas diferenciales sobre n−superficies para lugo hacer integraci´on sobre este tipo de objetos y posteriormente obtener resultados geom´etricos. Sea M n una n−superficie, entonces para cada punto p ∈ M, existe un espacio Tp M de dimensi´on n y su espacio dual Tp∗ M tambi´en es de dimensi´on n. Cada vez que se toma un elemento de Tp M (o en Tp∗ M ) en cada punto p ∈ M, se obtiene un campo vectorial (o covectorial) sobre M y tomando producto exterior en estos espacios se puede entonces definir un campo vectorial de formas de caracter covariante o contravariante o mixto sobre M. Este cap´ıtulo estudiar´a de manera introductoria estos tipos de campos vectoriales, llamados formas diferenciales. ´ El prop´osito es extender las ideas elementales del Algegra Multilineal a superficies regulares y con este argumento extender poseriormente los conceptos fundamentales del C´alculo en Rn o mejor del C´alculo Euclideo a estos objetos geom´etricos. Se denota con (a) Λ∗k (M ) = [ Λk (Tp∗ M ) (k−fibrado exterior sobre M ) [ Λ(Tp∗ M ) ´ (fibrado del Algebra exterior sobre M ) p∈M (b) Λ∗ (M ) = p∈M Cuando k = 0 y rs = 00 , entonces la uni´on en (a) y (b) son uniones disyuntas de copias de R (una copia por cada punto de M ). Naturalmente 105 106 CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES que Λ∗k (M ) es una (n + n k )-superficie y Λ∗ (M ) una (n + 2n )-superficie. En lo que sigue se considera la proyecci´ on can´ onica π : Λ∗k (M ) → M definida por π(p, ωp ) = p. § 5.2. Formas diferenciales Definici´ on 5.2.1 Una funci´on de clase C ∞ de M en Λ∗k (M ), o Λ∗ (M ) cuya composici´on con la proyecci´on ca´onoca es la funci´on identidad recibe el nombre de k−forma diferencial o suave sobre M, o forma diferencial sobre M , respectivamente. Como las formas diferenciales que se usar´an siempre ser´an de clase C ∞ o suaves, entonces se puede omitir el adjetivo suave y diferencial al menos que se necesite por ´enfasis. Nota Una funci´on α : M → Λ∗k (M ) es una k−forma si y s´olo si para cada sistema de coodenadas (U, x1 , · · · , xn ) sobre M, X αi1 ···ik dxi1 ∧ · · · ∧ dxik α|U = (5.1) i1 <···<ik donde los αi1 ···ik ∈ C ∞ (U ). Definici´ on 5.2.2 Se denota con Ωk (M ) el espacio de todas las k−formas de clase C ∞ (M ) α : M → Λ∗k (M ) y Ω∗ (M ) al conjunto de todas las formas sobre M de clase C ∞ . Tambi´en se tienen las siguientes identificaciones Ω0 (M ) ≡ C ∞ (M ) Ω1 (M ) ≡ X∗ (M ) Adem´ as, la superficie regular Λ∗0 (M ) es simplemente M × R y los levantamientos de M en M × R son simplemente la gr´afica de funciones de clase C ∞ sobre M. Las formas se pueden sumar, multiplicar por escalares y tienen un producto esterior (∧) que se realizan punto a punto, esto es, si ω, ϕ ∈ Ω∗ (M ), c ∈ R y m ∈ M, entonces (ω + ϕ)m = ωm + ϕm (cω)m = cωm (ω ∧ ϕ)m = ωm ∧ ϕm . FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.2. FORMAS DIFERENCIALES 107 En el caso de que f sea una 0−forma y ω ∈ Ω∗ (M ) se escribe f ∧ ω simplemente como f ω; Ω∗ (M ) tiene estructura de modulo sobre el anillo C ∞ (M ) y es un algebra graduada sobre R con la multiplicaci´ on exterior (∧). Definici´ on 5.2.3 Sea ω ∈ Ωk (M ). Entonces ωm ∈ Λk (Tm M ) y es una funci´on multilineal alternada sobre Tm M. Por lo tanto si X1 , · · · , Xk son campos vectoriales sobre M, ω(X1 , · · · , Xk ) tiene sentido - y es la funci´on cuyo valor en m es ω(X1 , · · · , Xk )(m) = ωm (X1 (m), · · · , Xk (m)) 5.2.1. (5.2) Formas diferenciales sobre Rn Si M es un abierto de Rn y f : M → R con f diferenciable, entonces Df (x) : Rn → R es una funci´on lineal (es decir, un 1-tensor alternado) sobre Rn , que es el espacio tangente a M en x, con valores reales. Por lo tanto, la funci´on x → Df (x) es una 1-forma sobre M, que se denota con df. La base dx1 , · · · , dxn de [Rn ]∗ dual de la base can´onica {e1 , · · · , en } de Rn , es tal que toda 1-forma ω sobre Rn puede expresarse por: ω = α1 dx1 + · · · + αn dxn , lo que implica que df tiene la forma df = α1 dx1 + · · · + αn dxn y como αj = df (ej ) = ∂f ∂xj entonces ∂f ∂f ∂f dx1 + dx2 + · · · + dxn ∂x1 ∂x2 ∂xn adem´as, si I es una sucesi´on estr´ıctamente creciente de ´ındices, df = I = (i1 , i2 , · · · , ik ) y denotando con dxI la k−forma sobre Rn dada por dxI = dx1t ∧ · · · ∧ dxik entonces, para cada espacio vectorial individual Λk (Tx M ) = Λk (Rn ), se tiene el siguiente resultado: CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 108 Lema 5.2.1 Cada k−forma sobre un abierto U de Rn puede escribirse de manera u ´nica como X fI dxI I donde I recorre las sucesiones crecientes de ´ındices 1 ≤ i1 < · · · < ik ≤ n, y siendo, para cada I, fI una funci´on real definida en U. § 5.3. Traspuesta o Pull-back de una k−forma Sean M una una superficie regular contenida en Rn , f : Rm → M una funci´on diferenciable y sea ω una k−forma sobre M. ProbarSe define una nueva k−forma sobre Rm . Si x = f (y), sabe que Df (y) ∈ L(Rm , Tx M ). Puesto que ω(x) es un k−forma sobre Tx M se define entonces (f ∗ ω)(y) = [Df (y)]∗ ω(f (y)), esto es, si v1 , · · · , vk son elementos de Rn , (f ∗ ω)(y)(v1 , · · · , vk ) =[ω(f (y))](Df (y)(v1 ), · · · , Df (y)(vk )) (5.3) es claro que, para cada y ∈ Rm , se trata de un k−tensor alternado sobre Rm , espacio tangente a Rm en y, por lo cual f ∗ ω es una k−forma sobre Rm , llamada transpuesta (o pull-back ) de ω por f sobre M. Si ω es una 0−forma sobre M, entonces f ∗ω = ω ◦ f las siguientes propiedades son de f´acil comprobaci´on (en donde las operaciones indicadas tienen sentido): f ∗ (ω1 + αω2 ) = f ∗ ω1 + αf ∗ ω2 , f ∗ (ω ∧ θ) = (f ∗ ω) ∧ (f ∗ θ), (f ◦ h)∗ ω = h∗ f ∗ ω. (α ∈ R) (5.4) Sean f : Rm → Rn , con f ∈ C 1 (Rm ), (x1 , · · · , xn ) las coordenadas de Rn , (y1 , · · · , ym ) las de Rm y f1 , · · · , fn las componentes de f, es decir, ser´an f y Df las siguientes: ∂f1 ∂f1 · · · x1 = f1 (y1 , · · · , ym ) ∂y1 ∂ym .. .. .. Df (y) = (5.5) . . . ∂fn ∂fn xn = fn (y1 , · · · , ym ) · · · ∂ym ∂y1 y FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.4. FORMA DE VOLUMEN 109 Ahora se comprueba que n X ∂fi dyj . f dxi = dfi = ∂yj j=1 ∗ (5.6) Sean v = (v1 , · · · , vm ) e y m + 1 vectores de Rm , entonces [(f ∗ dxi )(y)](v) = [dxi (f (y))][Df (y)v] m m X X ∂fn ∂f1 vi , · · · , vj ) = [dxi (f (y))]( ∂yj ∂ym j=1 j=1 m X ∂fi = vj ∂yj j=1 = dfi (v) Lo que prueba el resultado buscado. Conociendo el comportamiento de f ∗ respecto a las 0−formas y a las 1−formas, mediante las relaciones descritas anteriormente queda ya determinado su comportamiento respecto de cualquier forma, pues, si se tiene una forma ω sobre Rn y escribi´endola como X ω= aI dxI I queda que f ∗ω = X (f ∗ aI )dfI I donde dfI denota a dfi1 ∧ · · · ∧ dfik . En la siguiente secci´on se muestra como la traspuesta se comporta con el elemento volumen, situaci´on que permite, de cierta manera, definir la integral de formas. Si M m es una superficie regular y ω una forma sobre M, entonces se dice que ω es de clase C ∞ si para cada parametrizaci´on (U, ϕ), los coeficientes de ϕ∗ (ω), que son funciones reales definidas en U ⊆ Rm , son de la clase C ∞ . No es dificil comprobar que, si lo son los coeficientes de ϕ∗ (ω) y (V, ψ) es otra parametrizaci´on de M, con ϕ(U ) = ψ(V ), entonces tambi´en los coeficientes de ψ ∗ (ω) son de clase C ∞ . Si ω es de clase C ∞ , se llama regular. § 5.4. Forma de volumen Se presenta el concepto de forma (o elemento) de volumen en subespacios vectoriales de dimensi´on m inmerso en otro de dimensi´on n (m ≤ n) y en m−superficies usando sus espacios tangentes. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 110 5.4.1. Elemento volumen o m−volumen en Rn Si v1 , · · · , vn son elementos de Rn , el volumen del paralelep´ıpedo formado por ellos y el origen, es decir, del conjunto P (0; v1 , · · · , vn ) = {v ∈ Rn : v = t1 v1 + · · · + tn vn , 0 ≤ ti ≤ 1} es el valor absoluto del determinante de la matriz cuyas columnas son las componentes de los vectores v1 , · · · , vn respecto de la base can´onica β{e1 = (1, 0, · · · , 0), · · · , en = (0, · · · , 1)}, como se comprueba al efectuar el cambio de variable por T : Rn → Rn con T (ei ) = vi en la correspondiente integral. Si los vectores {v1 , · · · , vn } constituyen una base positivamente orientada respecto a la can´onica, entonces el determinante es positivo, y no es necesario tomar valor absoluto. Adem´as, dado que las transformaciones ortogonales, es decir, las dadas por las matrices T, con T −1 = T t , tienen por determinante | det T | = 1, ´estas no alteran el volumen, por lo que el del paralelep´ıpedo citado es igual al valor absoluto del determinante de la matriz que tiene por columnas las respectivas componentes de v1 , · · · , vn respecto de cualquier base ortonormal. De modo m´as general, si v0 , v1 , · · · , vn ∈ Rn , se llama paralelep´ıpedo formado por v1 , · · · , vn y con v´ertice v0 al conjunto dado por P (v0 ; v1 , · · · , vn ) = {v ∈ Rn : v = v0 + t1 v1 + · · · + tn vn } con 0 ≤ ti ≤ 1, i = 1, · · · , n. Claramente, v(P (v0 ; v1 , · · · , vn )) = | det T | siendo T la transformaci´on lineal de Rn en Rn originalmente citada, es decir, para cada i, T (ei ) = vi , ya que P (v0 ; v1 , · · · , vn ) es el transformado de P (0; v1 , · · · , vn ) mediante la aplicaci´on af´ın τ con τ v = v0 + T v. Sean a1 , · · · , am elementos de Rn linealmente independientes, entonces el espacio vectorial generado por estos vectores es isomorfo a Rm , pues tienen la misma dimensi´on finita. Entonces el m− volumen del m−paralelep´ıpedo P (0; a1 , · · · am ) (considerado como elemento de Rm ) se puede calcular como sigue: se encuentra una base ortonormal {em+1 , · · · , en } del espacio ortogonal al subespacio generado por {a1 , · · · , am } y tal que {a1 , · · · , am , em+1 , · · · , en } sea una base positivamente orientada para Rn , y hallar el determinante de la matriz cuyas columnas (o filas) son las componentes de estos vectores respecto a la base can´onica de Rn . Entonces el m−volumen generado por a11 a12 .. .. . . Vm (0; a1 , · · · , am ) = det am1 am2 . .. .. . an1 an2 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - esos m vectores est´a dado por · · · a1m e1,m+1 · · · e1n .. .. .. . . . · · · amm em,m+1 · · · emn .. .. .. . . . · · · anm en,m+1 · · · enn ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.4. FORMA DE VOLUMEN donde ai = (a1i , · · · , ani ) para i m + 1, · · · , n. Y si a11 a12 · · · .. .. . . A = am1 am2 · · · . .. .. . an1 an2 · · · 111 = 1, · · · , m y ei = (e1i , · · · , eni ), i = a1m .. . e1,m+1 .. . ··· amm em,m+1 · · · .. .. . . anm en,m+1 · · · entonces e1n .. . emn .. . enn [Vm (P (0; a1 , · · ·, am ))]2 = det(A) det(A) = det(A × At ) ha1 , a1 i · · · ha1 , am i .. .. . . 0 ha , a i · · · ha , a i m m = det m 1 1 · · · 0 .. .. 0 . . 0 ··· 1 ha1 , a1 i · · · ha1 , am i .. .. = det . . ham , a1 i · · · ham , am i (5.7) Esta u ´ltima expresi´on de [Vm (P (0; a1 , · · · , am ))]2 es el valor del m−tensor alternado S = a1 ∧· · ·∧am , evaluado en la colecci´on ordenada de vectores a1 , · · · , am , donde ai es el correspondiente elemento dual de ai , por el isomorfismo existente entre Rn y (Rn )∗ . Esto es, si {e1 , · · · , en } es la base can´onica de Rn y {e1 , · · · , en } su base dual para (Rn )∗ , entonces se puede escribir: ai = ai1 e1 + · · · + ain en si y s´olo si ai = ai1 e1 + · · · + ain en Con lo que Prero, S(a1 , · · · , am ) = a1 ∧ · · · ∧ am (a1 , · · · , am ) = det ai (aj ) . ai (aj ) = = m X aik e k=1 m X k=1 k m X ajr er = r=1 m X aik ajr em (er ) k,r=1 aik ajk = hai , aj i . Lo que muestra el siguiente CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 112 Lema 5.4.1 El m−volumen en Rn , m < n, satisface [Vm (P (0; a1 , · · · , am ))]2 = a1 ∧ · · · ∧ am (a1 , · · · , am ) (5.8) y adem´as a1 ∧ · · · ∧ am (a1 , · · · , am ) = det ai (aj ) = det hai , aj i (5.9) en particular, [Vm (P (0; a1 , · · · , am ))] = 5.4.2. q det hai , aj i (5.10) Forma de volumen para m−superficies Se extender´a el concepto de forma de volumen a m−superficies regulares. En efecto, como Rn es la n−superficie dotadad de la estructura diferencial con la u ´nica carta (Rn , i), donde i(x1 , · · · , xn ) = (x1 , · · · , xn ) indica la funci´on idetidad de Rn en Rn , entonces cada una de las funciones coordenadas se pueden observar como funci´ones definida por πi : Rn → R tales que πi (r1 , · · · , rn ) = ri para cada i, es decir, cada una se observa como funci´on proyecci´on en la i−´esima componente. Por lo tanto, como diferencial, dπi = πi , que por comodidad se denotar´a por dπi = πi = dxi . Ahora bien, si e1 , · · · , en es la base can´onica de Rn , entonces ∂xi 1 si i = j = dxi (ej ) = ej (xi ) = 0 si i 6= j ∂xj con lo que {dxi : i = 1, · · · , n} es base dual de {e1 , · · · , en } para cada (Rn )∗ en el sistema de coordenadas para Rn dada anteriormente. Resultado que vale en cada punto p de Rn para su tangente Tp Rn y su dual Tp∗ Rn . La n−forma diferencial dx1 ∧ · · · ∧ dxn asocia a cada colecci´on de n vectores ordenados v1 , · · · , vn el volumen del paralelep´ıpedo determinado por el origen y dichos vectores, si ´estos son linealmente dependientes o constituyen una base positivamente orientada respecto de la can´onica y el citado volumen precedido de un signo menos si forman una base negativa. Por esta raz´on, a dicha n−forma se le da el nombre de forma de volumen (o elemento volumen) para Rn y se denota dV ´o dVRn aunque no es la diferencial exterior de una (n − 1)−forma sobre Rn . FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.4. FORMA DE VOLUMEN 113 Si M es una m−superficie orientada en Rn , se va a definir una m−forma sobre M, elemento de volumen de M, a la que se denotar´a dVM aunque no se tratar´a de la diferencial exterior de ninguna (m − 1)−forma sobre M. Por definici´on, dVM ser´a la funci´on que para cada x de M y cada colecci´on ordenada v1 , · · · , vm de m vectores en Tx M, asocia el n´ umero que mide el m−volumen del correspondiente m−paralelep´ıpedo formado si son linealmente dependientes o constituyen una base positiva de Tx M ; y el m−volumen precedido de un signo menos, si constituyen una base con orientaci´on negativa. Para calcular dVM (x)(v1 , · · · , vm ) se puede proceder como en el Lema 5.4.1. Si la parametrizaci´on (Ω, ϕ), con sistema de coordenadas t = (t1 , · · · , tm ), y suponiendo que ϕ(Ω) = M y la orientaci´on de M es la inducida por dicha parametrizaci´on, se tiene que si es base de Rm , entonces v1 , · · · , vm Dϕ(t)v1 , · · · , Dϕ(t)vm es base para Tϕ(t) M ; ambas positivas o ambas negativas; suponiendo ambas positivas (ϕ∗ dVM )(t)(v1 , · · · , vm ) =dVM (ϕ(t))(Dϕ(t)v1 , · · · , Dϕ(t)vm ) haciendo el cambio de variable en el respectivo c´alculo de volumen que se presenta, se tiene dVM (ϕ(t))(Dϕ(t)v1 , · · · , Dϕ(t)vm ) =[det Dϕ(t)] dVRm (v1 , · · · , vm ) Procediendo de modo an´alogo, si v1 , · · · , vm es base negativa para Rm , queda que, para ambos casos, es ϕ∗ dVM = [det Dϕ] dVRm (5.11) lo que pone de manifiesto que dVM es una m−forma diferencial continua. Nota. Observe que Dϕp es la transformaci´on lineal que envia la base ∂ {ei : i = 1, · · · , m} de Rm en la base {Dϕp (ei ) = : i = 1, · · · , m} de ∂ti Tp Rm ⊆ Rn y ϕ(t0 ) = p ∈ M, entonces el Lema 5.4.1 garantiza que el volumen generado por los vectores Dϕ(ei ) para cada i = 1, · · · , m esta dado por s ∂ ∂ , det Dϕ = det ∂ti ∂tj en cada punto p ∈ M en la parametrizacion (Ω, ϕ). CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 114 5.4.3. Elemento volumen de una hipersuperficie Sea M = M m una superficie regular contenida en Rn . Si m = n − 1, el espacio normal a M en x es de dimensi´on uno, por lo que s´olo hay dos vectores unitarios n y n′ normales a M en x. De ellos, uno, por ejemplo, ne , es tal que, si (e1 , · · · , en−1 ) es una base ortonormal positiva para Tx M, entonces sea (ne , e1 , · · · , en−1 ) una base ortonormal positiva para Rn . Al vector se le llama vector normal exterior a la superficie orientada M en el punto x. Si se cambia la orientaci´on de M, tambi´en cambia el vector normal exterior. Por ejemplo, si M es la esfera de dimensi´on dos, S 2 de R3 , puede orientar esta superficie para que el vector normal exterior a M en cada punto se dirija al centro de la esfera. Para entrar en materia, sea M = M n−1 una superficie contenida en Rn orientada que por simplicidad se supone que (Ω, ϕ) es una parametrizaci´on para M tales que 1. ϕ(Ω) = M 2. ϕ(t) = (ϕ1 (t), ϕ2 (t), · · · , ϕn (t)) con t = (t1 , · · · , tn−1 ) ∈ Rn−1 . 3. las coordenadas de Rn son (x1 , · · · , xn−1 , xn ). Adem´as, sea α = (α1 , · · · , αn ) un vector normal exterior a M, definido por ∂ϕ ∂ϕ α= × ··· × ∂t1 ∂tn−1 o lo que es lo mismo (desarrollando por la primera fila) que e1 ∂ϕ1 ∂t1 α = .. . ∂ϕ1 ∂t n−1 e2 ··· ∂ϕ2 ··· ∂t1 .. . ∂ϕ2 ··· ∂tn−1 en ∂ϕn ∂t1 .. . ∂ϕn ∂tn−1 , donde (e1 , · · · , en ) es la base can´onica de Rn , esto es, ∂ϕ2 ∂t1 · · · .. α1 = . ∂ϕ2 ··· ∂t n−1 ∂ϕ1 ∂t1 · · · .. , · · · , αn = (−1)1+n . ∂ϕ1 ··· ∂t n−1 ∂ϕn ∂t1 .. . ∂ϕn ∂tn−1 y observe que FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - (5.12) ∂ϕn−1 ∂t1 .. . ∂ϕn−1 ∂tn−1 (5.13) ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.4. FORMA DE VOLUMEN α1 ∂ϕ1 ∂t1 det(α, ∂1 ϕ(t), · · · , ∂n−1 ϕ(t)) = .. . ∂ϕ1 ∂t n−1 α2 ··· ∂ϕ2 ··· ∂t1 .. . ∂ϕ2 ··· ∂tn−1 115 αn ∂ϕn ∂tn−1 .. . ∂ϕn ∂tn−1 = α12 +· · ·+αn2 , (5.14) De esta definici´on para α se tiene de manera inmediata las siguientes propiedades 1. α ⊥ ∂i ϕ para cada i = 1, 2, · · · , n y por tanto a α es ortogonal a Tx M, 2. (α, ∂1 ϕ(t), · · · , ∂n−1 ϕ(t)) es una base positivamente orientada para Rn , 3. M tiene como vector normal exterior unitario a ne = α = (n1 , · · · , nn ) ||α|| y si v1 , · · · , vn−1 forman una base positivamente orientada para Tx M, entonces el volumen generado por estos vectores esta dado por det(ne , v1 , · · · , vn−1 ). Lema 5.4.2 (a) El elemento volumen sobre M satisface (el s´ımbolo b significa que el t´ermino se ha quitado) dVM = n X i=1 ci ∧ · · · ∧ dxn , (−1)1+i ni dxi ∧ · · · ∧ dx (b) se verifica para cada x de M, sobre Tx M, i = 1, 2 · · · , n ci ∧ · · · ∧ dxn ni dVM (x) = (−1)i+1 dx1 ∧ · · · ∧ dx Demostraci´ on. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 116 CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES (a) Sean v1 = (v11 , · · · , v1n ), · · · , vn−1 = (vn−1,1 , · · · , vn−1,n ) son elementos linealmente independientes de Tx M, entonces dVM (v1 , · · · , vn−1 ) = det(ne , v1 , · · · , vn−1 ) n1 · · · n n v11 · · · v 1n = .. .. . . vn−1,1 · · · vn−1,n v11 · · · v c · · · v 1i 1n n X .. . . 1+i . . = (−1) ni . . . i=1 vn−1,1 · · · v[ vn−1,n n−1,i · · · n X ci ∧ · · · ∧ dxn (v1 , · · · , vn−1 ). = (−1)1+i ni dxi ∧ · · · ∧ dx i=1 (b) Dando a β an´alogo significado al de α, esto es, β = v1 × · · · × vn−1 (= (β1 , · · · , βn−1 )) y notando por C a la matriz que tiene por filas las respectivas componentes de ne , v1 , v2 , · · · , vn−1 respecto de la base can´onica de Rn , por lo que β es ortogonal a todos los vi , i = 1, · · · , n − 1, y por lo tanto, se tiene que β = λne , luego dVM (x)(v 1 , · · · , v n−1 ) = det C = n X i=1 ni βi = hne , βi = hne , λne i = λ lo que muestra que β = dVM (x)(v1 , · · · , vn−1 ) ne y haciendo uso de esta expresi´on, resulta ni dVM (x)(v1 , · · · , vn−1 ) = hei , ne i dVM (x)(v1 , · · · , vn−1 ) = hei , dVM (x)(v1 , · · · , vn−1 )ne i = hei , βi = βi v11 · · · d v · · · v 1,i 1n .. .. .. =(−1)1+i ... . . . vn−1,1 · · · v[ vn−1,n n−1,i · · · =(−1)1+i dx1 ∧ · · · ∧ dxi−1 ∧ dxi+1 ∧ · · · ∧ dxn (v 1 , · · · , v n ) X ♦ que es el resultado buscado. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.4. FORMA DE VOLUMEN 5.4.4. 117 Volumen de una m−superficie La definici´on de volumen de una m−superficie regular se dar´a aproximando M localmente, mediante su espacio tangente. Sea M = M m una superficie orientada de la que se supone temporalmente, que admite una s´ola parametrizaci´on (Ω, ϕ), siendo adem´as la orientaci´on de M la inducida por (Ω, ϕ). Sea x0 = ϕ(t0 ) un punto de M : x0 + h2 t0 + ae2 ϕ ϕ(I) x0 + h1 t0 + ae1 t0 A(I) Figura 5.1 Se considera en Rm el cubo I de v´ertice t0 y aristas de longitud a (ver Figura 5.1). Sean k1 = ae1 , · · · , km = aem , donde e1 , · · · , em es la base can´onica de Rm . La aplicaci´on af´ın A de Rm en Rn , dada por A(t) = ϕ(t0 ) + Dϕ(t0 )(t − t0 ) aproxima a ϕ y transforma Rm en el espacio tangente a M en ϕ(t0 ) = x0 , y al cubo I en el m−paralelep´ıpedo K de Rn determinado por x0 como v´ertice y los vectores h1 = Dϕ(t0 )k1 , · · · , .hm = Dϕ(t0 )km Para a peque˜ no, el n´ umero vm (K) es la aproximaci´on del m−volumen vm (ϕ(I)). Como adem´as es (por cambio de varible en una integrla multiple): vm (K) = det Dϕ(t0 ) v(I). Este razonamiento nos lleva a adoptar la siguiente definici´on, se llama volumen de M al n´ umero v(M ) dado por la relaci´on Z vm (M ) = [det Dϕ]dVRm (5.15) Ω en donde, como antes h D ϕ(t0 ) i2 = det CARLOS A. JULIO-ARRIETA - D ∂ϕ(t0 ) ∂ϕ(t0 ) , ∂tj ∂ti E ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 118 Como det Dϕ es continua y positiva, dicha integral existe y es no negativa, aunque puede ser +∞. Por u ´ltimo observe que vm (M ) = Z ϕ∗ [dVM ] (5.16) Ω en donde la integral de una forma diferencial definida sobre subconjuntos abiertos y conexos cuya clausura es compacta en Rm se entiende como la integral multiple de Riemann. 5.4.5. Ejemplos (1) La esfera bidimensional de radio a, M = S 2 (a), admite la parametrizaci´on α(θ, ϕ) = (a sen ϕ cos θ, a sen ϕ sen θ, a cos ϕ) ´ donde (θ, ϕ) ∈ Ω = (0, 2π)×(0, π). Calcular α∗ (dAM ) y el Area(M). Soluci´ on. En efecto, ∂θ = (−a sen θ sen ϕ, a cos θ sen ϕ, 0), entonces ∂ϕ = (a cos θ cos ϕ, a sen θ cos ϕ, −a sen ϕ) h∂θ , ∂θ i = a2 sen2 ϕ, h∂ϕ , ∂ϕ i = a2 , h∂θ , ∂ϕ i = 0, con lo que α∗ (dAM ) = a2 sen ϕ dAR2 = a2 sen ϕ dθ ∧ dϕ. Ahora se encuentra el ´area de M : Z Z ∗ 2 ´ Area(M )= α (dAM ) = a Ω 2π 0 Z π sen ϕ dθ dϕ = 4πa2 0 (2) Sea M la 3−superficie parametrizada dada por α(r, θ, ϕ) = (r cos θ sen ϕ, r sen θ sen ϕ, r cos ϕ) donde U = {(r, θ, ϕ) : 0 < r < a, 0 < θ < 2π, 0 < ϕ < 2π}. Calcular α∗ (dVM ) y el volumen de M. Soluci´ on. En efecto ∂1 = ∂r = (cos θ sen ϕ, sen θ sen ϕ, cos ϕ) ∂2 = ∂θ = (−r sen θ sen ϕ, cos θ sen ϕ, 0) ∂3 = ∂ϕ = (r cos θ cos ϕ, r sen θ cos ϕ, −r sen ϕ) FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.4. FORMA DE VOLUMEN 119 As´ı Z q v3 (M ) = det h∂i , ∂j i dr ∧ dθ ∧ dϕ U 1/2 Z π Z 2π Z a 1 0 0 2 2 = 0 r sen ϕ 02 dr dθ dϕ 0 0 0 0 0 r Z π Z 2π Z a r2 sen ϕ dr dθ dϕ = 0 0 0 4 = πa2 3 (3) Si M es orientada y de dimensi´on uno en R3 (puede probarse que toda superficie diferenciable de dimensi´on uno es orientable), llamando, como antes, (x, y, z) a las coordenadas de R3 , en un abierto de cada punto de M existe una parametrizaci´on ϕ : (−ε, ε) → R3 (ε > 0) dada por x = x(u), y = y(u), z = z(u) y manteniendo en Dϕ la orientaci´on de M. Probar que si t = (t1 , t2 , t2 ) es el vector tangente unitario, en cada punto, a M, entonces (a) ds = t1 dx + t2 dy + t3 dz, p (b) ϕ∗ (ds) = (x′ )2 + (y ′ )2 + (z ′ )2 du, (c) t1 ds = dx, t2 ds = dy, t3 ds = dz. Soluci´ on. En efecto, la l-forma diferencial elemento de volumen de M, llamada elemento de longitud y denotada con ds es tal que, si w es tangente a M en (x, y, z), correspondiente al valor u del par´ametro, entonces, w = λ(ϕ′ (u)/||ϕ′ (u)||) y se tiene que ds(w) = λ ds y como ϕ′ (u) λ ds(ϕ′ (u)) =λ = ||ϕ′ (u)|| ||ϕ′ (u)|| t = (t1 , t2 , t3 ) = (x′ (u), y ′ (u), z ′ (u)) ||ϕ′ (u)|| es el vector unitario positivo de T(x,y,z) M, entonces y para todo v ∈ T(x,y,z) M se tiene ds(v) =ds(||v||t) = ||v|| = ht, ||v||ti = ht, vi =t1 v1 + t2 v2 + t3 v3 = (t1 dx + t2 dy + t3 dz)(v) luego ds toma en M la forma ds = t1 dx + t2 dy + t3 dz CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS (5.17) 120 CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES y por lo tanto ϕ∗ (ds) =t1 ϕ∗ (dx) + t2 ϕ∗ (dy) + t3 ϕ∗ (dz) p = (x′ )2 + (y ′ )2 + (z ′ )2 du (5.18) y adem´as, como t1 = x′ (u) , ||ϕ′ (u)|| t2 = y ′ (u) ||ϕ′ (u)|| y t3 = z ′ (u) ||ϕ′ (u)|| es decir, t1 = dx/du , ds/du t2 = dy/du , ds/du t3 = dy/du ds/du se obtiene t1 ds = dx, t2 ds = dy, t3 ds = dz. (5.19) Lo que t´ermina la soluci´on del ejemplo. § 5.5. Derivaci´ on exterior Si M es una n−superficie, ya se ha definido la funci´on d : Ω0 (M ) → P ∂f Ω1 (M ) por f → df, df = dxi , la diferencial de una funci´on diferen∂xi ciable sobre M. se desea extender esta noci´on a una funci´on d : Ωk (M ) → Ωk+1 (M ) para cualquier k ∈ N. Este operador produce propiedades algebraicas maravillosas. Despues de desarrollarlas se demostrar´a como d est´a relacionada con las operaciones b´asicas de div, grad, el laplaciano entre otras. Por lo tanto, primero la concentraci´on es sobre la derivada exterior d que extiende la diferencial de una funci´on. Teorema 5.5.1 Sea M una n−superficie. Entonces existe una u ´nica familia de funciones dk (U ) : Ωk (U ) → Ωk+1 (U ), (k = 1, 2, · · · , n) y U un abierto sobre M, que se denotar´ a por d, llamada derivada exterior sobre M, tal que (a) d es una anti-derivaci´ on, esto es, d es R−lineal; para cada α ∈ k l Ω (U ) y β ∈ Ω (U ), d(α ∧ β) = (dα) ∧ β + (−1)k α ∧ dβ FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ EXTERIOR 5.5. DERIVACION 121 (b) Si f ∈ C ∞ (U ), entonces df es la diferencial de la funci´on f presentada entre variedades. (c) d2 = d ◦ d = 0, ( dk+1 (U ) ◦ dk (U ) = 0 ) (d) d con respecto a restricciones. Si U ⊂ V ⊂ M son abiertos y α ∈ Ωk (M ), entonces d(α|U ) = (dα)|U , es decir, el siguiente diagrama conmuta |U Ωk (V ) Ωk+1 (U ) d d Ωk+1 (V ) |U Ωk (U ) Como es usual la propiedad (d) significa que d es un operador local. Demostraci´ on. Primero se establece la unicidad bajo existencia. Sea (V1 , ϕ) una parametrizaci´on alrededor de p ∈ ϕ(V1 ) = U1 ⊆ M con ϕ−1 (p) = (x1 , · · · , xn ) y α = αi1 ···ik dxi1 ∧ · · · ∧ dxik (notaci´on Einstein) en Ωk (U1 ), i1 < · · · < ik . Cuando k = 0 se tiene Ω0 (U1 ) = C ∞ (U1 ) y entonces la parte (b) proporciona que dα = ∂α dxi ∂xi y aplicada a las funciones coordenadas xi , (i = 1, 2, · · · , n) muestra que la diferencial de xi es la 1−forma diferencial dxi . De (c), se tiene que d(dxi ) = 0, que con (a) muestran d(dxi1 ∧ · · · ∧ dxik ) = 0. Tambi´en por (a), dα = d(αi1 ···ik ) ∧ dxi1 ∧ · · · ∧ dxik + (−1)0 αi1 ···ik d(dxi1 ∧ · · · ∧ dxik ) Por lo tanto, se debe satisfacer ∂αi1 ···ik i dα = dx ∧ dxi1 ∧ · · · ∧ dxik ∂xi (5.20) y as´ı d se determina de manera u ´nica sobre U1 por la propiedades (a), (b), (c) y (d) sobre cualquier subconjunto abierto coordenado de M. Existencia. Se define para cualquier parametrizaci´on (V1 , ϕ) de M el operador d por la ecuaci´on 5.20. Entonces (b) se satisface de manera inmediata ya que 5.20 es R−lineal. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 122 A continuaci´on se verifica (a). En efecto, si β = βj1 ···js dxj1 ∧ · · · ∧ dxjs en Ωs (U1 ), entonces d(α ∧ β) =d(αi1 ···ik βj1 ···js dxi1 ∧ · · · ∧ dxik ∧ dxj1 ∧ · · · ∧ dxjs ) h ∂α ∂βj1 ···js i i i1 ···ik dx ∧ dxi1 ∧ · · · ∧ dxik ∧ dxj1 ∧ · · · ∧ dxjs β + α = j ···j j ···j s s 1 1 ∂xi ∂xi =(dα) ∧ β + (−1)k α ∧ dβ lo que muestra que (a) se satisface. Para demostrar (c) se usar´a la simetr´ıa de las derivadas parciales, en efecto, # " ∂αi1 ···ik i dx ∧ dxi1 ∧ · · · ∧ dxik d(dα) =d ∂xi = ∂ 2 αi1 ···ik j dx ∧ dxi ∧ dxi1 ∧ · · · ∧ dxik . ∂xj ∂xi Como ∂ 2 αi1 ···ik ∂ 2 αi1 ···ik = y dxj ∧ dxi = −dxi ∧ dxj j i i i ∂x ∂x ∂x ∂x se tiene entonces que d2 (α) = d(dα) = 0. Por lo tanto, en cualquier carta (U, ϕ), la ecuaci´on 5.20 define un operador d que satisface (a), (b) y (c). Resta demostrar que estos d ′ s locales definen un operador d sobre cualquier conjunto abierto, para que se satisfaga (d). Para continuar entonces es suficiente demostrar que esta definici´on es independiente de las parametrizaciones que se tomen. En efecto, sea d′ el operador definido por la ecuaci´on 5.20 sobre la parametrizaci´on (V1′ , ϕ′ ) con U1 ∩ U1′ 6= ∅, y U1′ = ϕ′ (Vi′ ). Como d′ satisface (a), (b) y (c) y adem´as tiene unicidad local (demostrada en la primera parta de esta prueba), entonces d′ α = dα sobre sobre U1 ∩ U1′ X y con esto, el Teorema queda demostrado. ♦ En muchos casos es conveniente expresar una k−forma sobre una superficie M como restricci´on a M de una k−forma sobre Rn , o sobre un abierto de Rn que contiene a M. Teorema 5.5.2 Sean M y N superficies regulares de dimensi´ on m y n respectivamente, ϕ : M → N una funci´on diferenciable y w una p−forma diferencial sobre N. Entonces d(ϕ∗ w) = ϕ∗ (dw) FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ EXTERIOR 5.5. DERIVACION 123 Demostraci´ on. La demostraci´on resulta por Inducci´on Matem´atica, se empieza, bajo sistema de coordenadas, con el caso p = 0. Sea x ∈ M, ∗ v ∈ Tx M y f ∈ C ∞ (N ). Entonces df ∈ Tϕ(x) N, ϕ∗ df ∈ Tx∗ M y por definici´on de ϕ∗ , df y ϕ∗ , ϕ∗ df (v) = df (ϕ∗ v) = ϕ∗ v(f ) = v(f ◦ ϕ) = v(ϕ∗ f ) = d(ϕ∗ f )(v). Se asume ahora que el teorema es verdadero para formas de grado p − 1 (p ≥ 1) y observese que es suficiente demostrar el teorema para el grado p localmente y considerar la forma monomial w = a(x1 , · · · , xn )dxi1 ∧ · · · ∧ dxip , donde a es una funci´on diferenciable, por lo tanto d(ϕ∗ w) =d[ϕ∗ [(a dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 ) ∧ dxip ]] =d[ϕ∗ (a dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 ) ∧ ϕ∗ dxip ] =d[ϕ∗ (a dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 )] ∧ ϕ∗ dxip + (−1)p−1 ϕ∗ (a dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 ) ∧ d(ϕ∗ dxip ) =d[ϕ∗ (a dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 )] ∧ ϕ∗ dxip as´ı que, por hip´otesis de inducci´on, d(ϕ∗ w) = ϕ∗ [d(a dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 )] ∧ ϕ∗ dxip . As´ı que d(ϕ∗ w) =ϕ∗ [d(a dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 ) ∧ dxip ] =ϕ∗ [d a ∧ dxi1 ∧ · · · ∧ dxip −1 ∧ dxip ] =ϕ∗ d w. X ♦ Lo que muestra el teorema para p−forma. Ejemplos 1. Se considera el caso particular de n = 3 y M un abierto G de R3 y sean a, b, c y f funciones diferenciables de G en R. Sean (a) ω0 = f, (b) ω1 = adx + bdy + cdz; (c) ω2 = ady ∧ dz + bdz ∧ dx + cdx ∧ dy; (c) ω3 = adx ∧ dy ∧ dz, Entonces sus respectivas diferenciales exteriores son: (a) dω0 = ∂f dx ∂x (b) dω1 = ∂c ∂y + ∂f dy ∂y + ∂f dz. ∂z ∂b ∂c dy ∧ dz + ∂a dz ∧ dx + − ∂z − ∂z ∂x ∂a ∂b ∂c (c) dω2 = ∂x dx ∧ dy ∧ dz + ∂y + ∂z CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ∂b ∂x dx ∧ dy. − ∂a ∂y ´ CARRERA DE MATEMATICAS 124 CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES (d) dω3 = 0 2. Teniendo como referencia el ejemplo anterior, se observa que las 0−formas y las 3−formas se identifican con funciones de G en R, y las 1−formas y las 2−formas con funciones de G en R3 , es decir, con campos vectoriales. Desde este punto de vista, la funci´on de diferenciar una 0-forma equivale a asociar, a cada funci´on f : G → R, de clase C 1 , el campo vectorial: ∂f ∂f ∂f , , ∂x ∂y ∂z que recibe el nombre de campo vectorial gradiente de f, y que se denota con ∂ ∂ ∂ grad f ≡ f , , ∂x ∂y ∂z De modo an´alogo , la operaci´on de diferenciar una 1−forma equivale a asociar al campo vectorial V (x, y, z) = (a(x, y, z), b(x, y, z), c(x, y, z)) el nuevo campo vectorial ∂b ∂a ∂c ∂b ∂a ∂c − , − , − W = ∂y ∂z ∂z ∂x ∂x ∂y que recibe el nombre de rotacional del campo V , y se denota por rot V, y es tal que i j k ∂ ∂ ∂ rot V = ∂x ∂y ∂z a b c La operaci´on de diferenciar una 2−froma equivale a asociar el campo V (x, y, z) = (a(x, y, z), b(x, y, z), c(x, y, z)) la funci´on escalar ∂a ∂b ∂c + + ∂x ∂y ∂z recibe el nombre de divergencia del campo V , y se denota por div V, y div V = ∂ ∂ ∂ , , , a, b, c ∂x ∂y ∂z Se observa que si f ∈ C ∞ (R3 ), entonces rot (grad f ) = div (rot f ) = 0. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE FORMAS 5.6. INTEGRACION 125 3. Si V a un campo vectorial diferenciable sobre R3 y f ∈ C ∞ (R3 ) tienen sentido expresiones como div (grad f ) y rot (rot V ) y si llamamos ∂ 2f ∂ 2f ∂ 2f + + Lap f = ∂x2 ∂y 2 ∂z 2 se tiene que div (grad f ) = Lapf y rot(rot V ) = grad (div V ) − Lap V. § 5.6. Integraci´ on de formas Para iniciar, sea M una n−superficie orientable. El soporte sop f de una funci´on f definida de M en un espacio vectotial es la clausura del conjunto de puntos p ∈ M para el cual f (p) 6= 0 y cuando sop f es compacto se dice que f es de soporte compacto. Como M es orientable existe una n−forma diferenciable θ que no se anula sobre M y cualquier otra n−forma w se puede escribir como w = f θ. Se toma f como una funci´on continua, acotada y de soporte compacto. Para considerar la definici´on de Z w M se asume que w es de soporte compacto denotado con C y que est´a enteramente contenido en el imagen de ϕ(U ) donde (U, ϕ), es una parametrizaci´on con sistema de coordenadas (x1 , · · · , xn ). Sea ahora la expresi´on en coordenadas, ϕ∗ (w), para w : f (x1 , · · · , xn )dx1 ∧ · · · ∧ dxn . En este sentido, se define (a) En el caso de M = Rn (w es una forma definida sobre un conjunto abierto U ⊆ Rn ): Z w= U Z U f dx1 · · · dxn (5.21) donde el lado derecho es la integral multiple de Riemann en Rn . (b) En general, sobre la superficie M Z w= M Z w= ϕ(U ) Z CARLOS A. JULIO-ARRIETA ∗ ϕw= U - Z U f dx1 · · · dxn , ´ CARRERA DE MATEMATICAS (5.22) CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 126 la integral existe por las condiciones sobre f. Ahora se debe demostrar que la integral as´ı definida es buena, es decir, es independiente de la escogencia de la parametrizaci´on. En efecto, se toma C = sop f en la imagen de otra parametrizaci´on (V, ψ) con sistema de cooredenadas (y1 , · · · , yn ); entonces colocando ψ ∗ (w) = F (y1 , · · · , yn )dy1 ∧ · · · ∧ dyn se tiene por definici´on que Z Z Z w= w= F (y1 , · · · , yn )dy1 · · · dyn . M ψ(V ) (5.23) V Se ver´a que 5.22 implica 5.23. Por la ley de transformaci´on para las componentes de una n−forma se tiene f (x1 , · · · , xn ) = F (y1 , · · · , yn ) ∂(y1 , · · · , yn ) ∂(x1 , · · · , xn ) donde ∂(y1 , · · · , yn )/∂(x1 , · · · , xn ) es el determinante del difeomorfismo ψ −1 ◦ ϕ : ϕ−1 (W ) → ψ −1 (W ) (x1 , · · · , xn ) → (y1 , · · · , yn ) y W = ϕ(V )∩ψ(V ) 6= ∅. Entonces por la regla para el cambio de variable en una integral multiple se tiene Z Z w = f (x1 , · · · , xn )dx1 · · · dxn M ZU ∂(y1 , · · · , yn ) ∂(y1 , · · · , yn ) = F (y1 , · · · , yn ) dy1 · · · dyn ∂(x1 , · · · , xn ) ∂(x1 , · · · , xn ) V Como los determinantes Jacobianos tienen el mismo signo positivo ya que a M se le ha asignado una orientaci´on, se tiene que Z Z w= F (y1 , · · · , yn )dy1 · · · dyn . M V lo que muestra que 5.22 y 5.23 tienen el mismo valor, es decir, la definici´on de integral dada no depende del sistema de coordenadas escogido y por lo tanto se tiene una buena definici´on. 5.6.1. Integraci´ on de m−formas definidas sore varias parametrizaciones Ahora se considera el caso general cuando C, el soporte de w, no est´a contenido en una imagen coordenada de una parametrizaci´on de M. Se usar´a una partici´on de la unidad sobre M, que existe(por el apendice FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE FORMAS 5.6. INTEGRACION 127 A de este Cap´ıtulo), se expresa w como la suma de formas cada una con soporte enteramente contenido en un dominio coordenado de M, y entonces se define Z w M como suma de integrales de tipo 5.22. Sea {(Ui , ϕi )} una estructura diferenciable para M. Como M admite particiones de la unidad (por el Apendice A), se puede tomar {gi } una partici´on de la unidad subordinada al cubrimiento abierto {Ui } de M, entonces cada punto de C tiene una vecindad que intersecta a un n´ umero finito de soportes de los gi y estas vecindades cubren a C. Como C es compacto se puede extraer un subrecubrimiento finito y por lo tanto existe k tal que C ∩ sop gi = ∅ para todo i > k, es decir, gi w = 0 para i > k; entonces X w= gi w (suma finita) Como gi w ⊆ ϕ(Ui ) para cada i, se puede usar 5.22 para definir la integral de w sobre M por Z XZ w= gi w (suma finita). (5.24) M ϕ(Ui ) i Por supuesto, que se debe verificar que esta definici´on no depende de la partici´on de la unidad escogida. Sea hj otra partici´on de la unidad subordinada a otro cubrimiento abierto coordenado Vj de M con funci´on de coordenada ψj−1 : Vj → Rn . Entonces de 5.24 XXZ XZ XZ X hj = gi w = gi w gi hj w ϕ(Ui ) i ϕ(Ui ) i j i ϕ(Ui ) j como gi hj se anulan fuera de ϕ(Ui ) ∩ ϕ(Vj ) y las sumas son finitas, entonces XXZ XZ XXZ gi w = gi hj w = hj w. i j ϕ(Ui ) j i ϕ(Ui )∩ψ(Vj ) j ψ(Vj ) Lo que demuestra que la definici´on dada por 5.24 es independiente de la partici´on usada. La siguiente definici´on se hace necesaria para continuar. Definici´ on 5.6.1 Sean M1n , M2n superficies regulares, U1 , U2 conjuntos abiertos de M1 , M2 respectivamente y f : U1 → U2 un difeomorfismo. Entonces se dice que f preserva orientaci´ on si para cada n−forma w que pertenece a la clase de orientaci´ on M2 , f ∗ w est´ a en la clase de orientaci´ on dada en M1 . CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 128 Teorema 5.6.1 (a) La integral Z w M cambia de signo cuando la orientaci´ on de M es reversada (b) Se tiene que Z (λ1 w1 + λ2 w2 ) = λ1 M Z w 1 + λ2 M Z w2 M donde λ1 , λ2 ∈ R y w1 w2 ∈ Λn (M ). (c) Sea f : M → N un difeomorfismo que preserva orientaci´ on entre las superficies orientadas N, M y sea w ∈ Λ∗k (N ). Entonces Z Z ∗ f w= w. (5.25) M N donde f ∗ es la traspuesta (pull-back) inducida por f, aplicada a formas. Demostraci´ on. Por la definici´on de integral s´olo es necesario establecer estas propiedades para formas cada una de las cuales con soporte compacto en una s´ola vecindad coordenada. (a) es inmediato, (b) se obtiene de la correspondiente propiedad de integral sobre Rn . Entonces se demostrar´a (c). En efecto, sea C = sop w ⊆ ϕ(U ), donde (U, ϕ) es una parametrizaci´on sobre N con sistema de coordenadas (x1 , · · · , xn ) y sea la expresi´on en coordenadas ϕ∗ w de w F (x1 , · · · , xn )dx1 ∧ · · · ∧ dxn . Entonces (f −1 (U ), ϕ ◦ f −1 ) es una parametrizaci´on sobre M, sop f ∗ w = f −1 (C) ⊆ f −1 (U ) y es compacto. Ahora sigue de la ley de transformacion de una n−forma que f ∗ w y w tienen la misma expresi´on en coordenadas F (x1 , · · · , xn )dx1 ∧ · · · ∧ dxn . y as´ı Z w= N Z ∗ f w= M Z f −1 (U ) F (x1 , · · · , xn )dx1 ∧ · · · ∧ dxn . X ♦ FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE FORMAS 5.6. INTEGRACION 5.6.2. 129 Dominio regular y borde El inter´es de esta secci´on son los dominios con frontera (o borde) tales como las bolas unitarias en R3 cuya frontera es S 2 o M = S 1 × [0, 1] en R3 cuya frontera dos esferas S 1 . Un ejemplo b´asico es el semiplano Hn definido por H n = {(x1 , · · · , xn ) : xn ≥ 0}. En la teor´ıa de los dominios con frontera, H n reemplaza a Rn , y el subespacio dado por {x ∈ H n : xn = 0} recibe el nombre de frontera de H n . Sea M una m−superficie y D ⊂ M. Se dice que D es un dominio regular en M si para cada p ∈ M se da alguna de las situaciones siguientes: (a) Existe un conjunto abierto de p que est´a contenida en M − D. (b) Existe un conjunto abierto de p que est´a contenida en D. (c) Existe una parametrizaci´on (U, ψ) alrededor de p tal que el sistema de coordenadas (ψ(U ), ψ −1 = ϕ) satisface ϕ(U ∩ D) = ϕ(U ) ∩ H m . En el caso (a), ver Figura 5.2, p ∈ ext(D), en la topolog´ıa de M. Si se da la situaci´on (b), equivale a que p ∈ int(D), en la topolog´ıa de M, y si se da (c), p ∈ ∂D, por lo que los tres son excluyentes. Adem´as, cada punto de ∂D est´a en la situaci´on (c) y para cada parametrizaci´on en esta situaci´on, los puntos t ∈ U, con tm = 0, tienen su imagen en ∂D. D D D p• ϕ p • •p Hm U • Caso (a) Caso (b) ϕ(t) Caso (c) Figura 5.2 Una concecuencia de esta consideraci´on es que la estructura diferenciable montada sobre M induce una estructura de superficie regular sobre ∂D de dimensi´on n − 1. Sea (U, ϕ) una parametrizaci´on de M tal que ϕ(U ) ∩ ∂D 6= ∅. Entonces U = U ∩H n y ϕ = ϕ|U define una parametrizaci´on sobre ∂D y el conjunto de estas parametrizaciones A = {(U , ϕ) : (U, ϕ) es una parametrizaci´on de M } CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 130 CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES proporciona una estructura diferenciable para ∂D. Lo que d´a un sistema de coordenadas locales para ∂D que se puede usar para definir funciones diferenciables, campos vectoriales tangentes y cotangentes, etc. sobre ∂D. Teorema 5.6.2 Sea D un dominio regular con frontera en una n−superficie orientada con ∂D 6= ∅. Entonces ∂D es superficie regular orientable de dimensi´ on n − 1. Demostraci´ on. Sea p ∈ ∂D. Se consideran (U, ϕ) y (V, ψ) parametrizaciones (en M ) alrededor del punto p con sistemas de coordenadas (x1 , · · · , xn ), (y1 , · · · , yn ) respectivamente. Como p ∈ ∂D, xn = yn = 0 en p y xn > 0, yn > 0 en puntos de D − ∂D. As´ı que en todos los puntos de U ∩ ∂D son tales que (en el cambio de coordenadas), yn (x1 , · · · , xn−1 , 0) = 0 y ∂yn ∂yn ∂yn = = ··· = =0 ∂x1 ∂x2 ∂xn−1 por lo tanto, la matriz jacobiana J de la transformaci´on de coordenadas ψ ◦ ϕ−1 : (x1 , · · · , xn ) → (yn , · · · , yn ) es ∂y1 /∂x1 ··· .. J = . ∂y1 /∂xn−1 · · · ∂y1 /∂xn ··· ∂yn−1 /∂x1 0 .. . ∂yn−1 /∂xn−1 0 ∂yn−1 /∂xn ∂y n /∂xn Como J es no singular, sigue entonces que ∂y n /∂xn 6= 0. En realidad, ∂y n /∂xn > 0 en ϕ−1 (q), donde q ∈ U ∩ ∂D, ya que, si ϕ−1 (q) = (q1 , · · · , pn−1 , 0), entonces yn (q1 , · · · , qn−1 , t) > 0, donde t est´a en un intervalo suficientemente peque˜ no 0 < t < ε. Ahora sean (U, ϕ) y (V, φ) parametrizaciones consecuentemente orientadas, entonces det J > 0 y como ∂yn /∂xn > 0, se concluye que ∂y1 /∂x1 · · · ∂yn−1 /∂x1 .. det ... >0 . ∂y1 /∂xn−1 · · · ∂yn−1 /∂xn−1 en ϕ−1 (q). Como este es el determinante jacobiano para el cambio de coordenadas de (U , ϕ) a (V , ψ), donde U = U ∩ ∂D, V = V ∩ ∂D, ϕ = ϕ|U y ψ = ψ|V sobre ∂D, se tiene entonces que las cartas (U , ϕ) y (V , ψ), son consecuentemente orientadas. Por lo tanto, ∂D es orientable. X ♦ La orientaci´on inducida sobre ∂D se define como sigue: la base (∂/∂x1 , · · · , ∂/∂xn−1 ) de Tx (∂D) se dice positivamente orientada si la base (∂/∂xn , ∂/∂x1 , · · · , ∂/∂xn−1 ) FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ DE FORMAS 5.6. INTEGRACION 131 es consecuentemente orientada en la orientaci´on de M. Esto implica que cuando a H n se le ha dado la orientaci´on est´andar dx1 ∧ · · · ∧ dxn la orientaci´on inducida de ∂H n es definida por la clase de equivalencia de (−1)n dx1 ∧ · · · ∧ dxn−1 . El factor (−1)n ha sido introducido para eliminar un signo desagradable que aparece en el desarrollo de la demostraci´on del Teorema Fundamental del C´alculo. 5.6.3. Teorema Fundamental del C´ alculo Teorema 5.6.3 Sea M una n−superfice orientada y D un dominio regular con frontera ∂D con orientaci´ on inducida. Si w es una (n − 1)-forma diferenciable de soporte compacto, entonces Z Z ω= dω (5.26) ∂D D Demostraci´ on. En efecto, si m = 1, ω es de grado cero, quedando el Teorema Fundamental del C´alculo Integral en una variable. Como ambos lados de la igualdad a establecer son lineales sobre w es suficiente, en vista de la definici´on de integral sobre superficies, considerar el caso que w tiene soporte compacto C contenido en la imagen de U de la parametrizaci´on (U, ϕ) con sistema de coordenada (x1 , · · · , xn ). M´as preciso, se asume que C ⊂ ϕ(C) donde C es el hipercubo C = {x = (x1 , · · · , xn ) : 0 ≤ xi ≤ a}. Sea la expresi´on en coordenadas ϕ∗ (w) para w ∗ ϕ (ω) = n X j=1 cj ∧ · · · ∧ .dxn (−1)j−1 fj (x1 , · · · , xn )dx1 ∧ · · · ∧ dx (5.27) donde el s´ımbolo b indica que el t´ermino se ha omitido. Entonces por el Teorema 5.5.2 n X ∂fj ∗ ∗ dx1 ∧ · · · ∧ dxn . (5.28) ϕ (dω) = d[ϕ (ω)] = ∂x j j=i Y por lo tanto, Z a Z Z X n Z a n X ∂fj ∂fj dx1 · · · dxn , dx1 ∧ · · · ∧ dxn = ··· dω = ∂xj 0 ∂xj M C j=1 0 j=1 lo que proporciona (integrando respecto a xj ) Z Z ah n Z a X dω = ··· fj (x1 , · · · , xj−1 , a, xj+1 , · · · , xn )− M j=1 0 0 i cj · · · dxn . fj (x1 , · · · , xj−1 , 0, xj+1 , · · · , xn ) dx1 · · · dx Dos posibilidades se necesitan para estudiar (5.26): CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS (5.29) CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES 132 (i) C ∩∂D = ∅, (ii) C ∩∂D 6= ∅. En el caso (i), fj = 0 cuando xj = 0, o bien xj = a (j = 1, · · · , n) y as´ı cada integral en la suma 5.29 vale cero. con lo que Z dw = 0, D tambi´en, como w = 0 sobre ∂M, entonces Z w = 0. ∂D En el caso (ii) y como C ⊂ ϕ(C) se tiene que todas las integrales del lado derecho de 5.29 valen cero excepto la ultima y as´ı Z Z a Z a =− ··· fn (x1 , · · · , xn−1 , 0)dx1 · · · dxn . (5.30) D 0 0 n Como xn = 0 en ∂H entonces dxn = 0 sobre ∂H n y por lo tanto sobre ϕ−1 (∂D), esto implica que 5.27 se transforme (sobre ϕ−1 (∂D)) se transforme en ϕ∗ (w) = (−1)n−1 fn (x1 , · · · , xn )dx1 · · · dxn−1 con lo que (usando el factor de orientaci´on y 5.30) Z Z Z a Z a n n−1 w = (−1) (−1) fn (x1 , · · · , xn−1 , 0)dx1 · · · dxn−1 = dw. ··· ∂D 0 0 D X ♦ Lo que demuestra el Teorema. Corolario 5.6.3.1 Si M es una n−superficie compacta y w una (n − 1)−forma diferenciable sobre M , entonces Z dw = 0 M § 5.7. Ejercicios 1. Sea ϕ : R2 → R2 la transformaci´on dada por Φ(r, θ) = (x, y), es donde x = r cos θ y y = r sen θ. Encontrar Φ∗ (dx ∧ dy). 2. Sea Φ : R3 → R3 la transformaci´on dada por Φ(r, θ, ϕ) = (x, y, z), en donde x = r sen θ cos ϕ, y = r sen θ sen ϕ, z = r cos θ. Calcular Φ∗ (dx ∧ dy ∧ dz). FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.7. EJERCICIOS 133 3. Sea M una superficie de Rn y f : Rm → M una funci´on diferenciable y ωi , i = 1, 2 k−formas sobre M. Probar f ∗ (ω1 + α ω2 ) = f ∗ ω1 + α f ∗ ω2 , f ∗ (ω ∧ θ) = (f ∗ ω) ∧ (f ∗ θ), (f ◦ h)∗ ω = h∗ f ∗ ω, (α ∈ R), con ω y θ formas sobre M. 4. Sea M una 2−superficie orientada y (x, y, z) las coordenadas en R3 , en el entorno de cada punto de M se tiene una parametrizaci´on ϕ : Ω ⊂ R2 → R3 , dada por x = x(u, v), y = y(u, v), z = z(u, v), con Ω conjunto abierto, ϕ diferenciable y con Dϕ(u, v) de rango dos y tal que mantiene la orientaci´on. Probar a) Si dA denota el elemento de ´area para M, entonces dA = n1 dy ∧ dz + n2 dz ∧ dx + n3 dx ∧ dy, donde n = (n1 , n2 , n3 ) es el vector unitario normal exterior a M. b) dA satisface n1 dA =dy ∧ dz, n2 dA =dz ∧ dx, n3 dA =dx ∧ dy. c) ϕ∗ (dA) satisface s ∂y ϕ∗ (dAM ) = ∂u ∂z ∂u ∂y 2 ∂v ∂z ∂v ∂z + ∂u ∂x ∂u ∂z 2 ∂v ∂x ∂v ∂x + ∂u ∂y ∂u ∂x 2 ∂v ∂y ∂v du ∧ dv. (5.31) d ) Si la parametrizaci´on ϕ es de la forma ϕ : G → R3 , con ϕ(x, y) = (x, y, f (x, y)), con G abierto de R2 , entonces, ∗ ϕ (dA) = q 1 + (fx )2 + (fy )2 dx ∧ dy. 5. Determinar la derivada exterior de de las formas diferenciales dadas por CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 134 CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES a) (x2 + y)dx + (x + y 2 + z)dy. b) xydx + (x2 + y 3 )dz. c) x3 dy ∧ dz + ydz ∧ dx − zdx ∧ dy. d ) (x4 − xyz)(dy ∧ dz + dz ∧ dx + dx ∧ dy). R 6. Calcular M w, orientando previamente M, en los casos siguientes a) M = {(x, y, z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z 2 = 1} w = y 2 dy ∧ dz − xdz ∧ dx + ydx ∧ dy. b) M = {(x, y, z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z 2 = 1}, w = y 2 dy ∧ dz − ydz ∧ dx + ydx ∧ dy. c) M = {(x, y, z) ∈ R3 : x2 + y 2 + z 2 = 1, z ≥ 0}, w = y 2 dy ∧ dz − ydz ∧ dx + ydx ∧ dy. d ) M = {(x, y, z) ∈ R3 : x2 + y 2 − z = 0}, w = xdy ∧ dz + ydz ∧ dx − ydx ∧ dy. e) M = {(x, y, z) ∈ R3 : x2 + y 2 = 1, |z| ≤ 1}, w = 2xdy ∧ dz + 3ydz ∧ dx + z 2 dx ∧ dy. 7. F´ ormula de Green. Sean M = R2 con la oririentaci´on usual, D un un dominio regular compacto con borde en M y ∂D con la orientaci´on borde. Entonces demostrar que Z Z Z Z ∂β ∂α αdx + βdy = hv, ti ds = − dxdy, ∂y ∂D ∂D D ∂x donde v es el vector (α, β) y t es el vector unitario tangente y positivo a ∂D. 8. F´ ormula de Gauss o Divergencia. Sean M = R3 con la orientaci´on usual, D un dominio regular compacto con borde em M y ∂D la superficie borde con la orientaci´on borde. Considerar n = (n1 , n2 , n3 ) el vector unitario normal exterior a ∂D y v = (a, b, c) un campo vectorial de clase uno en R3 . Entonces si ω = a dy ∧ dz + b dz ∧ dx + c dx ∧ dy, demostrar cada una de las siguientes f´ormulas Z Z ∂a ∂b ∂c w= + + dx dy dz. ∂y ∂y ∂D D ∂x Z FAC. DE CIENCIAS Y EDU. ∂D - Z hv, ni dA = div v dV. D ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 5.7. EJERCICIOS 135 9. F´ ormula de Stokes o Rotacional. Sean M una 2−superficie orientada contenida en R3 y D un dominio regular em M con D compacto. Sea ∂D con la orientaci´on borde. Sea n = (n1 , n2 , n3 ) la normal exterior a M y t = (t1 , t2 , t3 ) el vector unitario tangente positivo a ∂D. Sea v = (a, b, c) un campo vectorial de clase uno en R3 . Demostrar que si ω = a dx + b dy + c dz, entonces Z Z ∂a ∂c ∂b ∂a ∂b ∂c − − − dy ∧ dz + dz ∧ dx + dx ∧ dy, ω= ∂z ∂z ∂x ∂x ∂y ∂D D ∂y lo que equivale a Z ∂D ω= Z ∂D hv, ti ds = Z D hrot v, ni dA. 10. Sea C la curva de intersecci´on de la esfera x2 + y 2 + z 2 = a2 y el plano x + y + z = 0. Calcular, Z ydx + zdy + xdz. C √ R. πa2 3 11. Sea C La curva de intersecci´on del cilindro x2 + y 2 = 2y y el plano y = z. Calcular Z (y + z)dx + (z + x)dy + (x + y)dz C R. 0 12. Sea C la intersecci´on del hemisferio x2 + y 2 + z 2 = 2ax, z > 0 y el cilindro x2 + y 2 = 2bx, donde 0 < b < a. Probar que Z (y 2 + z 2 )dx + (x2 + z 2 )dy + (x2 + y 2 )dz = 2πab2 C 13. Calcular el volumen de un elipsoide. 14. Una funci´on u se dice arm´onica en un subconjunto abierto G de R3 si u ∈ C 2 (G) y en G ∆2 u = uxx + uyy + uzz = 0. Demostrar que a) la funci´on v(x, y, z) = [(x − a)2 1 + (y − b)2 + (z − c)2 ]1/2 es arm´onica sobre R3 − {(a, b, c)}. CARLOS A. JULIO-ARRIETA - ´ CARRERA DE MATEMATICAS 136 CAP´ITULO 5. FORMAS DIFERENCIALES SOBRE SUPERFICIES b) Si u es arm´onica en un abierto Ω de (a, b, c) y Sr es la esfera de centro (a, b, c) y radio r, de tal manera que Sr ⊆ Ω, entonces Z 1 u(a, b, c) = u dA. 4πr2 Sr Es decir, el valor de u en el centro es igual al valor medio de los valores de u en la superficie esferica 15. Sean g : R3 → R, f : R3 → R funciones diferenciables y M 3 ⊂ R3 un dominio diferenciable compacto con frontera ∂M. Probar que (Primera identidad de Green) Z Z Z 2 hgrad f, grad gi v + f∆ g v = f hgrad g, N i σ M M ∂M donde v y σ son, respectivamente, el elemento volumen de M y el elemento de ´area de ∂M y N es el vector unitario normal de ∂M. Sugerencia: Tomar v = f grad g en la F´ormula de la Divergencia. 16. Bajo las condiciones del ejercicio 15, probar la segunda identidad de Green Z Z 2 2 (f ∆ g − g∆ f ) v = (f hgrad g, N i − g hgrad f, N i)σ. M FAC. DE CIENCIAS Y EDU. ∂M - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE Cap´ıtulo 6 Primera y segunda forma fundamental § 6.1. Primera forma cuadr´ atica fundamental En esta secci´on se introducir´a la primera forma cuadr´atica fundamental, expresi´on que permite c´alcular la longitud de curvass sobre superficies. Posteriormente, se analizan algunas de sus propiedades y se caracteiza el area de una superficie en funci´on de su primera forma fundamental. Sea M una 2−superficie, se restringe el trabajo a una vecindad coordenada (U, x) de M. As´ı que x(u, v) con (u, v) ∈ U ; y se considera la curva Γ sobre M definida por la imagen bajo x de u = u(t), v = v(t), t ∈ J = [a, b] A lo largo de la curva Γ, x es una funci´on de t, es decir, Γ es de la forma r(t) = x(u(t), v(t)), con t en un intervalo J. La longitud de arco s = s(t) est´a relacionado con el par´ametro t (t en el interior de J) por la formula s= Z t t0 kr′ (t)kdt, a < t0 < t (6.1) a´ unque r′ (t) ∈ Tr(t) M, se puede usar el producto interior del ambiente, 137 CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL 138 R3 , para obtener entonces ds2 =kr′ (t)k2 = hr′ (t), r′ (t)i ∂x du ∂x dv ∂x du ∂x dv + , + = ∂u dt ∂v dt ∂u dt ∂v dt ∂ ∂ ∂ ∂ = du + dv, du + dv ∂u ∂v ∂u ∂v ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ , dudu + 2 , dudv + , dvdv, = ∂u ∂u ∂u ∂v ∂v ∂v haciendo E= ∂ ∂ , ∂u ∂u , F = ∂ ∂ , ∂u ∂v , G= ∂ ∂ , ∂v ∂v . (6.2) y escribiendo A2 = A · A, entonces I = ds2 = E du2 + 2F dudv + G dv 2 (6.3) recibe el nombre de primera forma cuadr´atica fundamental. Observaciones 1. La primera forma cuadr´atica fundamental se puede escribir du E F 2 I = ds = (du, dv) dv F G la matriz F1 = es la matr´ız asociada a I. E F F G 2. La primera forma cuadr´atica fundamental es definida positiva. En efecto, como du E F 2 ds = (du dv) dv F G y como los puntos de la superficie M son regulares, se tiene ∂ ∂ ∂ ∂ E= , , > 0, G= > 0, ∂u ∂u ∂v ∂v entonces por la identidad de Lagrange implica que ∂ 2 ∂ 2 ∂ ∂ ∂ ∂ 2 2 |F1 | = EG − F = − = , × >0 ∂u ∂v ∂u ∂v ∂u ∂v ´ y el criterio de Sylvester, en Algebra Lineal, asegura que la primera forma cuadr´atica fundamental es definida positiva1 . ´ Ver, por ejemplo, Hernandez E. Algebra y Geometr´ıa, Adisson-Wesley. 1994. p´agina 542 1 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 6.1. PRIMERA FORMA CUADRATICA FUNDAMENTAL 139 3. ds2 es invariante bajo un cambio de parametro. Es una aplicaci´on de la regla de la cadena en la forma cuadr´atica al hacer el cambio de variable. En efecto, Sea M una superficie y x(u, v) un sistema de coordenadas locales. Si se realiza el cambio de par´ametros u = u(α, β), v = v(α, β), entonces la forma cuadr´atica fundamental en los par´ametros α, β satisface (para simplificar, por un momento, se denotar´a A2 = hA, Ai): e 2 + 2Fedαdβ + Gdβ e 2 ds2 =Edα ∂x ∂x ∂x ∂x dα + dβ, dα + dβ = ∂α ∂β ∂α ∂β !2 ∂x ∂u ∂x ∂v ∂x ∂u ∂x ∂v = + + dα + dβ ∂u ∂α ∂v ∂α ∂u ∂β ∂v ∂β !2 ∂x ∂u ∂u ∂x ∂v ∂v = dα + dβ + dα + dβ ∂u ∂α ∂β ∂v ∂α ∂β ∂x ∂x 2 ∂x ∂x ∂x ∂x du + dv = du + dv, du + dv = ∂u ∂v ∂u ∂v ∂u ∂v =E du2 + 2F dudv + G dv 2 . Esto demuestra que ds2 es invariante bajo cambio de par´ametros. 4. La distancia entre p = x(u(t0 ), v(t0 )) y q = x(u(t), v(t)) sobre la curva Γ puede expresarse en la forma siguiente: Z t r 2 dv 2 du dv du +G s= + 2F dt. E dt dt dt dt t0 (6.4) 5. Sea M una 2−superficie, se supone que la vecindad coordenada (U, x) de M, es tal que x(U ) = M. Por lo tanto, ZZ ZZ √ ∂ ∂ ´ EG − F 2 du dv, Area (M ) = × du dv = ∂v U ∂u U por lo tanto, el elemento de a´rea dA, es dado por √ dA = EG − F 2 du dv (6.5) 6. El vector normal exterior a la superficie N = N (u, v) o funci´on de Gauss est´a dada por xu × xv , (6.6) N= kxu × xv k lo que equivale a, xu × xv , (6.7) N=√ EG − F 2 CARLOS A. JULIO-ARRIETA CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL 140 ´ Angulos de curvas sobre una superficie 6.1.1. Dada una superficie x(u, v) : U ⊂ R2 → R3 y una curva Γ sobre ella, la direcci´on de la tangente o direcci´on tangente, viene asociada a dv o (du, dv). du dv δv Sean Γ1 y Γ2 dos curvas sobre la superficie con du y δu respectivamente sus direcciones tangentes, donde se ha empleado la notaci´on δu, δv para distinguirlas de du, dv; teniendo en cuenta que δ tiene el mismo sentido que d. Se supone que las curvas tienen un punto p regular com´ un, sea θ el ´angulo que forman ambas curvas en el punto p y se define el ´angulo que forman dos curvas como el ´angulo que forman dos vectores en direcci´on de sus tangentes. Por medio de E, F, G se puede expresar el ´angulo θ de dos direcciones tangentes a la superficie, se tiene dx = xu du + xv dv, δx = xu δu + xv δv y hdx, δxi |dx| |δx| hxu , xu i duδu + hxu , xv i (duδv + dvδu) + hxv , xv i duδv = |dx||δx| Eduδu + F (duδv + dvδu) + Gdvδu √ =√ Edu2 + 2F du dv + Gdv 2 Eδu2 + 2F δuδv + Gδv 2 cos θ = (6.8) Son particularmente importantes los siguientes casos de la ecuaci´on 6.8: 1. Para θ = π/2 se tiene la condici´on de ortogonalidad de dos direcciones sobre la superficie: Eduδu + F (duδv + dvδu) + Gdvδv = 0 (6.9) 2. El ´angulo θ formado por las curvas param´etricas u =constante (por consiguiente, du = 0, dv arbitrario) y v =constante (esto es, δu arbitrario, δv = 0) viene dado por F F dvδu √ =√ , 2 2 EG Gdv Eδu √ √ EG − F 2 2 √ sen θ = 1 − cos θ = EG cos θ = √ FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - (6.10) ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 6.1. PRIMERA FORMA CUADRATICA FUNDAMENTAL 141 3. Las curvas param´etricas en (6.10) son ortogonales si F = 0 6.1.2. Ejemplos 1. La esfera. Cuando se eligen como par´ametros la latitud θ y la longitud ϕ sus coordenadas estan dadas por las ecuaciones (ver, Figura 6.1): x =a cos θ cos ϕ y =a cos θ sen ϕ, z =a sen θ. (θ, ϕ) ∈ (−π/2, π/2) × (0, 2π) (6.11) z y θ φ x Figura 6.1 Con lo que ∂ = (−a sen θ cos ϕ, −a sen θ sen ϕ, a cos θ), ∂θ Resulta entonces que ∂ ∂ , = a2 , E= ∂θ ∂θ F = ∂ ∂ , ∂θ ∂ϕ ∂ = (−a cos θ sen ϕ, −a cos θ cos ϕ, 0) ∂ϕ = 0, G= ∂ ∂ , ∂ϕ ∂ϕ = a2 cos2 θ con lo que ds2 = a2 dθ2 + a2 cos2 θdϕ2 . (6.12) Por ser F = 0 se deduce que los meridianos y paralelos son ortogonales entre s´ı. 2. Superficie de revoluci´ on Si se elige el eje z como eje de revoluci´on de la curva x = f (v), z = g(v) en el plano y = 0 (esta curva es la meridiana de la superficie), la superficie resultante (Figura 2.7 del cap´ıtulo 2) est´a dada por las ecuaciones CARLOS A. JULIO-ARRIETA CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL 142 x = f (v) cos u, y = f (v) sen u, z = g(v) (6.13) a < v < b y 0 < u < 2π. Las curvas v =constante son los paralelos y las u =constante, los meridianos de la superficie. En este caso ∂ = (−f (v) sen u, f (v) cos u, 0) ∂u ∂ = (f ′ (v) cos u, f ′ (v) sen u, g ′ (v)) ∂v de donde E= ∂ ∂ , ∂u ∂u 2 ∂ ∂ , ∂u ∂v =f , F = =0 ∂ ∂ G= , = (f ′ )2 + (g ′ )2 ; ∂v ∂v con lo que, § 6.2. I = ds2 = f 2 du2 + (f ′ )2 + (g ′ )2 dv 2 (6.14) Segunda forma cuadr´ atica fundamental En esta secci´on se supone que M es una 2−superficie regular y que (U, r) es una parametrizaci´on alrededor de p ∈ M, U abierto de R2 con lo que r(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)), (u, v) ∈ U y el vector unitario normal a M, llamado funci´on de Gauss, est´a dado por ru × rv N = N (p) = . |ru × rv | La geometr´ıa de M depende de las formas cuadr´aticas fundamentales de las cuales ya se ha dado la primera que se representa con ds2 . La segunda forma cuadr´atica fundamental puede obtenerse dando sobre M una curva Γ que pase por el punto p y tomando el vector de curvatura de Γ en p. Si la curva Γ viene dada cuando u = u(s) y v = v(s) con s el par´ametro longitud de arco, entonces se puede representar a Γ sobre M por r(s) = r(u(s), v(s)), s ∈ J = [0, l] Si t es el vector tangente unitario de Γ, es decir, t = r˙ ∈ Tr(s) M, FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 6.2. SEGUNDA FORMA CUADRATICA FUNDAMENTAL 143 entonces en cada punto p ∈ M, r¨ ∈ R3p y como {r, ˙ N, N × r} ˙ forma una base ortonormal (o simplemente, un referencial ortonormal) para R3p , entonces existen escalares kn , kg , y α tales que r¨ = kn N + kg (N × r) ˙ + α r˙ La componentes normal kn recibe el nombre de curvatura y la componente tangencial kg recibe el nomber de curvatura tangencial o geod´esica mientras que el vector de curvatura es K = ¨ r. Al tomar producto interior en ambos miembros de es igualdad se obtiene que α = 0, y as´ı r¨ = kn N + kg (N × r). ˙ (6.15) Lo que muestra que r¨ est´a en el plano generado por los vectores {N, (N × r}; ˙ de igualmanera tomando en esta u ´ltima ecuaci´on producto interior por N y N × r˙ se obtiene kn = h¨ r, N i y kg = h¨ r, N × ri ˙ (6.16) el vector curvatura K en p es igual a dt/ds = r¨. Al descomponer K en una componente Kn normal y otra componente Kg tangente a la superficie (Figura 6.2) se obtiene que K=Kn +Kg donde Kn = kn N y Kg = kg (N × r); ˙ (6.17) ´estos reciben el nombre de vectores de curvatura normal y tangencial, respectivamente y k = kKk es la curvatura en el punto p = r(s). La curvatura k satisface k 2 = k¨ rk2 = hkn N + kg (N × r), ˙ kn N + kg (N × r)i ˙ = kn2 + kg . Kn K= dt ds Kg p Figura 6.2 El escalar kn queda determinado por Γ (no depende de la elecci´on de sentido de t o N ); pero el vector Kn depende en cuanto a su signo del sentido de N . A continuaci´on presentamos las siguientes propiedades del vector de curvatura normal Kn o simplemente de la curvatura normalkn en p. En efecto, CARLOS A. JULIO-ARRIETA CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL 144 1. De la ecuaci´on hN, ti = 0, se obtiene por derivaci´on a lo largo de Γ: dt ,N ds dN dr dN = − t, , =− , ds ds ds (6.18) Por (6.17) y del hecho dt = kn N + kg N × r, ˙ ds entonces kn = hkn N, N i = Como dt ,N ds s= 2 Z =− dr dN , ds ds (6.19) s s0 |r′ (s)|ds entonces ds = hdr, dri y as´ı kn = − hdN, dri hdr, dri (6.20) Se estudia en primer lugar el segundo miembro de esta ecuaci´on. N y r son ambos funciones de u y v (que a su vez dependen de Γ). Utilizando las identidades dN = Nu du + Nv dv, dr = ru du + rv dv. (6.21) la ecuaci´on (6.20) puede escribirse en la forma: kn = − hru , Nu i du2 + [hru , Nv i + hrv , Nu i]du dv + hrv , Nv i dv 2 E du2 + 2F du dv + G dv 2 o bien kn = e du2 + 2f du dv + g dv E du2 + 2F du dv + G dv 2 (6.22) En esta u ´ltima ecuaci´on e = − hru , Nu i , 2f = − hru , Nv i + hrv , Nu i , FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - g = − hrv , Nv i (6.23) ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE ´ 6.2. SEGUNDA FORMA CUADRATICA FUNDAMENTAL 145 son funciones de u y v, que dependen de las derivadas segundas de r respecto a u y v, difiriendo en este aspecto de E, F, G, que s´olo dependen de las primeras derivadas. Se puede escribir el denominador y el numerado de la ecuaci´on (6.22) en la forma siguiente: I = Ip = E du2 + 2F du dv + G dv 2 = hdr, dri , II = IIp = e du2 + 2f du dv + g dv 2 = hdN, dri . (6.24) Con lo que II . I I es la primera forma fundamental y II es la segunda forma fundamental. kn = 2. Por ser hru , N i = 0 y hrv , N i = 0, (6.25) se puede tambi´en escribir en lugar de e, f, g: e = hruu , N i , An´alogamente f = hruv , N i , g = hrvv , N i xuu yuu zuu xu yu z u xv yv z v hruu , ru × rv i = √ e= √ EG − F 2 EG − F 2 hruv , ru × rv i f= √ , EG − F 2 hrvv , ru × rv i g= √ EG − F 2 (6.26) (6.27) (6.28) Estas f´ormulas (6.27) y (6.28) permiten, una vez dada las ecuaciones param´etricas sobre una vecindad coordenada de la superficie, calcular inmediatamente e, f y g. 3. De la ecuaci´on (6.25) se deduce tambi´en que hru , Nv i = hrv , Nu i , de forma que la ecuaci´on (6.23) puede escribirse en esta otra forma m´as sencilla: e = − hru , Nu i , f = − hru , Nv i = − hrv , Nu i , CARLOS A. JULIO-ARRIETA g = − hrv , Nv i (6.29) CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL 146 4. Al definir la forma cuadr´atica Cp en Tp M por Cp (U ) = − hdN (U ), dr(U )i , U = U1 ru + U2 rv ∈ Tp M, entonces las ecuacies (6.24) y (6.21) implican que IIp (U ) = Cp (U ), esto es, IIp (U ) = − hdN (U ), U i , ∀U ∈ Tp M. (6.30) De igual manera Ip (U ) = hU, U i , 6.2.1. ∀U ∈ Tp M. (6.31) Ejemplos 1. Esfera. En este caso, ds2 ruu ruv xvv =a2 dθ2 + a2 cos2 θdϕ2 , u = ϕ, v = ϕ, =(−a cos θ cos ϕ, −a cos θ sen ϕ, −a sen θ), =(−a sen θ sen ϕ, −a sen θ cos ϕ, 0), =(−a cos θ cos ϕ, −a cos θ sen ϕ, 0), √ EG − F 2 = a2 cos θ −a cos θ cos ϕ −a cos θ sen ϕ −a sen θ −a sen θ cos ϕ −a sen θ sen ϕ a cos θ −a cos θ sen ϕ +a cos θ cos ϕ 0 a3 cos θ = = a. e= a2 cos θ a2 cos θ An´alogamente, se obtiene f = 0 g = −a cos2 θ II = a(dθ2 + cos2 θ dϕ2 ), kn = (6.32) II 1 = . I a En este es el caso, I y II son proporcionales. 2. Superficie de revoluci´ on. Se sabe que al tomar el eje z como eje de revoluci´on de la curva x = ϕ(v), z = ψ(v) en el plano y = 0, la superficie resultante es una superficie de revoluci´on y tiene como parametrizaci´on la dada por las ecuaciones r: x = ϕ(v) cos u, FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - y = ϕ(v) sen u, z = ψ(v) (6.33) ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 6.3. CURVATURAS PRINCIPALES 147 a < v < b y 0 < u < 2π. Las curvas v =constante son los paralelos y las u =constante, los meridianos de la superficie. En este caso ∂1 = (−ϕ(v) sen u, ϕ(v) cos u, 0) ∂2 = (ϕ′ (v) cos u, ϕ′ (v) sen u, ψ ′ (v)) de donde E = ϕ2 , F = 0, G = (ϕ′ )2 + (ψ ′ )2 ; con lo que, I = ds2 = ϕ2 du2 + (ϕ′ )2 + (ψ ′ )2 dv 2 (6.34) El c´alculo de la segunda forma cuadr´atica fundamental es como sigue, se supone que la curva eat´a parametrizada por la logitud de arco, esto es, (ϕ′ )2 + (ψ ′ )2 = 1, As´ı, I = ds2 = ϕ2 du2 + dv 2 y −ϕ sen u ϕ′ cos u −ϕ cos u ϕ cos u ϕ′ sen u −ϕ sen u 0 ψ′ 0 hruu , ru × rv i √ = = −ϕ ψ ′ e= √ EG − F 2 EG − F 2 f = 0, g = ψ ′ ϕ′′ − ψ ′′ ϕ′ . Entonces II = −ϕψ 2 du2 + (ψ ′ ϕ′′ − ψ ′′ ϕ′ )dv 2 . § 6.3. Curvaturas principales Se usar´a la primera y segunda forma cuadr´atica fundamental para hacer una presentaci´on de las curvaturas principales, Gaussiana y media. Para tal efecto, Sea M una 2−superficie regular, (U, x) una parametrizaci´on de M, alrededor de p ∈ U ⊆ M, y se escribe x = x(u, v), ∀(u, v) ∈ U ⊆ R2 . Entonces la primera y segunda forma cuadr´atica en p de M asociada a esta parametrizaci´on esta dada por I = Ip = E du2 + 2F du dv + G dv 2 , II = IIp = e du2 + 2f du dv + g dv 2 . CARLOS A. JULIO-ARRIETA (6.35) CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL 148 donde E = hxu , xu i , F = hxu , xv i , G = hxv , xv i , e = − hxu , Nu i , f = − hxu , Nv i = − hxv , Nu i , g = − hxv , Nv i . Entonces se introducen las siguientes matrices simetricas e f E F , F2 = F1 = f g F G (6.36) que son las matrices asociadas a la primera y segunda forma cuadr´atica fundamenta, respectivamente, en cada punto p ∈ U ⊆ M. Adem´a observe que si t 1 = τ1 xu + η2 xv , t 2 = τ2 xu + η2 xv entonces ht1 , t2 i = hτ1 xu + η2 xv , τ2 xu + η2 xv i =Eτ1 τ2 + F (τ1 η2 + τ2 η1 ) + Eη1 η2 τ2 E F , =(τ1 , η1 ) η2 F G si se escribe entonces τ T1 = 1 , η1 τ T2 = 2 . η2 ht1 , t2 i = T1t F1 T2 . (6.37) Por otro lado, escribiendo el vector tangente r˙ = ux ˙ u + vx ˙ v como u˙ T = v˙ y por un c´alculo similar al anterior se tiene kn = T t F2 T (6.38) Definici´ on 6.3.1 Las curvaturas principales de una superficie son las ra´ıces de la ecuaci´ on det(F1 − kF2 ) = 0, (6.39) es decir, e − kE f − kF det f − kF g − kG =0 (6.40) Como 6.40 es una ecuaci´on cuadr´atica de variable k, existen dos ra´ıces. A priori, estas podr´ıan ser n´ umeros complejos. Por lo tanto, se demostrar´a que las curvaturas principales son siempre reales. Note que si F1 es FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 6.3. CURVATURAS PRINCIPALES 149 la matriz identidad (lo que sucede cuando M = R2 ), entonces la ecuaci´on 6.39 se convierte en la ecuaci´on para el c´alculo de autovalores de F2 ; y un ´ resultado est´andar del Algebra Lineal proporciona que los autovalores de una matriz sim´etrica son n´ umeros reales. Como F1 es invertible, entonces 6.39 es equivalente a det(F1 (F1−1 F2 − kI2 )) = 0, esto es, det(F1 ) det(F1−1 F2 − kI2 )) = 0, con lo que det(F1−1 F2 − kI2 ) = 0, (6.41) y as´ı las curvaturas principalesson los autovalores de F1−1 F2 . Pero el producto de matrices sim´etricas no necesariamente es sim´etrica. Con el siguiente Teorema resolvemos esto y mucho m´as. Teorema 6.3.1 Sea M una 2−superficie regular y p ∈ M. Si (U, x) con x = (u, v) es una parametrizaci´on de M alrededor de p y N es la funci´ on de Gauss asociada a esta parametrizaci´on, entonces (a) La diferencial d Np : Tp M → Tp M de la funci´on de Gauss es una transformaci´ on lineal auto-adjunta, (b) existen escalares reales a, b,, c y d tales que Nu = a xu + b xv , (c) Se tiene que dNp = a c b d N v = c xu + d xv , (6.42) = −F1−1 F2 . (6.43) Demostraci´ on. (a) Como dNp es una transformaci´on lineal y {xu , xv } es una base para Tp M , es suficiente demostrar que hdNp (xu ), xv i = hxu , dNp (xv )i . Para tal efecto, sea α(t) = x(u(t), v(t)), t ∈ J = [−a, a], a > 0 una parametrizaci´on de una curva en M con α(0) = p, entonces dNp (α′ (0)) =dNp (xu u′ (0) + xv v ′ (0)) ′ u (0) =(dNp ) ′ v (0) =Nu u′ (0) + Nv v ′ (0). CARLOS A. JULIO-ARRIETA (6.44) CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL 150 En particular, dNp (xu ) = Nu , y dNp (xv ) = Nv . Por lo tanto, para demostrar que dNp es auto-adjunto, es suficiente probar que hNu , xv i = hxu , Nv i . Pero esto de obtiene de la sigiente manera, como hN, xu i = 0 = hN, xv i , entonces hNv , xu i + hN, xvu i =0 hNu , xv i + hN, xuv i =0, as´ı hNu , xu i = − hN, xvu i = − hN, xuv i = hxv , Nv i . Lo que demuestra que dNp es auto-adjunto. Y la parte (a) queda demostrada. (b) Como N= xu × xv , kxu × xv k entonces N ⊥ Nu y N ⊥ Nv ; lo que muestra que Nu , Nv ∈ Tp M, por lo tanto existen escalares a, b, c, d ∈ R tales que Nu = a xu + b xv , N v = c xu + d xv (c) Por la parte (a), N u = a xu + b xv , N v = c xu + d xv , y tomando producto interior por xu , xv se tiene −e = aE + bF −f = aF + bG − f = cE + dF − g = cF + dG esto muestra que e f − f g a c E F . = b d F G Por lo tanto, −F1−1 F2 FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - = a c . b d ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 6.3. CURVATURAS PRINCIPALES 151 X ♦ Y el Teorema queda demostrado. Definici´ on 6.3.2 Sea M una 2−superficie. Si k1 , k2 son las curvaturas principales de en p, entonces (a) K = k1 k2 recibe el nombre de curvatura Gaussiana de M en p. (b) H = (k1 + k2 )/2 recibe el nombre de curvatura media de M en p. Definici´ on 6.3.3 Un punto p de una 2−superficie M se dice (a) eliptico si det(dNp ) > 0, (b) hiperb´olico si det(dNp ) < 0, (c) parab´ olico si det(dNp ) = 0 y dNp 6= 0, (d) planar si dNp = 0. Observaciones. Para una 2−superficie M y por el Teorema inmediatamente anterior se tiene 1. en cada punto p ∈ M a c b d = dNp 2. Las curvaturas principales son los autovalers de −dNp , p ∈ M 3. Como −F1−1 F2 a c , b d entonces resolviendo se tiene f F − eG EG − F 2 eF − f E b= EG − F 2 a= gF − f G EG − F 2 f F − gE d= . EG − F 2 c= 4. Si k1 , k2 son las curvaturas principales, entonces la curvatura Gaussiana satisface K = k1 k2 = det(dNp ) = eg − f 2 EG − F 2 CARLOS A. JULIO-ARRIETA 152 CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL § 6.4. Ejercicios Primera forma cuadr´ atica fundamental 1. La esfera S 2 admite las siguientes ecuaciones parametricas (ver Figura 6.8): α(θ, ϕ) = (sen θ cos ϕ, sen θ sen ϕ, cos θ), (θ, ϕ) ∈ (0, π) × (0, 2π) z θ y φ x Figura 6.8 Demostrar que E = 1, F = 0, G = sen2 θ y por lo tanto ds2 = dθ2 + sen2 θdϕ2 . 2. Las superficies siguientes se dan en forma param´etrica. a) Paraboloide hiperb´olico: x = au cosh v, y = bu senh v, z = u2 . b) Elipsoide: x = a sen u cos v, y = b sen u sen v, z = c cos u. c) Hiperboloide de dos hojas: x = a senh u cos v, y = b senh u sen v, z = c cosh u. d ) Cono: x = a senh u senh v, y = b senh u sen v, z = u2 . e) Paraboloide el´ıptico: x = au cos v, FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - y = bu sen v, z = u2 . ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE 6.4. EJERCICIOS 153 Escribrir las ecuaciones de estas superficies en la forma F (x, y, z) = 0. Calcular la primera forma cuadr´atica fundamental. 3. Demostrar que el paraboloide hiperb´olico se puede representar tambi´en por las ecuaciones x = a(u + v), y = b(u − v), z = uv, y calcular la primera forma cuadr´atica fundamental. 4. Calcular ds2 para la superficie x = u, y = v, z = uv. 5. Dada una superficie por la ecuaci´on z = f (x, y). a) Hallar la primera forma cuadr´atica fundamental y el campo vectorial unitario normal exterior a la superficie N. b) Demostrar que el elemento de a´p rea de la superficie cuya ecuaci´on de z = f (x, y) es dA = 1 + p2 + q 2 dxdy, donde p = ∂z/∂x, q = ∂z/∂y. 6. Hallar la primera forma cuadr´atica fundamental para la superficie M de ecuaci´on impl´ıcita F (x, y, z) = 0, en la que se supone que todos sus puntos son regulares. Segunda forma cuadr´ atica fundamental 7. Calcular la segunda forma cuadr´atica fundamental, las curvaturas principales, la curvatura gaussiana y media de las superficies dadas en la secci´on anterior. Ademas encuentre cuales puntos son elipticos, hiperb´olicos, parab´olicos y planares. 8. ¿Cu´al es la segunda forma cuadr´atica fundamental cuando la superficie est´a dada por la ecuaci´on z = f (x, y)? 9. Hallar los puntos umbilicales del elipsoide y demostrar que los planos tangentes en dichos puntos son paralelos a las secciones c´ıclicas de aqu´el (es decir, a los planos que cortan al elipsoide en circunferencias). CARLOS A. JULIO-ARRIETA 154 CAP´ITULO 6. PRIMERA Y SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE Ap´ endice A Particiones de la unidad § A.1. Particiones diferenciables de la unidad En el estudio de diversos temas del an´alisis global y la geometr´ıa, es de particular utilidad la t´acnica de las particiones de la unidad, ya que reduce tal estudio a uno local. Antes de entrar en materia se recuerda (a) Si A y B son subconjuntos no vac´ıos de Rn entonces la distancia entre A y B est´a dada por d(A, B) = ´ınf{|x − y| : ∀x ∈ A, ∀y ∈ B}. En particular, si x ∈ Rn , entonces la distancia de x a B est´a dada por d(x, B) = ´ınf{|x − y| : ∀y ∈ B}. (b) Sea r > 0 y x ∈ Rn . Si la bola abierta de centro x y radio r, B(x, r), es tal que B(r, x) ⊂ U para alg´ un abierto U de Rn , entonces c d(x, U ) > r. En efecto, claramenta d(x, U c ) ≥ r. Si d(x, U c ) = r, la definici´on ´ınf muestra que exsiste una sucesi´on {yn } ⊂ U c tal que |x − yn | → r, entonces {yn } est´a acotada. Por lo tanto, existe una subsucesi´on {ynk } de {yn } que converge y ∈ Rn ; como U c es cerrado y ∈ U c , y entonces por hip´otesis y 6∈ B(x, r). Por otro lado, |x − y| ≤ |x − ynk | + |ynk − y|, ∀k y tomando l´ımite cuando k → ∞, se tiene que |x − y| ≤ r. Esto demuestra que y ∈ B(x, r), que es una contradicci´on. Lema A.1.1 Dados r, q ∈ R tal que 0 < r < q, entonces existe una funci´on diferenciable ϕ : Rn → R con las siguientes propiedades: para cada x0 ∈ Rn , 155 156 ´ APENDICE A. PARTICIONES DE LA UNIDAD (a) ϕ(x) = 1, si x ∈ B(x0 , r) (b) 0 < ϕ(x) ≤ 1, si x ∈ B(x0 , q) (c) ϕ(x) = 0, si x 6∈ B(x0 , q) (y por lo tanto, ϕ(x) = 0 en el exterior de B(x0 , q) ) Demostraci´ on. Se desea construir en Rn una funci´on real que, para el 2 caso de R , se comporte como la Figura A.1. 1 q r Figura A.1 para empezar, sean r, q ∈ R con 0 < r < q y se considera la funci´on α : R → R, (ver, Figura A.2) dada por α(t) = ( 1 e− (t+r)(t+q) 0 , si t ∈ (−q, −r) , si t ∈ / (−q, −r) −q −r 0 Figura A.2 La funci´on α es una simple modificaci´on de la funci´on bien conocida 2 e−1/x y el hecho importante es que α es C ∞ en todos sus puntos (en los puntos −q y −r las derivadas de todos los ordenes son nulas). Si se toma ahora la integral (ver, Figura A.3), Z FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - t α(s)ds = γ(t) −∞ ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE A.1. PARTICIONES DIFERENCIABLES DE LA UNIDAD 157 1 −q −r 0 Figura A.3 se observa que la funci´on γ es diferenciable cuyo valor m´aximo (en el punto −r) est´a dado por Z −r α(s)ds = A −q Por lo tanto, haciendo γ(t) , A Se obtiene una funci´on diferenciable β : R → R tal que: si t ≤ −q, β(t) = 0, 0 ≤ β(t) ≤ 1, si t ∈ [−q, −r], β(t) = 1, si t ≥ −r β(t) = La funci´on pedida ϕ : Rn → R ser´a finalmente obtenida, haciendo ϕ(x) = X β(−|x − x0 |), x ∈ Rn . ♦ Teorema A.1.1 Sea X un subconjunto de Rn y {Aα } un recubrimiento abierto de X. Entonces existe una colecci´on Φ de funciones reales ϕ de clase C ∞ definidas sobre un conjunto abierto que contiene a X, con las siguientes propiedades: (a) Para cada x ∈ X, se tiene 0 ≤ ϕ(x) ≤ 1. (b) Para cada x ∈ X existe un conjunto abierto V de Rn , con x ∈ V tal que todas las funciones de Φ, excepto un n´ umero finito, se anulan en V. (c) Para cada x ∈ X, X φ(x) = 1 ϕ∈Φ (d) Para cada ϕ ∈ Φ existe α tal que sop ϕ ⊂ Aα . Donde sop ϕ = {x ∈ Rn : ϕ(x) 6= 0} CARLOS A. JULIO-ARRIETA ´ APENDICE A. PARTICIONES DE LA UNIDAD 158 En virtud de (b) para cada x, la suma en (c) es finita en un conjunto abierto que contiene a x. (Una colecci´on P hi que satisfaga las condiciones (a), (b) y (c) se denomina una bf partici´on de la unidad para X por funciones de clase C ∞ . Si Φ satisface tambi´en (d) se dice que la colecci´on de funciones Ψ es una partici´on de la unidad para X subordinada al cubrimiento abierto {Aα } de X. Demostraci´ on. Sean A= [ Aα y {x1 , · · · , xm , · · · , xm , · · · } una ordenaci´on de los puntos de A con coordenadas racionales. Para cada xi existe α tal que xi ∈ Aα y por lo tanto, exsite δxi = δi con B(xi , δi ) ⊂ B(xi , 2δi ) ⊂ Aα . Sean ψi , i = 1, 2, · · · , m, · · · , la funci´on dada por el Lema A.1.1 y asociada con B(xi , 2δi ), esto es, (a) ψi (x) = 1, si x ∈ B(xi , δi ) (b) 0 < ψi (x) ≤ 1, si x ∈ B(xi , 2δi ) (c) ψi (x) = 0, si x 6∈ B(xi , 2δi ), se define entonces ϕ1 = ψ 1 ϕ2 = (1 − ψ1 )ψ2 .. . ϕi+1 = (1 − ψ1 )(1 − ψ2 ) · · · (1 − ψi )ψi+1 .. . (A.1) Por otro lado, ϕ1 = ψ1 = 1 − (1 − ψ1 ) ϕ1 + ϕ2 = 1 − (1 − ψ1 ) + (1 − ψ1 )ψ2 = 1 − (1 − ψ1 )(1 − ψ2 ) .. . ϕ1 + · · · + ϕi+1 = 1 − (1 − ψ1 )(1 − ψ2 ) · · · (1 − ψi )(1 − ψi+1 ) .. . (A.2) La familia {ϕ1 , · · · , ϕm , · · · } cumple con las condiciones pedidas. En efecto, (a) es evidente por la construcci´on de ψi y la definici´on de ϕi . Ahora se supone que x ∈ X, entonces existe j, tal que x ∈ B(xj , δj ) y para este ´ındice ψi (y) = 1 para todo y ∈ B(xj , δj ). Luego, si m > j, las ecuaciones proporcionadas en A.1 implican que ϕm (y) = 0, lo que FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE A.1. PARTICIONES DIFERENCIABLES DE LA UNIDAD 159 muestra (b). Tambi´en, por las ecuaciones dadas en A.2, se tiene entonces que j ∞ X X ϕi (y) = 1. ϕi (y) = i=1 i=1 Lo que demuestra (c). Para ver (d) basta tener en cuenta que sop ϕi ⊂ B(xi , δi ) ⊂ Aα X ♦ para alg´ un α. Otra demostracion del Teorema A.1.1 Demostraci´ on. Cada Aα se puede S escribir como X ∩ Wα par algun conjunto abierto Wα en Rn . Sea W = α Wα y sea Kj cualquier sucesi´on encajada de subconjuntos compactos que agoten al conjunto abierto W, esto es, [ Kj = W y Kj ⊆ int (Kj+1 ) La colecci´on de todas las bolas abiertas de Rn cuya clausura est´a en al menos un Aα es un cubrimiento abierto de W. Se selecciona un n´ umero finito de tales bolas que cubren a K2 . Por el Lema A.1.1, a cada bola seleccionada se le puede encontrar una funci´on diferenciable no negativa sobre Rn que es identicamente uno sobre esa bola y cero en el exterior de un conjunto cerrado contenido en uno de los Wα . Se denotan estas funciones con η1 , η2 · · · , ηr (ver, Figura A.4). W Kj − int (Kj−1 ) Kj−2 Figura A.4 Se continua construyendo una sucesi´on de funciones inductivamente. Para j ≥ 3, el conjunto compacto Kj − int (Kj−1 ) est´a contenido en el conjunto abierto W − Kj−2 . La colecci´on de todas las bolas abiertas suficientemente peque˜ nas que tienen su clausura contenida en W − Kj−2 y en alg´ un Wα forman un CARLOS A. JULIO-ARRIETA 160 ´ APENDICE A. PARTICIONES DE LA UNIDAD cubrimiento abierto de Kj − int (Kj−1 ). Por la compacidad, se extrae un subcubrimiento finito y entonces se adiciona a la sucesi´on {ηi } una funci´on por cada bola; la funci´on es igual a uno sobre la bola y cero en el exterior de un conjunto cerrado contenido en W − Kj−2 y en alg´ u n Wα . Por construcci´on, para cada j solo un n´ umero finito de funciones ηi son diferentes de cero sobre Kj . Por lo tanto, cualquier punto de W est´a en el interior de alg´ un Kj y entonces la suma ∞ X ηj j+1 es realmente finita en un conjunto abierto de cualquier punto de W. Adem´as, almenos un t´ermino es diferente de cero en cualquier punto de W y por lo tanto, η P∞ i j=1 ηj es una funci´on diferenciable bien definida. Si θi es la restrcci´on de esta funci´on a X, entonces la familia de funciones {θi } es la buscada y el X Teorema queda demostrado. ♦ FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE Bibliograf´ıa [1] Do Carmo, M., Differential Geometry of Curves and Superfaces. Printece - Hall, New Jersy. 1976. Es un libro pr´ acticamente cl´ asico, b´asico y presenta de manera adecuada los temas de geometr´ıa diferencial en superficies inmersas en R3 , hace un buen aprovechamiento de la geometr´ıa intrinsica de las superficies bi-dimensional, adem´as deja claro el problema local y global de las superficies; como temas importantes para entrar a estudiar, con bases s´ olidas, el ´ area de la Geometrıa Diferencial. Este libro est´ ´ a escrito en 503 p´aginas y consta de 5 cap´ıtulos b´asicos que, naturalmente, deberi´an ser estudiados en un primer curso introductorio. [2] Do Carmo, M., Geometr´ıa Riemanniana. 2a Edi¸ce ao.Rio de Janeiro. Brasil. 1988. Este libro, de 299 p´aginas relativamente c´asico, presenta los temas introductorios y b´asicos de la Geometr´ıa Riemanniana, es muy ameno en su lectura, pero de cuidado. La Geometr´ıa Riemanniana es buena parte del nucleo b´asico para estudio de la Geometr´ıa diferencial, es comparable con el An´ alisis Funcional en el estudio del An´ alisis Matem´atico Teorico y Aplicado. [3] Fomenko, A. T., Symplectic Geometry. Moscuw. 1998. Es un libro de 387 p´aginas empieza el estudio de la Geometr´ıa Simplectica desde los espacios vectoriales reales de dimensi´ on par con productos interiores simplecticos y entra suavemente en el estudio de la Geometr´ıa Simpl´ectica de Variedades Diferenciables tocando posteriormente los sistemas Hamiltonianos y los m´etodos efectivos de construcci´on de sistemas completamente integrables entre otros. El autor hace agradable el estudio de la Geometr´ıa Simpl´ectica y la muestra como una area importante de la Matem´atica. ´ [4] Frankel, T., The Geometry of Physics. Cambrige University. 2001. Este libro de 666 p´aginas, muy interesante para profesionales que desean usar los M´etodos de la Geometr´ıa Diferencial como herramienta para modelar los problemas de la F´ısica Te´orica, en particular, hace un gran efuerzo para presentar, de manera adecuada, la 161 BIBLIOGRAF´IA 162 combinaci´on entre el An´ alisis Matem´atico, la Geometr´ıa y la F´ısica. Una lectura de este libro ser´ıa muy provechosa si de antemano se estudia [1]. [5] Gallot-Hullin-Lafontaine, Riemannian Geometry. 2a ed., Springer. 1990. Este libro de 284 p´agina de un buen nivel introductorio b´asico de la Geometr´ıa Riemanniana y An´ alisis Geom´etrico, tiene como base previa el estudio de los Fundamentos de Variedades Diferenciables y Grupos de Lie, por ejemplo [8]. [6] O’Neill, B., Semi-Riemannianan Geometry: Aplication to Relativity. University of California. Los Angeles California. Academic Press. 1983. 468 p´aginas. Excelente libro de Geometr´ıa SemiRiemanniana con aplicaciones especiales a la Teor´ıa de la Relatividad y a la Cosmolog´ıa. [7] Spivak, M., A comprehensive Introduction to Differential Geometry. Publish or Perish. 1990. Es una interesante recopilaci´on, 2.785 p´aginas en 5 volumenes, de estudios en Geometr´ıa Diferencial. Todo estudiante de Geometr´ıa Diferencial ha consultado muchas veces estos cinco volumenes. [8] Warner F. W., Fundations of Differentiable Manifolds and Lie Grupos. Springer. 1983. Un excelente libro de 274 p´aginas, muy importante en el ´ area de la Geometr´ıa Diferencial, contiene de manera muy adecuada y simplificada los temas de C´ alculo en Variedades necesarios para estudiar y entender comodamente Geometr´ıa Diferencial y en particular para abordar las ´ areas de Geometr´ıa SemiRiemanniana, Riemanniana, Sub-Riemanniana, An´ alisis Geom´etrico y Simpl´ectica entre otras l´ıneas espec´ıfica de la Geometr´ıa Diferencial. FAC. DE CIENCIAS Y EDU. - ´ DE CALDAS UNIV. DISTRITAL FRANCISCO JOSE
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