Kurs:Differentialgeometrie (Osnabrück 2023)/Arbeitsblatt 26/latex

\setcounter{section}{26}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Die reelle Ebene sei mit der \definitionsverweis {euklidischen Struktur}{}{} und dem zugehörigen \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} versehen. Berechne
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \nabla_FG }
{ = }{ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zu den Vektorfeldern
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F(x,y) }
{ =} { \left( x^2-y^3 , \, xy+y^2 \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ G(x,y) }
{ =} { \left( e^{xy^2} , \, x^3-x^2y^5 \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {reelles Intervall}{}{} und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g(t) }
{ =} { 3+t^2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} die wir als eine \definitionsverweis {riemannsche Metrik}{}{} auf $I$ interpretieren. Bestimme die \definitionsverweis {vertikale Ableitung}{}{} \zusatzklammer {zu dem zugehörigen \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{}} {} {}
\mathl{\nabla_\partial { \left( t^3- \sin \left( t^2 \right) \right) }}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {reelles Intervall}{}{} und sei \maabbdisp {g} {I} {\R_+ } {} eine positive differenzierbare Funktion, die wir als eine \definitionsverweis {riemannsche Metrik}{}{} auf $I$ interpretieren. Bestimme die \definitionsverweis {horizontalen Schnitte}{}{} zu dem zugehörigen \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} auf $I \times \R$ \zusatzklammer {siehe Beispiel 26.4} {} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine \definitionsverweis {differenzierbare Mannigfaltigkeit}{}{} derart, dass das \definitionsverweis {Tangentialbündel}{}{} $TM$ trivial ist, und sei auf $M$ über eine differenzierbare Trivialisierung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ TM }
{ \cong }{ M \times \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \zusatzklammer {mit Hilfe des \definitionsverweis {Standardskalarproduktes}{}{} auf dem $\R^n$} {} {} eine \definitionsverweis {riemannsche Struktur}{}{} gegeben \zusatzklammer {siehe Aufgabe 16.2} {} {.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} auf $M$ der \definitionsverweis {triviale Zusammenhang}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei ${\mathbb H}$ die \definitionsverweis {Halbebene von Poincaré}{}{} mit der zugehörigen \definitionsverweis {riemannschen Struktur}{}{} und dem zugehörigen \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {vertikale Ableitung}{}{}
\mathl{\nabla_{\partial_1 + \partial_2} (G)}{} zum Vektorfeld
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ G(x,y) }
{ =} { \left( x^5-y^3+2xy , \, 4 x^2+ y^3 \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei ein \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} $\nabla$ auf dem \definitionsverweis {Tangentialbündel}{}{} $TX$ einer \definitionsverweis {differenzierbaren Mannigfaltigkeit}{}{} $X$ gegeben. Es gebe \definitionsverweis {Basisschnitte}{}{}
\mathl{V_1 , \ldots , V_n}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \nabla_{V_i} V_j - \nabla_{V_j} V_i }
{ =} { [V_i,V_j] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle $i,j$. Zeige, dass $\nabla$ \definitionsverweis {torsionsfrei}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass ein \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} auf dem \definitionsverweis {Tangentialbündel}{}{} eines offenen Intervalls
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {torsionsfrei}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{} und sei darauf eine \definitionsverweis {riemannsche Struktur}{}{} durch die Funktionen ${ \left( g_{ij} \right) }$ gegeben mit der \definitionsverweis {inversen Matrix}{}{}
\mathl{{ \left( g^{k l} \right) }}{.} Es sei $\nabla$ der durch die \definitionsverweis {Christoffelsymbole}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Gamma_{ij}^k }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } \sum_{l = 1}^n g^{kl}(\partial_ig_{jl}+\partial_jg_{il}-\partial_lg_{ij}) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebene \definitionsverweis {lineare Zusammenhang}{}{,} der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \nabla_{\partial_i} \partial_j }
{ =} { \sum_{k = 1}^n\Gamma_{ij}^k\,\partial_k }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gekennzeichnet ist. Zeige in zwei Schritten, dass $\nabla$ die Koszul-Formel aus Lemma 26.10 erfüllt. \aufzaehlungzwei {Für die Basisfelder $\partial_i$. } {Für beliebige Vektorfelder $V,W,Z$. }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $M$ eine \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{} und sei $\nabla$ ein \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} auf $TM$. Es sei vorausgesetzt, dass $\nabla$ lokal für Basisfelder $\partial_1 , \ldots , \partial_n$ die Eigenschaft
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \partial_i \left\langle \partial_j , \partial_k \right\rangle }
{ =} { \left\langle \nabla_{\partial_i} \partial_j , \partial_k \right\rangle + \left\langle \partial_j , \nabla_{\partial_i} \partial_k \right\rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle $i,j,k$ erfüllt. Zeige, dass $\nabla$ \definitionsverweis {metrisch}{}{} ist.

}
{} {}

Das Konzept eines metrischen Zusammenhangs gibt es nicht nur auf dem Tangentialbündel einer riemannschen Mannigfaltigkeit, sondern allgemeiner auf einem riemannschen Vektorbündel.

Es sei \maabb {p} {E} {M } {} ein \definitionsverweis {riemannsches Vektorbündel}{}{} über einer \definitionsverweis {differenzierbaren Mannigfaltigkeit}{}{} $M$. Ein \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} auf $E$ heißt \definitionswort {metrisch}{,} wenn auf jeder offenen Menge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ D_V \left\langle s , t \right\rangle }
{ =} { \left\langle \nabla_V s , t \right\rangle + \left\langle s , \nabla_Vt \right\rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für ein \definitionsverweis {stetig differenzierbares}{}{} \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{} $V$ und stetig differenzierbare Schnitte $s,t$ in $E$ gilt.




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {offenes Intervall}{}{} und sei \maabbdisp {p} {E = I \times \R^n } {I } {} das triviale Vektorbündel über $I$, das wir mit dem \definitionsverweis {Standardskalarprodukt}{}{} als \definitionsverweis {riemannsches Vektorbündel}{}{} auffassen. Zeige, dass ein \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} $\nabla$ auf $E$ genau dann \definitionsverweis {metrisch}{}{} ist, wenn die \definitionsverweis {Christoffelsymbole}{}{} die Bedingung \zusatzklammer {alles bezieht sich auf die einzige Ableitungsrichtung $\partial$} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Gamma_j^k }
{ =} { - \Gamma_k^j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 1 }
{ \leq }{ j,k }
{ \leq }{ n }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} erfüllen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {p} {E} {M } {} ein \definitionsverweis {riemannsches Vektorbündel}{}{} auf einer \definitionsverweis {differenzierbaren Mannigfaltigkeit}{}{} $M$ und sei $\nabla$ ein \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} auf $E$. Es sei vorausgesetzt, dass $\nabla$ lokal für die \definitionsverweis {Standardvektorfelder}{}{} $\partial_1 , \ldots , \partial_n$ und \definitionsverweis {Basisschnitte}{}{}
\mathl{s_1 , \ldots , s_r}{} von $E$ die Eigenschaft
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \partial_i \left\langle s_j , s_k \right\rangle }
{ =} { \left\langle \nabla_{\partial_i} s_j , s_k \right\rangle + \left\langle s_j , \nabla_{\partial_i} s_k \right\rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle $i,j,k$ erfüllt. Zeige, dass $\nabla$ \definitionsverweis {metrisch}{}{} ist.

}
{} {}

Für die folgende Aufgabe vergleiche Aufgabe 10.16


\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {abgeschlossene Untermannigfaltigkeit}{}{} und \maabb {\varphi} {V} {U \subseteq Y } {} eine $C^2$-diffeomorphe Parametrisierung einer offenen Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} durch eine offene Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ V }
{ \subseteq }{ \R^d }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei wir $\varphi$ auch als Abbildung nach $\R^n$ auffassen. Zeige, dass ein kommutatives Diagramm
\mathdisp {\begin{matrix} V & \stackrel{ \partial_i }{\longrightarrow} & TV & \stackrel{ T( \partial_j) }{\longrightarrow} & TTV & \\ \!\!\!\!\! \,\, \, \varphi \downarrow & & \!\!\!\!\! T(\varphi) \downarrow & & \downarrow & & \\ U & \stackrel{ }{\longrightarrow} & TU & \stackrel{ }{\longrightarrow} & TTU & \!\!\!\!\! \\ \end{matrix}} { }
vorliegt. Wie kann man die Abbildungen in den Diagonalen beschreiben?

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{2}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {reelles Intervall}{}{} und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g(t) }
{ =} { 1+t^4 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} die wir als eine \definitionsverweis {riemannsche Metrik}{}{} auf $I$ interpretieren. Bestimme die \definitionsverweis {vertikale Ableitung}{}{} \zusatzklammer {zu dem zugehörigen \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{}} {} {}
\mathl{\nabla_\partial { \left( 3e^{-t^2} + t \cos \left( t \right) - t^5 \right) }}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{2}
{

Berechne $\Gamma^1_{12}, \Gamma^2_{12}, \Gamma^1_{22}, \Gamma^2_{22}$ in Beispiel 18.8.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei ${\mathbb H}$ die \definitionsverweis {Halbebene von Poincaré}{}{} mit der zugehörigen \definitionsverweis {riemannschen Struktur}{}{} und dem zugehörigen \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {vertikale Ableitung}{}{}
\mathl{\nabla_{xy\partial_1 -2y^3 \partial_2} (G)}{} zum Vektorfeld
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ G(x,y) }
{ =} { \left( x^4-2y^2 , \, 3 x^3- \ln \left( 1+x^2y^2 \right) \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{2}
{

Es sei $\nabla$ ein \definitionsverweis {torsionsfreier}{}{} \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} auf einer offenen Menge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Durch wie viele unabhängige \definitionsverweis {Christoffelsymbole}{}{} wird er \zusatzklammer {in Abhängigkeit von $n$} {} {} bestimmt?

}
{} {}