Kurs:Differentialgeometrie (Osnabrück 2023)/Arbeitsblatt 6/latex

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\setcounter{section}{6}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $Y$ der \definitionsverweis {Graph}{}{} zur Funktion
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f(x,y) }
{ = }{ x^2-y^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} \aufzaehlungdrei{Zeige, dass durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F(x,y,z) }
{ =} { \begin{pmatrix} y \\x\\ 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {tangentiales Vektorfeld}{}{} auf $Y$ gegeben ist. }{Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ = }{ \begin{pmatrix} 2 \\3\\ -5 \end{pmatrix} }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Berechne
\mathl{\nabla_v F}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ = }{ \begin{pmatrix} 2 \\1\\ 2 \end{pmatrix} }
{ = }{ T_PY }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Überprüfe, dass $\nabla_v F$ tangential an $Y$ in $P$ ist. }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Wir betrachten auf der zweidimensionalen \definitionsverweis {Einheitssphäre}{}{} $Y$ das \definitionsverweis {tangentiale Vektorfeld}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F \begin{pmatrix} x \\y\\ z \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} y \\-x\\ 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} \aufzaehlungdrei{Bestimme die \definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{} zu $F$ auf dem $\R^3$. }{Bestimme für den Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ = }{ \begin{pmatrix} 0 \\1\\ 0 \end{pmatrix} }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Matrix für die Abbildung \maabbeledisp {} {T_PY} { T_PY } {v} { \nabla_v F } {,} bezüglich einer geeigneten \definitionsverweis {Basis}{}{.} }{Bestimme für den Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q }
{ = }{ \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix} }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Matrix für die Abbildung \maabbeledisp {} {T_QY} { T_QY } {v} { \nabla_v F } {,} bezüglich einer geeigneten \definitionsverweis {Basis}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ W }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} $W$ \definitionsverweis {offen}{}{,} eine \definitionsverweis {differenzierbare Hyperfläche}{}{} und sei \maabb {\gamma} {I} {Y } {} eine \definitionsverweis {differenzierbare Kurve}{}{.} Zeige die folgenden Aussagen. \aufzaehlungzwei {Zu einem längs $\gamma$ \definitionsverweis {parallelen Vektorfeld}{}{} $F$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist auch
\mathl{aF}{} ein paralleles Vektorfeld. } {Zu längs $\gamma$ parallelen Vektorfelder $F , G$ ist auch
\mathl{F +G}{} ein paralleles Vektorfeld. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Hyperebene}{}{.} Zeige, dass jedes \definitionsverweis {tangentiale Vektorfeld}{}{} $F$ \zusatzklammer {das einem Vektorfeld auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \cong }{\R^{n-1} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} entspricht} {} {} \definitionsverweis {parallel}{}{} \zusatzklammer {längs jeder Kurve} {} {} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ Y }
{ =} { { \left\{ \begin{pmatrix} x \\y\\ z \end{pmatrix} \mid x^2+y^2+z^2 = 1 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die zweidimensionale \definitionsverweis {Einheitssphäre}{}{} und \maabbele {\gamma} {[0,2\pi]} {Y } {t} { \begin{pmatrix} \cos t \\0\\ \sin t \end{pmatrix} } {.} Bestimme, welche der folgenden Vektorfelder \maabbdisp {F} {[0,2\pi]} { \R^3 } {} längs $\gamma$ tangential an $Y$ und welche \definitionsverweis {parallel}{}{} sind. \aufzaehlungfuenf{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F (t) }
{ = }{ \begin{pmatrix} 2 \\0\\ 1 \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F (t) }
{ = }{ \begin{pmatrix} 0 \\5\\ 0 \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F (t) }
{ = }{ \begin{pmatrix} \cos t \\0\\ \sin t \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F (t) }
{ = }{ \begin{pmatrix} - \sin t \\0\\ \cos t \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F (t) }
{ = }{ \begin{pmatrix} t \\e^t\\ \sin t \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ W }
{ \subseteq }{ \R^3 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} $W$ \definitionsverweis {offen}{}{,} eine \definitionsverweis {differenzierbare Fläche}{}{} versehen mit einem \definitionsverweis {Einheitsnormalenfeld}{}{} $N$. Es sei \maabb {\gamma} {I} {Y } {} eine stetig differenzierbare Kurve und sei \maabbdisp {F} {I} { \R^3 } {} ein differenzierbares \definitionsverweis {tangentiales Vektorfeld}{}{} längs $\gamma$, das \definitionsverweis {parallel}{}{} sei. Zeige, dass dann auch das Vektorfeld \maabbeledisp {} {I} { \R^3 } {t} { N(\gamma(t)) \times F(t) } {,} parallel ist, wobei $\times$ das \definitionsverweis {Kreuzprodukt}{}{} im $\R^3$ bezeichnet.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ h(x,y,z) }
{ =} { x^3-2y^4-3z^5 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ = }{ h^{-1}(1) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei \maabbeledisp {\gamma} { \R} {Y } {t} { \begin{pmatrix} \sqrt[3]{ 1+3t^5 } \\0\\ t \end{pmatrix} } {,} ein differenzierbarer Weg auf $Y$. Bestimme die gewöhnliche Differentialgleichung in der Form von Bemerkung 6.10 für die \definitionsverweis {parallelen Vektorfelder}{}{} längs $\gamma$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Hyperebene}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Paralleltransport}{}{} zu jeder Kurve auf $Y$ die Identität ist, wenn man die \definitionsverweis {Tangentialräume}{}{} $T_PY$ mit $Y$ identifiziert.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ W }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} $W$ \definitionsverweis {offen}{}{,} eine \definitionsverweis {differenzierbare Hyperfläche}{}{} und sei \maabb {\gamma} {I =[a,b]} {Y } {} eine \definitionsverweis {geodätische Kurve}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Paralleltransport}{}{} längs $\gamma$ den tangentialen Vektor
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma'(a) }
{ \in }{ T_{\gamma(a)}Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in den tangentialen Vektor
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma'(b) }
{ \in }{ T_{\gamma(b)}Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} überführt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $Y$ die zweidimensionale \definitionsverweis {Einheitssphäre}{}{} und \maabb {\gamma} {[0,2\pi]} {Y } {} die \definitionsverweis {Bogenparametrisierung}{}{} eines \definitionsverweis {Großkreises}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma(0) }
{ = }{ \gamma(2 \pi) }
{ = }{ P }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass der zugehörige \definitionsverweis {Paralleltransport}{}{} die Identität auf $T_PY$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ Y }
{ =} { { \left\{ \begin{pmatrix} x \\y\\ z \end{pmatrix} \mid x^2+y^2+z^2 = 1 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die zweidimensionale \definitionsverweis {Einheitssphäre}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ = }{ \begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 2 } } \\ 0 \\ { \frac{ \sqrt{3} }{ 2 } } \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und \maabbele {\gamma} {[0,2\pi]} {Y } {t} { \begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 2 } } \cos t \\ { \frac{ 1 }{ 2 } } \sin t\\ { \frac{ \sqrt{3} }{ 2 } } \end{pmatrix} } {.} Beschreibe den \definitionsverweis {Paralleltransport}{}{} \maabb {\Psi_\gamma} { T_PY} {T_PY } {} bezüglich einer geeigneten Basis.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ W }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} $W$ \definitionsverweis {offen}{}{,} eine \definitionsverweis {differenzierbare Hyperfläche}{}{} und seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P,Q }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Punkte mit den \definitionsverweis {Tangentialräumen}{}{} \mathkor {} {T_PY} {und} {T_QY} {.} Wir betrachten die Abbildung \maabbeledisp {\varphi_{P,Q}} {T_PY} { T_QY } {v} { \pi_Q(v) } {,} die einen Tangentialvektor in $P$ als einen Vektor im umgebenden Raum $\R^n$ auffasst und anschließend auf $T_QY$ orthogonal projiziert. \aufzaehlungvier{Ist
\mathl{\varphi_{P,Q}}{} linear? }{Ist
\mathl{\varphi_{P,Q}}{} bijektiv? }{Ist
\mathl{\varphi_{P,Q}}{} eine Isometrie? }{Gibt es eine Beziehung zwischen
\mathl{\varphi_{P,Q}}{} und dem \definitionsverweis {Paralleltransport}{}{} $\Psi_\gamma$ zu einer differenzierbaren Kurve \maabb {\gamma} {[a,b]} { Y } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma(a) }
{ = }{ P }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma(b) }
{ = }{ Q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }

}
{} {}


Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ W }
{ \subseteq }{\R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{,} \maabb {h} {W} { \R } {} eine \definitionsverweis {stetig differenzierbare Funktion}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ = }{ h^{-1}(c) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die \definitionsverweis {Faser}{}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $h$ in jedem Punkt von $Y$ \definitionsverweis {regulär}{}{} sei. Zu einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nennt man die \definitionsverweis {Untergruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H }
{ \subseteq }{ \operatorname{Iso} { \left( T_PY \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die aus allen durch stückweise differenzierbaren \definitionsverweis {geschlossenen Wegen}{}{} $\gamma$ auf $Y$ von $P$ nach $P$ induzierten \definitionsverweis {Paralleltransporten}{}{} \maabbdisp {\Psi_\gamma} {T_PY} {T_PY } {} besteht, die \definitionswort {Holonomiegruppe}{} zu $P$.





\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ W }
{ \subseteq }{\R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{,} \maabb {h} {W} { \R } {} eine \definitionsverweis {stetig differenzierbare Funktion}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ = }{ h^{-1}(c) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die \definitionsverweis {Faser}{}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $h$ in jedem Punkt von $Y$ \definitionsverweis {regulär}{}{} sei. Zeige, dass die \definitionsverweis {Holonomiegruppe}{}{} zu einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in der Tat eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} der \definitionsverweis {Isometriegruppe}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Hyperebene}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {Holonomiegruppe}{}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{2}
{

Wir betrachten auf der zweidimensionalen \definitionsverweis {Einheitssphäre}{}{} $Y$ das \definitionsverweis {tangentiale Vektorfeld}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F \begin{pmatrix} x \\y\\ z \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} y \\-x\\ 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Bestimme für den Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ = }{ \begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 2 } } \\ { \frac{ 1 }{ 2 } }\\ { \frac{ 1 }{ \sqrt{2} } } \end{pmatrix} }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Matrix für die Abbildung \maabbeledisp {} {T_RY} { T_RY } {v} { \nabla_v F } {,} bezüglich einer geeigneten \definitionsverweis {Basis}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ h(x,y,z) }
{ =} { x^2+y^2-2z^7 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ = }{ h^{-1}(3) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei \maabbeledisp {\gamma} { [1,5] } { Y } {t} { \begin{pmatrix} \sqrt{3 -4t^2+2t^7 } \\2t\\ t \end{pmatrix} } {,} ein differenzierbarer Weg auf $Y$. Bestimme die gewöhnliche Differentialgleichung in der Form von Bemerkung 6.10 für die \definitionsverweis {parallelen Vektorfelder}{}{} längs $\gamma$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {Holonomiegruppe}{}{} auf der \definitionsverweis {Einheitssphäre}{}{} gleich der \definitionsverweis {Isometriegruppe}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ W }
{ \subseteq }{\R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{,} \maabb {h} {W} { \R } {} eine \definitionsverweis {stetig differenzierbare Funktion}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ = }{ h^{-1}(c) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die \definitionsverweis {Faser}{}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $h$ in jedem Punkt von $Y$ \definitionsverweis {regulär}{}{} sei. Es sei \maabbdisp {L} {\R^n} { \R^n } {} eine \definitionsverweis {lineare Isometrie}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ W' }
{ = }{ L^{-1}(W) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ Z }
{ =} { L^{-1}(Y) }
{ =} { (h \circ L)^{-1}(c) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Man erläutere, wie sich die Konzepte \definitionsverweis {paralleles Vektorfeld}{}{,} \definitionsverweis {Paralleltransport}{}{} und \definitionsverweis {Holonomiegruppe}{}{} unter $L$ verhalten.

}
{} {}