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Kurs:Differentialgeometrie (Osnabrück 2023)/Arbeitsblatt 27/latex

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\setcounter{section}{27}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {p} {E} {M } {} ein \definitionsverweis {differenzierbares Vektorbündel}{}{} über einer \definitionsverweis {differenzierbaren Mannigfaltigkeit}{}{} $M$, das mit einem \definitionsverweis {linearen Zusammenhang}{}{} $\nabla$ versehen sei. Es sei $L$ eine weitere differenzierbare Mannigfaltigkeit und \maabb {\psi} {L} {M } {} eine \definitionsverweis {stetig differenzierbare Abbildung}{}{} mit dem \definitionsverweis {zurückgezogenen Zusammenhang}{}{} $\psi^*\nabla$ auf dem \definitionsverweis {zurückgezogenen Vektorbündel}{}{} $\psi^*E$ über $L$. Zeige, dass ein stetig differenzierbarer Schnitt \maabb {s} {L} {E } {} genau dann \definitionsverweis {horizontal}{}{} bezüglich $\nabla$ ist, wenn der zugehörige Schnitt \maabbdisp {s} {L} { \psi^*E } {} horizontal bezüglich $\psi^* \nabla$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {p} {M \times \R^r } {M } {} das triviale \definitionsverweis {Vektorbündel}{}{} über einer \definitionsverweis {differenzierbaren Mannigfaltigkeit}{}{} $M$ versehen mit dem \definitionsverweis {trivialen Zusammenhang}{}{} $\nabla$. Es sei $L$ eine weitere differenzierbare Mannigfaltigkeit und \maabb {\psi} {L} {M } {} eine \definitionsverweis {stetig differenzierbare Abbildung}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {zurückgezogene Zusammenhang}{}{} $\psi^*\nabla$ \zusatzklammer {auf $L \times \R^r$} {} {} ebenfalls trivial ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {p} {E} {M } {} ein \definitionsverweis {differenzierbares Vektorbündel}{}{} über einer \definitionsverweis {differenzierbaren Mannigfaltigkeit}{}{} $M$, das mit einem \definitionsverweis {linearen Zusammenhang}{}{} $\nabla$ versehen sei. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {offenes Intervall}{}{} und \maabb {\gamma} {I} {M } {} eine \definitionsverweis {stetig differenzierbare Kurve}{}{} mit dem \definitionsverweis {zurückgezogenen Zusammenhang}{}{} $\gamma^*\nabla$ auf dem \definitionsverweis {zurückgezogenen Vektorbündel}{}{} $\gamma^*E$ über $I$. Bestimme die \definitionsverweis {Christoffelsymbole}{}{} von
\mathl{\gamma^* \nabla}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Wir betrachten die trigonometrische Parametrisierung \maabbeledisp {\psi} {\R } { S^1 } {t} { \left( \cos t , \, \sin t \right) } {} des Einheitskreises. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ \in }{ [0, 2 \pi[ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert. Auf dem trivialen Vektorbündel \maabbdisp {} {S^1 \times \R^2} { S^1 } {} sei ein \definitionsverweis {linearer Zusammenhang}{}{} $\nabla$ gegeben derart, dass der längs $\psi$ \definitionsverweis {zurückgezogene Zusammenhang}{}{} $\psi^* \nabla$ durch die \definitionsverweis {Christoffelsymbole}{}{} \zusatzklammer {der Index für die einzige Ableitungsrichtung wird weggelassen} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} \tilde{\Gamma}_1^1 (t) & \tilde{\Gamma}_1^2 (t) \\ \tilde{\Gamma}_2^1(t) & \tilde{\Gamma}_2^2(t) \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & - { \frac{ c }{ 2 \pi } } \\ { \frac{ c }{ 2 \pi } } & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegeben ist. Wir betrachten zu einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q }
{ = }{ \begin{pmatrix} a \\b \end{pmatrix} }
{ \in }{ \R^2 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Abbildung \maabbeledisp {\Psi_{Q}} {\R} { S^1 \times \R^2 } {t} { \left( \cos t , \, \sin t , \, M(t) \begin{pmatrix} a \\b \end{pmatrix} \right) } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M(t) }
{ =} { \begin{pmatrix} \cos { \frac{ ct }{ 2 \pi } } & - \sin { \frac{ ct }{ 2 \pi } } \\ \sin { \frac{ ct }{ 2 \pi } } & \cos { \frac{ ct }{ 2 \pi } } \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} \aufzaehlungfuenf{Bestimme $\Psi_Q(0)$. }{Bestimme $\Psi_Q(2 \pi)$. }{Zeige, dass $\Psi_Q$ eine \definitionsverweis {horizontale Liftung}{}{} längs $\psi$ ist. }{Zeige, dass \maabbeledisp {} {\R^2} { \R^2 } {Q} { \Psi_Q(2 \pi) } {,} eine \definitionsverweis {lineare Isometrie}{}{} ist \zusatzklammer {der Basispunkt $(1,0)$ wird hier nicht aufgeführt} {} {.} }{Zeige, dass \maabbeledisp {} {\Z} { \operatorname{SL}_{ 2 } \! { \left( \R \right) } } {k} { { \left( Q \mapsto \Psi_Q(2k \pi ) \right) } } {,} ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} ist. }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme für die Kurve \maabbeledisp {\psi} {\R} { {\mathbb H} } {t} { \left( t , \, e^t \right) } {,} in die \definitionsverweis {Halbebene von Poincaré}{}{} ${\mathbb H}$ die \definitionsverweis {Christoffelsymbole}{}{} für den \definitionsverweis {zurückgezogenen Zusammenhang}{}{} \zusatzklammer {zum \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} auf ${\mathbb H}$} {} {} auf $\R$.

}
{} {}

Beachte in der folgenden Aufgabe, dass es nach Aufgabe 11.23 egal ist, ob man den Rückzug des Vektorbündels nach $Y$ direkt oder über $Z$ bestimmt.


\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {p} {E} {M } {} ein \definitionsverweis {differenzierbares Vektorbündel}{}{} über einer \definitionsverweis {differenzierbaren Mannigfaltigkeit}{}{} $M$, das mit einem \definitionsverweis {linearen Zusammenhang}{}{} $\nabla$ versehen sei. Es seien $Y,Z$ weitere differenzierbare Mannigfaltigkeiten mit \definitionsverweis {stetig differenzierbare Abbildungen}{}{}
\mathdisp {Y \stackrel{\varphi}{\longrightarrow} Z \stackrel{\psi}{\longrightarrow} M} { . }
Zeige, dass für die \definitionsverweis {zurückgezogenen Zusammenhänge}{}{} auf
\mathl{{ \left( \psi \circ \varphi \right) }^* E}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( \psi \circ \varphi \right) }^*(\nabla) }
{ =} { \varphi^* { \left( \psi^*\nabla \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{} versehen mit dem \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} und sei \maabbdisp {\gamma} {I} {M } {} eine zweifach stetig \definitionsverweis {differenzierbare Kurve}{}{.} Zeige, dass $\gamma$ genau dann eine \definitionsverweis {geodätische Kurve}{}{} ist, wenn die Ableitungskurve \maabb {\gamma'} {I} {TM } {} ein \definitionsverweis {horizontaler Schnitt}{}{} im \definitionsverweis {Tangentialbündel}{}{} $TM$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {offenes Intervall}{}{} mit einer positiven stetig differenzierbaren Funktion \maabbdisp {g} {I} { \R_+ } {,} die wir als eine \definitionsverweis {riemannsche Metrik}{}{} auf $I$ auffassen. Charakterisiere die \definitionsverweis {geodätischen Kurven}{}{} \maabbdisp {\gamma} {J} {I } {,} wobei $J$ ein weiteres Intervall bezeichnet.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme für die Kurve \maabbeledisp {\psi} {\R} { {\mathbb H} } {t} { \left( t , \, e^t \right) } {,} in die \definitionsverweis {Halbebene von Poincaré}{}{} ${\mathbb H}$ die \definitionsverweis {tangentiale Beschleunigung}{}{} für jedes $t$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{} $M$ und zwei Punkte
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P,Q }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die nicht durch eine \definitionsverweis {geodätische Kurve}{}{} verbunden werden können.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{} $M$ und zwei Punkte
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P,Q }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die durch mehrere \definitionsverweis {geodätische Kurven}{}{} miteinander verbunden werden können, die alle die gleiche Länge haben.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{} $M$ und zwei Punkte
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P,Q }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die durch mehrere \definitionsverweis {geodätische Kurven}{}{} miteinander verbunden werden können, die nicht die gleiche Länge haben.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestätige, dass das System von gewöhnlichen Differentialgleichungen zweiter Ordnung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \gamma_1^{\prime \prime} (t) }
{ =} { { \frac{ 2 }{ \gamma_2(t) } } \gamma_1'(t) \gamma_2'(t) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \gamma_2^{\prime \prime} (t) }
{ =} { - { \frac{ 1 }{ \gamma_2(t) } } \gamma_1'(t) \gamma_1'(t) + { \frac{ 1 }{ \gamma_2(t) } } \gamma_2'(t) \gamma_2'(t) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} durch die Kurven
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \gamma(t) }
{ =} { \begin{pmatrix} s+r \tanh t \\ { \frac{ r }{ \cosh t } } \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ r }
{ \in }{ \R_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gelöst wird.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten Kreise mit Mittelpunkt
\mathl{(s,0)}{} und Radius
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ r }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Charakterisiere, wann sich zwei solche Kreise schneiden.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ = }{(a,b) }
{ \in }{ {\mathbb H} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt in der \definitionsverweis {Halbebene von Poincaré}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ = }{ (v_1,v_2) }
{ \in }{ \R^2 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Tangentenvektor}{}{} an $P$. \aufzaehlungzwei {Bestimme einen Halbkreis mit Mittelpunkt auf der $x$-Achse \zusatzklammer {mit vertikalen Geraden als Extremfall} {} {,} der durch $P$ verläuft und tangential zu $\R v$ ist. } {Bestimme eine \definitionsverweis {geodätische Kurve}{}{,} die diesen Tangentenvektor realisiert. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {\psi} {L} {M } {} eine \definitionsverweis {Isometrie}{}{} zwischen \definitionsverweis {riemannschen Mannigfaltigkeiten}{}{} \mathkor {} {L} {und} {M} {.} \aufzaehlungdrei{Zeige, dass der \definitionsverweis {zurückgezogene Zusammenhang}{}{} zum \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} auf $M$ gleich dem Levi-Civita-Zusammenhang auf $L$ ist. }{Zeige, dass sich die \definitionsverweis {tangentialen Beschleunigungen}{}{} zu einer zweifach differenzierbaren Kurve \maabb {\gamma} {I} {L } {} bzw. \maabb {\psi \circ \gamma} {I} {M } {} entsprechen. }{Zeige, dass sich die \definitionsverweis {geodätischen Kurven}{}{} in $L$ und in $M$ entsprechen. }

}
{} {}


Es sei $M$ eine \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{,} wobei das \definitionsverweis {Tangentialbündel}{}{} $TM$ mit dem \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} versehen sei. Es sei \maabb {\gamma} {I} {M } {} eine \definitionsverweis {differenzierbare Kurve}{}{.} Man sagt, dass ein längs $\gamma$ definiertes differenzierbares \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{} \maabb {F} {I} { TM } {} \definitionswort {parallel längs}{} $\gamma$ ist, wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (\nabla_{\partial} F)(t) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ t }
{ \in }{ I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt.


Für die folgende Aufgabe vergleiche Aufgabe 25.13.


\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ W }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} $W$ \definitionsverweis {offen}{}{,} eine \definitionsverweis {differenzierbare Hyperfläche}{}{,} die wir auch also eine \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{} über den umgebenden Raum $\R^n$ mit dem \definitionsverweis {Standardskalarprodukt}{}{} auffassen. Es sei \maabb {\gamma} {I} {Y } {} eine \definitionsverweis {differenzierbare Kurve}{}{} und es sei \maabb {F} {I} { TY \subseteq Y \times \R^n } {} ein differenzierbares \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{} längs $\gamma$. Zeige, dass $F$ genau dann \definitionswort {parallel längs}{} $\gamma$ im Sinne von Definition 6.6 ist, wenn $F$ \definitionsverweis {parallel}{}{} längs $\gamma$ bezüglich des \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhangs}{}{} auf $TY$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{,} wobei das \definitionsverweis {Tangentialbündel}{}{} $TM$ mit dem \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} versehen sei. Es sei \maabb {\gamma} {I} {M } {} eine zweifach \definitionsverweis {differenzierbare Kurve}{}{.} Zeige, dass $\gamma$ genau dann eine \definitionsverweis {geodätische Kurve}{}{} ist, wenn die Ableitung \maabbdisp {\gamma'} {I} {TM } {} ein \definitionsverweis {paralleles Vektorfeld}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass auf dem \definitionsverweis {euklidischen Raum}{}{} $\R^n$ die \definitionsverweis {riemannsche Metrik}{}{} gleich dem \definitionsverweis {euklidischen Abstand}{}{} ist.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{4}
{

Wir betrachten $\R_+$ mit der durch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g(t) }
{ = }{ t^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {riemannschen Metrik}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {geodätischen Kurven}{}{} in $\R_+$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{6 (3+3)}
{

Wir betrachten die Kurve \maabbeledisp {\psi} {\R} { {\mathbb H} } {t} { \left( t , \, 1+t^2 \right) } {,} in die \definitionsverweis {Halbebene von Poincaré}{}{} ${\mathbb H}$. \aufzaehlungzwei {Bestimme die \definitionsverweis {Christoffelsymbole}{}{} für den \definitionsverweis {zurückgezogenen Zusammenhang}{}{} \zusatzklammer {zum \definitionsverweis {Levi-Civita-Zusammenhang}{}{} auf ${\mathbb H}$} {} {} auf $\R$. } {Bestimme die \definitionsverweis {tangentiale Beschleunigung}{}{} von $\psi$ für jedes $t$. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Bestimme die \definitionsverweis {geodätischen Kurven}{}{} auf der \definitionsverweis {hyperbolischen Kreisscheibe}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \geq }{ 2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M }
{ =} { \R^n \setminus \{P_1 , \ldots , P_m \} }
{ \subseteq} { \R^n }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} aufgefasst als \definitionsverweis {riemannsche Mannigfaltigkeit}{}{} mit dem induzierten \definitionsverweis {Standardskalarprodukt}{}{.} Zeige, dass auf $M$ die \definitionsverweis {riemannsche Metrik}{}{} gleich dem \definitionsverweis {euklidischen Abstand}{}{} ist.

}
{} {}