Kurs:Mathematik (Osnabrück 2009-2011)/Teil III/Test 2/Klausur mit Lösungen

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Aufgabe * (4 Punkte)

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Der Tangentialraum in einem Punkt einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  2. Eine abgeschlossene Untermannigfaltigkeit einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  3. Ein orientierter Atlas einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  4. Die zurückgezogene Differentialform zu einer Differentialform bezüglich einer stetig differenzierbaren Abbildung zwischen zwei differenzierbaren Mannigfaltigkeiten und .
  5. Das Wegintegral zu einer -Differentialform auf einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit bezüglich einer stetig differenzierbaren Kurve .
  6. Eine positive Volumenform auf einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  7. Eine riemannsche Mannigfaltigkeit.
  8. Die äußere Ableitung zu einer stetig differenzierbaren Differentialform auf einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .

Lösung

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Der Tangentialraum in einem Punkt einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  2. Eine abgeschlossene Untermannigfaltigkeit einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  3. Ein orientierter Atlas einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  4. Die zurückgezogene Differentialform zu einer Differentialform bezüglich einer stetig differenzierbaren Abbildung zwischen zwei differenzierbaren Mannigfaltigkeiten und .
  5. Das Wegintegral zu einer -Differentialform auf einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit bezüglich einer stetig differenzierbaren Kurve .
  6. Eine positive Volumenform auf einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .
  7. Eine riemannsche Mannigfaltigkeit.
  8. Die äußere Ableitung zu einer stetig differenzierbaren Differentialform auf einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit .


 

Aufgabe * (2 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze bzw. Formeln.

  1. Es sei eine Basis des Vektorraumes . Wie sieht eine Basis des -ten Dachproduktes aus?
  2. Die universelle Eigenschaft des -ten Dachproduktes eines Vektorraums .
  3. Die Formel für die zurückgezogene Volumenform zu unter einer stetig differenzierbaren Abbildung
  4. Die Berechnung des kanonischen Volumens einer messbaren Menge einer riemannschen Mannigfaltigkeit , die ganz in einem offenen Kartengebiet liegt.

Lösung

  1. Die Dachprodukte

    zu bilden eine Basis von .

  2. Es sei ein Körper, ein - Vektorraum und . Es sei

    eine alternierende multilineare Abbildung in einen weiteren -Vektorraum .

    Dann gibt es eine eindeutig bestimmte lineare Abbildung

    derart, dass das Diagramm

    kommutiert.

  3. Die zurückgezogene Volumenform besitzt die Darstellung
  4. Es sei messbar und eine Karte mit der metrischen Fundamentalmatrix und ihrer Determinante . Dann ist


 

Aufgabe * (2 Punkte)

Es sei die Kugel mit Radius und Mittelpunkt im . Wie lautet die Formel (ohne Begründung) für

a) das Volumen der Vollkugel.

b) den Flächeninhalt der Kugeloberfläche.

Lösung

a) Das Volumen der Vollkugel ist .

b) Der Flächeninhalt der Kugeloberfläche ist .


 

Aufgabe * (6 Punkte)

Zeige, dass die Menge

eine zweidimensionale kompakte differenzierbare Mannigfaltigkeit ist.

Lösung

Wir betrachten die differenzierbare Abbildung

Die Menge ist die Faser von über . Es ist

Diese Ableitung ist nur bei gleich , und dies ist kein Punkt von , so dass in jedem Punkt von regulär ist. Daher liegt nach dem Satz über implizite Abbildungen eine zweidimensionale Mannigfaltigkeit vor.

Als Faser einer stetigen Abbildung ist eine abgeschlossene Teilmenge von . Ferner ist beschränkt. Für ist nämlich , da andernfalls wäre. Dies impliziert die Kompaktheit.


 

Aufgabe * (6 Punkte)

Zeige, dass die Tangentialabbildung zu

surjektiv ist.

Lösung

Die Abbildung ist surjektiv, es ist also lediglich zu zeigen, dass für jedes die lineare Tangentialabbildung

surjektiv ist. Da beide Räume eindimensional sind, muss gezeigt werden, dass ein von verschiedener Vektor nicht auf geht. Ein Tangentialvektor an wird realisiert durch den differenzierbaren Weg

Der verknüpfte Weg

realisiert den Bild-Tangentialvektor, und zwar ist (in der umgebenden Ebene )

und das ist nicht der Nullvektor.


 

Aufgabe * (4 Punkte)

Bestimme, ob die beiden Basen des ,

die gleiche Orientierung repräsentieren oder nicht.

Lösung

Die Vektoren

besitzen bezüglich der Standardbasis die Übergangsmatrix

deren Determinante ist

Daher repräsentiert diese Basis die Standardorientierung.

Die Vektoren

besitzen bezüglich der Standardbasis die Übergangsmatrix

deren Determinante ist

Daher repräsentiert diese Basis ebenfalls die Standardorientierung, und damit repräsentieren beide Basen die gleiche Orientierung.


 

Aufgabe * (6 Punkte)

Berechne die zurückgezogene Differentialform zu

unter der Abbildung

Lösung

Es ist

und

Damit ist


 

Aufgabe * (5 Punkte)

Berechne das Wegintegral zu

für die -Differentialform

auf dem .

Lösung

Es ist

Daher ist


 

Aufgabe * (5 Punkte)

Zeige, dass der Flächeninhalt der Rotationsfläche, die entsteht, wenn man den Graphen

um die -Achse rotieren lässt, kleiner als ist.

Lösung

Wir betrachten die Oberfläche für mit einer beliebigen negativen Zahl . Der Flächeninhalt ist nach der Rotationsformel gleich

Da sich im negativen Bereich bewegt, ist und somit ist der Integrand . Damit ist dieses Integral kleiner/gleich

Diese Abschätzung gilt auch für .


 

Aufgabe * (6 (2+2+2) Punkte)

Wir betrachten den Graph der Abbildung

als zweidimensionale abgeschlossene Untermannigfaltigkeit des , also

mit der vom induzierten riemannschen Metrik. Es sei

die zugehörige Diffeomorphie.

a) Bestimme das totale Differential zu sowie die Bildvektoren und in .

b) Bestimme für jeden Punkt der Form den Flächeninhalt des von und in aufgespannten Parallelogramms.

c) Bestimme für jeden Punkt der Form den Flächeninhalt des von und in aufgespannten Parallelogramms.

Lösung

a) Das totale Differential zu im Punkt ist

und es ist

b) und c) Zur Bestimmung des Flächeninhalts berechnen wir zunächst die Skalarprodukte der beiden Vektoren und . Es ist

und

b) Für berechnet sich der Flächeninhalt des von und in aufgespannten Parallelogramms zu

c) Für berechnet sich der Flächeninhalt des von und in aufgespannten Parallelogramms zu


 

Aufgabe * (8 Punkte)

Es sei eine kompakte differenzierbare Mannigfaltigkeit mit einer stetigen positiven Volumenform . Zeige, dass

ist.

Lösung

Zu jedem Punkt gibt es eine offene Kartenumgebung und eine Kartenabbildung

mit offen und so, dass ist mit stetig und positiv. Wir finden auch eine offene Umgebung , die homöomorph zu einem offenen Ball ist, wobei man auch annehmen kann, dass der Abschluss des Balles ganz in liegt. Der abgeschlossene Ball ist abgeschlossen und beschränkt, daher ist die stetige Funktion darauf und somit auch auf beschränkt. Es folgt, dass endlich ist, wobei eine offene Umgebung von ist.

Diese offenen Mengen überdecken . Wegen der Kompaktheit gibt es eine endliche Überdeckung

mit

Wegen der Positivität gilt somit


 

Aufgabe * (4 Punkte)

Es seien und offene Teilmengen und sei

eine stetig differenzierbare Abbildung. Es sei

eine stetig differenzierbare Funktion. Folgere aus der Kettenregel, dass

gilt, wobei das Zurückziehen von Differentialformen bezeichnet.

Lösung

Es sei und . Es ist einerseits

Andererseits ist auch


 

Aufgabe * (3 Punkte)

Berechne die äußere Ableitung der - Differentialform

auf .

Lösung

Es ist


 




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