Riemannsche Mannigfaltigkeit/Levi-Civita-Zusammenhang/Krümmungsoperator/Eigenschaften/Fakt/Beweis

Beweis

1. Die Linearität in ${}Z$ beruht darauf, dass der Zusammenhang linear ist. Die Linearität in ${}V$ und in ${}W$ beruht auf Fakt und auf Fakt.
2. Für die Abhängigkeit in ${}V$ und ${}W$ folgt die Aussage aus Fakt. Um zu zeigen, dass auch die Abhängigkeit in ${}Z$ nur von ${}Z(P)$ abhängt, können wir von der lokalen Situation auf ${}U\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ ausgehen und ${}V=\partial _{i}$, ${}W=\partial _{j}$ und ${}Z=h\partial _{k}$ mit einer zweifach stetig differnezierbaren Funktion ${}h\colon U\rightarrow \mathbb {R}$ ansetzen. Es ist dann nach Fakt, Fakt und dem Satz von Schwarz

   ${}{\begin{aligned}&\,\,\,\,\,\,\,R{\left(\partial _{i},\partial _{j}\right)}{\left(h\partial _{k}\right)}\\&=\nabla _{\partial _{i}}{\left(\nabla _{\partial _{j}}{\left(h\partial _{k}\right)}\right)}-\nabla _{\partial _{j}}{\left(\nabla _{\partial _{i}}{\left(h\partial _{k}\right)}\right)}\\&=\nabla _{\partial _{i}}{\left(h\nabla _{\partial _{j}}\partial _{k}+{\left(\partial _{j}h\right)}\partial _{k}\right)}-\nabla _{\partial _{j}}{\left(h\nabla _{\partial _{i}}\partial _{k}+{\left(\partial _{i}h\right)}\partial _{k}\right)}\\&=h\nabla _{\partial _{i}}{\left(\nabla _{\partial _{j}}\partial _{k}\right)}+{\left(\partial _{i}h\right)}\nabla _{\partial _{j}}\partial _{k}+{\left(\partial _{j}h\right)}\nabla _{\partial _{i}}\partial _{k}+{\left(\partial _{i}\partial _{j}h\right)}\partial _{k}-h\nabla _{\partial _{j}}{\left(\nabla _{\partial _{i}}\partial _{k}\right)}-{\left(\partial _{j}h\right)}\nabla _{\partial _{i}}\partial _{k}-{\left(\partial _{i}h\right)}\nabla _{\partial _{j}}\partial _{k}-{\left(\partial _{j}\partial _{i}h\right)}\partial _{k}\\&=h\nabla _{\partial _{i}}{\left(\nabla _{\partial _{j}}\partial _{k}\right)}-h\nabla _{\partial _{j}}{\left(\nabla _{\partial _{i}}\partial _{k}\right)},\,\end{aligned}}$

   woraus hervorgeht, dass dies nur von ${}h(P)$ abhängt.
3. Ist klar aufgrund der Definition und wegen Fakt.
4. Aufgrund der Torsionsfreiheit (siehe Fakt) und der Jacobi-Identität ist

   ${}{\begin{aligned}&\,\,\,\,\,\,\,R(V,W)Z+R(W,Z)V+R(Z,V)W\\&=\nabla _{V}{\left(\nabla _{W}Z\right)}-\nabla _{W}{\left(\nabla _{V}Z\right)}-\nabla _{[V,W]}Z+\nabla _{W}{\left(\nabla _{Z}V\right)}-\nabla _{Z}{\left(\nabla _{W}V\right)}-\nabla _{[W,Z]}V+\nabla _{Z}{\left(\nabla _{V}W\right)}-\nabla _{V}{\left(\nabla _{Z}W\right)}-\nabla _{[Z,V]}W\\&=\nabla _{V}{\left([W,Z]\right)}+\nabla _{W}{\left([Z,V]\right)}+\nabla _{Z}{\left([V,W]\right)}-\nabla _{[V,W]}Z-\nabla _{[W,Z]}V-\nabla _{[Z,V]}W\\&=\nabla _{V}{\left([W,Z]\right)}-\nabla _{[W,Z]}V+\nabla _{W}{\left([Z,V]\right)}-\nabla _{[Z,V]}W+\nabla _{Z}{\left([V,W]\right)}-\nabla _{[V,W]}Z\\&=[V,[W,Z]]+[W,[Z,V]]+[Z,[V,W]]\\&=0.\,\end{aligned}}$

5. Wir können und aus Vektorfelder ${}V,W$ mit ${}[V,W]=0$ beschränken. Es ist dann nach Fakt  (2) und dem Satz von Schwarz

   ${}{\begin{aligned}&\,\,\,\,\,\,\,\left\langle R(V,W)T,Z\right\rangle \\&=\left\langle \nabla _{V}\nabla _{W}T-\nabla _{W}\nabla _{V}T,Z\right\rangle \\&=\left\langle \nabla _{V}\nabla _{W}T,Z\right\rangle -\left\langle \nabla _{W}\nabla _{V}T,Z\right\rangle \\&=-\left\langle \nabla _{W}T,\nabla _{V}Z\right\rangle +D_{V}\left\langle \nabla _{W}T,Z\right\rangle +\left\langle \nabla _{V}T,\nabla _{W}Z\right\rangle -D_{W}\left\langle \nabla _{V}T,Z\right\rangle \\&=\left\langle T,\nabla _{W}\nabla _{V}Z\right\rangle -D_{W}\left\langle T,\nabla _{V}Z\right\rangle +D_{V}{\left(-\left\langle T,\nabla _{W}Z\right\rangle +D_{W}\left\langle T,Z\right\rangle \right)}-\left\langle T,\nabla _{V}\nabla _{W}Z\right\rangle +D_{V}\left\langle T,\nabla _{W}Z\right\rangle -D_{W}{\left(-\left\langle T,\nabla _{V}Z\right\rangle +D_{V}\left\langle T,Z\right\rangle \right)}\\&=\left\langle T,\nabla _{W}\nabla _{V}Z\right\rangle -\left\langle T,\nabla _{V}\nabla _{W}Z\right\rangle \\&=-\left\langle R(V,W)Z,T\right\rangle .\,\end{aligned}}$

6. Unter Verwendung von (3), (4) und (5) ist

   ${}{\begin{aligned}&\,\,\,\,\,\,\,\left\langle R(V,W)T,Z\right\rangle \\&=-\left\langle R(T,V)W,Z\right\rangle -\left\langle R(W,T)V,Z\right\rangle \\&=\left\langle R(T,V)Z,W\right\rangle +\left\langle R(W,T)Z,V\right\rangle \\&=-\left\langle R(V,Z)T,W\right\rangle -\left\langle R(Z,T)V,W\right\rangle -\left\langle R(T,Z)W,V\right\rangle -\left\langle R(Z,W)T,V\right\rangle \\&=2\left\langle R(T,Z)V,W\right\rangle -\left\langle R(V,Z)T,W\right\rangle -\left\langle R(Z,W)T,V\right\rangle \\&=2\left\langle R(T,Z)V,W\right\rangle +\left\langle R(V,Z)W,T\right\rangle +\left\langle R(Z,W)V,T\right\rangle \\&=2\left\langle R(T,Z)V,W\right\rangle -\left\langle R(W,V)Z,T\right\rangle \\&=2\left\langle R(T,Z)V,W\right\rangle -\left\langle R(V,W)T,Z\right\rangle .\,\end{aligned}}$

   Dies ergibt die Behauptung.

Zur bewiesenen Aussage