这里的解答并不是标准的书面解答,对于一些题目我们会相较书面解答加上一些自己的思考。为了尽量让过程完整不跳步且易懂,这些题目的解答可能会写得略长。
我们继续开始解答该部分题目。上期我们做到了 ,这期我们解答 。我们明天开始大量更新,今天还是先稍微写点。
思考题:切空间的抽象/几何定义(这是理解微分和切空间的重要习题)
习题 T
给定开集 和 。我们令 是所有通过 的 的曲线的集合。按照定义,我们有
我们在 定义如下的等价关系,其中 :
我们考虑 在上述等价关系下的等价类 :
其中,如果 ,那么在等价类的集合 中,。换句话说,我们把在 点处的切向量相同的曲线认为是同一条曲线,这就是为什么我们把这个空间称作是切空间。
证明,映射
是良好定义的并且是双射。
请将 定义为一个 -线性空间 使得上述映射为线性空间的同构。
我们把具有线性空间结构的 (它本来仅是曲线的等价类的集合)记作 。
令 , 是 的映射,。证明,映射
是良好定义的。
换句话说,通过和 复合,我们可以把 上通过 点的曲线映射称为 上通过 点的曲线。
下面是我们这期需要完成的题目:
证明,映射
是良好定义线性映射。
这个映射被称作是 切映射。
如果两个曲线 在 处拥有相同的导数(它们被划分到相同的等价类内),那么根据链式法则, 在 处也应该拥有相同的导数,这也即它们会被划分到相同的等价类内,故 是良好定义的。
我们再证明 是线性映射。
结合 中我们对等价类的加法数乘给出的定义(回忆一下,这也即 ,),我们试图“同时考虑” 和 。
先对单个 计算。我们有:
(其中 也即 Jacobi 矩阵, 也即 的微分,下同)
从而我们有如下的等式:
这会推出(利用了 是双射):
注意到由 及 的定义,我们有 三个映射均为线性映射,故 也为线性映射。
从而得证!
在 上考虑曲线
证明,,其中,我们在 上用 作为坐标系。
记 为 ,那么 也即 的映射。
容易计算得 。这和题目要求的结果并不一样!但我似乎没有找到能算出其他结果的计算方法。似乎一种可能的解释是方向导数均可表示成一些偏微分的线性组合,而这里 表示的是这组基 下的方向向量。
在 上考虑曲线
试用 的偏导数和 来表达 。
由链式法则,我们有
根据 Jacobi 矩阵的定义,我们有:
注意到 ,我们有:
两边同时作用 ,我们也就得到了:
我是培淇,我们下期再见!