المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية


Submanifold Tangent Space  
  
2287   01:30 صباحاً   date: 13-7-2021
Author : المرجع الالكتروني للمعلوماتيه
Book or Source : www.almerja.com
Page and Part : ...


Read More
Date: 25-7-2021 2443
Date: 23-7-2021 1589
Date: 31-7-2021 1863

Submanifold Tangent Space

The tangent plane to a surface at a point p is the tangent space at p (after translating to the origin). The elements of the tangent space are called tangent vectors, and they are closed under addition and scalar multiplication. In particular, the tangent space is a vector space.

Any submanifold of Euclidean space, and more generally any submanifold of an abstract manifold, has a tangent space at each point. The collection of tangent spaces TM_p to M forms the tangent bundle TM= union _(p in M)(p,TM_p). A vector field assigns to every point p a tangent vector in the tangent space at p.

There are two ways of defining a submanifold, and each way gives rise to a different way of defining the tangent space. The first way uses a parameterization, and the second way uses a system of equations.

Suppose that f=(f_1,...,f_n) is a local parameterization of a submanifold M in Euclidean space R^n. Say,

 f:U->R^n,

(1)

where U is the open unit ball in R^k, and f(U) subset M. At the point p=f(0), the tangent space is the image of the Jacobian of f, as a linear transformation from R^k to R^n. For example, consider the unit sphere

 S^2={(y_1,y_2,y_3):y_1^2+y_2^2+y_3^2=1}

(2)

in R^3. Then the function (with the domain U={(x_1,x_2):x_1^2+x_2^2<1})

 f=(x_1,x_2,sqrt(1-x_1^2-x_2^2))

(3)

parameterizes a neighborhood of the north pole. Its Jacobian at (0,0) is given by the matrix

 [1 0; 0 1; 0 0]

(4)

whose image is the tangent space at p,

 TS^2|_((0,0,1))={(a,b,0)}.

(5)

An alternative description of a submanifold M as the set of solutions to a system of equations leads to another description of tangent vectors. Consider a submanifold M which is the set of solutions to the system of equations

f_1(x_1,...,x_n) = 0

(6)

|

(7)

f_r(x_1,...,x_n) = 0,

(8)

where k+r=n and the Jacobian of f:R^n->R^r, with f=(f_1,...,f_n), has rank r at the solutions M to f=0. A tangent vector v at a solution p is an infinitesimal solution to the above equations (at p). The tangent vector v=(v_1,...,v_n) is a solution of the derivative (linearization) of f, i.e., it is in the null space of the Jacobian.

Consider this method in the recomputation the tangent space of the sphere at the north pole. The sphere is two-dimensional and is described as the solution to single equation (3-2=1x_1^2+x_2^2+x_3^2=1. Set f_1=x_1^2+x_2^2+x_3^2-1. We want to compute the tangent space at the solution f_1(0,0,1)=0 (at the north pole). The Jacobian at this point is the 1×3 matrix [0,0,2], and its null space is the tangent space

 TS^2|_((0,0,1))={(a,b,0)}.

(9)

It appears that the tangent space depends either on the choice of parametrization, or on the choice of system of equations. Because the Jacobian of a composition of functions obeys the chain rule, the tangent space is well-defined. Note that the Jacobian of a diffeomorphism is an invertible linear map, and these correspond to the ways the equations can be changed. The basic facts from linear algebra used to show that the tangent space is well-defined are the following.

1. If A:R^k->R^k is invertible, then the image of B:R^k->R^n is the same as the image of AB.

2. If A:R^n->R^n is invertible, then the null space of B:R^n->R^r is the same as the null space of BA. More precisely, Null(BA)=A^(-1)(Null(B)).

These techniques work in any dimension. In addition, they generalize to submanifolds of an abstract manifold, because tangent vectors depend on local properties. In particular, the tangent space can be computed in any coordinate chart, because any change in coordinate chart corresponds to a diffeomorphism in Euclidean space.

The tangent space can give some geometric insight to higher-dimensional phenomena. For example, to compute the tangent space to the torus (donut) M in R^4 (which is a flat manifold), note that it can be parametrized, by

 f(x_1,x_2)=(sinx_1,cosx_1,sinx_2,cosx_2)

(10)

with domain U={(x_1,x_2):x_1^2+x_2^2<1}, near the point p=f(0,0)=(0,1,0,1). Its Jacobian at p is the matrix

 [1 0; 0 0; 0 1; 0 0],

(11)

whose image is the tangent space TM|_p={(a,0,b,0)}.

Alternatively, M is the set of solutions to equations

f_1(x_1,x_2,x_3,x_4) = x_1^2+x_2^2-1=0

(12)

f_2(x_1,x_2,x_3,x_4) = x_3^2+x_4^2-1=0.

(13)

The Jacobian at the solution p=(0,1,0,1) is the matrix

 [0 2 0 0; 0 0 0 2],

(14)

whose null space is the tangent space TM|_p={(a,0,b,0)}.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.