Anschauliche Geometrie
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<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong><br />
Dr. Christian Böhning<br />
Vorlesung im Sommersemester 2009<br />
an der Georg-August-Universität zu Göttingen<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 (Tag 1) 3<br />
2 Approximation von Irrationalzahlen durch rationale 6<br />
3 Reguläre Punktsysteme und kristallographische Gruppen 10<br />
3.1 Einteilung der ebenen, diskreten Bewegungen in Klassen . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
3.2 Klassifikation der ebenen, diskontinuierlichen Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
4 Klassifikation von Typ II 13<br />
4.1 Gruppen vom Typ II.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
4.2 Gruppen vom Typ II.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
5 Diophantische Gleichungen und algebraische Kurven 15<br />
5.1 Das Problem der pythagoräischen Tripel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
5.2 Die Inversion am Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
5.2.1 Der Inversor von Peaucellier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
6 Konforme Abbildungen und der Satz von Liouville 19<br />
6.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
7 (Tag 7) 23<br />
7.1 Erster Fall: σ ≠ 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
7.2 Zweiter Fall: σ = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
8 Vortrag: Symplektische <strong>Geometrie</strong> und der Satz von Darboux 25<br />
8.1 Symplektische Vektorräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
8.2 Vektorfelder und Flüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
8.3 Symplektische Mannigfaltigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
8.4 Kommutatoren und Possionvektorfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
8.5 Der Satz von Darboux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
9 Die Geburt des Riemannschen Krümmungstensors 31<br />
1
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> Inhaltsverzeichnis 2<br />
10 Vortrag: Steiners Lösung des isoperimetrischen Problems 35<br />
11 Divisionsalgebren und Topologie I 38<br />
11.1 Die Cayley-Algebra der Oktaven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
12 Divisionsalgebren und Topologie I (Forts.) 41<br />
12.1 Die Cayley-Algebra der Oktaven (Forts.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
12.2 Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42<br />
13 Divisionsalgebren und Topologie II 44<br />
14 Divisionsalgebren und Topologie III 47<br />
15 Divisionsalgebren und Topologie IV 50
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 1 (Tag 1) 3<br />
1 (Tag 1)<br />
Betrachte die Folgen<br />
• (a n ) = 2 n , n = 1, 2, 3, . . .,<br />
• (b n ) der Anfangsziffern (im Dezimalsystem) dieser Zahlen (a n ).<br />
Nun können wir fragen:<br />
1. Kommt jemals die 7 in der Folge (b n ) vor?<br />
2. Was kommt häufiger vor, die 6 oder die 5? Präziser: Betrachte<br />
A 6 = lim<br />
n→∞<br />
#{b k | b k = 6, k ≤ n}<br />
,<br />
n<br />
analog A 5 ; existieren diese Limites und wenn ja, ist A 5 ≤ A 6 oder A 6 ≤ A 5 ?<br />
Sei x ∈ N. Dann ist [ ]<br />
x<br />
10 [log 10 x]<br />
die erste Ziffer im Dezimalsystem von x. Dabei bezeichnet für a ∈ R [a] (Gaußklammer) die<br />
größte ganze Zahl, die nicht größer als a ist.<br />
x<br />
Betrachte erst ξ := . Es gilt 1 ≤ ξ < 10 und log ξ = {log<br />
10 [log 10 x] 10 x} := log 10 x − [log 10 x]. Es<br />
ist 0 ≤ log ξ < 1. Wir haben also eine Abbildung<br />
N → [0, 1)<br />
x ↦→ {log 10 x}.<br />
Die erste Ziffer im Dezimalsystem von x ist<br />
[<br />
10 {log 10 x}] .<br />
Wenn man x durch 2x ersetzt, geht {log 10 x} über in {log 10 x + log 10 2}. Das heißt, wenn wir<br />
[0, 1) mit R und 1 identifizieren (also R/Z), dann ist die Abbildung, die wir betrachten,<br />
R/Z → R/Z<br />
a ↦→ a + log 10 2 (mod 1).<br />
Wir starten also mit α 1 = {log 10 2} und betrachten die Folge (α n ) mit<br />
α n+1 = α n + log 10 2 (mod 1), n ≥ 1.<br />
Geometrischer: R/Z ≃ S 1 (die Einheitskreislinie).<br />
Besinnen wir uns auf Frage 1 zurück. log 10 2 ist irrational. (Wäre log 10 2 = a b<br />
, a, b ∈ N, dann<br />
wäre 2 b = 10 a . In der Primfaktorzerlegung von 2 b kommt die 2 b-mal vor, in 10 a jedoch a-mal,<br />
und wegen der Eindeutigkeit der Primfaktorzerlegung folgt a = b, ein Widerspruch.)<br />
Behauptung 1. Die Folge der Punkte η, 2η, 3η, . . . auf S 1 ist dicht in S 1 (in der euklidischen<br />
Topologie).
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 1 (Tag 1) 4<br />
Beweis. Man hat einen Begriff von „Volumen“ auf S 1 (das heißt, jeder Kreisbogenabschnitt hat<br />
eine Länge), und die Abbildung<br />
f : S 1 → S 1<br />
y ↦→ y + η<br />
ist längenerhaltend. Angenommen, die Folge η, 2η, . . . wäre nicht dicht in S 1 . Dann gäbe es<br />
einen Punkt y 0 ∈ S 1 und eine Umgebung U ∋ y 0 (einen offenen Kreisbogen) so, dass U keine<br />
Punkte der Folge η, 2η, . . . enthält. Wähle nun U maximal mit der Eigenschaft, keine Punkte<br />
der Folge zu enthalten. Die Translate f(U), f 2 (U), . . . enthalten alle keine Punkte der Folge.<br />
Aber f ist längenerhaltend und S 1 hat endliche Länge; das heißt, es existiert ein N ∈ N so, dass<br />
U ∩f N (U) ≠ ∅. Ist U = f N (U), dann wäre log 10 2 rational . Ist U ∩f N (U) ≠ ∅ und U ≠ f N (U),<br />
dann ist dies ein Widerspruch zur Maximalität von U.<br />
Korollar 1.1. Die Zahl 7 kommt in der Folge (b n ) der Anfangsziffern der Zahlen (2 n ) vor.<br />
Nun zur zweiten Frage. Gegeben sei die Abbildung<br />
f : R/Z = [0, 1) → [0, 1)<br />
a ↦→ a + log 10 2 (mod 1).<br />
Sei x 0 = log 10 2. Betrachte die Folge (c n ) mit c n = f n (x 0 ). Wie sind die Werte (c n ) in [0, 1)<br />
verteilt?<br />
Behauptung 2. Die Zahlen c 0 , c 1 , c 2 , . . . sind in [0, 1) gleichverteilt.<br />
(Gleichverteilung: Ist I ∈ [0, 1) ein Teilintervall, dann ist<br />
#{c k | c k ∈ I, k ≤ n}<br />
lim<br />
n→∞ n<br />
die Länge von I.)<br />
Stimmt die Behauptung, dann ist die Antwort auf Frage 2 wie folgt: Die 6 kommt mit Häufigkeit<br />
log 10<br />
7<br />
6 vor, die 5 häufiger mit log 10 6 5 .<br />
Beweis (dass (c n ) gleichverteilt ist). Für alle Riemann-integrierbaren Abbildungen<br />
f : [0, 1) → C<br />
(∗)<br />
gilt<br />
∫ 1<br />
0<br />
1<br />
f(t) dt = lim<br />
n→∞ n<br />
n∑<br />
f(c k ).<br />
Es folgt die Gleichverteilung. (Denn: Man nehme für f die charakteristische Funktion χ I eines<br />
Teilintervalls I ⊂ [0, 1) =⇒ Gleichverteilung.)<br />
Man rechnet nach: (∗) gilt für f ≡ 1. (∗) gilt auch für f(x) = e 2πimx , m ∈ Z. Es ist ∫ 1<br />
0<br />
f(x) dx =<br />
0, daher reicht es zu zeigen:<br />
1<br />
n∑<br />
lim e 2πimkϑ = 0<br />
n→∞ n<br />
k=1<br />
k=1
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 1 (Tag 1) 5<br />
mit ϑ = log 10 2. Aber es ist<br />
1<br />
n<br />
∣ n∑ ∣∣∣∣ e 2πimkϑ = 1 ∣<br />
n ∣<br />
k=1<br />
≤ 1 n<br />
1 − e 2πim(n+1)ϑ<br />
1 − e 2πimϑ ∣ ∣∣∣∣<br />
2<br />
|1 − e 2πimϑ .<br />
|<br />
} {{ }<br />
≠0, weil ϑ irrational ist.<br />
Jede stetige Funktion f : [0, 1) → C lässt sich gleichmäßig durch trigonometrische Polynome<br />
approximieren (Fourierentwicklung):<br />
N∑<br />
f ∼ C m e 2πimx .<br />
m=0<br />
Das heißt, (∗) gilt für stetige Funktionen. Jede Treppenfunktion (im Riemannschen Sinne) lässt<br />
sich gleichmäßig durch stetige Funktionen approximieren. Es folgt die Behauptung.<br />
(Obiges Argument für Funktionen f : [0, 1] → C, Riemann-integrierbar, f(0) = f(1).)<br />
(Satz von Poincaré über die ewige Wiederkehr, Hermann Weyl.)
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 2 Approximation von Irrationalzahlen durch rationale 6<br />
2 Approximation von Irrationalzahlen durch rationale<br />
Sei α ∈ R \ Q. Frage: Wie gut kann man α approximieren durch rationale Zahlen m n<br />
, m, n ∈ Z,<br />
mit kleinem Nenner n? Speziell: Kann man eine Folge m n → α finden mit |α − m n | ≤ 1 ?<br />
n 2<br />
Das folgt aus:<br />
∀ ε ∈ R + gibt es m, n ∈ Z mit<br />
∣ α − m n ∣ ≤ ε<br />
|n| , |n| ≤ 1 ε ,<br />
oder:<br />
∀ ε ∈ R + gibt es m, n ∈ Z mit<br />
αn − m<br />
∣ ε ∣ ≤ 1 und |εn| ≤ 1.<br />
Im R 2 betrachten wir ein Gitter<br />
(das heißt, alle Vektoren<br />
Λ = Z ·<br />
( ) ( )<br />
−<br />
1<br />
α<br />
ε<br />
+ Z ·<br />
ε<br />
0 ε<br />
( ) αn−m<br />
ε<br />
∈ Λ<br />
nε<br />
für m, n ∈ Z).<br />
Obige Aufgabe bedeutet: Wir suchen einen Gitterpunkt in Λ (≠ 0), der im Quadrat mit<br />
Kantenlänge 2 und Mittelpunkt 0 liegt. Wir betrachten das von den Vielfachen der Vektoren<br />
erzeugte Gitter. Λ ist ein Einheitsgitter, das heißt, v 1 und v 2 spannen ein Parallelogramm der<br />
Fläche 1 auf (|det(v 1 , v 2 )| = 1):<br />
Definition 2.1. Ein Gitter in R 2 ist allgemein eine Menge<br />
(mit w 1 , w 2 linear unabhängig).<br />
Λ ′ = Z · w 1 + Z · w 2<br />
Satz 2.2. Ist Λ ∈ R 2 ein Einheitsgitter und Q ein Quadrat in R 2 mit Kantenlänge 2 und einem<br />
Gitterpunkt P als Mittelpunkt, dann enthält Q mindestens einen weiteren Gitterpunkt P ′ ≠ P .<br />
Beweis. Sei Λ ⊂ R 2 ein Gitter (wir sprechen immer von Einheitsgittern). Wir legen um jeden<br />
Gitterpunkt als Mittelpunkt ein Quadrat (beliebiger Ausrichtung) mit Kantenlänge s.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 2 Approximation von Irrationalzahlen durch rationale 7<br />
Behauptung 3. Wenn diese Quadrate sich nicht überlappen, dann ist s ≤ 1.<br />
Sei K ein (großer) Kreis vom Radius r um einen Gitterpunkt.<br />
f(r) sei die Anzahl der Gitterpunkte in K (oder auf dem Rand von K). Die Fläche der Quadrate<br />
mit Kantenlänge s, die Mittelpunkte in K haben, ist dann f(r) · s 2 . Alle diese Quadrate liegen<br />
aber im zu K konzentrischen Kreis vom Radius r + 2s. Es folgt f(r) · s 2 ≤ π(r + 2s) 2 =⇒<br />
f(r)<br />
πr 2<br />
· s 2 ≤ (1 + 2s<br />
r )2 . Die Behauptung folgt aus der Tatsache, dass<br />
f(r)<br />
lim<br />
r→∞ πr 2 = 1.<br />
Warum ist das so? Sicherlich ist |f(r) − πr 2 | ≤ F (r), wobei F (r) die Fläche aller Gitterparallelogramme<br />
ist, die den Kreisrand schneiden. Aber F (r) ≤ C · r (C eine Konstante). Denn:<br />
Alle Gitterparallelogramme, die zu F (r) beitragen, sind in einem Kreisring vom Durchmesser<br />
2d enthalten (mit d als Maximalabstand zweier Punkte in einem Fundamentalparallelogramm<br />
des Gitters). Es folgt<br />
lim<br />
f(r)<br />
r→∞ ∣ r 2 − π<br />
∣ = 0.<br />
Also: Legt man um jeden Gitterpunkt ein Quadrat der Kantenlänge 1 + ε, dann gibt es<br />
Überlappungen.<br />
Legen wir jetzt um jeden Gitterpunkt ein Quadrat mit Kantenlänge 1 + ε, ε > 0; dabei sollen<br />
alle Quadrate gleich ausgerichtet sein (jedes geht durch eine Verschiebung in jedes andere über).
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 2 Approximation von Irrationalzahlen durch rationale 8<br />
M, der Mittelpunkt der Strecke AB, A, B Gitterpunkte zu Quadraten, die sich überlappen,<br />
liegt in beiden Quadraten. Also: Legt man in einem Einheitsgitter Λ um einen Gitterpunkt als<br />
Mittelpunkt ein Quadrat der Kantenlänge 1+ε, ε > 0, dann enthält dieses Quadrat immer einen<br />
Punkt, der die Verbindungsstrecke zwischen zwei Gitterpunkten halbiert.<br />
Sei jetzt Λ ein Einheitsgitter und Q ein Quadrat der Kantenlänge 2 mit einem Gitterpunkt<br />
P ∈ Λ, so dass Q keinen weiteren Gitterpunkt außer P enthält (das wollen wir zu einem<br />
Widerspruch führen). Dann enthält auch für kleines ε das zu Q konzentrische Quadrat Q ′ mit<br />
Kantenlänge 2(1 + ε) keinen Gitterpunkt.<br />
Das Quadrat, das durch Stauchen von Q ′ um den Faktor 1 2<br />
entsteht, enthält einen Punkt, der<br />
die Verbindungsstrecke zwischen zweier Gitterpunkte halbiert (die Verbindungsstrecke zwischen<br />
P und einem weiteren Gitterpunkt). Sei dieser Punkt (der Halbierungspunkt) R. S liegt dann<br />
in Q ′ . Widerspruch.<br />
Das ist ein Spezialfall des Gitterpunktsatzes von Minkowski: Ist Λ ⊂ R 2 ein Einheitsgitter<br />
und Q eine konvexe zentralgeometrische Menge um 0 der Fläche ≥ 4, dann enthält Q außer 0<br />
noch einen weiteren Gitterpunkt.<br />
Exkurs (ein Problem von Sylvester): Problem: Gegeben seien endlich viele Punkte P 1 , . . . , P N<br />
in der Ebene R 2 , so dass gilt: Auf jeder Geraden P i P j durch zwei der Punkte (P i und P j ) liegt<br />
noch ein dritter Punkt P k (≠ P i und P j ).<br />
Behauptung 4. Dann liegen alle Punkte auf einer Geraden.<br />
Beweis. Betrachte alle Paare (P i P j , P k ), P k /∈ P i P j (bestehend aus einer Geraden P i P j und<br />
einem Punkt P k /∈ P i P j ) und wähle eines davon, so dass der Abstand von P k zu P i P j minimal<br />
wird.<br />
Dann enthält die Gerade durch P i und P j keinen weiteren Punkt der Menge. Angenommen,<br />
doch: Der Punkt sei Q ∈ P i P j . Mindestens zwei der Punkte Q, P i , P j liegen auf derselben Seite<br />
des Lotfußpunktes von P k auf die Gerade durch P i und P j . Also:<br />
P j hat einen kleineren Abstand von P 1 P 4 als P 1 von P 3 P 4 . Widerspruch.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 2 Approximation von Irrationalzahlen durch rationale 9<br />
Frage: Welche Eigenschaften der euklidischen Ebene mit den Begriffen „Punkt“/„Gerade“ sind<br />
für den Beweis wesentlich? Beispielsweise gilt der Satz für die Kugel oder für P(F 3 2 ) nicht.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 3 Reguläre Punktsysteme und kristallographische Gruppen 10<br />
3 Reguläre Punktsysteme und kristallographische Gruppen<br />
Definition 3.1. Ein reguläres Punktsystem in der Ebene ist eine unendliche Punktmenge, so<br />
dass gilt:<br />
1. Für einen Kreis K(r) vom Radius r in der Ebene soll die Anzahl A(r) der in K(r) enthaltenen<br />
Punkte von der Ordnung O(r 2 ) sein.<br />
2. In jedem endlichen Gebiet sollen nur endlich viele Punkte des Systems liegen.<br />
3. Jeder Punkt des Systems soll in jeden anderen durch eine Bewegung der Ebene überführt<br />
werden können, die das System als Ganzes invariant lässt.<br />
(Bewegung: Eine Abbildung der Form ( x y ) ↦→ A · ( x y ) + b, A ∈ SO 2 (R), b ∈ R 2 .)<br />
Beispiel 1. [hier Bild]<br />
Ein Gitter führt zu einer Symmetriegruppe G eines Punktsystems (Gruppe aller ebenen Bewegungen,<br />
die das System invariant lassen). Solche Gruppen G sind diskontinuierliche Bewegungsgruppen,<br />
das heißt, in jedem endlichen Gebiet von R 2 gibt es nur endlich viele unter G<br />
äquivalente Punkte (also Punkte im selben G-Orbit).<br />
Vorbemerkung:<br />
• Jede ebene Bewegung ist durch die Abbildungsvorschrift zweier verschiedener Punkte eindeutig<br />
festgelegt.<br />
• Jede ebene Bewegung ist entweder eine Translation oder eine Drehung um ein Zentrum.<br />
Beweis. Sei b ≠ id eine Bewegung, A ∈ R 2 ein Punkt, A ′ = b(A) und B der Mittelpunkt der<br />
Strecke AA ′ .<br />
[hier Bild]<br />
Es gibt zwei Fälle:<br />
1. B bleibt unter der Bewegung b fest. =⇒ b ist eine Drehung um B um π.<br />
2. B bleibt nicht fest.<br />
a) B ′ = b(B) liegt auf der Geraden AA ′ .<br />
[hier Bild]<br />
Dann ist B ′ eindeutig bestimmt:<br />
Aber B ≠ B ′ , =⇒ b ist eine Translation.<br />
b) B ′ ist nicht auf der Geraden AA ′ .<br />
[hier Bild]<br />
|AB| = |A ′ B| =⇒ |A ′ B ′ | = |A ′ B|.<br />
(M ist der Schnittpunkt der Lote auf AA ′ und A ′ B ′ in B ′ .)<br />
Dann ist b eine Drehung mit Mittelpunkt M, die A auf A ′ abbildet. Denn: Es reicht<br />
zu zeigen, dass dann auch B auf B ′ abgebildet wird. Dies folgt aus der Kongruenz<br />
△ABM ∼ = △A ′ B ′ M.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 3.1 Einteilung der ebenen, diskreten Bewegungen in Klassen 11<br />
3.1 Einteilung der ebenen, diskreten Bewegungen in Klassen<br />
I. Gruppen G, in denen alle vorkommenden Translationen dieselbe Richtung haben (oder: es<br />
gibt keine Translationen).<br />
II. Gruppen G, die 2 Translationen mit nichtparallelen Richtungen enthalten.<br />
Weitere Unterteilung:<br />
1. Gruppen G, die keine Drehung enthalten.<br />
2. Gruppen G, die Drehungen enthalten.<br />
Lemma 3.1. Enthält G eine Drehung d um einen Punkt P um Winkel α und ist der Punkt Q<br />
im selben G-Orbit wie P , dann enthält G auch die Drehung um Q um α.<br />
Beweis. [hier Bild]<br />
Es existiert eine Bewegung b in G mit b(P ) = Q. b ◦ d ◦ b −1 ist ∈ G und lässt Q fest. Daher<br />
ist b ◦ d ◦ b −1 eine Drehung um Q um den Winkel α (da sich allgemein Drehwinkel bei der<br />
Komposition addieren).<br />
Lemma 3.2. Enthält G eine Drehung um einen Winkel α und eine Translation t, dann enthält<br />
G auch die Translation t ′ , deren Richtung mit der von t den Winkel α einschließt und die vom<br />
Betrag mit t übereinstimmt.<br />
Beweis. Sei d ∈ G eine Drehung um α mit Drehpunkt A.<br />
[hier Bild]<br />
t ′ = d ◦ t ◦ d −1 führt A in C über und ist Translation (nach Addition der Drehwinkel.)<br />
3.2 Klassifikation der ebenen, diskontinuierlichen Gruppen<br />
Typ I.<br />
I.1. Sei A ein beliebiger Punkt in R 2 und A 1 ein zu A unter G äquivalenter Punkt mit<br />
minimalem Abstand zu A.<br />
[hier Bild]<br />
t sei die Translation, die A auf A 1 abbildet. Dann ist G = 〈t〉 (t erzeugt die Gruppe).<br />
. . . , A −1 , A, A 1 , A 2 , . . . sind nämlich alle zu A äquivalente Punkte wegen der Minimalität<br />
von |AA 1 |.<br />
I.2. Dies sind alle Gruppen G, die eine Drehung enthalten, aber keine Translation in nicht<br />
paralleler Richtung.<br />
I.2.a. G enthält keine Translation.<br />
Behauptung 5. Alle Drehungen in G haben denselben Drehpunkt.<br />
Angenommen, das wäre nicht so: Seien a, b Drehungen in G mit Drehpunkten<br />
A ≠ B.<br />
[hier Bild]<br />
Es folgt: bab −1 a −1 ist nach Addition der Drehwinkel die Identität oder eine Translation.<br />
Aber bab −1 a −1 (B ′ ) = B ′′ . Es folgt B ′′ ≠ B ′ , ein Widerspruch zur Annahme,<br />
G enthalte keine Translationen.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 3.2 Klassifikation der ebenen, diskontinuierlichen Gruppen 12<br />
Sei A also einziger Drehpunkt in G und Q ein weiterer Punkt.<br />
[hier Bild]<br />
Q 1 ist ein zu Q nächstliegender Punkt auf der Kreislinie (das ist möglich, da<br />
G diskontinuierlich operiert). Auf der Kreislinie liegen nur endlich viele zu Q<br />
äquivalente Punkte, zum Beispiel N viele Punkte. Es folgt α = 2π N =⇒ G =<br />
〈Drehung um A mit Winkel 2π N<br />
〉. Wir sagen: A ist N-zähliger Drehpunkt.<br />
I.2.b. G enthält eine Drehung d und eine Translation t, und alle weiteren Translationen<br />
sind zu t parallel. Aus Lemma 3.2 folgt, dass d den Drehwinkel π hat, und dass<br />
alle Drehzentren 2-zählig sind.<br />
Sei A 1 ein 2-zähliger Drehpunkt. Die Untergruppe der Translationen in G ist eine<br />
Gruppe von Typ I.1. Der Orbit von A 1 unter dieser Gruppe ist:<br />
[hier Bild]<br />
Aus Lemma 3.1 folgt, dass alla A’s 2-zählige Drehpunkte sind.<br />
Behauptung 6. Die Mittelpunkte B 1 , B 2 , . . . von A 1 A 2 , A 2 A 3 , . . . sind auch 2-<br />
zählige Drehpunkte.<br />
Beweis. Sei t eine Translation mit t(A 1 ) = A 2 . Sei ferner a 2 eine Drehung um<br />
A 2 um π. Dann ist a 2 ◦ t eine Drehung B 1 um π.<br />
Außer A n und B n gibt es keine weiteren Drehpunkte: Sei sonst A einer der Punkte<br />
A i , sei C ein weiterer Drehpunkt. Dann ist C 2-zählig. Die Drehung um A um π<br />
sei a, die Drehung um C um π sei c. Wir betrachten c ◦ a.<br />
[hier Bild]<br />
c ◦ a überführt dann A in A ′ . Also ist c ◦ a eine Translation (nach Addition der<br />
Drehwinkel), das heißt, A ′ ist einer der Punkte A j . Es folgt: C ist gleich A oder<br />
gleich B.<br />
Somit ist<br />
G = 〈Translation, die A 1 in A 2 überführt,<br />
Drehung um π um A 1 ,<br />
Drehung um π um B 1 〉.<br />
Definition 3.2. Ein Gebiet G in R 2 heißt ein Fundamentalbereich für G, wenn im Inneren von<br />
G keine 2 äquivalenten Punkte liegen und jeder Punkt zu einem aus G äquivalent ist.<br />
[hier Bilder]
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 4 Klassifikation von Typ II 13<br />
4 Klassifikation von Typ II<br />
4.1 Gruppen vom Typ II.1<br />
Gruppen G vom Typ II.1 enthalten zwei nichtparallele Translationen und keine Drehung.<br />
Sei P ∈ R 2 und t ∈ G eine Translation minimaler Länge mit t(P ) = Q.<br />
[hier Bild]<br />
Wähle Punkt R wieder mit minimalem Abstand von P unter der Zusatzvoraussetzung, dass<br />
R /∈ P Q (Gerade durch P ), t ′ Translation mit t ′ (P ) = R. Dann ist G = 〈t, t ′ 〉, denn andernfalls<br />
gibt es ein zu P QRS unter G äquivalentes Gitterparallelogramm P ′ Q ′ R ′ S ′ und einen Punkt U,<br />
der zu P äquivalent ist.<br />
[hier Bild]<br />
Es gilt o.B.d.A. U ∈ △P ′ Q ′ R ′ .<br />
Nach unserer Wahl ist |P ′ R ′ | ≥ |P ′ Q ′ |, also ist R ′ der am weitesten von P ′ entfernte Punkt<br />
in △P ′ Q ′ R ′ . Es folgt U ∈ P ′ Q ′ =⇒ U = P ′ oder Q ′ (siehe Bild 1.7.4.1).<br />
4.2 Gruppen vom Typ II.2<br />
Gruppen G vom Typ II.2 enthalten zwei nichtparallele Translationen und Drehungen.<br />
Sei T ⊂ G =⇒ T = 〈t 1 , t 2 〉 (wie Fall II.1).<br />
Sei A ein n-zähliger Drehpunkt von G (das heißt, d ∈ G ist eine Drehung um A um 2π n<br />
− 2π n ).<br />
Behauptung 7. Es gilt n ∈ {2, 3, 4, 6}.<br />
oder<br />
Beweis. Sei t ∈ G eine Translation, so dass T (A) = B minimalen Abstand hat von A.<br />
[hier Bild] B ′ = d(B)<br />
Lemma 3.2 besagte: G enthält auch eine Translation t ′ mit t ′ (A) = B ′ . t ′ ◦ t −1 ist eine<br />
Translation und überführt B in B ′ . Da aber t minimal ist, folgt |BB ′ | ≥ |AB|, also BAB ′ =<br />
2π<br />
n ≥ π 3<br />
=⇒ n ≤ 6.<br />
Behauptung 8. n = 5 kommt nicht vor.<br />
Beweis. Angenommen, A wäre 5-zähliger Drehpunkt. Sei d eine Drehung um A um den Winkel<br />
2 · 2π 5 und d(B) =: B′′ .<br />
[hier Bild]<br />
Nach Lemma 3.2 enthält G die Translation t ′′ mit t ′′ (A) = B ′′ . Sei C = (t ◦ t ′′ )(A). t ◦ t ′′ ist<br />
eine Translation, aber C liegt näher an A als B. <br />
Sei ϕ der kleinste in G vorkommende Drehwinkel. Dann gibt es vier Fälle:<br />
α: ϕ = π (Bild 1.7.4.2).<br />
β: ϕ = 2π 3<br />
γ: ϕ = π 2<br />
(Bild 1.7.4.3).<br />
(Bild 1.7.4.4).<br />
δ: ϕ = π 3<br />
(Bild 1.7.4.5).
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 4.2 Gruppen vom Typ II.2 14<br />
II.2.α In diesem Fall gibt es nur zweizählige Drehpunkte.<br />
Die Unterguppe T ⊂ G der Translationen liefert zu einem 2-zähligen Drehpunkt A äquivalente<br />
2-zählige Drehpunkte.<br />
[hier Bild]<br />
Betrachtungen zu Fall I.2.β zeigen:<br />
1. Mittelpunkte der Verbindungsstrecken zweier 2-zähliger Drehpunkte sind auch 2-<br />
zählige Drehpunkte.<br />
2. Alle 2-zähligen Drehpunkte in G werden so erhalten.<br />
Die Gruppe wird erzeugt von T und all diesen Drehungen.<br />
II.2.β In diesem Fall ist 2π 3<br />
der kleinste vorkommende Drehwinkel in G.<br />
Angenommen, π würde auch als Drehwinkel vorkommen. Dann würde auch π − 2π 3 = π 3<br />
vorkommen. Es folgt: Es gibt nur 3-zählige Drehpunkte in G.<br />
Sei A ein 3-zähliger Drehpunkt in G. Sei t mit t(A) = B eine Translation minimaler Länge<br />
in G. Sei d eine Drehung um A um 2π 3 und d(B) =: C. G enthält auch die Translation t′ ,<br />
die A in C überführt.<br />
[hier Bild]<br />
Die Untergruppe T ⊂ G der Translationen wird von t und t ′ erzeugt. T hat ABDC als<br />
Fundamentalparallelogramm. Die Diagonale AD von ABDC teilt das Parallelogramm in<br />
zwei gleichseitige Dreiecke. t ◦ d überführt A, B in B, D, daher ist t ◦ d = d ′ eine Drehung<br />
mit 2π 3<br />
als Drehwinkel um den Mittelpunkt M von ABD. Also ist M auch 3-zähliger<br />
Drehpunkt. d ′′ = d ′ ◦ t bildet A, C nach D, A ab, somit ist d ′′ eine Drehung um 2π 3<br />
um den<br />
Mittelpunkt N von ADC; (d ′′ ) −1 dreht um − 2π 3 .<br />
Behauptung 9. Es gibt keine weiteren 3-zähligen Drehpunkte in G.<br />
Beweis. Es reicht zu zeigen: Zwei 3-zählige Drehpunkte E und F haben nie kürzeren<br />
Abstand zueinander als AM.<br />
Die Drehung d ′ ◦ d −1 liefert die Translation t. Zwei entgegengesetzte Drehungen um E und<br />
F liefern eine Translation, und deren Länge verhält sich zu EF wie die Länge von t zu<br />
AM. Daher ist |EF | nicht kürzer als |AM|.<br />
II.2.γ Übung.<br />
II.2.δ Übung. (Oder in Hilbert-Cohn-Vossen nachlesen.)
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 5 Diophantische Gleichungen und algebraische Kurven 15<br />
5 Diophantische Gleichungen, ebene algebraische Kurven und<br />
Gelenkmechanismen<br />
5.1 Das Problem der pythagoräischen Tripel<br />
Das Problem der pythagoräischen Tripel besteht darin, alle ganzen Zahlen ξ, η, ζ zu finden mit<br />
ξ 2 + η 2 = ζ 2 (ξ · η · ζ ≠ 0).<br />
Sei x = ξ ζ und y = η ζ<br />
. Das Problem ist nun, alle rationalen Lösungen x, y von<br />
zu finden.<br />
[hier Bild]<br />
Wir suchen eine Abbildung<br />
und eine Abbildung<br />
x 2 + y 2 = 1<br />
Q −→ p<br />
K<br />
t ↦−→ ( ϕ(t), ψ(t) )<br />
K<br />
q<br />
−→ Q<br />
(x, y) ↦−→ g(x, y).<br />
ϕ(t), ψ(t) sind rationale Funktionen in t mit Koeffizienten aus Q. g(x, y) ist auch rationale<br />
Funktion in (x, y) mit Koeffizienten aus Q, so dass p und q zueinander invers sind. (K =<br />
{(x, y) ∈ Q 2 | x 2 + y 2 = z 2 }, p und q können unter Umständen in endlich vielen Punkten nicht<br />
definiert sein.)<br />
[hier Bild]<br />
Die Gerade durch (0, 1) und (t, 0) ist<br />
Die Schnittpunkte mit K sind<br />
Also ist die Abbildung p definiert als<br />
y = − 1 t x + 1.<br />
x 2 + (− 1 t x + 1)2 = 1<br />
(<br />
x (1 + 1 t 2 )x − 2 )<br />
= 0.<br />
t<br />
p : Q → K<br />
( )<br />
2t<br />
t ↦→<br />
1 + t 2 , t2 − 1<br />
t 2 .<br />
+ 1<br />
Umgekehrt: Ist (x 0 , y 0 ) ∈ K, so ist die Gerade durch (x 0 , y 0 ) und (0, 1) gegeben durch<br />
y = y 0 − 1<br />
x 0<br />
x + 1,
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 5.2 Die Inversion am Kreis 16<br />
und sie hat den x-Achsenabschnitt<br />
x 0<br />
1−y 0<br />
. Also ist die Abbildung q definiert als<br />
q : K → Q<br />
(x, y) ↦→<br />
x<br />
1 − y .<br />
Setzt man t = p q<br />
, p, q ∈ N, und beseitigt den Nenner, so findet man<br />
(<br />
ξ = 2 · p )<br />
· q 2 ,<br />
q<br />
( )<br />
p<br />
2<br />
η =<br />
q 2 − 1 · q 2 ,<br />
( )<br />
ζ = 1 + p2<br />
q 2 · q 2 ,<br />
also ξ = 2pq, η = p 2 · q 2 , ζ = p 2 + q 2 als alle möglichen pythagoräischen Tripel. (Zum Beispiel<br />
ergibt sich mit p = 1 und q = 2: (4, 3, 5).)<br />
Solche rationalen Parametrisierungen gibt es auch für andere Kurven, zum Beispiel y 2 =<br />
x 2 (x + 1):<br />
[hier Bild]<br />
Was sind alle rationalen Lösungen (x, y) ∈ Q 2 von y 2 = x 2 (x + 1)?<br />
[hier Bild]<br />
Der Schnittpunkt der Geraden y = tx mit der Kurve, der von (0, 0) verschieden ist, lautet:<br />
t 2 x 2 = x 2 (x + 1)<br />
=⇒ x = t 2 − 1<br />
y = t(t 2 − 1).<br />
Das heißt, alle rationalen Lösungen von y 2 = x 2 (x + 1) (außer (0, 0)) kann man in der Form<br />
( t 2 − 1, t(t 2 − 1) ) , t ∈ Q, erhalten.<br />
Bemerkung 5.1. Nicht alle ebenen algebraischen Kurven<br />
f(x, y) = 0, f Polynom in x, y,<br />
haben eine rationale Parametrisierung (zum Beispiel y 2 = (x − 1)(x − 2)(x − 3)).<br />
Das ist das Starrheitsphänomen der algebraischen Kategorie, denn f(x, y) = 0 lässt sich<br />
euklidisch lokal mit C ∞ -Funktionen auflösen (Satz über implizite Funktionen).<br />
• Wie ist der Zusammenhang von algebraischen Kurven f(x, y) = 0 in R 2 , f ∈ R[x, y], und<br />
der diskreten <strong>Geometrie</strong>?<br />
• Kann man algebraische Kurven geometrisch charakterisieren? (Zum Beispiel ist die Kurve<br />
y = sin x nicht algebraisch, weil jede zur x-Achse parallele Gerade (mit Abstand ≤ 1 von<br />
der x-Achse) die Kurve unendlich oft schneidet.)<br />
5.2 Die Inversion am Kreis<br />
Gegeben sei ein Kreis C in R 2 mit Radius r und Mittelpunkt O.<br />
[hier Bild]
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 5.2 Die Inversion am Kreis 17<br />
Die Inversion am Kreis ist die Abbildung, die P den Punkt P ′ auf der Geraden durch O und<br />
P zuordnet, der auf derselben Seite von O liegt wie P und<br />
erfüllt.<br />
[hier Bild]<br />
|OP | · |OP ′ | = r 2<br />
Satz 5.2. Durch eine Inversion am Kreis C wird<br />
(a) eine Gerade durch O in eine Gerade durch O<br />
(b) eine Gerade, die nicht durch O geht in einen Kreis durch O<br />
(c) ein Kreis durch O in eine Gerade, die nicht durch O geht<br />
(d) ein Kreis, der nicht durch O geht in einen Kreis, der nicht durch O geht<br />
abgebildet.<br />
Beweis.<br />
(a) ist klar.<br />
(b) Sei L die Gerade:<br />
[hier Bild]<br />
Sei A der Fußpunkt des Lotes von O auf L und A ′ der zu A inverse Punkt. Sei P ein<br />
weiterer Punkt auf L und P ′ sein Bildpunkt. Dann ist<br />
(c) folgt aus (b).<br />
r 2 = |OA ′ | · |OA| = |OP ′ | · |OP |<br />
=⇒ |OA′ |<br />
|OP ′ | = |OP |<br />
|OA|<br />
=⇒ △OP ′ A ′ und △OAP sind ähnlich<br />
=⇒ OP ′ A ′ ist ein rechter Winkel<br />
=⇒ P ′ liegt immer auf dem Kreis durch O mit Durchmesser |OA ′ |<br />
=⇒ Behauptung.<br />
(d) Sei K ein Kreis, der nicht durch O geht, mit Mittelpunkt M und Radius k.<br />
[hier Bild]<br />
Sei l eine Gerade durch O, die K in A und B schneidet. Wir untersuchen die Änderung<br />
der Bildpunkte A ′ und B ′ , wenn l sich um O dreht.<br />
Seien nun<br />
a = |OA|, b = |OB|,<br />
a ′ = |OA ′ |, b ′ = |OB ′ |,<br />
m = |OM|.<br />
t sei die Länge des Tangentenabschnittes von O an den Kreis K. Es ergibt sich<br />
a · a ′ = b · b ′ = r 2<br />
und a · b = t 2 (Tangensatz)<br />
(Def. der Inversionsabb.)<br />
=⇒ a′<br />
b = b′<br />
a = a2<br />
t 2 =: c2 const. (unabh. von A, B.)
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 5.2 Die Inversion am Kreis 18<br />
Wir ziehen eine Parallele durch A ′ zu BM, die OM in Q schneidet. Sei q = |OQ| und<br />
ϱ = |A ′ Q|. Dann ist<br />
q<br />
m = a′<br />
b = ϱ (Strahlensatz),<br />
k<br />
das heißt<br />
q = ma′ = mc 2 ,<br />
b<br />
ϱ = ka′<br />
b = kc2 .<br />
⎫<br />
⎪⎬<br />
⎪⎭<br />
const.<br />
Für jede Lage von A und B ist Q also immer derselbe Punkt, und |A ′ Q| ist auch immer<br />
konstant. Also ist das Bild von K ein Kreis vom Radius ϱ um Q.<br />
5.2.1 Der Inversor von Peaucellier<br />
(Peaucellier: franz. Marineoffizier, 1864.)<br />
Der Inversor von Peaucellier besteht aus starren, drehbar verbundenen Stangen:<br />
[hier Bild]<br />
O und R sind feste Punkte in der Ebene. Das Gerät besteht aus 7 Stangen, die beliebig drehbar<br />
mit Gelenken verbunden sind (4 Stangen der Länge s, 2 der Länge t und die Stange, die P und<br />
R verbindet).<br />
Satz 5.3. Beschreibt P einen Kreisbogen mit Radius |P R|, dann beschreibt Q ein Stück einer<br />
Geraden.<br />
Beweis. Es ist<br />
|OP | · |OQ| = (|OT | − |P T |)(|OT | + |P T |)<br />
= |OT | 2 − |P T | 2<br />
= (|OT | 2 + |ST | 2 ) − (|P T | 2 + |ST | 2 )<br />
= t 2 − s 2<br />
=: r 2 const.<br />
Das heißt, P und Q sind inverse Punkte bezüglich des Kreises vom Radius r um O.<br />
Satz 5.4 (Kempe, ca. 1870). Jede ebene algebraische Kurve kann stückweise durch einen geeigneten<br />
Gelenkmechanismus erzeugt werden. (Kempe „How to draw a straight line“, Bleschke<br />
„Ebene Kinematik“.)
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 6 Konforme Abbildungen und der Satz von Liouville 19<br />
6 Konforme Abbildungen und der Satz von Liouville über<br />
winkeltreue Abbildungen des Raumes<br />
Definition 6.1. Eine C ∞ -Abbildung<br />
f : U → R n<br />
mit U ⊂ R n offen heißt konform, falls der (nichtorientierte) Winkel von Vektoren v 1 , v 2 in T p U<br />
gleich ist dem von df p (v 1 ), df p (v 2 ) eingeschlossenen Winkel.<br />
[hier Bild]<br />
Jede C ∞ -Abbildung von R nach R ist konform.<br />
Satz 6.2. Sei U ⊂ C ein Gebiet und f : U → C. Dann sind äquivalent:<br />
1. f ist winkeltreu (konform) in U.<br />
2. f ist holomorph oder antiholomorph in U und f ′ (z) ≠ 0 (bzw. f ′ (z) ≠ 0) für alle z ∈ U.<br />
3. Sei A : C → C R-linear und injektiv. A ist winkeltreu genau dann, wenn |w||z|〈Aw, Az〉 =<br />
|Aw||Az|〈w, z〉 für alle w, z ∈ C.<br />
Beweis. Folgende Aussagen sind zu den obigen äquivalent:<br />
1. A : C → C ist winkeltreu.<br />
2. ∃ a ∈ C ∗ : ∀ z ∈ C : A(z) = az oder A(z) = az.<br />
3. ∃ s ∈ R >0 : ∀ w, z ∈ C : 〈Aw, Az〉 = s〈w, z〉.<br />
• (1) =⇒ (2): Sei a := A(1) ∈ C ∗ . Mit b := a −1 A(i) gilt:<br />
0 = 〈i, 1〉 = 〈A(i), A(1)〉 = 〈ab, a〉<br />
= |a| 2 Rb<br />
=⇒ b = ir, r ∈ R.<br />
Es ist 〈A(1), A(z)〉 = 〈a, a(x + iry)〉 = |a| 2 x (mit z = x + iy), das heißt, aus<br />
wird<br />
also<br />
Es folgt r = ±1, A(z) = a(x ± iy).<br />
|1||z| · 〈A(1), A(z)〉 = |A(1)||A(z)|〈1, z〉<br />
|x + iy||a| 2 x = |a||a(x + iry)|x,<br />
|x + iy| = |x + iry| ∀ x ∈ C : x ≠ 0.<br />
• (2) =⇒ (3): Es ist 〈aw, az〉 = |a| 2 〈w, z〉 und 〈w, z〉 = 〈w, z〉, das heißt stets 〈A(w), A(z)〉 =<br />
s〈w, z〉 und s = |a| 2 > 0.<br />
• (3) =⇒ (1):<br />
|A(z)| = √ s|z| =⇒ A ist injektiv (bijektiv) und<br />
|w||z|〈A(w), A(z)〉 = |w||z|〈w, z〉 = |Aw||Az|〈w, z〉.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 6 Konforme Abbildungen und der Satz von Liouville 20<br />
Der vorige Satz folgt sofort, weil holomorphe bzw. antiholomorphe Funktionen solche mit<br />
C-linearem oder mit C-antilinearem Differential sind. Zum Beispiel:<br />
f : C ∗ → C ∗<br />
z ↦→ z 2 .<br />
Es ist n = Rf = x 2 − y 2 , v = If = 2xy. Geraden x = a, y = b werden auf Parabeln abgebildet<br />
(mit Nullpunkt als Brennpunkt):<br />
[hier Bild]<br />
n = a, v = b in der (n, v)-Ebene gehen unter f −1 über in Hyperbeln mit Koordinatenachsen<br />
bzw. Diagonalen als Asymptoten:<br />
[hier Bild]<br />
Man kann auch sagen: Unter konformen Abbildungen werden kleine Kreise auf kleine Kreise<br />
abgebilet und nicht zu Ellipsen verzerrt.<br />
[hier Bild]<br />
Es gibt „ziemlich viele“ biholomorphe Abbildungen, zum Beispiel:<br />
Satz 6.3 (Riemannscher Abbildungssatz). Ist U ⊂ C ein Gebiet, U ≠ C, und ist U homöomorph<br />
zur Einheitskreisscheibe, dann ist U biholomorph zur Einheitskreisscheibe.<br />
[hier Bild]<br />
Was sind die winkeltreuen Abbildungen f : U → R n , n ≥ 3 (U ⊂ R n )?<br />
Bemerkung 6.4. f : U → R n ist konform genau dann, wenn<br />
∀ p ∈ U ∀ v 1 , v 2 ∈ T p U : 〈df p (v 1 ), df p (v 2 )〉 = λ(p) 2 〈v 1 , v 2 〉<br />
(⊛)<br />
mit λ : U → R >0 .<br />
Beweis. • „⇐=“: |df p (v)| 2 = λ 2 |v| 2 ∀ v ∈ T p U, das heißt<br />
(<br />
)<br />
cos df p (v 1 ), df p (v 2 )<br />
= cos 〈v 1 , v 2 〉.<br />
(#)<br />
• „=⇒“: (#) impliziert, dass df p ein Dreieck in T p U mit Eckpunkt p in ein ähnliches Dreieck<br />
in T f(p) R n abbildet. Es folgt |df p (v)| 2 = λ 2 |v| 2 für alle v ∈ T p U. Es gilt auch (⊛) (auf<br />
v = v 1 + v 2 anwenden).<br />
Beispiele 1. 1. Isometrien von R n (Translation gefolgt von orthogonaler linearer Abbildung)<br />
sind konform mit λ ≡ 1.<br />
2. Streckungen f : R n → R n , x ↦→ λx, λ > 0, sind konform mit Faktor λ.<br />
3. Inversion bezüglich der (Einheits-)Sphäre um p 0 ∈ R n :<br />
Geometrisch:<br />
[hier Bild]<br />
f(p) = p − p 0<br />
|p − p 0 | 2 + p 0, p ∈ R n \ {p 0 }.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 6 Konforme Abbildungen und der Satz von Liouville 21<br />
Es ist |f(p) − p 0 ||p − p 0 | = r 2 = 1. f ist konform, denn<br />
das heißt |df p (v)| 2 =<br />
v ∈ T p U =⇒ df p (v) = v|p − p 0| 2 − 2〈v, p − p 0 〉(p − p 0 )<br />
|p − p 0 | 4 ,<br />
〈v,v〉<br />
|p−p 0 〉 4 , also ist f konform mit Faktor λ(p) = 1<br />
|p−p 0 | 2 .<br />
Satz 6.5 (Liouville). Jede konforme Abbildung f : U → R n , n ≥ 3 und U ⊂ R n und zusammenhängend,<br />
ist (Einschränkung einer) Komposition von Isometrien, Streckungen und Inversionen<br />
(und zwar in der Weise, dass höchstens eine Isometrie, eine Streckung, eine Inversion in der<br />
Komposition vorkommt).<br />
Beweis. Sei a 1 = (1, 0, . . . , 0), . . . , a n = (0, . . . , 0, 1) die Standardbasis des R n , (x 1 , . . . , x n ) entsprechende<br />
Koordinaten und e 1 , . . . , e n parallele Vektorfelder auf U mit 〈e i , e j 〉 = δ ij in jedem<br />
Punkt.<br />
[hier Bild]<br />
Dann ist<br />
〈<br />
〉<br />
df p (e i ), df p (e k ) = λ(p) 2 δ ij , i, k = 1, . . . , n. (6.1)<br />
Betrachte d 2 f, das heißt die symmetrische Bilinearform d 2 f : R n ×R n → R n mit d 2 f(a i , a j ) =<br />
∂ 2 f<br />
∂x i ∂x j<br />
(p) (alles ist jetzt bei p). Differenzieren wir (6.1), erhalten wir (für i, j, k paarweise verschieden):<br />
〈d 2 f(e i , e j ), df(e k )〉 + 〈df(e i ), d 2 f(e k , e j )〉 = 0,<br />
〈d 2 f(e j , e k ), df(e i )〉 + 〈df(e j ), d 2 f(e i , e k )〉 = 0,<br />
〈d 2 f(e k , e i ), df(e j )〉 + 〈df(e k ), d 2 f(e j , e i )〉 = 0.<br />
Es folgt 〈d 2 f(e k , e j ), df(e i )〉 = 0 (i, j, k verschieden) und also, dass d 2 f(e k , e j ) in der von df(e j )<br />
und df(e k ) aufgespannten Ebene liegt:<br />
d 2 f(e k , e j ) = µdf(e k ) + νdf(e j ).<br />
Da 〈df(e k ), df(e k )〉 = 〈df(e j ), df(e j )〉 = λ 2 , folgt<br />
Somit ist<br />
µ = 〈d2 f(e k , e j ), df(e k )〉<br />
λ 2 = λdλ(e j)<br />
λ 2<br />
= dλ(e j)<br />
,<br />
λ<br />
ν = dλ(e k)<br />
.<br />
λ<br />
d 2 f(e k , e j ) = 1 λ<br />
(<br />
)<br />
df(e k )dλ(e j ) + df(e j )dλ(e k ) . (6.2)<br />
Sei im folgenden ϱ := 1 λ . Wir berechnen d2 (ϱf). Es ist d(ϱf) = ϱdf + dϱf, also wegen (6.2)<br />
d 2 (ϱf)(e k , e j ) = d 2 ϱ(e k , e j )f + ϱd 2 f(e k , e j ) + dϱ(e k )df(e j ) + dϱ(e j )df(e k )<br />
= d 2 ϱ(e k , e j )f + ϱd 2 f(e k , e j ) − ϱ 2 (dλ(e k )df(e j ) + dλ(e j )df(e k ))<br />
= d 2 ϱ(e k , e j )f.<br />
(6.3)
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 6.1 Zusammenfassung 22<br />
Behauptung 10. d 2 ϱ(e k , e j ) = 0 für alle k ≠ j.<br />
Beweis. Wir berechnen die symmetrische Trilinearform<br />
d 3 (ϱf) : R n × R n × R n → R n<br />
mit<br />
d 3 (ϱf)(a i , a j , a k ) =<br />
∂3 (ϱf)<br />
∂x i ∂x j ∂x k<br />
.<br />
(6.3) =⇒ d 3 (ϱf)(e k , e j , e i ) = d 3 ϱ(e k , e j , e i )f + d 2 ϱ(e k , e j )df(e i )<br />
} {{ }<br />
symmetrisch in i,j,k<br />
=⇒ d 2 ϱ(e k , e j )df(e i ) = d 2 ϱ(e k , e i )df(e j ).<br />
Aber df(e i ) und df(e j ) sind linear unabhängig, daher folgt d 2 ϱ(e k , e j ) = 0 für alle k ≠ j.<br />
Wir können e 1 , . . . , e n so wählen, dass sie, bei p fest, ein vorgegebenes Orthonormalsystem<br />
bilden, und d 2 ϱ(e k , e j ) = 0 gilt dann für jedes solche.<br />
(<br />
0 = d 2 ej + e k<br />
ϱ √ , e )<br />
j − e<br />
√ k<br />
2 2<br />
= 1 (<br />
)<br />
d 2 ϱ(e j , e j ) − d 2 ϱ(e k , e k )<br />
2<br />
=⇒ d 2 ϱ(e j , e j ) = d 2 ϱ(e k , e k ) ∀ k ≠ j.<br />
6.1 Zusammenfassung<br />
Für alle p ∈ U und für alle e 1 , . . . , e n orthonormal bei p gilt d 2 ϱ(e j , e k ) = σ(p)δ jk . Speziell:<br />
Für i ≠ j gilt<br />
∂ 2 ϱ<br />
∂x i ∂x j<br />
= σ(p)δ ij mit ϱ = 1 λ . (6.4)<br />
∂σ<br />
∂x i<br />
=<br />
und es folgt σ = const.! Damit ist<br />
∂ 3 ϱ<br />
∂x i ∂x j ∂x j<br />
=<br />
∂ 3 ϱ<br />
∂x j ∂x i ∂x j<br />
= 0,<br />
∂ 2 ϱ<br />
∂x i ∂x j<br />
= σδ ij mit σ = const. (⋆)
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 7 (Tag 7) 23<br />
7 (Tag 7)<br />
Im letzten Kapitel hatten wir in Gleichung (⋆) gesehen, dass<br />
∂ 2 ϱ<br />
∂x i ∂x j<br />
= σδ ij<br />
mit σ = const.<br />
Wir betrachten die Fälle σ ≠ 0 und σ = 0 getrennt.<br />
7.1 Erster Fall: σ ≠ 0<br />
Wir haben nun<br />
ϱ = σ 2<br />
mit b i , c Konstanten, denn es gilt<br />
n∑<br />
x 2 i + σ ∑ b i x i + c (7.1)<br />
i=1<br />
∂ 2 ϱ<br />
∂x 2 i<br />
= σ =⇒ ∂ϱ<br />
∂x i<br />
= σx i + σb i<br />
mit b i als Funktion, die nicht von x i abhängt. Desweiteren ist<br />
∂ 2 ϱ<br />
∂x j ∂x i<br />
= 0<br />
mit j ≠ i, das heißt, b i hängt auch nicht von x j ab. Also ist b i konstant. Es folgt<br />
ϱ = 1 2 σx2 i + σb i x i + ϕ i .<br />
ϕ i hängt nicht von x i ab. Da<br />
gilt auch<br />
für j, k, l ≠ i. Induktiv folgt (7.1).<br />
Ist jetzt σ ≠ 0, folgt aus (7.1)<br />
∂ϱ<br />
∂x j<br />
= ∂ϕ i<br />
∂x j<br />
,<br />
∂ 2 ϕ i<br />
∂x k ∂x l<br />
= σδ kl<br />
1<br />
λ(p) = ϱ(p) = a 1 |p − p 0 | 2 + k 1<br />
mit a 1 = σ 2 und k 1 = const. und p 0 ∈ R n fest (entspricht den b’s). Wenn wir nun k 1 = 0 zeigen,<br />
ist der Beweis für σ ≠ 0 fertig, denn: Sei g : U → R n , g(p) = p−p 0<br />
|p−p 0 | + p 0 die Inversion an der<br />
Einheitssphäre um p 0 . h := g ◦ f −1 ist konform mit Koeffizient a 1 |p − p 0 | 2 1 · = a<br />
|p−p 0 | 2 1 , das<br />
heißt, h ist eine Isometrie komponiert mit einer Streckung. Warum ist k 1 = 0? Wenden wir das<br />
ganze vorige Argument auf f −1 an, so folgt (mit a 2 , k 2 = const.):<br />
λ = a 2 |f(p) − q 0 | 2 + k 2<br />
) )<br />
=⇒<br />
(a 1 |p − p 0 | 2 + k 1<br />
(a 2 |f(p) − q 0 | 2 + k 2 = 1.<br />
(7.2)<br />
(7.2) zeigt, dass f Sphären mit Mittelpunkt p 0 abbildet auf Sphären mit Mittelpunkt q 0 .<br />
[hier Bild]
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 7.2 Zweiter Fall: σ = 0 24<br />
Weil f winkeltreu ist, bildet f Radien der ersten Sphäre auf Radien der zweiten Sphäre ab<br />
(bzw. Geraden durch p 0 auf Geraden durch q 0 ).<br />
Sei p : [0, s 0 ] → R n die Parametrisierung eines Streckenabschnitts auf einem Radius der<br />
ersten Familie von Sphären, s ∈ [0, s 0 ] sei die Bogenlänge. Sei f ◦ p(s) das Bild. Die Länge der<br />
Bildstrecke ist<br />
∫ s0<br />
( )∣ ∫ dp ∣∣∣ s0<br />
∣ df ds<br />
ds =<br />
0 ds<br />
0 a 1 |p(s) − p 0 | 2 + k 1<br />
= |f(p(s 0 )) − f(p(0))| .<br />
Angenommen, k 1 ≠ 0. Dann ist |f(p(s 0 )) − f(p(0))| transzendente Funktion von |p(s 0 ) − p 0 |.<br />
Aber (7.2) impliziert eine algebraische Funktion. Also ist k 1 = 0.<br />
7.2 Zweiter Fall: σ = 0<br />
Nun ist<br />
1<br />
2 = ϱ = ∑ a i x i + c 1 = A 1 (x) + c 1<br />
mit c 1 , a i = const. Das Argument für f −1 ist λ = A 2 (f(x)) + c 2 .<br />
(A 1 (x) + c 1 ) · (A 2 (x) + c 2 ) = 1, (7.3)<br />
das heißt, f bildet Ebenen, die parallel zu A 1 (x) = 0 sind, ab auf Ebenen, die parallel zu<br />
A 2 (y) = 0 sind.<br />
[hier Bild]<br />
f bildet die Gerade durch 0, die senkrecht auf A 1 (x) = 0 steht, ab auf die Gerade, die senkrecht<br />
auf A 2 (x) = 0 steht und durch 0 geht.<br />
Sei wieder p : [0, s 0 ] → R n ein nach der Bogenlänge parametrisiertes Streckenstück auf der<br />
Geraden im Urbild. Dann ist<br />
|f(p(s 0 )) − f(p(0))| =<br />
∫ s0<br />
0<br />
1<br />
A 1 (p(s 0 )) + c 1<br />
ds.<br />
Angenommen, A 1 ≠ 0. Dann ist |f(p(s 0 )) − f(p(0))| eine transzendente Funktion von |p(s 0 ) − p(0)|.<br />
Das ist ein Widerspruch zu Gleichung (7.3), die zeigt: |f(p(s 0 )) − f(p(0))| ist algebraische Funktion<br />
von |p(s 0 ) − p(0)|. Das heißt σ = 0 =⇒ λ = c 1 = const. Also ist f die Komposition einer<br />
Streckung und einer Isometrie.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 8 Vortrag: Symplektische <strong>Geometrie</strong> und der Satz von Darboux 25<br />
8 Vortrag: Symplektische <strong>Geometrie</strong> und der Satz von Darboux<br />
8.1 Symplektische Vektorräume<br />
Gehalten von Sebastian Vollmer.<br />
Definition. Ein Vektorraum V über einem Körper K mit char(K) = 0 heißt symplektischer<br />
Vektorraum, wenn er mit einer symplektischen Form ω versehen ist. ω ist eine alterniernde, nicht<br />
ausgeartete Bilinearform, das heißt, es gilt ω(v, v) = 0 für alle v ∈ V und ω(v, w) = 0 =⇒ w = 0<br />
für alle v, w ∈ V .<br />
Beispiel. Sei V = R 2n und ω = ∑ n<br />
i=1 p i ∧ q i , dann ist ω antisymmetrisch. Sei y = (y 1 , . . . , y 2n ) ≠<br />
1<br />
1<br />
0, dann ist y i ≠ 0 für ein i. Ist i ≤ n, setze z = e i+n y i<br />
; ist i > n, setze z = −e i−n y i<br />
. Dann gilt<br />
nach Definition ω(y, z) = 1.<br />
Definition. v und w heißen schieforthogonal v∠w :⇔ ω(v, w) = 0. Sei U ⊂ V ein Untervektorraum.<br />
Dann ist U ∠ := {v ∈ V | ω(v, u) = 0 für alle u ∈ U} der zu U schieforthogonale<br />
Vektorraum.<br />
Definition. Eine Basis B mit<br />
heißt symplektische Basis.<br />
ω B =<br />
(<br />
0<br />
)<br />
E<br />
−E 0<br />
Satz. Sei V ein symplektischer Vektorraum. Dann gilt dim V = 2n, und für ein beliebiges p 1 ∈ V<br />
existieren p 2 . . . p n , q 1 , . . . , q n ∈ V, so dass B = (p 1 . . . p n , q 1 . . . q n ) eine symplektische Basis ist.<br />
Beweis. Da ω nicht ausgeartet ist, gibt es ein q 1 , so dass ω(p 1 , q 1 ) ≠ 0 wegen der Normierung<br />
ω(p 1 , q 1 ) = 1 angenommen werden kann. Sei U := 〈p 1 , q 1 〉. Dann gilt V = U ⊕ U ∠ , da v −<br />
ω(v, q 1 )p 1 + ω(v, p 1 )q 1 ∈ U ∠ . U ∠ ist mit ω auch ein symplektischer Vektorraum, da ω auf U ∠<br />
alternierend ist und aus der Ausgeartetheit von ω auf U ∠ die Ausgeartetheit auf V folgen würde.<br />
Wiederhole den Vorgang bis dim U ∠ = 0 oder dim U ∠ = 1. Im ersten Fall sind wir fertig. Im<br />
zweiten Fall gilt p n+1 ∠p i ∧ p n+1 ∠q i für i = 1, . . . , n, also ist ω ausgeartet, und dieser Fall kann<br />
nicht eintreten.<br />
Definition. Ein Endomorphismus S von V heißt symplektisch, wenn ω(Sv, Su) = ω(v, u) für<br />
alle u, v ∈ V .<br />
Korollar. Zwischen zwei sympletischen Vektorräume der selben Dimension gibt es einen sympletischen<br />
Isomorphismus.<br />
Bemerkung. Daher muss nur der Vektorraum aus Beispiel 2 betrachtet werden.<br />
Satz. Ist S symplektisch, so gilt det S = 1.<br />
Beweis. Es ist<br />
ω n = ∑<br />
p σ(1) ∧ q σ(1) ∧ · · · ∧ p σ(n) ∧ q σ(n)<br />
σ∈S n<br />
= ∑<br />
2 p σ(1) ∧ · · · ∧ p σ(n) ∧ q σ(1) ∧ · · · ∧ q σ(n)<br />
σ∈S n<br />
(−1) n(n−1)<br />
Da S ω erhält, erhält ω die Volumenform.<br />
= ∑<br />
(−1) n(n−1)<br />
2 (sgn σ) 2 p 1 ∧ · · · ∧ p n ∧ q 1 ∧ · · · ∧ q n .<br />
σ∈S n
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 8.2 Vektorfelder und Flüsse 26<br />
Abbildung 1: Lokaler Fluss<br />
Bemerkung. Die symplektischen Endomorphismen bilden eine Gruppe, die Sp(2n) genannt wird.<br />
8.2 Vektorfelder und Flüsse<br />
Definition. Ein glattes Vektorfeld ist eine glatte Abbildung X : M → TM mit π ◦ X = id M .<br />
Eine Integralkurve am Punkt p ∈ M ist eine Abbildung γ : [−ɛ, ɛ] → M mit γ ′ (t) = X(γ(t)) und<br />
γ(0) = p. Die Menge der glatten Vektorfelder wird mit C ∞ (M, T) bezeichnet.<br />
Bemerkung. In lokalen Koordinaten gibt es eine Abbildung α i : M → R mit X = ∑ a i ∂ .<br />
∂x ti<br />
Eine Kurve γ : [−ɛ, ɛ] → M ist genau dann eine Integralkurve, wenn in lokalen Koordinaten gilt<br />
(γ i ) ′ (t) = a i (γ(t)), 1 ≤ i ≤ n, und γ(0) = p. Dies entspricht einer ODE mit Anfangswerten.<br />
Definition. Ein lokaler Fluss um p ist eine glatte Abbildung γ : (−ɛ, ɛ) × U → M, wobei U<br />
eine Umgebung von p ist mit folgenden Eigenschaften: γ(0, p) = p und γ(s, γ(t, p) = γ(s + t, p)<br />
für alle s und t, für die eine der beiden Seiten definiert ist. Siehe Abbildung 1.<br />
Satz. Jedes Vektorfeld X induziert einen lokalen Fluss γ um jeden Punkt. Es ist p ∈ M mit<br />
(0, q) = X(q).<br />
∂γ<br />
∂t<br />
8.3 Symplektische Mannigfaltigkeiten<br />
Definition. Eine Symplektische Mannigfaltigkeit ist eine 2n-dimensionale Mannigfaltigkeit versehen<br />
mit einer geschlossenen, nicht ausgearteten 2-Form ω, das heißt dω = 0, und für alle a ≠ 0<br />
gibt es ein b mit ω 2 (a, b) ≠ 0.<br />
Definition 8.1. Es sei J : T p M → T ∗ pM die Abbildung t ↦→ ω(·, t).<br />
Satz. Die Abbildung J ist ein Isomorphismus.<br />
Beweis. Es gilt ker J = {t ∈ TM | J(t) = 0} = {t ∈ T p M | ω(·, s) = 0∀s ∈ T p M} = {0} wegen<br />
der nicht Degeneriertheit. Da dim TM = dim T ∗ M = dim M, folgt die Behauptung.<br />
Bemerkung. In den folgenden Rechnungen tritt nur die Umkehrung I := J −1 auf, für diese gilt<br />
ω(t, I α) = α(t) für alle α ∈ T ∗ pM.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 8.4 Kommutatoren und Possionvektorfelder 27<br />
Definition. Für eine beliebige Funktion h : M :→ R wird durch Idh ∈ C ∞ (M, TM) das<br />
sogenannte Hamilton’sche Vektorfeld H zur Hamiltonfunktion h definiert.<br />
Satz. Die Funktion H ist Erhaltungsgröße des Hamiltonflusses mit Hamiltonfunktion h.<br />
Beweis. Zu zeigen: H(H t (z)) ist konstant. Mit der Kettenregel gilt dH(H t (z)) = dH(IdH H t (z)) =<br />
ω 2 (IdH, IdH) = 0, Defintion 8.1 wird angewendet.<br />
Satz 8.2. Der Hamiltonfluss erhält die symplektsche Struktur: (g t ) ∗ ω = ω.<br />
Bemerkung. Im R 2n bedeutet dies ω p (r, s) = ω (g t )(p)(r, s) für alle r, s.<br />
8.4 Kommutatoren und Possionvektorfelder<br />
Definition. Sei X ein Vektorfeld und f eine glatte Funktion auf M, dann kann X aufgefasst<br />
werden als X : C ∞ (M) → C ∞ (M), indem man setzt:<br />
X(f)(p) = df p (X(p)) = d dt∣ f(X t (p)) für alle p ∈ M,<br />
t=0<br />
das heißt, man leitet an der Stelle p in Richtung des Vektorfelds X ab.<br />
Korollar. In lokalen Koordinaten gilt:<br />
n∑<br />
X(f)(p) = α j (x)(df p )( ∂ n ∂x<br />
j=1<br />
j ) = ∑<br />
α j (x) ∂f<br />
∂x<br />
j=1<br />
j .<br />
Definition. Seien X, Y ∈ C ∞ [X, TM], dann ist der Kommutator (auch Poissonklammer für<br />
Vektorfelder genannt) von [X, Y] : C ∞ → C ∞ [X, Y] = Y ◦ X − X ◦ Y.<br />
Bemerkung. Eine Berechnung in lokalen Koordinaten ergibt<br />
⎛<br />
⎞<br />
n∑ n∑<br />
[X, Y] = ⎝ −a j ∂bk ∂ak<br />
+ bj ⎠<br />
∂<br />
∂xj ∂x j ∂x k ,<br />
also ist auch [X, Y] ein Vektorfeld.<br />
k=1<br />
j=1<br />
Satz 8.3. Der Fluss X t , Y s der Vektorfelder X, Y kommutiert genau dann, wenn [X, Y] = 0.<br />
Definition. Für eine symplektische Mannigfaltigkeit (M, ω) und f, h ∈ C ∞ (M) ist die Poissonklammer<br />
der Funktionen definiert durch (f, h)(x) = ∂ ∣<br />
∂t t=0<br />
f(H t (x)).<br />
Bemerkung. f ist also genau dann eine Erhaltungsgröße zu H t , wenn (f, h) = 0.<br />
Satz. Für f, h ∈ C ∞ (M) gilt (f, h) = df(Idh) = ω(Idh, Idf) nach Definition 8.1.<br />
Beweis. H t hat in t = 0 den Tangentialvektor IdH, also gilt (f, h) = df(Idh). Die zweite<br />
Gleicheit ergibt sich, indem man Definition 8.1 einsetzt.<br />
Satz. Die Poissonklammer erfüllt ((a, b), c) + ((b, c), a) + ((c, a), b) = 0.<br />
Korollar. [B, C] ist das Hamiltonfeld von (b,c).
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 8.5 Der Satz von Darboux 28<br />
Beweis. ((a, b), c) + ((b, c), a) + ((c, a), b) = 0, setze g = (b, c), dann gilt (a, g) = ((a, b)c) −<br />
((a, c), b). Nun gilt (a, d) = dg(Idg) = da(G) = G(a). Setzt man dies auch für die anderen<br />
Possionklammern ein, so ist obige Gleichung äquivalent zu G(A) = (C ◦ B)(A) − (B ◦ C)(A)<br />
für alle A.<br />
Bemerkung. Die Flüsse der Hamiltonfelder F, H zu den Hamiltonfunktionen f, h kommutieren<br />
genau dann, wenn (F, H) konstant ist.<br />
Beweis. Nach Satz 8.3 gilt: Die Flüsse kommutieren =⇒ [F, H] = 0. (f, h) ist die Hamiltonfunktion<br />
zu [F, H], also gilt [F, H] = Id(f, h). Da I ein Isomorphismus ist, ist dies äquivalent<br />
zu d(f, h) = 0, was wiederum gleichbedeutend ist mit (f, h) = c ∈ R.<br />
8.5 Der Satz von Darboux<br />
Satz. Sei ω eine symplektische Form auf R 2n und x ∈ R 2n . Dann gibt es lokale Koordinaten<br />
p 1 , . . . , p n , q 1 , . . . , q n um x, so dass lokal ω 2 = ∑ n<br />
i=1 dp i und dq i .<br />
Beweis. Induktive Konstruktion: Sei p 1 : R 2n → R eine lineare Funktion (nicht konstant), dann<br />
ist P 1 = Idp 1 ≠ 0, da I ein Isomorphismus ist. Wähle eine Hyperebene N, die x enthält, so dass<br />
TN nicht P 1 (x) enthält.<br />
Die Idee ist nun, eine Koordinate q 1 einzuführen, die die Zeit misst, die der Fluss von N<br />
bis zu einem beliebigen Punkt z benötigt. In einer hinreichend kleinen Umgebung V von x<br />
ist q 1 wohldefiniert, da P t 1 für hinreichend kleine t ein lokaler Diffeomorphismus ist. Nun gilt<br />
d ∣<br />
dt t<br />
dq(P t 1 (n)) = d ∣<br />
dt t<br />
t = 1, also ist (q 1 , p 1 ) = 1. Für n = 1 ist die Konstruktion abgeschlossen.<br />
Wenn n > 1, folgt 1 = (q 1 , p 1 ) = ω(dp 1 , dq 1 ), da ω eine alterniernde Bilinearform ist. Weil<br />
dp 1 , dq 1 linear unabhängig sind, folgt mit dem Satz vom Rang, dass U = {m ∈ M | p 1 (m) =<br />
q 1 (m) = 0}. Dies ist der Schnitt zweier Hyperebenen, die nicht identisch sind. U hat die Dimension<br />
2n − 2 und ist diffeomorph zu R 2n−2 .<br />
Um die Konstruktion für kleinere n anwenden zu können, wird gezeigt, dass U durch ω ∣ U<br />
zu einer symplektischen Mannigfaltigkeit wird. Es reicht zu zeigen, dass ω ∣ U<br />
nicht ausgeartet<br />
ist. Wegen des Satzes vom regulären Wert gilt dp 1 (t) = ω(t, P 1 ) = 0 für alle t ∈ T x U und<br />
ebenso dq 1 (t) = ω(t, Q 1 ) = 0 für alle t ∈ T x U. Damit ist T x U = 〈P 1 (x), Q 1 (x)〉 ∠ . Ist nun ω ∣ U<br />
ausgeartet auf U, dann ist ω auch auf R 2n ausgeartet.<br />
Auf U existieren nach Induktion schon Koordinaten q i , p i , 2 ≤ i ≤ n. Wegen oben kann z ∈ V<br />
eindeutig durch z = P t 1 Qs 1 w dargestellt werden für ein eindeutiges w ∈ U. So wird p i(z) = p i (w),<br />
i > 1, und q i (z) = q i (w), i > 1 . Also bilden q i , p i , 1 ≤ i ≤ n, ein lokales Koordinatensystem in<br />
V .<br />
Nun muss nur noch die Darstellung von ω gezeigt werden. Wir bezeichnen mit P t i , Qt i die<br />
lokalen Flüsse zu den Hamiltonvektorfeldern P i und Q i zu den Hamiltonfunktionen p i , q i . Wegen<br />
(q 1 , p 1 ) = 1 kommutieren P t 1 und Qs 1 . Nach Definition von q i und p i , 2 ≤ i ≤ n, sind diese<br />
Koordinaten invariant unter P t 1 und Qs 1 , also gilt (p i, p 1 ) = d ∣<br />
dt t=0<br />
p i (P1 t) = d ∣<br />
dt t=0<br />
c = 0. Genauso<br />
folgt (p 1 , p i ) = (p 1 , q i ) = (q 1 , p i ) = (q 1 , q i ) = 0.<br />
Sei 1 < i, j ≤ n. Nach Theorem 8.4 kommutiert die Abbildung P t 1 Qs 1 mit allen Pu i , Qu j . Also<br />
lässt P t 1 Qs 1 die Vektorfelder P i, Q i fest. Da der Hamilton’sche Fluss ω festlässt, gilt, dass ω<br />
angewandt auf ein Paar der 2n − 2 Vektorfelder den gleichen Wert an w und z hat und dieser<br />
gleich der Poissonklammer der zugehörigen Funktionen ist. Nun gilt jedoch: Die Funktionen p 1<br />
und q 1 sind Erhaltungsgrößen von P i , Q i , da p 1 (P t i ) = const., daher ist P i, Q i tangential zu U.<br />
Nun kann man die Induktionsvoraussetzung auf U anwenden: P i und Q i sind Hamilton’sche
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 8.5 Der Satz von Darboux 29<br />
Abbildung 2: Konstruktion der Koordinaten<br />
Vektorfelder auf U. Nach Induktionsvoraussetzung sind dort die Werte der Poissonklammern<br />
der Funktionen bekannt. Dort gilt<br />
(p i , p j ) = (p i , q j ) = (q i , q j ) = 0 ∧ (q i , p i ) = 1.<br />
p k und q k bilden ein Koordinatensystem, also dp k , dq k eine Basis des Kotangentialraums in jedem<br />
Punkt, folglich bilden P k , Q k , 1 ≤ k ≤ n, in jedem Punkt eine Basis des Tangentialraums,<br />
da I ein Isomorphismus ist. Die Werte von ω auf P k , Q k sind gleich den Possionklammern<br />
der Koordinatenfunktionen. ω ist festgelegt durch Werte auf Paaren von Basisvektoren. Ist<br />
ω = ∑ n<br />
k=1 dp k ∧ dq k , so ist I bekannt und es gilt (p i , p j ) = ω(Idp j , Idp i ) = ω( ∂ ∂<br />
∂q j<br />
,<br />
∂q i<br />
) = 0<br />
und (q i , p i ) = ω(Idp i , Idq i ) = ω( ∂<br />
∂q i<br />
, − ∂<br />
∂p i<br />
) = 1. Die Formeln für die anderen Poissonklammern<br />
folgen analog. Damit folgt die Behauptung.<br />
Beweis von Satz 8.2. Wir defineren für ein k-Simplex γ : I k → M ein (k + 1)-Simplex Jγ :<br />
I × I k → M, (t, x) ↦→ g t (σ(x)). Dieses sei orientiert, sodass<br />
∂(Jσ) = g τ σ − σ ± J∂σ.<br />
Sei γ ein 1-Simplex, also ein Weg. Wir werden später zwei Pullbacks zur Auswertung von Integralen<br />
berechnen. Es gilt<br />
( ∂<br />
(Jγ) ∗ ω<br />
∂s ∂t)<br />
, ∂ (<br />
) (<br />
∂<br />
= ω (Jγ) ∗<br />
∂s , (Jγ) ∂ ∂Jγ<br />
∗ = ω<br />
∂t ∂s , ∂Jγ )<br />
( ) ∂Jγ<br />
= IdH<br />
∂t<br />
g t γ(s) ,<br />
∂s<br />
( )<br />
also (Jγ) ∗ ω( ∂ ∂s , ∂ ∂t ) = IdH ∂Jγ<br />
∂s<br />
ds ∧ dt, sowie<br />
Nun gilt<br />
( ( )<br />
d<br />
(g t γ) ∗ dH = dH (g<br />
ds)<br />
t d<br />
γ) ∗ = dH<br />
ds<br />
∫<br />
Jγ<br />
∫<br />
ω = (Jγ) ∗ ω =<br />
∫ 1 ∫ τ<br />
0<br />
0<br />
IdH<br />
Falls σ ein geschlossener Weg ist, gilt also ∫ Jγ ω = ∫ τ<br />
0<br />
2-Simplex das Integral auf beiden Seiten gleich ist:<br />
0 Stokes =<br />
∫<br />
Jσ<br />
∫<br />
dω =<br />
∂Jσ<br />
(∫<br />
ω =<br />
g t σ<br />
∫<br />
−<br />
σ<br />
∫<br />
±<br />
J∂σ<br />
(<br />
∂g t )<br />
γ<br />
= dH<br />
∂s<br />
( ) ∂Jγ<br />
.<br />
∂s<br />
( ) ∫ ∂Jγ<br />
τ ∫<br />
dtds = dHdt.<br />
∂s<br />
0 g t γ<br />
)<br />
ω =<br />
0 = 0. Ich zeige nun, dass für jeden<br />
∫<br />
g t σ<br />
∫ ∫ ∫<br />
ω − ω = (g t ) ∗ ω − ω.<br />
σ σ<br />
σ
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 8.5 Der Satz von Darboux 30<br />
Quellen<br />
1. Arnold, V. I., Mathematical Methods of Classical Mechanics, Springer-Verlag, New York,<br />
1978.<br />
2. Witt, I., Skript zu Differential- und Integralrechnung III, Göttingen, 2009.<br />
3. Berndt, R, Einführung in die Symplektische <strong>Geometrie</strong>, Vieweg, Wiesbaden, 1998.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 9 Die Geburt des Riemannschen Krümmungstensors 31<br />
9 Die Geburt des Riemannschen Krümmungstensors<br />
Was ist eine Familie von Skalarprodukten 〈·, ·〉 p<br />
auf einer offenen Menge U ⊂ R n ?<br />
[hier Bild]<br />
Sei p ∈ U. Der Tangentialraum in p an U ist T p U = R n × {p} = R n p .<br />
[hier Bild]<br />
Sei f : U → R eine glatte Funktion (C ∞ -Funktion), dann liefert f eine Familie von Linearformen<br />
n∑ ∂f<br />
df p : T p U → R, (a 1 , . . . , a n ) ↦→ (p) · a i .<br />
∂x i<br />
Sei jetzt x i : U → R, (a 1 , . . . , a n ) ↦→ a i .<br />
Definition 9.1. Eine glatte Familie von Skalarprodukten auf U ⊂ R n ist das Datum eines<br />
Skalarprodukts 〈·, ·〉 p auf T p U für alle p ∈ U, so dass<br />
〈v 1 , v 2 〉 p<br />
=<br />
n∑<br />
i,j=1<br />
mit C ∞ -Funktionen g ij : U → R mit g ij = g ji .<br />
i=0<br />
g ij (p)dx i (v 1 )dx j (v 2 )<br />
[hier ist ein Bruch, muss zusammengeführt werden]<br />
Sei 0 ∈ U ⊂ R n offen, y 1 , . . . , y n Standardkoordinaten auf R n und<br />
〈·, ·〉 =<br />
n∑<br />
i,j=1<br />
eine C ∞ -Familie von Skalarprodukten (Riemannsche Metrik auf U).<br />
Definition 9.2. Lokale Koordinaten um 0 in U sind C ∞ -Funktionen<br />
g ij dy i ⊗ dy j . (9.1)<br />
x 1 , . . . , x n : Ω −→ R n<br />
mit 0 ∈ Ω ⊂ U, die einen Diffeomorphismus auf das Bild liefern.<br />
Frage: Existieren lokale Koordinaten x 1 , . . . , x n , so dass<br />
n∑<br />
〈·, ·〉 = dx i ⊗ dx i ? (9.2)<br />
i=1<br />
Wir wollen Bedingungen an g finden, so dass (9.2) für ein gewisses Koordinatensystem x gilt.<br />
Zunächst setzen wir<br />
n∑<br />
dx i ∂x i<br />
=<br />
∂y j dyj<br />
j=1<br />
in (9.2) ein und machen einen Koeffizientenvergleich von dy i ⊗ dy j mit (9.1). Es folgt, dass<br />
x 1 , . . . , x n die gewünschte Eigenschaft genau dann hat, wenn<br />
∑<br />
α<br />
∂x α<br />
∂y i ∂x α<br />
∂y j = g ij. (9.3)
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 9 Die Geburt des Riemannschen Krümmungstensors 32<br />
Aus (9.3) folgt nun:<br />
das heißt<br />
∑<br />
β<br />
∑<br />
j,β<br />
g ij<br />
∂y j<br />
∂x β ∂y k<br />
∂x β = ∑<br />
j,β,α<br />
= ∑ α,β<br />
= ∑ α<br />
= δ k i ,<br />
∂x α ∂x α ∂y j ∂y k<br />
∂y i ∂y j ∂x β ∂x β<br />
∂x α ∂y k<br />
∂y i δα β<br />
∂x β<br />
∂x α<br />
∂y i ∂y k<br />
∂x α<br />
∂y i ∂y j<br />
∂x β ∂x β = gij (Komponenten der zu (g ij ) inversen Matrix). (9.4)<br />
Aus (9.4) folgt (9.3) und weiterhin:<br />
∑<br />
i,j<br />
ij ∂xµ ∂x ν<br />
g<br />
∂y i ∂y j = ∑ ∂y i ∂y j ∂x µ ∂x ν<br />
∂x β ∂x β ∂y i ∂y j<br />
β,i,j<br />
= ∑ β<br />
δ µ β δν β,<br />
das heißt, x 1 , . . . , x n haben die gewünschte Eigenschaft genau dann, wenn<br />
In Matrizen: Sei A = (a ij ) =<br />
( ∂x i<br />
∂y j )<br />
∑<br />
i,j<br />
ij ∂xµ ∂x ν<br />
g<br />
∂y i ∂y j = δ µν. (9.5)<br />
und G = (g ij ), dann gilt:<br />
(9.3) ⇐⇒ A T A = G<br />
⇐⇒ G −1 = A −1 · (A T ) −1<br />
⇐⇒ AG −1 A T = I<br />
⇐⇒ (9.5).<br />
(9.3) ist eine partielle Differentialgleichung für x 1 , . . . , x n . Wir suchen Bedingungen an g ij , so<br />
dass Lösungen existieren. Wir differenzieren (9.3) nach y k :<br />
Genauso:<br />
∑<br />
α<br />
∂g ik<br />
∂y j<br />
∂g jk<br />
∂y i<br />
∂ 2 x α ∂x α<br />
∂y i ∂y k ∂y j + ∑ α<br />
=<br />
∑<br />
α<br />
= ∑ α<br />
∂ 2 x α ∂x α<br />
∂y j ∂y k ∂y i<br />
∂ 2 x α ∂x α<br />
∂y i ∂y j ∂y k + ∑ α<br />
∂ 2 x α ∂x α<br />
∂y j ∂y i ∂y k + ∑ α<br />
= ∂g ij<br />
∂y k<br />
.<br />
∂ 2 x α ∂x α<br />
∂y k ∂y j ∂y i ,<br />
∂ 2 x α ∂x α<br />
∂y k ∂y i ∂y j .<br />
Es folgt (die ersten beiden Gleichungen addieren, letzte dann subtrahieren):<br />
∑ ∂ 2 x α ∂x α<br />
∂y j ∂y k ∂y i = 1 ( ∂gij<br />
2 ∂y k + ∂g ik<br />
∂y j − ∂g )<br />
jk<br />
∂y i<br />
α<br />
=: [jk, i].
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 9 Die Geburt des Riemannschen Krümmungstensors 33<br />
Dabei handelt es sich um die Christoffelsymbole Erster Art. Aus (7.1) folgt:<br />
das heißt für α = λ:<br />
wobei<br />
∑<br />
i,j<br />
ij ∂xλ<br />
g<br />
∂y γ [jk, i] = ∑ α,i,γ<br />
= ∑ α<br />
(9.5)<br />
= ∑ α<br />
∂ 2 x α ∂x α ∂x λ<br />
∂y j ∂y k ∂y i ∂y γ giγ<br />
⎛<br />
∂ 2 x α<br />
⎝ ∑<br />
∂y j ∂y k i,γ<br />
∂ 2 x α<br />
∂y j ∂y k δ αλ,<br />
∂ 2 x λ<br />
∂y j ∂y k = ∑ ( ) ∑ ∂x<br />
g iγ λ<br />
[jk, i]<br />
∂y<br />
γ=1 i=1<br />
γ<br />
Γ γ jk := 1 2<br />
∑<br />
i=1<br />
def<br />
= ∑ Γ γ jk<br />
γ=1<br />
∂x λ<br />
∂y γ ,<br />
⎞<br />
∂x α ∂x λ<br />
∂y i ∂y γ giγ ⎠<br />
( ∂gij<br />
∂y k + ∂g ik<br />
∂y j − ∂g )<br />
jk<br />
∂y i · g iγ .<br />
Dabei handelt es sich um die Christoffelsymbole Zweiter Art. Wir können auch schreiben:<br />
∂<br />
( ) ∂x λ<br />
∂y j<br />
∂y k = ∑ Γ γ jk<br />
γ=1<br />
∂x λ<br />
∂y γ .<br />
Der Index λ spielt keine Rolle: Alle Funktionen x λ erfüllen dieselbe Gleichung. Für jedes λ erfüllt<br />
( )<br />
∂x<br />
λ<br />
α :=<br />
∂y 1 , . . . , ∂xλ<br />
∂y n : U −→ R n<br />
das System partieller Differentialgleichungen<br />
∂α<br />
∂y k (y) = f k (y, α(y)) ,<br />
()<br />
wobei f k : R n × R n → R n gegeben ist durch<br />
f j k (y, z) = ∑ γ=1<br />
Γ γ jk (y)zk .<br />
(Koordinaten y 1 , . . . , y n in R n im ersten Faktor, z 1 , . . . , z n im zweiten.) () ist linear: Linearkombinationen<br />
von Lösungen mit konstanten Koeffizienten sind wieder Lösungen. Gibt es ein lokales<br />
Koordinatensystem x 1 , . . . , x n der geforderten Art, so hat () n Lösungen, deren Anfangswerte<br />
in 0 linear unabhängig sind. Es folgt: Dann hat () Lösungen mit beliebigen Anfangswerten bei<br />
0.<br />
Notwendig für die Lösbarkeit von () ist<br />
( )<br />
∂ ∂α<br />
∂y l ∂y k (y) = ∂<br />
∂y l f k (y, α(y)) ,<br />
( )<br />
∂ ∂α<br />
∂y k ∂y l (y) = ∂<br />
∂y k f l (y, α(y)) ,
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 9 Die Geburt des Riemannschen Krümmungstensors 34<br />
(wobei<br />
( ) ( )<br />
∂ ∂α<br />
(y) = ∂ ∂α<br />
(y) ) und<br />
∂y l ∂y k ∂y k ∂y l<br />
Weiterhin ist notwendig<br />
∂<br />
∂y l f k (y, α(y)) = ∂f k<br />
n<br />
∂y l + ∑ ∂f k ∂α µ<br />
∂z<br />
µ=1<br />
µ ∂y<br />
} {{ l ,<br />
}<br />
=f µ l<br />
∂<br />
∂y k f l (y, α(y)) = ∂f l<br />
n<br />
∂y k + ∑ ∂f l<br />
∂z µ f µ k .<br />
∂f k<br />
∂y l − ∂f l<br />
∂y k + n ∑<br />
Sehen wir uns die j-te Komponente an:<br />
µ=1<br />
µ=1<br />
∂f k<br />
∂z µ f µ n l − ∑<br />
µ=1<br />
∂f l<br />
∂z µ f µ k = 0.<br />
n∑ ∂Γ γ n∑<br />
jk<br />
∂Γ γ n∑ n∑<br />
n∑ n∑<br />
∂y<br />
γ=1<br />
l zγ jl<br />
−<br />
∂y<br />
γ=1<br />
k zγ + Γ µ jk<br />
Γ γ µl zγ − Γ µ jl<br />
Γ γ µk zγ = 0.<br />
µ=1 γ=1<br />
µ=1 γ=1<br />
Die Gleichung gilt für alle z = (z 1 , . . . , z n ) ∈ R n , das heißt, wir haben als notwendige Bedingung<br />
für die Existenz lokaler Koordinaten x 1 , . . . , x n mit ∑ i,j g ijdy i ⊗ dy j = ∑ i dxi ⊗ dx i :<br />
∂Γ γ kj<br />
∂y l<br />
− ∂Γγ lj<br />
∂y k<br />
} {{ }<br />
def<br />
= R γ jlk<br />
+<br />
n∑<br />
µ=1<br />
(<br />
)<br />
Γ µ kj Γγ lµ − Γµ lj Γγ kµ<br />
≡ 0.<br />
Die R γ jlk sind also n4 -Funktionen, die jedem lokalen Koordinatensystem y 1 , . . . , y n zugeordnet<br />
sind. Ist y ′ = (y ′1 , . . . , y ′n ) ein anderes lokales Koordinatensystem und definiert man R ′γ<br />
jlk durch<br />
dieselbe Formel, so gilt<br />
R βγδ ′α = ∑<br />
Rjkl<br />
i ∂y j ∂y k ∂y l ∂y ′α<br />
∂y ′β ∂y ′γ ∂y ′δ ∂y i .<br />
i,j,k,l<br />
Man sagt daher, die R i jkl bildeten die Komponentenfunktionen eines Tensors vom Typ ( 3 1 ):<br />
∑<br />
i,j,k,l<br />
R i jkl dy j ⊗ dy k ⊗ dy l ⊗ ∂<br />
∂y i<br />
(im lokalen Koordinatensystem y) heißt der Riemannsche Krümmungstensor. (Das ist eine C ∞ -<br />
Familie von Tensoren in T p U ∗ ⊗ T p U ∗ ⊗ T p U ∗ ⊗ T p U.)<br />
Übung. Man zeige: Kein Gebiet auf der n-Sphäre S n = {‖x‖ = 1 | x ∈ R n+1 } ist isometrisch<br />
zu einem Gebiet in R n . (Zum Beispiel S 2 : Man berechne einfach Rjkl i in lokalen Koordinaten.)<br />
[hier Bild]
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 10 Vortrag: Steiners Lösung des isoperimetrischen Problems 35<br />
10 Vortrag: Steiners Lösung des isoperimetrischen Problems<br />
Gehalten von Philip Brinkmann.<br />
Das isoperimetrische Problem besteht in der Frage, welche geschlossene Kurve vorgegebener<br />
Länge den größten Flächeninhalt umschließt. Schon die Griechen wussten die Antwort: der<br />
Kreis. Beweise folgten erst im 19. Jahrhundert: Jakob Steiner (ca. 1838) rein geometrisch, F.<br />
Edler (ca. 1882), Weierstraß und Schwarz (ca. 1884) für den Raum. Es folgt der geometrische<br />
Beweis Steiners.<br />
Beweis. Zunächst ist zu zeigen: Nur konvexe Kurven können das Problem lösen.<br />
[hier Bild]<br />
Falls C nicht konvex ist, gibt es eine Tangente an zwei Randpunkte, und der Kurvenabschnitt<br />
C gespiegelt wird zu C 1 ′ , so dass die neue konvexe Kurve den gleichen Umfang, aber eine größere<br />
Fläche hat.<br />
[hier Bild]<br />
Nun ist zu zeigen: C ist symmetrisch zu AB. Sei C eine konvexe Kurve und A, B ∈ C, wobei<br />
A und B C in zwei gleichlange Kurven teilen. O.B.d.A. sei R 1 ≥ R 2 . Wenn R 1 > R 2 , so kann<br />
man R 1 an AB spiegeln und C ′ hat bei gleichem Umfang eine größere Fläche als C. Daher kann<br />
man davon ausgehen, dass die Kurve C symmetrisch zu AB ist.<br />
Nun ist zu zeigen: C ist Kreis.<br />
[hier Bild]<br />
Sei C eine Lösung, aber kein Kreis. Dann sind C 1 und C 2 keine Halbkreise, und man findet<br />
ein P ∈ C 1 , so dass AP B kein rechter Winkel ist. Somit gibt es auch ein Q = P gespiegelt an<br />
AB, und AQB ist kein rechter Winkel. Für das Viereck AP BQ gilt<br />
AP = AQ sowie BP = BQ,<br />
und die Fläche, die C umschließt, ist die Fläche des Vierecks und der Flächen T 1 , T 2 , T 3 und<br />
T 4 . „Zieht“ man nun P und Q so auseinander, dass AP B und AQB rechte Winkel werden,<br />
und lässt man alle Seiten sowie die Bögen gleich, so erhält man eine Kurve, die einen größeren<br />
Flächeninhalt umschließt als C. Das ist ein Widerspruch zur Voraussetzung, dass C eine Lösung<br />
ist. Daher muss C ein Kreis sein, denn nach dem Satz von Thales gilt: AP B ist ein rechter<br />
Winkel für alle P ∈ C 1 .<br />
Problem: Es ist nicht gezeigt, dass es überhaupt eine Lösung des isoperimetrischen Problems<br />
gibt. Wir benötigen noch einen Existenzbeweis.<br />
Existenzbeweis. Sei (X, d) ein beschränkter, metrischer Raum.<br />
Definition. • Mit C(X) bezeichnen wir die Menge aller nicht-leeren geschlossenen Teilmengen<br />
von X.<br />
• Der Abstand d(x, C) sei definiert als min d(x, y) für x ∈ X, C ∈ C(X).<br />
• Eine ε-Umgebung von C in C(X) sei definiert als U ε (C) = {x | d(x, C) < ε}.<br />
• Seien C 1 , C 2 ⊂ C(X). Dann sei der Abstand von C 1 zu C 2 definiert als<br />
ϱ(C 1 , C 2 ) = {ε > 0 | C 1 ⊂ U ε (C 2 ) ∧ C 2 ⊂ U ε (C 1 )}.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 10 Vortrag: Steiners Lösung des isoperimetrischen Problems 36<br />
Bemerkung. ϱ ist eine Metrik auf C(X) (die sogenannte Hausdorff-Metrik):<br />
• ϱ(C 1 , C 2 ) = 0 ⇐⇒ C 1 ⊂ U ε (C 2 ) ∧ C 2 ⊂ U ε (C 1 ) für alle ε > 0 ⇐⇒ C 1 = C 2 .<br />
• ϱ(C 1 , C 2 ) = ϱ(C 2 , C 1 ).<br />
•<br />
ϱ(C 1 , C 2 ) + ϱ(C 2 , C 3 ) = inf{ε > 0 | C 1 ⊂ U ε (C 2 ) ∧ C 2 ⊂ U ε (C 1 )}<br />
+ inf{ε > 0 | C 2 ⊂ U ε (C 3 ) ∧ C 3 ⊂ U ε (C 2 )}<br />
≥ inf{ε > 0 | C 1 ⊂ U ε (C 3 ) ∧ C 3 ⊂ U ε (C 1 )}<br />
= ϱ(C 1 , C 3 ).<br />
Wenn X kompakt ist, folgt, dass die zugehörige Topologie auf C(X) nur von der Topologie<br />
auf X abhängt, nicht von der Metrik d, da jede Umgebung von C ⊂ C(X) eine ε-Umgebung<br />
enthält.<br />
Satz. Wenn (X, d) kompakt ist, ist auch (C(X), ϱ) kompakt.<br />
Beweis. Zunächst ist zu zeigen: C(X) hat endlichen Durchmesser. Sei ε > 0 gegeben. Wähle<br />
endlich viele Mengen A 1 , . . . , A n mit Durchmesser < ε, die X überdecken. Für jede endliche<br />
Menge F ⊂ {1, . . . , n} sei a F := {C ∈ C(X) | C ∩ A j ≠ ∅ ⇐⇒ j ∈ F }, das heißt, die Menge<br />
aller C ⊂ C(X), die genau in allen A j Punkte haben. Die a F überdecken C(X) und haben einen<br />
Durchmesser ≤ 2ε. Es sind nur endliche viele, also hat (C(X), ϱ) endlichen Durchmesser (ist<br />
total beschränkt).<br />
Nun ist zu zeigen: Alle Cauchy-Folgen konvergieren. Seien C 1 , C 2 , . . . eine Cauchy-Folge in<br />
(C(X), ϱ), und sei C die Menge aller x ∈ X, so dass jede Umgebung von x Punkte unendlich<br />
vieler C n enthält. C ist nicht-leer, da für x n ∈ C n x Häufungspunkt der Folge {x n } ist. Es folgt<br />
x ∈ C, da C n ⊂ U ε (C m ) ∧ C m ⊂ U ε (C n ) für alle n, m > N(ε).<br />
Auch gilt: C ist abgeschlossen.<br />
Behauptung. C = lim n→∞ C n .<br />
Beweis. Sei ε > 0. Es ist zu zeigen: Die C n sind für große n in U ε (C). Angenommen, es existierten<br />
unendlich viele {(C n ) i }. Teilfolge von C n in der kompakten Menge X \ U ε (C). Dann gibt es<br />
{(x n ) ε } ∈ {(C n ) ε } ∩ [x \ U ε (C)], und somit ist x ∈ X \ U ε (C) Häufungspunkt dieser {(x n ) i }. Es<br />
folgt x ∈ C =⇒ Widerspruch zu x ∈ X \ U ε (C).<br />
Damit folgt nun der Satz ((C(X), ϱ) ist kompakt).<br />
Wir wenden nun dieses Ergebnis auf R 2 und die geschlossene Teilmenge X ∈ R 2 an.<br />
Definition. • Con X ⊂ C(X) sei die Menge aller nicht-leeren, konvexen Teilmengen von X;<br />
sie sind auch kompakt.<br />
• Die stetige Abbildung A : C(X) → R sei gegeben mit A(C) := Fläche von C.<br />
• Die Abbildung L : Con X → R sei gegeben mit L(C) := Umfang von C.<br />
Satz. L ist stetig.<br />
Zum Beweis verwenden wir folgendes Lemma:<br />
[hier Bild]
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 10 Vortrag: Steiners Lösung des isoperimetrischen Problems 37<br />
Lemma. Seien Y 1 , Y 2 konvexe Kurven, und Y 2 umschließe Y 1 . Dann gilt: Länge Y 2 ≥ Länge Y 1 .<br />
Beweis. Ein Y 1 einbeschriebenes Vieleck hat immer einen kleineren Umfang als das entsprechende<br />
in Y 2 einbeschriebene Vieleck.<br />
Beweis des Satzes. Sei ϱ(C 1 , C 2 ) < ε, dann ist C 1 ⊂ (1 + ε) · C 2 und C 2 ⊂ (1 + ε) · C 1 . Die<br />
Behauptung folgt aus dem Lemma.<br />
Hieraus folgt, dass es eine konvexe Kurve als Lösung gibt: Sei nun X eine Scheibe im R 2<br />
mit Radius L 0 . Dann ist L −1 (L 0 ) ⊂ Con X eine geschlossene Teilmenge vom kompakten Raum<br />
Con X, daher nimmt die stetige Funktion A ihr Maximum an.<br />
Da wir um Steiners Lösung wissen, folgt als Lösung: Der Kreis hat bei vorgegebener Länge<br />
unter allen geschlossenen Kurven der Ebene den größten Flächeninhalt.<br />
Quelle: Michael Spivak, A Comprehensive Introduction to Differential Geometry, Band 4,<br />
Kapitel 9.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 11 Divisionsalgebren und Topologie I 38<br />
11 Divisionsalgebren und Topologie I<br />
Definition 11.1. Ein K-Vektorraum A heißt K-Algebra, wenn eine K-bilineare Abbildung<br />
β : A × A → A gegeben ist („Produkt“). Statt β(a, b) schreiben wir auch a · b. A heißt Divisionsalgebra,<br />
wenn die Gleichungen ax = b und yc = d für alle a, b, c, d ∈ A mit a ≠ 0, c ≠ 0 immer<br />
eindeutig für x, y lösbar sind.<br />
Im Folgenden geht es stets um endlichdimensionale Divisionsalgebren /R.<br />
Sei A eine endlichdimensionale R-Algebra mit einem involutorischen Antiautomorphismus<br />
a ↦→ a, das heißt einer Abbildung ( · ) : A → A mit a = a für alle a ∈ A und (ab) = b · a. Wir<br />
wollen die Verdopplung von A folgendermaßen definieren:<br />
• Als Vektorraum haben wir A 2 = A ⊕ A,<br />
• als Multiplikation (a, b) · (u, v) := (au − vb, bu + va) (R-bilinear).<br />
Ist zum Beispiel A = R, dann ist A 2 ∼ = C.<br />
Wir haben hierbei die Inklusion A → A 2 , a ↦→ (a, 0). Wenn A ein Einselement 1 hat, so ist<br />
(1, 0) Einselement von A 2 .<br />
Setze e := (0, 1) ∈ A 2 . Dann ist b · e = (0, b), das heißt, (a, b) = a + be mit a, b ∈ A.<br />
Es gelten folgende Rechenregeln:<br />
• a(be) = (ab)e,<br />
• insbesondere e 2 = −1,<br />
• (ae)b = (ab)e,<br />
• (ae)(be) = −ba.<br />
Die Hamilton’schen Quaternionen sind definiert als C 2 = H (Verdopplung). Elemente von C 2<br />
haben die Form<br />
ξ = a + be<br />
mit a, b ∈ C. Es ist a = a 0 + a 1 i, b = a 2 + a 3 i, und wir setzen j := e, k := ie, dann ist<br />
und die Multiplikation ist gegeben durch<br />
ξ = a 0 + a 1 i + a 2 j + a 3 k,<br />
i 2 = j 2 = k 2 = −1,<br />
wobei<br />
ki = j = −ik, ij = k = −ji, jk = i = −kj.<br />
Will man die Konstruktion der Verdopplung iterieren, braucht man in A 2 eine Konjugation. Sie<br />
wird definiert durch<br />
a + be := a − be.<br />
Bemerkung 11.2. Beim Verdoppeln werden die algebraischen Eigenschaften immer schlechter.<br />
Zum Beispiel ist A im Allgemeinen nicht kommutativ, und A 2 ist im Allgemeinen nicht assoziativ,<br />
wenn A nicht kommutativ war.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 11.1 Die Cayley-Algebra der Oktaven 39<br />
Definition 11.3. Eine Algebra A über R mit Einselement heißt metrisch, wenn es in A eine<br />
Konjugation a ↦→ a gibt, so dass für alle a ∈ A gilt aa ∈ R · 1 und aa > 0 für a ≠ 0. Dann heißt<br />
|a| = √ aa die Norm von a. Es ist |a| = 0 ⇐⇒ a = 0.<br />
In einer metrischen Algebra definiert dann<br />
〈x, y〉 :=<br />
xy + yx<br />
2<br />
ein Skalarprodukt. Das heißt, jede metrische Algebra ist auch ein euklidischer Vektorraum bezüglich<br />
〈·, ·〉.<br />
Ist A ′ = (R1) ⊥ in einer metrischen Algebra A, dann kann man jedes a ∈ A eindeutig schreiben<br />
als a = λ+a ′ mit λ ∈ R1, a ′ ∈ A ′ . Wir haben dann a = λ−a ′ , und das heißt a ∈ A ′ ⇐⇒ a = −a<br />
und a ∈ R1 ⇐⇒ a = a.<br />
Ist A eine metrische Algebra, so auch A 2 : denn (a + be)(a + be) = (a + be)(a − be) = aa + bb.<br />
Es folgt: Alle Algebren R, C = R 2 , H = C 2 und O := H 2 sind metrisch (mit O = Cayley’sche<br />
Oktaven).<br />
Eine Algebra A heißt normiert, wenn A eine Norm ‖·‖ hat, die mit dem Produkt verträglich<br />
ist:<br />
‖ab‖ = ‖a‖ ‖b‖<br />
=R1<br />
für alle a, b ∈ A. In einer normierten Algebra sind für a ≠ 0 die Abbildungen x ↦→ ax<br />
‖a‖ und<br />
x ↦→ xa<br />
‖a‖<br />
Isometrien. Wenn A endlichdimensional ist, sind sie bijektiv.<br />
Normierte Algebren sind die metrischen Algebren R, C, H und O.<br />
Ist A metrisch und ϕ : A → A ein mit der Konjugation kommutierender Automorphismus,<br />
dann ist ϕ orthogonal (ϕ(a) = ϕ(a)). Ist ϕ orthogonal und gibt es ein Einselement in A, dann<br />
ist ϕ( }{{} A ′ ) ⊂ A ′ , und ϕ kommutiert mit der Konjugation. Ist A normiert, dann ist jeder Automorphismus<br />
ϕ orthogonal:<br />
Beweis. Es reicht zu zeigen ‖a‖ = 1 =⇒ ‖ϕ(a)‖ = 1. Wäre ‖ϕ(a)‖ < 1, dann<br />
∥<br />
∥ϕ(a k ) ∥ =<br />
‖ϕ(a)‖ k −−−→ 0, das heißt ϕ(ak ) −−−→ 0, also ak −−−→ 0. Das ist ein Widerspruch zu ‖a‖ = 1.<br />
k→∞<br />
k→∞<br />
Genauso ist es nicht möglich, dass ‖ϕ(a)‖ > 1.<br />
Bemerkung 11.4. Aut R R = (1), Aut R C = Z/2Z, Aut R H = SO(3, R), Aut R O = G 2 (eine eher<br />
außergewöhnliche Liegruppe).<br />
11.1 Die Cayley-Algebra der Oktaven<br />
O := H 2 heißt die Cayley-Algebra der Oktaven. Jede Oktave ξ ist also von der Form ξ = a + be<br />
mit a, b ∈ H. Eine Basis von O über R (als Vektorraum) besteht damit aus<br />
k→∞<br />
1, i, j, k, e, f = ie, g = je, h = ke.<br />
Bei den Quaternionen H wird die Multiplikation beschrieben durch i<br />
Multiplikation der Oktaven wird beschrieben durch<br />
und folgendes Bild:<br />
[hier Bild]<br />
i 2 = j 2 = k 2 = e 2 = f 2 = g 2 = h 2 = −1<br />
·k<br />
−→ j<br />
·i<br />
−→ k −→ ·j<br />
i. Die
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 11.1 Die Cayley-Algebra der Oktaven 40<br />
Das Produkt zweier Elemente der i, . . . , h ∈ O ist (bis auf Vorzeichen) das Element auf derselben<br />
Strecke (oder dem Kreis) wie die beiden Faktoren, mit denen man startet. Die Orientierung<br />
entscheidet über das Vorzeichen. (Zum Beispiel ist eh = k und fj = −h.) O ist nicht kommutativ:<br />
eh = k = −he. O ist auch nicht assoziativ: (fj)e = −he = k, f(je) = fg = −k. Aber O ist<br />
alternativ: Das heißt, für ξ, η ∈ O gilt<br />
(ξη)η = ξ(ηη),<br />
ξ(ξη) = (ξξ)η.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 12 Divisionsalgebren und Topologie I (Forts.) 41<br />
12 Divisionsalgebren und Topologie I (Forts.)<br />
12.1 Die Cayley-Algebra der Oktaven (Forts.)<br />
Satz 12.1. O ist alternativ, für ξ, η ∈ O gilt also<br />
(ξη)η = ξ(ηη),<br />
ξ(ξη) = (ξξ)η.<br />
Beweis. Sei ξ = a + be, η = u + ve mit a, b, u, v ∈ H. Dann ist<br />
ξη = (au − vb) + (bu + va)e,<br />
(ξη)η = {(au − vb)u − v(bu + va)} + {(bu + va)u + v(au − vb)}e,<br />
ηη = (n 2 − vv) + (vu + vu)e,<br />
ξ(ηη) = {a(u − vu) − (vu + vu)b} + {b(u 2 − vv) + (vu + vu)a}e<br />
und<br />
a(u 2 − vv) − (vu + vu)b = au 2 − avv − (u + u)vb.<br />
vv und u + u sind reell (nämlich unter der Konjugation ( · ) invariant) und kommutieren mit<br />
jeder Quaternion. Daher lässt sich die letzte Gleichung fortsetzen mit<br />
Genauso:<br />
. . . = au 2 − vva − vb(u + u)<br />
= (au − vb) − v(bu + va).<br />
b(u 2 − vv) + (vu + vu)a = bu 2 − b }{{} vv +v(u + u)a<br />
=vv<br />
= bu 2 − vvb + va(u + u)<br />
= (bu + va)u + v(au − vb).<br />
Also ist (ξη)η = ξ(ηη), und die zweite Gleichung folgt genauso.<br />
Satz 12.2. O ist Divisionsalgebra.<br />
Beweis. Es reicht zu zeigen: O ist normiert. Dazu ist zu zeigen: ξ = a + be, η = u + ve. Es ist<br />
|ξη| = |ξ| · |η| ,<br />
|ξη| 2 ∣<br />
= ∣au − vb∣ 2 + |bu + va| 2<br />
= (au − vb)(ua − bv) + (bu + va)(ub + av),<br />
|ξ| 2 |η| 2 = (aa + bb)(uu + vv).<br />
Ist v = λ + v ′ , λ ∈ R, v ′ ∈ (R1) ⊥ (das heißt v ′ = −v ′ ), dann ist<br />
|ξη| 2 − |ξ| 2 |η| 2 = λ(aub + bua − bua − uub) + (aub + bua)v ′ − v ′ (aub + bua)<br />
= 0,<br />
weil (aub + bua) ∈ R und also mit v ′ ∈ H kommutiert.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 12.2 Topologie 42<br />
Bemerkung 12.3. Man kann direkt annehmen, dass in O zum Beispiel die Gleichung ξx = η die<br />
Lösung x = ξ −1 η hat, wobei ξ −1 =<br />
ξ , aber es ist beschwerlich. Man benutzt die Eigenschaft<br />
|ξ| 2<br />
von O, alternativ zu sein.<br />
Wir haben nun gesehen: Es gibt reelle Divisionsalgebren in den Dimensionen 1, 2, 4 und 8.<br />
(Das sind die einzigen Dimensionen, in denen es Divisionsalgebren gibt.)<br />
Bemerkung 12.4. Ausgehend von O kann man noch weitere interessante „höhere“ algebraische<br />
Objekte konstruieren, zum Beispiel<br />
⎧⎛<br />
⎞<br />
⎫<br />
⎪⎨ λ 1 ξ η<br />
⎪⎬<br />
⎜<br />
⎟<br />
J = ⎝ ξ λ 2 ζ ⎠ | die hermiteschen 3 × 3-Matrizen mit Einträgen aus O<br />
⎪⎩<br />
⎪⎭<br />
η ζ λ 3<br />
mit der Multiplikation<br />
A ◦ B := 1 (A · B + B · A).<br />
2<br />
J ist eine sogenannte Jordan-Algebra. Die Koeffizienten des charakteristischen Polynoms einer<br />
Matrix aus J liefern eine Bilinearform, eine quadratische Form und eine kubische Form. Die<br />
Automorphismengruppe von J ist die exzeptionelle Liegruppe vom Typ F 4 . Die Automorphismengruppe<br />
der kubischen Form ist die exzeptionelle Liegruppe vom Typ E 6 .<br />
12.2 Topologie<br />
Sei B ein topologischer Raum.<br />
Definition 12.5. Ein reelles Vektorbündel E über B besteht aus folgenden Daten:<br />
1. einem topologischen Raum E (dem Totalraum),<br />
2. einer stetigen Abbildung π : E → B (der Bündelprojektion),<br />
3. für alle b ∈ B ist auf der sogenannten Faser E b = π −1 (b) von E über b die Struktur eines<br />
R-Vektorraums gegeben.<br />
Es muss gelten (Eigenschaft der lokalen Trivialität): Für alle b ∈ B gibt es eine Umgebung<br />
U ∋ b, ein n ≥ 0 (∈ Z) und einen Homöomorphismus<br />
h : U × R n → π −1 (U),<br />
so dass für alle b ∈ B die Abbildung x ↦→ h(b, x) ein Isomorphismus von R n mit dem R-<br />
Vektorraum E b ist. (Speziell ist h R-linear auf jeder Faser.) (U, h) heißt lokales Koordinatensystem<br />
für E. Ist E = B × R n , so heißt E triviales Bündel.<br />
Der reelle projektive Raum P n = P n R ist definiert als die Menge aller ungeordneten Paare<br />
{±x}, wobei x ∈ S n ⊆ R n+1 (S n = {x 2 1 + . . . + x2 n = 1}) topologisiert als Quotient von S n .<br />
Äquivalent ist P n die Menge aller Geraden l in R n+1 durch den Ursprung O ∈ R n+1 .<br />
Sei R ⊂ R n × R n+1 die Menge von Paaren ({±x}, v), so dass v ein Vielfaches von x ist. Wir<br />
haben<br />
π : R → P n<br />
({±x}, v) ↦→ {±x}.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 12.2 Topologie 43<br />
Jede Faser von R, π −1 ({±x}), kann mit der Geraden in R n+1 durch +x und −x identifiziert<br />
werden.<br />
Im R 3 :<br />
[hier Bild]<br />
R ist lokal trivial: Ist U ⊂ S n offen und so klein, dass es keine Antipodenpunkte enthält, und<br />
ist U 1 := Bild von U in P n , dann definiert<br />
h : U 1 × R −→ π −1 (U 1 )<br />
h({±x}, t) ↦−→ ({±x}, tx)<br />
ein lokales Koordinatensystem. R heißt topologisches Bündel.<br />
Satz 12.6. R ist auf P n nicht isomorph zum trivialen Bündel für n ≥ 1. (E 1 und E 2 heißen<br />
isomorph ⇐⇒ ∃ f : E 1 → E 2 Homöomorphismus, der jede Faser von E 2 abbildet.)<br />
Der Beweis benötigt folgendes Konzept:<br />
Definition 12.7. Eine globale Schnittfläche (ein globaler Schnitt) in π : E → B ist eine stetige<br />
Abbildung s : B → E, so dass s(b) ∈ E b für alle b ∈ B. s heißt nicht-verschwindend, wenn<br />
s(b) ≠ 0 für alle b ∈ B.<br />
[hier Bild]<br />
Ein triviales R 1 -Bündel hat natürlich nicht-verschwindende globale Schnittflächen. R hingegen<br />
hat keine nicht-verschwindende globale Schnittfläche:<br />
Beweis. Sei s : P n → R eine Schnittfläche. Wir betrachten die Komposition<br />
S n → P n → R<br />
x ↦−→ ({±x}, t(x)x),<br />
wobei t eine stetige reellwertige Funktion auf S n ist mit t(−x) = −t(x). Weil S n zusammenhängend<br />
ist, folgt mit dem Zwischenwertsatz: ∃ x 0 ∈ S n : t(x 0 ) = 0.<br />
Beispiel 2. Wir betrachten R auf P 1 ≃ S 1 (die Kreislinie). Wir können r = ({±x}, v) ∈ R in<br />
diesem Fall schreiben als<br />
(<br />
)<br />
r = {±(cos ϑ, sin ϑ)}, t(cos ϑ, sin ϑ) .<br />
[hier Bild]<br />
Diese Darstellung ist eindeutig bis auf folgende Tatsache:<br />
(<br />
)<br />
{±(cos 0, sin 0)}, t(cos 0, sin 0)<br />
ist gleich<br />
(<br />
)<br />
{±(cos π, sin π)}, −t(cos π, sin π) .<br />
Das heißt, wir erhalten R aus dem Streifen [0, π] × R in der (ϑ, t)-Ebene durch Identifikation<br />
des linken Randes {0} × R mit dem rechten Rand {π} × R durch (0, t) ↦→ (π, −t). Also ist R ein<br />
(offenes) Möbiusband über S 1 ≃ P 1 . R ist auch anschaulich nicht homöomorph zum Zylinder<br />
S 1 × R.<br />
[hier Bilder]
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 13 Divisionsalgebren und Topologie II 44<br />
13 Divisionsalgebren und Topologie II<br />
Sei E ein Vektorbündel auf einem topologischen Raum X. Dann gibt es eine offene Überdeckung<br />
X ⊂ ⋃ α U α und einen Homöomorphismus h α : U α × R n → π −1 (U α ) =: E Uα .<br />
[hier Bild]<br />
Auf U α ∩ U β haben wir dann<br />
h α : U α × R n∣ ∣ Uα∩U β<br />
−→ E Uα<br />
∣ ∣Uα∩U<br />
β<br />
,<br />
h β : U β × R n∣ ∣ Uα∩U β<br />
−→ E Uα<br />
∣ ∣Uα∩U<br />
β<br />
.<br />
Es ist g αβ := h −1<br />
β ◦ h α : (U α ∩ U β ) × R n ∼ −→ (U α ∩ U β ) × R n . g αβ ist faserweise linear, das heißt<br />
von der Form<br />
g αβ (x, v) = (x, G αβ (x)(v))<br />
G αβ : U α ∩ U β −→ GL(n, R)<br />
Dabei ist G αβ = id.<br />
Auf U α ∩ U β ∩ U γ ist G βγ · G αβ = G αγ , denn es ist<br />
g αβ = h −1<br />
β ◦ h α,<br />
g βγ = h −1<br />
γ ◦ h β ,<br />
g αγ = h −1<br />
γ ◦ h α ,<br />
und<br />
(stetig).<br />
und somit g βγ ◦ g αβ = g αγ . Also liefert ein Vektorbündel E vom Rang n das Datum von<br />
1. einer offenen Überdeckung {U α } α∈A von X,<br />
2. stetigen Funktionen<br />
G αβ : U α ∩ U β −→ GL(n, R)<br />
für alle α, β ∈ A, so dass für alle α ∈ A : G αα = id und G βγ · G αβ = G αγ auf U α ∩ U β ∩ U γ .<br />
Umgekehrt liefert das Datum von (1) und (2) ein Vektorbündel E auf X. Also ist<br />
( )<br />
∐<br />
E = U α × R n / ∼,<br />
α∈A<br />
wobei ∐ := disjunkte Vereinigung und<br />
(x, v) ∼ (x, G αβ (x)(v))<br />
} {{ } } {{ }<br />
∈U α×R n ∈U β ×R n<br />
für x ∈ U α ∩ U β .<br />
Jede funktorielle Konstruktion auf Vektorräumen überträgt sich auf Bündel, und jeder natürliche<br />
Isomorphismus von Vektorräumen liefert einen Isomorphismus der induzierten Bündel.<br />
Zum Beispiel: Ist F : Vektorräume −→ Vektorräume, etwa V → V ∗∗ (Bidualraum), dann ist zu<br />
einem Vektorbündel E, gegeben durch die Daten {U α } α∈A und {G αβ } (α,β)∈A×A , das Bündel E ∗∗<br />
erklärt durch die Daten {U α } α∈A und {F (G αβ )} (α,β)∈A×A . Ist also<br />
G αβ (x) : R n → R n ,
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 13 Divisionsalgebren und Topologie II 45<br />
so ist<br />
F (G αβ (x)) = G αβ (x) ∗∗ : (R n ) ∗∗ −→ (R n ) ∗∗ .<br />
Die Funktorialität wird gebraucht, um die Bedingung G αγ = G βγ ◦ G αβ übertragen zu können:<br />
F (G αγ ) = F (G βγ ) ◦ F (G αβ ). Zu Bündeln E 1 , E 2 über X hat man zum Beispiel die Bündel:<br />
E 1 ⊕ E 2 , E 1 ⊗ E 2 , E ∗ 1 , hom(E 1 , E 2 ), . . .<br />
Im Allgemeinen ist zum Beispiel E nicht zu E ∗ isomorph (obwohl E endlichen Rang hat), aber<br />
es ist E ∼ → E ∗∗ . Ist f : X → X eine stetige Abbildung und E ein Vektorbündel auf Y , dann hat<br />
man auf X das zurückgezogene Bündel f ∗ E („pull-back“):<br />
f ∗ E −−−−→ E<br />
⏐ ⏐<br />
↓ ↓π (Faserprodukt)<br />
X<br />
f<br />
−−−−→ Y<br />
Das heißt, f ∗ E ⊂ X × E, wobei f ∗ E = {(x, e) | f(x) = π(e)} mit der Teilraumtopologie, und es<br />
gilt (f ∗ E) x<br />
∼ = E (für die Fasern).<br />
Im letzten Kapitel hatten wir das tautologische Bündel R auf P n R behandelt. R ⊂ Pn × R n+1<br />
und R n+1 tragen eine euklidische Metrik<br />
µ(x 1 e 1 + . . . + x n+1 e n+1 ) = x 2 1 + . . . + x 2 n+1.<br />
Zu R gibt es dann das Bündel R ⊥ , dessen Faser über einem Punkt p ∈ P n gerade das orthogonale<br />
Komplement R ⊥ p von R p ⊂ R n+1 ist. Wir interessieren uns im Folgenden für das Bündel<br />
auf P n .<br />
T P n := hom(R, R ⊥ )<br />
Bemerkung 13.1. T P n ist das Tangentialbündel von P n .<br />
Beweis. Sei C ⊂ R n+1 eine Gerade durch 0, C ∩ S n = {±x}, e ⊥ komplementärer n-dimensionaler<br />
Untervektorraum und f : S n → P n eine Quotientenabbildung. (x, v) und (−x, −v) haben als<br />
Tangentialvektoren in T S n dasselbe Bild unter dem Differential df : T S n → T P n. T P n kann<br />
identifiziert werden mit der Menge von Paaren {(x, v), (−x, −v)} mit 〈x, x〉 = 1 und 〈x, v〉 = 0.<br />
[hier Bild]<br />
Jedes solche Paar bestimmt (und ist umgekehrt festgelegt durch) eine lineare Abbildung<br />
ϕ : l → l ⊥ , ϕ(x) = v,<br />
das heißt (T P n) {±x} ≃ hom(l, l ⊥ ), also T P n = hom(R, R ⊥ ).<br />
Definition 13.2. P n heißt parallelisierbar, falls T P n das triviale Bündel ist. (Die Definition für<br />
jede differenzierbare Mannigfaltigkeit erfolgt analog.)<br />
Satz 13.3. Ist A ≃ R n als R-Vektorraum eine Divisionsalgebra der Dimension n (das heißt, es<br />
ist ein R n -bilineares nullteilerfreies Produkt p : A × A → A gegeben), dann ist P n−1 parallelisierbar.
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 13 Divisionsalgebren und Topologie II 46<br />
Beweis. Sei e 1 , . . . , e n die Standardbasis des R n . Die Abbildungen y ↦→ p(y, e i ), i = 1, . . . , n, sind<br />
lineare Isomorphismen von R n nach R n , das heißt, man kann lineare Abbildungen l i : R n → R n<br />
definieren als<br />
l i (p(y, e 1 )) = p(y, e i )<br />
mit i = 1, . . . , n. Es ist l 1 (x) = x für alle x ∈ R n . Ist l eine Gerade durch die 0 in R n ,<br />
l ∩ S n+1 = {±x}, so liefern l 1 , . . . , l n Abbildungen<br />
l i : l → l ⊥ ,<br />
x ↦→ pr l i (x),<br />
mit pr als der Projektion von R n auf l ⊥ . Es ist l 1 ≡ 0, aber l 2 , . . . , l n sind linear unabhängig<br />
(weil l 1 , . . . , l n linear unabhängig sind), also sind l 2 , . . . , l n (n − 1)-linear unabhängige Schnitte<br />
in T P n−1, das heißt T P n−1 ≃ P n−1 × R n .<br />
Korollar 13.4. P 0 = {pt}, P 1 ≃ S 1 , P 3 und P 7 sind parallelisierbar.<br />
Beweis. Existenz von R, C, H und O.<br />
Beispiel 3. S 1 :<br />
[hier Bild]<br />
Es gilt tatsächlich: P 0 , P 1 , P 3 und P 7 sind die einzigen (reell-)projektiven Räume, die parallelisierbar<br />
sind (ein tiefliegender Satz).
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 14 Divisionsalgebren und Topologie III 47<br />
14 Divisionsalgebren und Topologie III<br />
Im letzten Kapitel hatten wir gesehen (Satz 13.3): Wenn es eine reelle Divisionsalgebra der<br />
Dimension n gibt, ist P n−1 parallelisierbar.<br />
Bemerkung 14.1. Wenn es eine n-dimensionale reelle Divionsalgebra gibt, so ist auch S n−1 parallelisierbar.<br />
Ähnlicher Beweis: Sei e 1 , . . . , e n die Standardbasis in R n ≃ A. Sei y ∈ S n−1 . Dann sind y ·<br />
e 1 , . . . , y·e n linear unabhängig. Orthonormalisiert man sie, bekommt man Vektoren w 1 (y), . . . , w n (y).<br />
w 2 (y), . . . , w n (y) sind Tangentialvektoren an S n−1 im Punkt w 1 (y), daher gibt es n − 1 linear<br />
unabhängige Vektorfelder auf S n−1 .<br />
Wir geben einen Überblick über den Beweis, dass es außer in den Dimensionen 1, 2, 4 und 8<br />
keine reellen Divisionsalgebren gibt:<br />
Sei X ein topologischer Raum und N(X) die Menge der Isomorphieklassen von Vektorbündeln<br />
auf X. Die Operationen ⊕ und ⊗ induzieren in N(X) Verknüpfungen, die die gewöhnlichen<br />
Rechengesetze (Assoziativität, Kommutativität, Distributivität) von + und · auf (zum Beispiel)<br />
N erfüllen. Wir gehen von N(X) wie von N zu Z zu einem Ring über: Es bildet N(X) × N(X)<br />
modulo die Äquivalenzrelation<br />
(a, b) ∼ (c, d) ⇐⇒ ∃ e : a ⊕ d ⊕ e = c ⊕ b ⊕ e<br />
den Ring KO(X). (Man braucht e, weil für Bündel die Kürzungsregel nicht gilt, das heißt<br />
E ⊕ G ≃ F ⊕ G für Bündel auf X impliziert „a nicht E ≃ F“.) Wir haben die Zuordnung<br />
X KO(X). Ist f : X → Y stetig, so induziert f<br />
f ∗ : N(Y ) → N(X)<br />
(f ∗ ist mit ⊕ und ⊗ verträglich), und also induziert f ∗ einen Ringhomomorphismus<br />
f ! : KO(X) → KO(Y ),<br />
so dass für X f −→ Y g −→ Z gilt<br />
(g ◦ f) ! = f ! ◦ g ! .<br />
Ist X zusammenhängend, so hat jedes Vektorbündel eine Faserdimension, und das liefert einen<br />
surjektiven Ringhomomorphismus<br />
ε : KO(X) → Z.<br />
Sei ˜KO(X) der Kern von ε.<br />
Satz 14.2 (Periodizitätssatz von Bott). Man hat<br />
˜KO(S 1 ) = ˜KO(S 2 ) = Z/2Z,<br />
˜KO(S 3 ) = 0,<br />
˜KO(S 4 ) = Z,<br />
˜KO(S 5 ) = ˜KO(S 6 ) = ˜KO(S 7 ) = 0,<br />
˜KO(S 8 ) = Z.<br />
(Diese sind als Isomorphien abelscher Gruppen zu verstehen.) Allgemein ist<br />
für alle n.<br />
˜KO(S n ) ≃ ˜KO(S n+8 )
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 14 Divisionsalgebren und Topologie III 48<br />
Die Erzeuger in den Graden 1, 2, 4 und 8 dieser Gruppen können wie folgt beschrieben werden.<br />
Eine Abbildung f : S n−1 → GL(m, R) liefert ein m-dimensionales Bündel E f auf S n in folgender<br />
Weise:<br />
S n = H + ∪ H − , H + ∩ H − = S n−1 .<br />
Dabei ist H + die obere Halbkugel, H − die untere und S n−1 der Äquator.<br />
Man verklebt die trivialen Bündel H + ×R m und H − ×R m längs S n−1 , indem man (x, v) ∈ S n−1<br />
mit (x, f(x) · v) identifiziert. Man erhält einen toplogischen Raum E f mit der Bündelprojektion<br />
induziert durch<br />
p : E f → S n ,<br />
H + × R m → H + und H − × R m → H − .<br />
Eine n-dimensionale Divisionsalgebra A ≃ R n liefert<br />
durch<br />
f : S n−1 → GL(n, R)<br />
f(x)(v) := x · v, x ∈ S n−1 , v ∈ R n .<br />
Das assoziierte Bündel auf S n heißt Hopfsches Bündel (in jedem Fall A = R, C, H, O). Die additiven<br />
Erzeuger von ˜KO(S 1 ), ˜KO(S 2 ), ˜KO(S 4 ) und ˜KO(S 8 ) entsprechen den Hopfschen Bündeln<br />
zu R, C, H und O (man zieht von diesen noch das n-dimensionale triviale Bündel ab, um ε = 0<br />
zu bekommen).<br />
Der Isomorphismus ˜KO(S n ) ≃ ˜KO(S n+8 ) kann folgendermaßen explizit gemacht werden: Zu<br />
S n und S m hat man S n × S m . Seien x 0 ∈ S n und y 0 ∈ S m jeweils ein Punkt. In S n × S m hat man<br />
dann<br />
S n ∨ S m = {x 0 } × S m ∪ S n × {y 0 }<br />
(„Achsenkreuz“). Identifiziert man in S n × S m S n ∨ S m mit einem Punkt, so erhält man S n+m ,<br />
das heißt, man hat insbesondere Abbildungen S n ∨ S m ↩→ i<br />
S n × S m −→ p S n+m . Zum Beispiel ist<br />
mit m = n = 1:<br />
[hier Bild]<br />
Das liefert die Sequenz:<br />
˜KO(S n+m p<br />
) −−−−→ !<br />
× S m )<br />
↑<br />
⏐<br />
⏐<br />
↓i !<br />
0 ←−−−− ˜KO(S n ∨ S m )<br />
Diese Sequenz ist exakt (das heißt, p ! ist injektiv, i ! ist surjektiv, ker i ! = im p ! ).<br />
Zu a ∈ ˜KO(S n ) und b ∈ ˜KO(S n × S m ) hat man<br />
π 1<br />
S n × S m<br />
<br />
π 2<br />
<br />
S n<br />
S m<br />
a · b := π ! 1a · π ! 2b ∈ ˜KO(S n × S m ).<br />
Es ist i ! (a · b) = 0, also ist a · b Bild genau eines Elements in ˜KO(S n+m ) unter p ! . Dieses<br />
Element bezeichnen wir wieder mit ab. Der Isomorphismus KO(S n ) ≃ ˜KO(S n+8 ) wird durch
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 14 Divisionsalgebren und Topologie III 49<br />
a ↦→ a · (h g − 81) gegeben, wobei h g Hopfsches Bündel auf S 8 ist, welches zu den Oktaven O<br />
gehört, und 81 ist das 8-dimensionale triviale Bündel S 8 ×R 8 auf S 8 . – Damit endet der Überblick<br />
über den Beweis.<br />
Der Beweis des (1, 2, 4, 8)-Satzes benötigt außerdem das Theorem von Stiefel-Whitney. Zunächst<br />
hat man zu X einen topologischen Raum, den Kohomologiering von X mit Z/2Z-<br />
Koeffizienten<br />
H ∗ (X, Z/2Z) ∼ = ⊕ n≥0<br />
H n (X, Z/2Z).<br />
Das ist ein positiv graduierter kommutativer Ring, das heißt, H n (X, Z/2Z) sind abelsche Gruppen,<br />
und man hat die Multiplikation<br />
Für f : X → Y stetig hat man<br />
H i (X, Z/2Z) × H δ (X, Z/2Z) −→ H i+1 (X, Z/2Z).<br />
f ∗ : H i (Y, Z/2Z) −→ H i (X, Z/2Z),<br />
und f ∗ ist mit dem Produkt verträglich, das heißt, f ∗ induziert einen Ringhomomorphismus<br />
f ∗ : H ∗ (Y, Z/2Z) −→ H ∗ (X, Z/2Z).
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 15 Divisionsalgebren und Topologie IV 50<br />
15 Divisionsalgebren und Topologie IV<br />
Zu jedem Vektorbündel E auf einem zusammenhängenden topologischen Raum X gibt es eine<br />
Folge von Kohomologiegruppen<br />
w i (E) ∈ H i (X, Z/2Z), i = 0, 1, 2, . . . ,<br />
(die Stiefel-Whitney-Klassen von X) mit folgenden Eigenschaften:<br />
1. w 0 (E) = 1 in H 0 (X, Z/2Z) und w i (E) = 0 für i > n, wobei n = rang E.<br />
2. Für f : Y → X ist w i (f ∗ E) = f ∗ w i (E).<br />
3. Sind E und G Bündel auf X, ist<br />
k∑<br />
w k (E ⊕ G) = w i (E)w k−i (G).<br />
i=0<br />
Zum Beispiel ist w 1 (E ⊕ G) = w 1 (E) + w 1 (G), w 2 (E ⊕ G) = w 2 (E) + w 2 (G) + w 1 (E) + w 1 (G).<br />
4. Für das tautologische Bündel R auf P 1 ≃ S 1 ist w 1 (R) ≠ 0.<br />
Die totale Stiefel-Whitney-Klasse von E, w(E) ∈ H ∗ (X, Z/2Z), ist<br />
w(E) = 1 + w 1 (E) + w 2 (E) + . . . ∈ H ∗ (X, Z/2Z).<br />
Dann ist w(f ∗ E) = f ∗ w(E), und 3) wird w(E ⊕ G) = w(E)w(G).<br />
Als Konsequenz der Eigenschaften 1 bis 4 erhält man:<br />
• E ≃ G =⇒ w i (E) = w i (G) für alle i ∈ Z.<br />
• Ist E ein triviales Bündel, dann ist w i (E) = 0, i > 0. (Dies folgt aus den Eigenschaften 2<br />
und 1, denn E ist Rückzug eines Bündels auf einen Punkt.)<br />
• Ist E ein triviales Bündel, so ist w i (E ⊕ G) = w i (G). (Dies folgt aus Eigenschaft 3 und der<br />
vorigen Bemerkung.)<br />
• Ist E ein n-dimensionales (reelles) Vektorbündel (mit euklidischer Metrik, dies ist aber<br />
keine Bedingung, wenn X parakompakt ist) und hat E einen nirgends verschwindenden<br />
globalen Schnitt, so ist w n (E) = 0.<br />
Hat E k globale linear unabhängige Schnitt, dann ist w n−k+1 (E) = w n−k+2 (E) = . . . = w 1 (E) =<br />
0. Denn E spaltet als k1⊕(k1) ⊥ n−k (k1 ist ein Rang-k-triviales Bündel und k1⊥ sein orthogonales<br />
Komplement), das heißt, die w i (E) sind Obstruktionen (Hindernisse) dagegen, dass E eine gewisse<br />
Anzahl globaler linear unabhängiger Schnitte hat.<br />
Sei G(X) die multiplikative Gruppe der a ∈ H ∗ (X, Z/2Z) mit a = 1+a 1 +a 2 +. . . Dann ist w :<br />
KO(X) → G(X) ein Homomorphismus von der additiven Gruppe KO(X) in die multiplikative<br />
Gruppe G(X), und für f : Y → X hat man das kommutative Diagramm<br />
f !<br />
KO(X) −−−−→ KO(Y )<br />
⏐<br />
⏐<br />
↓w<br />
↓w<br />
G(X)<br />
f ∗<br />
−−−−→ G(Y )
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 15 Divisionsalgebren und Topologie IV 51<br />
Um nun zu zeigen, dass es außer in den Dimensionen 1, 2, 4 und 8 keine Divisionsalgebren<br />
gibt, reicht es zu zeigen, dass S n−1 für n ≠ 1, 2, 4, 8 nicht parallelisierbar ist. Man kann ein<br />
n-dimensionales Bündel E über X ersetzen durch E − n1 ∈ ˜KO(X), ohne die Stiefel-Whitney-<br />
Klassen zu ändern. Es reicht zu zeigen:<br />
w(c) = 1 für alle c ∈ ˜KO(S n )<br />
mit n ≠ 1, 2, 4, 8. (Das heißt, w n (c) = 0, H 0 (S n , Z/2Z) = H n (S n , Z/2Z) = Z/2Z, H i (S n , Z/2Z) =<br />
0. Wenn eine n-dimensionale reelle Divisionsalgebra existiert, so gibt es ein Vektorbündel E auf<br />
S n , nämlich das zur Divisionsalgebra gehörige Hopfsche Rang-n-Bündel, und dieses hat immer<br />
w n (E) = 1.) Für n = 3, 5, 6, 7 ist dies richtig wegen des Bottschen Periodizitätssatzes, denn<br />
˜KO(S 3 ) = 0, ˜KO(S 5 ) = 0 usw. Ist n ≥ 9, so ist n = m + 8, m ∈ N, und man kann c schreiben<br />
als<br />
c = a · (h 8 − 81), a ∈ ˜KO(S m ).<br />
Nach Definition von ˜KO(S m ) ist a = E − F , wobei E und F Vektorbündel gleichen Ranges auf<br />
S m sind. Das heißt, man hat in KO(S m × S 8 )<br />
also<br />
c = (E − F ) · (h 8 − 81)<br />
= E · h 8 − F · h 8 − 8 · E + 8 · F,<br />
w(c) = w(E · h 8 )w(F · h 8 ) −1 · w(8 · E) −1 w(8 · F )<br />
∈ H ∗ (S m × S 8 , Z/2Z).<br />
Behauptung 11. Jeder der Faktoren auf der rechten Seite ist gleich 1.<br />
Wie rechnet man das nach? Welchen Wert hat beispielsweise w(E · h 8 )? E · h 8 ∈ KO(S m × S 8 )<br />
ist das durch π ∗ 1 E ⊗ π∗ 2 h 8 definierte Element, wobei<br />
π 1 : S m × S 8 −→ S m ,<br />
π 2 : S m × S 8 −→ S 8 .<br />
Man kann bei dieser Rechnung E und F als geradedimensional annehmen (sonst addiere triviale<br />
Rang-1-Bündel zu beiden). Es gilt nun:<br />
Lemma 15.1. Sind E und G geradedimensionale Vektorbündel über X mit<br />
w(E) = 1 + w r (E),<br />
w(G) = 1 + w s (G),<br />
s gerade,<br />
und mit<br />
dann ist<br />
w r (E) 2 = w s (E) 2 = 0,<br />
w(E ⊗ G) = 1.<br />
Das Lemma wiederum folgt aus der Beschreibung der Stiefel-Whitney-Klassen eines Tensorprodukts:<br />
Bei eindimensionalen Bündeln E, F gilt<br />
w 1 (E ⊗ F ) = w 1 (E) + w 1 (F ).
<strong>Anschauliche</strong> <strong>Geometrie</strong> 15 Divisionsalgebren und Topologie IV 52<br />
Ist E = E 1 ⊗ . . . ⊗ E m und F = F 1 ⊗ . . . ⊗ F n (direkte Summe), dann ist<br />
E ⊗ F = ⊕ (E i ⊗ F j )<br />
i,j<br />
und also<br />
w(E ⊗ F ) = ∏ i,j<br />
(1 + w 1 (E i ) + w 1 (F j )) .<br />
Für beliebige Bündel E, F gilt das Folgende: Betrachte das Polynom<br />
∏<br />
(1 + x i + y j )<br />
i,j<br />
als Polynom mit Koeffizienten in Z/2Z in Unbestimmten x, y 0 . Dieses lässt sich als Polynom in<br />
den elementarsymmetrischen Funktionen σ 1 , . . . , σ m der x i und τ 1 , . . . , τ n der y j schreiben:<br />
∏<br />
(1 + x i + y j ) = P (σ 1 , . . . , σ m , τ 1 , . . . , τ n ).<br />
i,j<br />
Dann ist<br />
w(E ⊗ F ) = P (w 1 (E), . . . , w m (E), w 1 (F ), . . . , w n (F )).