Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상

Manifold series, part 8: curves and coordinate functions, what it means for new coordinates to be functions of old ones, and smooth maps and diffeomorphisms between manifoldsManifold 시리즈 8편: 곡선과 좌표 함수, 새 좌표가 옛 좌표의 함수라는 말의 뜻, 매니폴드 사이의 매끄러운 함수와 미분동형사상

Manifold series매니폴드 시리즈Part 8 of 1818편 중 8번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 8강 Diffeomorphisms에 해당합니다. 앞 내용은 지난 편에서 정리했습니다.

이 강의가 채우는 빈틈

지난 편까지 쌓은 구조를 한 번 되짚습니다. 집합 XX에 위상 TX\mathcal{T}_X를 주고 아틀라스atlas를 얹으면 위상 매니폴드topological manifold가 됩니다. 아틀라스 안의 차트chart는 XX의 열린 영역 UU와 사상 γ\gamma의 쌍이고, γ\gamma는 UU를 유클리드 공간 Rd\R^d로 보냅니다. 두 차트가 겹치는 곳의 φ∘γ−1\varphi \circ \gamma^{-1} 같은 합성이 연속임은 이미 보장됩니다. 여기에 이 합성들이 매끄럽다smooth, 즉 무한 번 미분 가능하다는 조건을 더하면 미분 가능 매니폴드differentiable manifold가 됩니다. 앞으로 아틀라스라고만 쓰면 이 매끄러운 아틀라스를 가리킵니다.

이 구조에서 가장 중요한 요령은 하나입니다. 매니폴드 위에서 미분 이야기가 나오면 언제나 차트로 Rd\R^d에 옮겨서 Rm\R^m에서 Rn\R^n으로 가는 다변수 함수를 미분한다고 읽는 것입니다. 매니폴드 XX는 점의 집합일 뿐이라 점끼리 뺄셈도 극한의 의미도 없으니, 미분은 유클리드 공간에서만 할 수 있습니다. 오늘은 이 요령으로 곡선, 좌표, 매니폴드 사이의 함수를 차례로 다시 읽습니다.

곡선은 매니폴드로 들어가는 함수입니다

곡선curve은 실수 직선의 매개변수 λ\lambda를 매니폴드의 점으로 보내는 함수입니다.

c:R→X,λ↦c(λ)c : \R \to X, \quad \lambda \mapsto c(\lambda)

실수 직선 전체가 아니고 열린 구간이나 닫힌 구간 [0,1][0, 1]에서 정의하는 일도 흔하지만 지금은 그 차이를 신경 쓰지 않습니다. 곡선은 여러 차트의 영역을 가로지를 수 있습니다. 매니폴드 위의 어떤 집합이든 한 차트에 다 담기지 않는 것과 같습니다.

곡선의 좌표를 구할 때 초보자가 하기 쉬운 실수가 있습니다. (a,b)=c(λ)(a, b) = c(\lambda)라고 쓰는 것입니다. c(λ)c(\lambda)는 XX의 점이지 숫자 쌍이 아닙니다. 숫자 쌍은 차트를 거쳐야 나옵니다.

(a,b)=(γ∘c)(λ0)∈R2(a, b) = (\gamma \circ c)(\lambda_0) \in \R^2

합성의 정의역은 오른쪽 함수 cc의 정의역이고 공역은 왼쪽 함수 γ\gamma의 공역이어서 γ∘c:R→R2\gamma \circ c : \R \to \R^2입니다. 이 식은 c(λ0)c(\lambda_0)가 UU 안에 있을 때만 뜻이 있습니다. 같은 점이 다른 차트 φ\varphi의 영역에도 있으면 φ∘c\varphi \circ c로 또 다른 숫자 쌍을 얻고, 두 쌍을 잇는 것이 전이 함수transition function입니다.

곡선을 미분할 때도 같습니다. c′c'를 쓰는 책은 많지만 정확히 미분하는 것은 (γ∘c)′(\gamma \circ c)'입니다. cc의 공역은 미분이 정의되지 않는 매니폴드이고, γ∘c\gamma \circ c는 R\R에서 R2\R^2로 가는 함수라 미분할 수 있습니다. 교과서가 γ\gamma를 슬쩍 생략하고 합성 전체를 하나의 이름으로 부르는 것은 편의를 위한 줄임말입니다. 처음 배울 때는 그 줄임 뒤에 어떤 함수가 있는지 직접 적어 보는 것이 좋습니다.

Q. 곡선 cc는 연속이거나 미분 가능하다고 어떻게 말하나요?
A. 차트를 거친 γ∘c\gamma \circ c가 연속이거나 미분 가능한 것으로 정합니다. 차트들이 서로 매끄럽게 맞으므로 어느 차트로 확인해도 같은 결론이 나옵니다.

좌표 함수

차트 γ\gamma가 점 PP에 주는 값은 dd개의 숫자 묶음입니다. 각 칸의 숫자를 따로 계산하는 함수를 좌표 함수coordinate function라고 부릅니다. d=2d = 2이면 이렇습니다.

γ(P)=(x0(P), x1(P)),x0,x1:U→R\gamma(P) = \big( x^0(P),\ x^1(P) \big), \quad x^0, x^1 : U \to \R

γ\gamma는 좌표 함수들을 한데 묶어 순서쌍으로 만드는 사상이고, 좌표 함수 하나는 점 하나를 실수 하나로 보냅니다. 일반 상대성 이론 교과서의 x0,x1,…x^0, x^1, \dots가 바로 이것입니다. 첫 좌표의 번호를 0으로 붙이는 것은 그쪽 관례를 따른 표기일 뿐입니다.

새 좌표는 옛 좌표의 함수입니다

교과서에는 이런 문장이 있습니다. “새 좌표 x′0,x′1x'^0, x'^1는 옛 좌표 x0,x1x^0, x^1의 함수이다.” 이 말이 차트 구조에서 어떻게 나오는지 따라가 봅시다. 옛 좌표를 주는 차트를 (U,γ)(U, \gamma), 새 좌표를 주는 차트를 (V,φ)(V, \varphi)라 하고, 새 좌표 함수를 x′0,x′1:V→Rx'^0, x'^1 : V \to \R이라고 하겠습니다. 두 좌표계를 함께 쓸 수 있는 곳은 U∩VU \cap V뿐입니다.

옛 좌표는 점 P∈U∩VP \in U \cap V의 γ\gamma 아래 상 γ(P)=(x0,x1)\gamma(P) = (x^0, x^1)입니다. 여기서 새 좌표 하나를 얻으려면 다음 순서를 밟습니다.

  1. γ−1\gamma^{-1}로 PP까지 되돌아갑니다. 역사상이 있다는 것은 차트의 정의가 보장합니다.
  2. φ\varphi로 가면 순서쌍이 나오지만 우리는 숫자 하나만 원하므로 φ\varphi 자리에 φ\varphi의 좌표 함수 x′0x'^0를 적용합니다.

따라서 새 좌표 하나를 옛 좌표들의 함수로 쓴 것은 다음 합성입니다.

x′0∘γ−1:γ(U∩V)⊂R2→R,x′0=(x′0∘γ−1)(x0,x1)x'^0 \circ \gamma^{-1} : \gamma(U \cap V) \subset \R^2 \to \R, \quad x'^0 = (x'^0 \circ \gamma^{-1})(x^0, x^1)

교과서는 왼쪽의 x′0x'^0와 오른쪽 함수의 이름 x′0x'^0를 같은 글자로 씁니다. 숫자와 함수가 같은 이름을 쓰는 셈입니다. 반대로 옛 좌표를 새 좌표의 함수로 쓰려면 x0∘φ−1x^0 \circ \varphi^{-1}을 씁니다.

전이 함수 φ∘γ−1\varphi \circ \gamma^{-1}는 순서쌍을 순서쌍으로 보내는 함수이고, 교과서의 표기는 그 출력의 한 칸씩을 따로 적은 것입니다. 곧 x′j∘γ−1x'^j \circ \gamma^{-1}는 전이 함수의 jj번째 성분입니다. 같은 정보를 두 방식으로 쓴 것입니다.

Q. 교과서의 x′0(x0,x1)x'^0(x^0, x^1)에서 괄호 앞뒤의 x′0x'^0는 같은 대상인가요?
A. 강의는 이 점을 짚습니다. 교과서의 같은 글자가 앞에서는 좌표값, 괄호 안 인수가 붙으면 좌표 함수 x′0∘γ−1x'^0 \circ \gamma^{-1}를 뜻합니다. 형태가 약식이라 처음엔 혼란스럽지만 합성 순서만 기억하면 읽힙니다.

좌표선은 되밀어 놓은 격자입니다

좌표가 매니폴드 위에 놓이는 모습을 그림으로도 볼 수 있습니다. R2\R^2의 한 차트에서 x0x^0의 값이 같은 점들을 이은 가로선, x1x^1의 값이 같은 점들을 이은 세로선을 그립니다. 이 선들을 γ−1\gamma^{-1}로 되밀면 UU 위에 선들이 얹힙니다. 한 선 위의 점들은 같은 x0x^0 값을 갖고, 점의 좌표는 그 점을 지나는 두 선의 이름입니다. 다른 차트가 극좌표 (r,θ)(r, \theta)를 주면 rr 값이 같은 점들의 모임은 동심원이 되고, 그것을 되밀면 매니폴드 위에 또 다른 곡선 격자가 놓입니다. 교과서에서 보는 구불구불한 좌표선은 이렇게 역사상으로 되밀린 격자입니다. 격자는 점에 붙인 이름표이고 매니폴드 자체는 그대로입니다.

매니폴드 사이의 매끄러운 함수

이제 매니폴드 둘을 보겠습니다. XX는 위상 TX\mathcal{T}_X와 아틀라스 A\mathcal{A}를, YY는 위상 TY\mathcal{T}_Y와 아틀라스 B\mathcal{B}를 갖고, 둘 다 미분 가능 매니폴드입니다. 차원은 dim⁡X=d\dim X = d, dim⁡Y=b\dim Y = b로 둡니다. 점을 점으로 보내는 함수 F:X→YF : X \to Y가 매끄러운지 묻고 싶습니다. FF는 위상 공간에서 위상 공간으로 가는 함수라 바로 미분하지 못합니다. 그래서 양쪽에 차트를 대어 유클리드 공간 사이의 함수로 바꿉니다. XX의 차트 (U,γ)(U, \gamma)와 YY의 차트 (V,φ)(V, \varphi)를 잡으면 다음 합성이 Rd\R^d에서 Rb\R^b로 가는 함수입니다.

φ∘F∘γ−1:Rd→Rb\varphi \circ F \circ \gamma^{-1} : \R^d \to \R^b

오른쪽부터 읽으면, 좌표를 점으로 되돌리고(γ−1\gamma^{-1}), FF로 YY까지 가서, 다시 차트 φ\varphi로 좌표를 얻습니다. 이 합성이 정의되는 모든 차트 쌍에서 매끄러우면 FF를 매끄러운 함수smooth function라고 부릅니다. FF 자체는 두 차트 영역 사이에 숨어 있고, 미분은 양옆의 차트가 만든 유클리드 공간에서 일어납니다.

한 가지 보태겠습니다. 어느 차트 쌍에서 확인하는지가 결과를 바꾸지 않는 까닭은 아틀라스가 매끄럽기 때문입니다. 다른 차트 γ′\gamma'를 쓰면 φ∘F∘γ′−1=(φ∘F∘γ−1)∘(γ∘γ′−1)\varphi \circ F \circ \gamma'^{-1} = (\varphi \circ F \circ \gamma^{-1}) \circ (\gamma \circ \gamma'^{-1})이고, 매끄러운 두 함수의 합성은 매끄럽기 때문입니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

미분동형사상

매끄러운 함수라고 해서 일대일이거나 위로(전사onto)인 것은 아닙니다. 다음 세 조건이 모두 되면 FF를 미분동형사상diffeomorphism이라고 부릅니다.

  1. FF는 일대일이고 위로입니다. 곧 전단사bijection입니다.
  2. FF는 매끄럽습니다.
  3. 역함수 F−1:Y→XF^{-1} : Y \to X도 매끄럽습니다. 차트로 쓰면 γ∘F−1∘φ−1:Rb→Rd\gamma \circ F^{-1} \circ \varphi^{-1} : \R^b \to \R^d가 매끄럽습니다.

위상동형사상homeomorphism은 전단사이고 연속이며 역함수도 연속인 사상이었습니다. 미분동형사상은 여기서 연속을 미분 가능으로 바꾼 것이고, 미분 가능하면 연속이므로 위상동형사상보다 강한 조건입니다. 미분 가능 구조가 있는 매니폴드 사이에서만 말할 수 있다는 점도 다릅니다. 두 매니폴드를 이어 주는 미분동형사상이 하나라도 있으면 두 공간은 미분동형diffeomorphic입니다. 그 함수를 직접 만들어 내지 못해도 존재만 증명되면 됩니다. 미분동형인지 묻는 것은 그런 함수를 만들거나 존재를 다른 방식으로 증명하는 일입니다.

마지막 조건이 빠지지 않는다는 것을 예로 확인합니다. F(x)=x3F(x) = x^3은 R\R에서 R\R로 가는 매끄러운 전단사이고 역함수 x3\sqrt[3]{x}도 연속이라 위상동형사상입니다. 그러나 x3\sqrt[3]{x}는 x=0x = 0에서 미분이 되지 않아 미분동형사상이 아닙니다. 반면 x↦exx \mapsto e^x는 R\R에서 양의 실수 (0,∞)(0, \infty)로 가는 미분동형사상입니다. 1차원에서는 역함수의 기울기가 (F−1)′(F(x))=1/F′(x)(F^{-1})'(F(x)) = 1 / F'(x)이므로 F′F'가 0이 되는 점이 있으면 역함수가 거기서 미분되지 않습니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

아래 장난감에서 함수를 골라 점을 옮겨 보세요. ff의 그래프와 역함수의 그래프가 나란히 그려지고, 일대일, 위로, 역함수의 미분 가능성을 차례로 점검해 미분동형사상인지 알려 줍니다. (이 장난감은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. FF가 매끄러운 전단사이면 미분동형사상인가요?
A. 아닙니다. 역함수까지 매끄러워야 합니다. x3x^3이 반례입니다. 위의 장난감에서 x3x^3을 고르고 x0=0x_0 = 0으로 옮기면 역함수의 접선이 수직으로 서는 것을 볼 수 있습니다.

정리와 다음 강의

오늘은 곡선이 실수 직선에서 매니폴드로 가는 함수이고 그 좌표와 미분은 차트를 거쳐 정의된다는 것, 좌표 함수와 교과서의 “새 좌표는 옛 좌표의 함수”가 전이 함수의 성분이라는 것, 매니폴드 사이의 함수는 차트로 Rd\R^d에서 Rb\R^b로 옮겨 매끄러움을 정한다는 것, 그리고 미분동형사상은 매끄러운 전단사에 매끄러운 역함수가 붙은 것이라는 것을 정리했습니다. 곡선의 x0∘cx^0 \circ c 같은 좌표 식은 다음 강의에서 많이 쓰입니다. 다음 강의에서는 곡선을 이용해 매니폴드의 한 점에서의 접공간tangent space을 정의합니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 8 of the playlist, Diffeomorphisms. The earlier material is in the previous post.

The gap this lecture fills

Let us recall the structure built so far. Give a set XX a topology TX\mathcal{T}_X and put an atlas on it, and it becomes a topological manifold. A chart in the atlas is a pair of an open region UU of XX and a map γ\gamma, and γ\gamma sends UU into a Euclidean space Rd\R^d. Compositions such as φ∘γ−1\varphi \circ \gamma^{-1} on the overlap of two charts are already guaranteed to be continuous. If we add the condition that these compositions are smooth, that is, infinitely differentiable, we get a differentiable manifold. From now on, when we say atlas we mean such a smooth atlas.

There is one habit that matters most in this structure. Whenever differentiation comes up on a manifold, read it as moving to Rd\R^d through charts and differentiating a multivariable function from Rm\R^m to Rn\R^n. The manifold XX is just a set of points, so there is no subtraction of points and no meaning of limits, and derivatives exist only in Euclidean space. Today we use this habit to reread curves, coordinates, and functions between manifolds in turn.

A curve is a function into the manifold

A curve is a function that sends a parameter λ\lambda on the real line to a point of the manifold.

c:R→X,λ↦c(λ)c : \R \to X, \quad \lambda \mapsto c(\lambda)

It is also common to define it on just an open interval or a closed interval [0,1][0, 1], but we ignore that difference for now. A curve may cross the regions of several charts, just as any set on a manifold does not fit into a single chart.

There is a mistake beginners easily make when finding the coordinates of a curve. It is to write (a,b)=c(λ)(a, b) = c(\lambda). The value c(λ)c(\lambda) is a point of XX, not a pair of numbers. The pair of numbers appears only after going through a chart.

(a,b)=(γ∘c)(λ0)∈R2(a, b) = (\gamma \circ c)(\lambda_0) \in \R^2

The domain of a composition is the domain of the right-hand function cc, and its codomain is that of the left-hand function γ\gamma, so γ∘c:R→R2\gamma \circ c : \R \to \R^2. This expression makes sense only when c(λ0)c(\lambda_0) lies in UU. If the same point also lies in the region of another chart φ\varphi, then φ∘c\varphi \circ c gives another pair of numbers, and the transition function connects the two pairs.

Differentiating a curve works the same way. Many books write c′c', but what is really differentiated is (γ∘c)′(\gamma \circ c)'. The codomain of cc is a manifold, where differentiation is not defined, and γ∘c\gamma \circ c is a function from R\R to R2\R^2, which we can differentiate. When a textbook quietly drops γ\gamma and gives the whole composition one name, that is a convenient shorthand. When learning it for the first time, it is good to write out which function stands behind the shorthand.

Q. How do we say that a curve cc is continuous or differentiable?
A. We define it by γ∘c\gamma \circ c being continuous or differentiable. Since the charts fit together smoothly, checking in any chart gives the same conclusion.

Coordinate functions

The value a chart γ\gamma gives at a point PP is a bundle of dd numbers. The function that computes the number in each slot separately is called a coordinate function. For d=2d = 2 it looks like this.

γ(P)=(x0(P), x1(P)),x0,x1:U→R\gamma(P) = \big( x^0(P),\ x^1(P) \big), \quad x^0, x^1 : U \to \R

The map γ\gamma bundles the coordinate functions into an ordered pair, and each coordinate function sends one point to one real number. The x0,x1,…x^0, x^1, \dots in general relativity textbooks are exactly these. Numbering the first coordinate from 0 is only a notation following that convention.

New coordinates are functions of old coordinates

Textbooks contain a sentence like this: “The new coordinates x′0,x′1x'^0, x'^1 are functions of the old coordinates x0,x1x^0, x^1.” Let us follow how this sentence comes out of the chart structure. Call the chart giving the old coordinates (U,γ)(U, \gamma), the chart giving the new coordinates (V,φ)(V, \varphi), and the new coordinate functions x′0,x′1:V→Rx'^0, x'^1 : V \to \R. The two coordinate systems can be used together only on U∩VU \cap V.

The old coordinates are the image γ(P)=(x0,x1)\gamma(P) = (x^0, x^1) of a point P∈U∩VP \in U \cap V under γ\gamma. To get one new coordinate from this, take the following steps.

  1. Go back to PP with γ−1\gamma^{-1}. That the inverse exists is guaranteed by the definition of a chart.
  2. Going forward with φ\varphi would give an ordered pair, but we want a single number, so in place of φ\varphi we apply the coordinate function x′0x'^0 of φ\varphi.

So writing one new coordinate as a function of the old coordinates is the following composition.

x′0∘γ−1:γ(U∩V)⊂R2→R,x′0=(x′0∘γ−1)(x0,x1)x'^0 \circ \gamma^{-1} : \gamma(U \cap V) \subset \R^2 \to \R, \quad x'^0 = (x'^0 \circ \gamma^{-1})(x^0, x^1)

The textbook uses the same letter x′0x'^0 for the value on the left and for the function on the right. A number and a function share a name. To write the old coordinates as functions of the new ones, use x0∘φ−1x^0 \circ \varphi^{-1}.

The transition function φ∘γ−1\varphi \circ \gamma^{-1} sends an ordered pair to an ordered pair, and the textbook notation writes its output one slot at a time. In other words, x′j∘γ−1x'^j \circ \gamma^{-1} is the jj-th component of the transition function. They are the same information written in two ways.

Q. In the textbook’s x′0(x0,x1)x'^0(x^0, x^1), are the x′0x'^0 before and after the parentheses the same object?
A. The lecture points this out. The same letter in the textbook means a coordinate value when it stands alone, and when arguments are attached it means the coordinate function x′0∘γ−1x'^0 \circ \gamma^{-1}. The form is abbreviated, so it confuses at first, but remembering the order of the composition makes it readable.

Coordinate lines are a grid pushed back

We can also see in a picture how coordinates lie on the manifold. In one chart of R2\R^2, draw the horizontal lines joining points with the same value of x0x^0 and the vertical lines joining points with the same value of x1x^1. Pushing these lines back with γ−1\gamma^{-1} lays them over UU. The points on one line share the same x0x^0 value, and the coordinates of a point are the names of the two lines through it. If another chart gives polar coordinates (r,θ)(r, \theta), the set of points with the same rr is a family of concentric circles, and pushing it back lays another curved grid over the manifold. The winding coordinate lines in textbooks are grids pushed back by inverse maps in this way. The grid is a set of labels attached to points, and the manifold itself stays as it was.

Smooth functions between manifolds

Now take two manifolds. XX has a topology TX\mathcal{T}_X and an atlas A\mathcal{A}, YY has a topology TY\mathcal{T}_Y and an atlas B\mathcal{B}, and both are differentiable manifolds. Let the dimensions be dim⁡X=d\dim X = d and dim⁡Y=b\dim Y = b. We want to ask whether a function F:X→YF : X \to Y, sending points to points, is smooth. FF goes from one topological space to another, so we cannot differentiate it directly. So we attach charts on both sides and turn it into a function between Euclidean spaces. Take a chart (U,γ)(U, \gamma) of XX and a chart (V,φ)(V, \varphi) of YY, and the following composition is a function from Rd\R^d to Rb\R^b.

φ∘F∘γ−1:Rd→Rb\varphi \circ F \circ \gamma^{-1} : \R^d \to \R^b

Reading from the right, we return from coordinates to the point (γ−1\gamma^{-1}), go to YY with FF, and get coordinates again with the chart φ\varphi. If this composition is smooth for every pair of charts where it is defined, FF is called a smooth function. FF itself hides between the two chart regions, and the differentiation happens in the Euclidean spaces made by the charts on either side.

Let me add one thing. The reason the result does not depend on which pair of charts we check is that the atlas is smooth. If we use another chart γ′\gamma', then φ∘F∘γ′−1=(φ∘F∘γ−1)∘(γ∘γ′−1)\varphi \circ F \circ \gamma'^{-1} = (\varphi \circ F \circ \gamma^{-1}) \circ (\gamma \circ \gamma'^{-1}), and the composition of two smooth functions is smooth. (This explanation is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)

Diffeomorphisms

A smooth function need not be one-to-one or onto. If all three of the following conditions hold, FF is called a diffeomorphism.

  1. FF is one-to-one and onto. That is, it is a bijection.
  2. FF is smooth.
  3. The inverse F−1:Y→XF^{-1} : Y \to X is also smooth. In terms of charts, γ∘F−1∘φ−1:Rb→Rd\gamma \circ F^{-1} \circ \varphi^{-1} : \R^b \to \R^d is smooth.

A homeomorphism was a map that is a bijection, continuous, and has a continuous inverse. A diffeomorphism replaces continuous with differentiable, and since differentiable implies continuous, it is a stronger condition than a homeomorphism. It also differs in that it can be stated only between manifolds with a differentiable structure. If there is even one diffeomorphism connecting two manifolds, the two spaces are diffeomorphic. Even if we cannot construct that function explicitly, it is enough that its existence is proved. Asking whether two spaces are diffeomorphic means constructing such a function or proving its existence in some other way.

Let us confirm with an example that the last condition cannot be dropped. F(x)=x3F(x) = x^3 is a smooth bijection from R\R to R\R with a continuous inverse x3\sqrt[3]{x}, so it is a homeomorphism. But x3\sqrt[3]{x} is not differentiable at x=0x = 0, so it is not a diffeomorphism. On the other hand, x↦exx \mapsto e^x is a diffeomorphism from R\R to the positive reals (0,∞)(0, \infty). In one dimension the slope of the inverse is (F−1)′(F(x))=1/F′(x)(F^{-1})'(F(x)) = 1 / F'(x), so if F′F' is zero at some point, the inverse is not differentiable there. (This explanation is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)

In the toy below, pick a function and move the point. The graph of ff and the graph of its inverse are drawn side by side, and being one-to-one, being onto, and the differentiability of the inverse are checked in turn to tell whether it is a diffeomorphism. (This toy is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)

Q. If FF is a smooth bijection, is it a diffeomorphism?
A. No. The inverse must be smooth as well. x3x^3 is a counterexample. In the toy above, pick x3x^3 and move to x0=0x_0 = 0, and you can see the tangent of the inverse stand vertically.

Summary and the next lecture

Today we collected the following. A curve is a function from the real line into the manifold, and its coordinates and derivative are defined through a chart. The coordinate functions, and the textbook phrase “new coordinates are functions of old coordinates”, are components of the transition function. A function between manifolds is made smooth or not by moving it from Rd\R^d to Rb\R^b with charts. A diffeomorphism is a smooth bijection with a smooth inverse. Coordinate expressions such as x0∘cx^0 \circ c of a curve will be used a lot in the next lecture. In the next lecture we use curves to define the tangent space at a point of a manifold.

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