Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의

Manifold series, part 9: defining velocity from smooth functions and curves, and showing with a sum curve that the velocities of all curves through a point form a vector space, the tangent spaceManifold 시리즈 9편: 매끄러운 함수와 곡선에서 속도를 정의하고, 한 점을 지나는 모든 곡선의 속도가 벡터 공간(접공간)을 이룬다는 것을 합 곡선으로 보임

Manifold series매니폴드 시리즈Part 9 of 1818편 중 9번째
  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 9강 The Tangent Space - Definition에 해당합니다. 앞 내용은 지난 편에서 정리했습니다.

왜 접공간을 다시 만드나요?

Tensor 시리즈에서는 시공간에 좌표를 놓고, 점마다 벡터 스페이스와 그 쌍대 공간, 텐서곱 공간을 세웠다고 선언했습니다. 벡터 스페이스의 기저는 그 좌표계의 미분 연산자였습니다. 그 선언만으로도 텐서를 배우는 데는 충분했지만 근거 없이 말한 부분이 있었습니다. 이제 매니폴드를 알게 되었으니 그 벡터 스페이스를 매니폴드의 구조에서 직접 만들 수 있습니다. 이 강의는 시리즈에서 가장 어려운 편에 속하니, 정의를 쌓는 순서를 놓치지 않는 것이 중요합니다.

출발은 지금까지의 매니폴드입니다. 시공간이나 4차원이라는 말을 붙이지 않고 위상 TX\mathcal{T}_X와 아틀라스atlas를 가진 XX라고만 부릅니다.

매끄러운 함수의 모임

매니폴드 XX에서 실수 직선 R\R로 가는 함수 f:X→Rf : X \to \R를 하나 둡니다. 도착 공간 R\R은 이미 유클리드 공간이니 차트를 따로 만들 필요가 없습니다. 차트가 항등사상 하나인 아틀라스를 R\R에 얹은 것과 같습니다. 그러므로 ff의 매끄러움은 XX의 차트 γ\gamma 하나로 정해집니다.

f∘γ−1:Rd→Rf \circ \gamma^{-1} : \R^d \to \R

이 함수가 무한 번 미분 가능하면 ff를 매끄러운 함수smooth function라고 부르고, 이런 함수 전체를 C∞(X)C^\infty(X)라고 씁니다.

C∞(X)C^\infty(X)는 벡터 스페이스vector space입니다. 두 함수의 합은 점마다 더하고, 실수배는 점마다 곱해서 정의하면 매끄러운 함수끼리의 합과 실수배도 매끄러운 함수가 되어 두 연산에 대해 닫혀 있기 때문입니다. 이 사실은 뒤에서 속도가 함수를 먹는 사상이라는 점과 이어집니다.

곡선과 함수에서 속도로

지난 편의 곡선curve ψ:R→X\psi : \R \to X를 다시 씁니다. 매개변수는 tt로 쓰고 시간이라고 생각하면 편합니다. ψ(t0)\psi(t_0)가 XX의 한 점입니다. 곡선 ψ\psi와 함수 ff가 있으면 둘을 합성한 f∘ψ:R→Rf \circ \psi : \R \to \R를 얻고, 이것은 실수 하나에서 실수 하나로 가는 평범한 함수라 미분할 수 있습니다. 곡선을 따라 움직일 때 ff의 값이 얼마나 빨리 변하는지를 재는 것입니다.

그림으로는 이렇습니다. ff의 값이 같은 점들의 모임, 곧 ff의 등고선contour을 매니폴드 위에 그리면 ff는 매니폴드에 등고선 무늬를 입힙니다. 곡선을 따라가며 그 등고선을 얼마나 빠르게 가로지르는지가 (f∘ψ)′(t0)(f \circ \psi)'(t_0)입니다. 이 값은 곡선에 크게 의존합니다. 같은 점을 지나도 다른 곡선은 등고선을 다르게 가로지릅니다.

표기에 주의할 점이 있습니다. 이 미분을 df/dtdf/dt로 쓰는 책이 많지만 ff의 정의역은 XX이고 tt의 직선은 정의역에 들어 있지 않습니다. 여기서 dd는 이전 강의의 미분 형식과 무관하고, 실제로 미분하는 것은 f∘ψf \circ \psi입니다. 그래서 f~(t)=f(ψ(t))\tilde{f}(t) = f(\psi(t))처럼 새 이름을 붙이면 모든 것이 맞습니다. 많은 책이 이 줄임을 설명 없이 쓰므로, 읽다가 ff가 어떤 합성을 가리키는지 늘 확인하는 것이 좋습니다.

Q. df/dtdf/dt는 왜 그대로 쓰면 안 되나요?
A. ff는 XX 위의 함수라서 tt를 입력으로 받지 않습니다. tt를 받는 함수는 곡선을 먼저 거친 f∘ψf \circ \psi이고, df/dtdf/dt는 그 줄임말일 뿐입니다.

속도의 정의

이제 새 대상을 하나 만듭니다. 곡선 ψ\psi와 매개변수 값 t0t_0를 고정하고, 함수를 받아 실수를 내놓는 사상 vψ,t0:C∞(X)→Rv_{\psi, t_0} : C^\infty(X) \to \R을 이렇게 정의합니다.

vψ,t0(f)=(f∘ψ)′(t0)v_{\psi, t_0}(f) = (f \circ \psi)'(t_0)

함수 ff에 곡선을 합성하고, tt로 미분하고, t0t_0에서 값을 읽습니다. 이 사상을 곡선 ψ\psi의 t0t_0에서의 속도velocity라고 부릅니다. 시공간을 지나가는 속도라기보다 곡선이 ff의 등고선에 대해 가진 속도로 이해하면 됩니다. 정의에는 곡선과 그 위의 점이 모두 필요해서 아래 첨자가 두 개 붙습니다.

ψ(t0)=P\psi(t_0) = P인 점 PP를 정하면 PP를 지나는 곡선은 무수히 많습니다. 곡선 ϕ\phi가 t1t_1에서, 곡선 σ\sigma가 t2t_2에서 PP를 지날 수 있고, 각각의 속도 vψ,t0v_{\psi, t_0}, vϕ,t1v_{\phi, t_1}, vσ,t2v_{\sigma, t_2}가 같은 ff에 서로 다른 실수를 줍니다. 곡선이 ff를 탐험하는 방식이 다르기 때문입니다. 몇 곡선은 우연히 같은 값을 줄 수도 있습니다. 어느 곡선도 특별하지 않으니 하나만 골라 접선 같은 것을 정의할 이유가 없습니다.

모든 속도를 한데 모읍니다

특별한 곡선이 없을 때 쓰는 해법은 모두를 모으는 것입니다. 쌍대 공간dual space을 만들 때도 한 사상을 고를 이유가 없어서 가능한 모든 사상을 모았습니다. 같은 방식으로, 점 PP를 지나는 모든 곡선의 속도를 담은 집합을 TPXT_P X라고 쓰고 PP에서의 접공간tangent space이라고 부릅니다. 이 집합의 원소는 C∞(X)C^\infty(X)에서 R\R로 가는 사상들입니다.

TPXT_P X가 벡터 스페이스임을 보이려면 몇 가지를 확인해야 합니다. 이 글에서는 가장 까다로운 덧셈 닫힘만 증명합니다. 두 속도 vψ,t0v_{\psi, t_0}와 vϕ,t1v_{\phi, t_1}을 골랐을 때 그 합이 다시 PP를 지나는 어떤 곡선의 속도여야 합니다. 합은 이렇게 정의합니다. 함수 ff를 넣으면 두 속도가 실수 둘을 내놓고 그 두 실수의 합이 나옵니다. 그러니 vΣ,0(f)v_{\Sigma, 0}(f)가 이 합과 모든 ff에서 같은 곡선 Σ\Sigma를 찾아야 합니다. ff를 지우고 남은 것이 접공간의 덧셈입니다.

덧셈 외에 스칼라배도 닫혀 있어야 합니다. 곡선의 매개변수를 aa배 늘려 ψ(t0+at)\psi(t_0 + a t)를 만들면 속도가 aa배가 되어, 실수 aa를 곱한 속도도 다시 접공간의 원소입니다. 상수 곡선은 영벡터에 해당하는 속도를, a=−1a = -1은 반대 속도를 줍니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

합 곡선 Σ

한 차트 (U,γ)(U, \gamma)에서 시작합니다. 증명은 차트 선택에 의존하지 않지만, 길을 가려면 한 차트가 필요합니다. 곡선 ψ\psi와 ϕ\phi는 PP를 지나므로 ψ(t0)=ϕ(t1)=P\psi(t_0) = \phi(t_1) = P입니다. 합 곡선 Σ\Sigma를 차트 좌표에서 더하고 빼는 방식으로 정의합니다.

Σ(t)=γ−1(γ(ψ(t0+t))+γ(ϕ(t1+t))−γ(ψ(t0)))\Sigma(t) = \gamma^{-1}\Big( \gamma\big(\psi(t_0 + t)\big) + \gamma\big(\phi(t_1 + t)\big) - \gamma\big(\psi(t_0)\big) \Big)

괄호 안은 모두 Rd\R^d의 원소이므로 더하고 뺄 수 있습니다. 바깥 γ−1\gamma^{-1}이 그 결과를 다시 매니폴드로 올립니다. 매니폴드 위에서는 점을 더할 수 없어서 차트 좌표를 거쳐야 하는 것입니다. 이 식은 tt가 0 근처의 충분히 작은 값이라서 괄호 안의 좌표가 γ(U)\gamma(U) 안에 머물 때 뜻이 있습니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

먼저 Σ\Sigma가 PP를 지나는지 보겠습니다. t=0t = 0을 넣으면 γ(ψ(t0))=γ(ϕ(t1))=γ(P)\gamma(\psi(t_0)) = \gamma(\phi(t_1)) = \gamma(P)이고 괄호 안은 γ(P)+γ(P)−γ(P)=γ(P)\gamma(P) + \gamma(P) - \gamma(P) = \gamma(P)입니다. 따라서 Σ(0)=γ−1(γ(P))=P\Sigma(0) = \gamma^{-1}(\gamma(P)) = P입니다. 곧 이 곡선은 t=0t = 0에서 PP를 지납니다.

식이 ψ\psi를 특별 취급하는 것처럼 보이지만 마지막 항에 ϕ\phi를 써도 됩니다. 그 항은 점 PP의 좌표 γ(P)\gamma(P)를 한 번 빼는 역할이어서, 어느 곡선으로 쓰든 같은 값입니다.

아래 장난감에서 두 곡선의 속도 화살표를 끌어 보세요. 주황색 합 곡선 Σ\Sigma의 속도가 두 속도의 합이 되는 것을 숫자로 확인할 수 있습니다. 여기서는 차트를 평면 좌표 그대로 둔 가장 단순한 경우이고, 곡선의 매개변수는 PP를 t=0t = 0에 지나게 맞췄습니다. (이 장난감은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. 합 곡선을 왜 매니폴드 위에서 바로 더하지 않고 차트 좌표를 거치나요?
A. 매니폴드는 점의 집합이라서 점끼리의 덧셈이 정의되어 있지 않습니다. 덧셈이 있는 곳은 Rd\R^d이므로 차트로 좌표를 내려 더하고 γ−1\gamma^{-1}로 다시 올립니다.

합 곡선의 속도

이제 vΣ,0(f)=(f∘Σ)′(0)v_{\Sigma, 0}(f) = (f \circ \Sigma)'(0)을 계산합니다. 먼저 γ−1∘γ\gamma^{-1} \circ \gamma를 끼워 넣어 f∘Σ=(f∘γ−1)∘(γ∘Σ)f \circ \Sigma = (f \circ \gamma^{-1}) \circ (\gamma \circ \Sigma)로 씁니다. 항등사상을 끼운 것이라 값은 그대로이지만, 이렇게 하면 각 조각의 정의역과 공역이 보입니다.

  • g=f∘γ−1g = f \circ \gamma^{-1}는 Rd\R^d에서 R\R로 가는 함수입니다.
  • α=γ∘Σ\alpha = \gamma \circ \Sigma는 R\R에서 Rd\R^d로 가는 곡선이고, 정의에서 γ−1\gamma^{-1}이 사라져 α(t)=γ(ψ(t0+t))+γ(ϕ(t1+t))−γ(P)\alpha(t) = \gamma(\psi(t_0 + t)) + \gamma(\phi(t_1 + t)) - \gamma(P)입니다.

그러므로 우리가 구하는 것은 R\R에서 Rd\R^d를 거쳐 R\R로 가는 합성 g∘αg \circ \alpha의 미분입니다. 다변수 연쇄 법칙chain rule을 씁니다. 바깥 함수의 편미분은 안쪽 함수가 내놓은 점에서 재야 하므로, 여기서는 α(0)=γ(P)\alpha(0) = \gamma(P)에서 잽니다.

(g∘α)′(0)=∑i=1d∂ig(γ(P)) (αi)′(0)(g \circ \alpha)'(0) = \sum_{i=1}^{d} \partial_i g\big(\gamma(P)\big) \, (\alpha^i)'(0)

α\alpha의 ii번째 성분은 두 곡선의 ii번째 좌표의 합에서 상수 γi(P)\gamma^i(P)를 뺀 것입니다. 상수는 미분하면 사라지고 합의 미분은 미분의 합이므로 이렇습니다.

(αi)′(0)=(γi∘ψ)′(t0)+(γi∘ϕ)′(t1)(\alpha^i)'(0) = (\gamma^i \circ \psi)'(t_0) + (\gamma^i \circ \phi)'(t_1)

이것을 위 식에 넣고 두 합으로 나눕니다.

vΣ,0(f)=∑i∂ig(γ(P))(γi∘ψ)′(t0)+∑i∂ig(γ(P))(γi∘ϕ)′(t1)v_{\Sigma, 0}(f) = \sum_i \partial_i g\big(\gamma(P)\big) (\gamma^i \circ \psi)'(t_0) + \sum_i \partial_i g\big(\gamma(P)\big) (\gamma^i \circ \phi)'(t_1)

첫째 합은 연쇄 법칙의 오른쪽을 거꾸로 읽은 모양입니다. g∘γ∘ψ=f∘ψg \circ \gamma \circ \psi = f \circ \psi이므로 첫째 합은 (f∘ψ)′(t0)(f \circ \psi)'(t_0)이고, 둘째 합도 같은 이유로 (f∘ϕ)′(t1)(f \circ \phi)'(t_1)입니다. 결론은 이렇습니다.

vΣ,0(f)=vψ,t0(f)+vϕ,t1(f)v_{\Sigma, 0}(f) = v_{\psi, t_0}(f) + v_{\phi, t_1}(f)

ff가 C∞(X)C^\infty(X)의 임의의 원소였으므로 ff를 지우고 vΣ=vψ+vϕv_\Sigma = v_\psi + v_\phi라고 쓸 수 있습니다. 두 속도의 합이 PP를 지나는 곡선 Σ\Sigma의 속도로 다시 접공간에 있음이 보였고, 이것이 접공간의 덧셈입니다. 증명 도중 쓴 차트 γ\gamma는 결론에 남지 않았습니다. 곡선의 모양이 달라도 속도가 같을 수 있어서, 어느 차트를 쓰든 결과는 같습니다.

Q. 증명에 차트를 썼는데 결과는 차트에 의존하지 않나요?
A. 의존하지 않습니다. 차트는 연쇄 법칙을 쓰려고 끼워 넣은 도구이고, 마지막 식에는 곡선과 함수만 남습니다. 차트마다 곡선의 좌표 표현은 달라 보여도 같은 속도를 줍니다.

정리

점 PP를 지나는 모든 곡선의 속도, 곧 C∞(X)C^\infty(X)에서 R\R로 가는 사상 f↦(f∘ψ)′(t0)f \mapsto (f \circ \psi)'(t_0)들의 모임이 벡터 스페이스를 이룹니다. 이것이 PP에서의 접공간 TPXT_P X입니다. 오늘은 덧셈의 닫힘만 증명했고 스칼라배, 영벡터, 반대 벡터는 비슷한 방식으로 확인할 수 있습니다. 다음 강의에서는 접공간이 어디에 쓰이는지 더 살펴봅니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 9 of the playlist, The Tangent Space - Definition. The earlier material is in the previous post.

Why build the tangent space again?

In the Tensor series we declared that we put coordinates on spacetime and, at each point, erect a vector space, its dual space, and the tensor product spaces. The basis of that vector space was the differential operators of the coordinate system. That declaration was enough for learning tensors, but some parts were stated without a foundation. Now that we know manifolds, we can build that vector space directly from the structure of a manifold. This lecture is among the hardest in the series, so it matters not to lose the order in which the definitions are built.

We start from the manifold so far. We do not say spacetime or four-dimensional, and we simply call it XX, with a topology TX\mathcal{T}_X and an atlas.

The collection of smooth functions

Take a function f:X→Rf : X \to \R from the manifold XX to the real line R\R. The target R\R is already a Euclidean space, so we need no extra chart. It is as if we put on R\R an atlas with a single chart, the identity. So the smoothness of ff is decided by one chart γ\gamma of XX.

f∘γ−1:Rd→Rf \circ \gamma^{-1} : \R^d \to \R

If this function is infinitely differentiable, we call ff a smooth function, and write the set of all such functions as C∞(X)C^\infty(X).

C∞(X)C^\infty(X) is a vector space. Define the sum of two functions pointwise and the real multiple pointwise, and sums and real multiples of smooth functions are again smooth, so the set is closed under both operations. This fact will connect later with the point that a velocity is a map that eats functions.

From curves and functions to velocity

Let us reuse the curve ψ:R→X\psi : \R \to X from the previous post. We write the parameter as tt, and it is handy to think of it as time. ψ(t0)\psi(t_0) is a point of XX. Given a curve ψ\psi and a function ff, composing them gives f∘ψ:R→Rf \circ \psi : \R \to \R, an ordinary function from one real number to one real number, so we can differentiate it. It measures how fast the value of ff changes as we move along the curve.

In a picture it goes like this. The points where ff takes the same value form a contour of ff, and drawing these contours on the manifold gives the manifold a contour pattern. How fast the curve crosses these contours as we follow it is (f∘ψ)′(t0)(f \circ \psi)'(t_0). This value depends strongly on the curve. Even through the same point, a different curve crosses the contours differently.

A word on notation. Many books write this derivative as df/dtdf/dt, but the domain of ff is XX, not the line of tt. Here dd has nothing to do with the differential forms of earlier lectures, and what is really differentiated is f∘ψf \circ \psi. If we give it a new name such as f~(t)=f(ψ(t))\tilde{f}(t) = f(\psi(t)), everything fits. Many books use this shorthand without explanation, so when reading it is good to check always which composition ff stands for.

Q. Why can we not simply write df/dtdf/dt?
A. ff is a function on XX, so it does not take tt as input. The function that takes tt is f∘ψf \circ \psi, which first passes through the curve, and df/dtdf/dt is only a shorthand for it.

Definition of velocity

Now we build a new object. Fix a curve ψ\psi and a parameter value t0t_0, and define a map vψ,t0:C∞(X)→Rv_{\psi, t_0} : C^\infty(X) \to \R, which takes a function and gives a real number, as follows.

vψ,t0(f)=(f∘ψ)′(t0)v_{\psi, t_0}(f) = (f \circ \psi)'(t_0)

Compose the curve with the function ff, differentiate in tt, and read the value at t0t_0. We call this map the velocity of the curve ψ\psi at t0t_0. It is better understood as the velocity the curve has relative to the contours of ff than as a velocity through spacetime. The definition needs both the curve and a point on it, so it carries two subscripts.

Once we fix the point PP with ψ(t0)=P\psi(t_0) = P, countless curves pass through PP. A curve ϕ\phi may pass through PP at t1t_1 and a curve σ\sigma at t2t_2, and their velocities vψ,t0v_{\psi, t_0}, vϕ,t1v_{\phi, t_1}, vσ,t2v_{\sigma, t_2} give different real numbers for the same ff. This is because the curves explore ff in different ways. A few curves may happen to give the same value. No curve is special, so there is no reason to pick just one and define something like a tangent line from it.

Gather all the velocities

When no curve is special, the remedy is to collect all of them. When we built the dual space there was likewise no reason to pick one map, so we collected all possible maps. In the same way, we write the set holding the velocities of all curves through the point PP as TPXT_P X and call it the tangent space at PP. The elements of this set are maps from C∞(X)C^\infty(X) to R\R.

To show that TPXT_P X is a vector space, we must check several things. In this post we prove only the trickiest, closure under addition. When we pick two velocities vψ,t0v_{\psi, t_0} and vϕ,t1v_{\phi, t_1}, their sum must again be the velocity of some curve through PP. The sum is defined like this. Feed in a function ff and the two velocities give two real numbers, and we take their sum. So we must find a curve Σ\Sigma for which vΣ,0(f)v_{\Sigma, 0}(f) equals this sum for every ff. What remains after erasing ff is the addition of the tangent space.

Besides addition, scalar multiples must also be closed. Stretching the parameter of a curve by a factor aa to make ψ(t0+at)\psi(t_0 + a t) multiplies the velocity by aa, so a velocity multiplied by a real number aa is again an element of the tangent space. A constant curve gives the zero vector, and a=−1a = -1 gives the opposite velocity. (This explanation is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)

The sum curve Σ

We start in one chart (U,γ)(U, \gamma). The proof does not depend on the choice of chart, but we need one chart to make our way through. The curves ψ\psi and ϕ\phi pass through PP, so ψ(t0)=ϕ(t1)=P\psi(t_0) = \phi(t_1) = P. We define the sum curve Σ\Sigma by adding and subtracting in chart coordinates.

Σ(t)=γ−1(γ(ψ(t0+t))+γ(ϕ(t1+t))−γ(ψ(t0)))\Sigma(t) = \gamma^{-1}\Big( \gamma\big(\psi(t_0 + t)\big) + \gamma\big(\phi(t_1 + t)\big) - \gamma\big(\psi(t_0)\big) \Big)

Everything inside the parentheses is an element of Rd\R^d, so it can be added and subtracted. The outer γ−1\gamma^{-1} lifts the result back to the manifold. Points cannot be added on the manifold, so we must go through chart coordinates. This formula makes sense when tt is small enough near 0 that the coordinates inside the parentheses stay in γ(U)\gamma(U). (This explanation is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)

First let us see whether Σ\Sigma passes through PP. Putting in t=0t = 0, we have γ(ψ(t0))=γ(ϕ(t1))=γ(P)\gamma(\psi(t_0)) = \gamma(\phi(t_1)) = \gamma(P), and the inside is γ(P)+γ(P)−γ(P)=γ(P)\gamma(P) + \gamma(P) - \gamma(P) = \gamma(P). So Σ(0)=γ−1(γ(P))=P\Sigma(0) = \gamma^{-1}(\gamma(P)) = P. This curve passes through PP at t=0t = 0.

The formula seems to treat ψ\psi specially, but we could use ϕ\phi in the last term. That term’s job is to subtract the coordinates γ(P)\gamma(P) of the point PP once, so it gives the same value whichever curve we use.

In the toy below, drag the velocity arrows of the two curves. You can check with numbers that the velocity of the orange sum curve Σ\Sigma is the sum of the two velocities. This is the simplest case, with the chart left as the plane coordinates, and the parameters of the curves are set so that each passes through PP at t=0t = 0. (This toy is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)

Q. Why do we not add the curves directly on the manifold, and go through chart coordinates?
A. A manifold is a set of points, so addition of points is not defined on it. Addition exists in Rd\R^d, so we bring the coordinates down with the chart, add, and lift back up with γ−1\gamma^{-1}.

The velocity of the sum curve

Now we compute vΣ,0(f)=(f∘Σ)′(0)v_{\Sigma, 0}(f) = (f \circ \Sigma)'(0). First insert γ−1∘γ\gamma^{-1} \circ \gamma and write f∘Σ=(f∘γ−1)∘(γ∘Σ)f \circ \Sigma = (f \circ \gamma^{-1}) \circ (\gamma \circ \Sigma). We inserted the identity map, so the value is unchanged, but this lets us see the domain and codomain of each piece.

  • g=f∘γ−1g = f \circ \gamma^{-1} is a function from Rd\R^d to R\R.
  • α=γ∘Σ\alpha = \gamma \circ \Sigma is a curve from R\R to Rd\R^d, and by the definition the γ−1\gamma^{-1} disappears, giving α(t)=γ(ψ(t0+t))+γ(ϕ(t1+t))−γ(P)\alpha(t) = \gamma(\psi(t_0 + t)) + \gamma(\phi(t_1 + t)) - \gamma(P).

So what we want is the derivative of the composition g∘αg \circ \alpha, which goes from R\R through Rd\R^d to R\R. We use the multivariable chain rule. The partial derivatives of the outer function must be measured at the point the inner function delivers, which here is α(0)=γ(P)\alpha(0) = \gamma(P).

(g∘α)′(0)=∑i=1d∂ig(γ(P)) (αi)′(0)(g \circ \alpha)'(0) = \sum_{i=1}^{d} \partial_i g\big(\gamma(P)\big) \, (\alpha^i)'(0)

The ii-th component of α\alpha is the sum of the ii-th coordinates of the two curves minus the constant γi(P)\gamma^i(P). A constant disappears under differentiation, and the derivative of a sum is the sum of derivatives, so we have this.

(αi)′(0)=(γi∘ψ)′(t0)+(γi∘ϕ)′(t1)(\alpha^i)'(0) = (\gamma^i \circ \psi)'(t_0) + (\gamma^i \circ \phi)'(t_1)

Put this into the formula above and split into two sums.

vΣ,0(f)=∑i∂ig(γ(P))(γi∘ψ)′(t0)+∑i∂ig(γ(P))(γi∘ϕ)′(t1)v_{\Sigma, 0}(f) = \sum_i \partial_i g\big(\gamma(P)\big) (\gamma^i \circ \psi)'(t_0) + \sum_i \partial_i g\big(\gamma(P)\big) (\gamma^i \circ \phi)'(t_1)

The first sum has the shape of the right side of the chain rule read backwards. Since g∘γ∘ψ=f∘ψg \circ \gamma \circ \psi = f \circ \psi, the first sum is (f∘ψ)′(t0)(f \circ \psi)'(t_0), and by the same reason the second sum is (f∘ϕ)′(t1)(f \circ \phi)'(t_1). The conclusion is this.

vΣ,0(f)=vψ,t0(f)+vϕ,t1(f)v_{\Sigma, 0}(f) = v_{\psi, t_0}(f) + v_{\phi, t_1}(f)

Since ff was an arbitrary element of C∞(X)C^\infty(X), we can erase ff and write vΣ=vψ+vϕv_\Sigma = v_\psi + v_\phi. We have shown that the sum of two velocities lies in the tangent space again, as the velocity of the curve Σ\Sigma through PP, and this is the addition of the tangent space. The chart γ\gamma used during the proof does not remain in the conclusion. Curves of different shapes can have the same velocity, so whichever chart we use, the result is the same.

Q. We used a chart in the proof, so does the result not depend on the chart?
A. It does not. The chart is a tool inserted to use the chain rule, and only curves and functions remain in the last formula. The coordinate expressions of the curve look different in different charts but give the same velocity.

Summary

The velocities of all curves through a point PP, that is, the collection of maps f↦(f∘ψ)′(t0)f \mapsto (f \circ \psi)'(t_0) from C∞(X)C^\infty(X) to R\R, form a vector space. This is the tangent space TPXT_P X at PP. Today we proved only closure under addition, and scalar multiples, the zero vector, and opposite vectors can be checked in a similar way. In the next lecture we look further at what the tangent space is used for.

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