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
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- Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
- Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
- Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
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- Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
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- Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
- Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
- Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
- 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 와 아틀라스를 가진 라고만 부릅니다.
매끄러운 함수의 모임
매니폴드 에서 실수 직선 로 가는 함수 를 하나 둡니다. 도착 공간 은 이미 유클리드 공간이니 차트를 따로 만들 필요가 없습니다. 차트가 항등사상 하나인 아틀라스를 에 얹은 것과 같습니다. 그러므로 의 매끄러움은 의 차트 하나로 정해집니다.
이 함수가 무한 번 미분 가능하면 를 매끄러운 함수라고 부르고, 이런 함수 전체를 라고 씁니다.
는 벡터 스페이스입니다. 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 곡선 를 다시 씁니다. 매개변수는 로 쓰고 시간이라고 생각하면 편합니다. 가 의 한 점입니다. 곡선 와 함수 가 있으면 둘을 합성한 를 얻고, 이것은 실수 하나에서 실수 하나로 가는 평범한 함수라 미분할 수 있습니다. 곡선을 따라 움직일 때 의 값이 얼마나 빨리 변하는지를 재는 것입니다.
그림으로는 이렇습니다. 의 값이 같은 점들의 모임, 곧 의 등고선을 매니폴드 위에 그리면 는 매니폴드에 등고선 무늬를 입힙니다. 곡선을 따라가며 그 등고선을 얼마나 빠르게 가로지르는지가 입니다. 이 값은 곡선에 크게 의존합니다. 같은 점을 지나도 다른 곡선은 등고선을 다르게 가로지릅니다.
표기에 주의할 점이 있습니다. 이 미분을 로 쓰는 책이 많지만 의 정의역은 이고 의 직선은 정의역에 들어 있지 않습니다. 여기서 는 이전 강의의 미분 형식과 무관하고, 실제로 미분하는 것은 입니다. 그래서 처럼 새 이름을 붙이면 모든 것이 맞습니다. 많은 책이 이 줄임을 설명 없이 쓰므로, 읽다가 가 어떤 합성을 가리키는지 늘 확인하는 것이 좋습니다.
Q. 는 왜 그대로 쓰면 안 되나요?
A. 는 위의 함수라서 를 입력으로 받지 않습니다. 를 받는 함수는 곡선을 먼저 거친 이고, 는 그 줄임말일 뿐입니다.
속도의 정의
이제 새 대상을 하나 만듭니다. 곡선 와 매개변수 값 를 고정하고, 함수를 받아 실수를 내놓는 사상 을 이렇게 정의합니다.
함수 에 곡선을 합성하고, 로 미분하고, 에서 값을 읽습니다. 이 사상을 곡선 의 에서의 속도라고 부릅니다. 시공간을 지나가는 속도라기보다 곡선이 의 등고선에 대해 가진 속도로 이해하면 됩니다. 정의에는 곡선과 그 위의 점이 모두 필요해서 아래 첨자가 두 개 붙습니다.
인 점 를 정하면 를 지나는 곡선은 무수히 많습니다. 곡선 가 에서, 곡선 가 에서 를 지날 수 있고, 각각의 속도 , , 가 같은 에 서로 다른 실수를 줍니다. 곡선이 를 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 공간을 만들 때도 한 사상을 고를 이유가 없어서 가능한 모든 사상을 모았습니다. 같은 방식으로, 점 를 지나는 모든 곡선의 속도를 담은 집합을 라고 쓰고 에서의 접공간이라고 부릅니다. 이 집합의 원소는 에서 로 가는 사상들입니다.
가 벡터 스페이스임을 보이려면 몇 가지를 확인해야 합니다. 이 글에서는 가장 까다로운 덧셈 닫힘만 증명합니다. 두 속도 와 을 골랐을 때 그 합이 다시 를 지나는 어떤 곡선의 속도여야 합니다. 합은 이렇게 정의합니다. 함수 를 넣으면 두 속도가 실수 둘을 내놓고 그 두 실수의 합이 나옵니다. 그러니 가 이 합과 모든 에서 같은 곡선 를 찾아야 합니다. 를 지우고 남은 것이 접공간의 덧셈입니다.
덧셈 외에 스칼라배도 닫혀 있어야 합니다. 곡선의 매개변수를 배 늘려 를 만들면 속도가 배가 되어, 실수 를 곱한 속도도 다시 접공간의 원소입니다. 상수 곡선은 영벡터에 해당하는 속도를, 은 반대 속도를 줍니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
합 곡선 Σ
한 차트 에서 시작합니다. 증명은 차트 선택에 의존하지 않지만, 길을 가려면 한 차트가 필요합니다. 곡선 와 는 를 지나므로 입니다. 합 곡선 를 차트 좌표에서 더하고 빼는 방식으로 정의합니다.
괄호 안은 모두 의 원소이므로 더하고 뺄 수 있습니다. 바깥 이 그 결과를 다시 매니폴드로 올립니다. 매니폴드 위에서는 점을 더할 수 없어서 차트 좌표를 거쳐야 하는 것입니다. 이 식은 가 0 근처의 충분히 작은 값이라서 괄호 안의 좌표가 안에 머물 때 뜻이 있습니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
먼저 가 를 지나는지 보겠습니다. 을 넣으면 이고 괄호 안은 입니다. 따라서 입니다. 곧 이 곡선은 에서 를 지납니다.
식이 를 특별 취급하는 것처럼 보이지만 마지막 항에 를 써도 됩니다. 그 항은 점 의 좌표 를 한 번 빼는 역할이어서, 어느 곡선으로 쓰든 같은 값입니다.
아래 장난감에서 두 곡선의 속도 화살표를 끌어 보세요. 주황색 합 곡선 의 속도가 두 속도의 합이 되는 것을 숫자로 확인할 수 있습니다. 여기서는 차트를 평면 좌표 그대로 둔 가장 단순한 경우이고, 곡선의 매개변수는 를 에 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 이므로 차트로 좌표를 내려 더하고 로 다시 올립니다.
합 곡선의 속도
이제 을 계산합니다. 먼저 를 끼워 넣어 로 씁니다. 항등사상을 끼운 것이라 값은 그대로이지만, 이렇게 하면 각 조각의 정의역과 공역이 보입니다.
- 는 에서 로 가는 함수입니다.
- 는 에서 로 가는 곡선이고, 정의에서 이 사라져 입니다.
그러므로 우리가 구하는 것은 에서 를 거쳐 로 가는 합성 의 미분입니다. 다변수 연쇄 법칙을 씁니다. 바깥 함수의 편미분은 안쪽 함수가 내놓은 점에서 재야 하므로, 여기서는 에서 잽니다.
의 번째 성분은 두 곡선의 번째 좌표의 합에서 상수 를 뺀 것입니다. 상수는 미분하면 사라지고 합의 미분은 미분의 합이므로 이렇습니다.
이것을 위 식에 넣고 두 합으로 나눕니다.
첫째 합은 연쇄 법칙의 오른쪽을 거꾸로 읽은 모양입니다. 이므로 첫째 합은 이고, 둘째 합도 같은 이유로 입니다. 결론은 이렇습니다.
가 의 임의의 원소였으므로 를 지우고 라고 쓸 수 있습니다. 두 속도의 합이 를 지나는 곡선 의 속도로 다시 접공간에 있음이 보였고, 이것이 접공간의 덧셈입니다. 증명 도중 쓴 차트 는 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 를 지나는 모든 곡선의 속도, 곧 에서 로 가는 사상 들의 모임이 벡터 스페이스를 이룹니다. 이것이 에서의 접공간 입니다. 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 , with a topology and an atlas.
The collection of smooth functions
Take a function from the manifold to the real line . The target is already a Euclidean space, so we need no extra chart. It is as if we put on an atlas with a single chart, the identity. So the smoothness of is decided by one chart of .
If this function is infinitely differentiable, we call a smooth function, and write the set of all such functions as .
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 from the previous post. We write the parameter as , and it is handy to think of it as time. is a point of . Given a curve and a function , composing them gives , an ordinary function from one real number to one real number, so we can differentiate it. It measures how fast the value of changes as we move along the curve.
In a picture it goes like this. The points where takes the same value form a contour of , 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 . 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 , but the domain of is , not the line of . Here has nothing to do with the differential forms of earlier lectures, and what is really differentiated is . If we give it a new name such as , everything fits. Many books use this shorthand without explanation, so when reading it is good to check always which composition stands for.
Q. Why can we not simply write ?
A. is a function on , so it does not take as input. The function that takes is , which first passes through the curve, and is only a shorthand for it.
Definition of velocity
Now we build a new object. Fix a curve and a parameter value , and define a map , which takes a function and gives a real number, as follows.
Compose the curve with the function , differentiate in , and read the value at . We call this map the velocity of the curve at . It is better understood as the velocity the curve has relative to the contours of 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 with , countless curves pass through . A curve may pass through at and a curve at , and their velocities , , give different real numbers for the same . This is because the curves explore 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 as and call it the tangent space at . The elements of this set are maps from to .
To show that 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 and , their sum must again be the velocity of some curve through . The sum is defined like this. Feed in a function and the two velocities give two real numbers, and we take their sum. So we must find a curve for which equals this sum for every . What remains after erasing is the addition of the tangent space.
Besides addition, scalar multiples must also be closed. Stretching the parameter of a curve by a factor to make multiplies the velocity by , so a velocity multiplied by a real number is again an element of the tangent space. A constant curve gives the zero vector, and 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 . The proof does not depend on the choice of chart, but we need one chart to make our way through. The curves and pass through , so . We define the sum curve by adding and subtracting in chart coordinates.
Everything inside the parentheses is an element of , so it can be added and subtracted. The outer 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 is small enough near 0 that the coordinates inside the parentheses stay in . (This explanation is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)
First let us see whether passes through . Putting in , we have , and the inside is . So . This curve passes through at .
The formula seems to treat specially, but we could use in the last term. That term’s job is to subtract the coordinates of the point 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 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 at . (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 , so we bring the coordinates down with the chart, add, and lift back up with .
The velocity of the sum curve
Now we compute . First insert and write . We inserted the identity map, so the value is unchanged, but this lets us see the domain and codomain of each piece.
- is a function from to .
- is a curve from to , and by the definition the disappears, giving .
So what we want is the derivative of the composition , which goes from through to . 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 .
The -th component of is the sum of the -th coordinates of the two curves minus the constant . A constant disappears under differentiation, and the derivative of a sum is the sum of derivatives, so we have this.
Put this into the formula above and split into two sums.
The first sum has the shape of the right side of the chain rule read backwards. Since , the first sum is , and by the same reason the second sum is . The conclusion is this.
Since was an arbitrary element of , we can erase and write . We have shown that the sum of two velocities lies in the tangent space again, as the velocity of the curve through , and this is the addition of the tangent space. The chart 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 , that is, the collection of maps from to , form a vector space. This is the tangent space at . 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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