Différentielle d'une application

Considérons $S^1$ le cercle vu comme sous-ensemble de $\mathbb{C}$ et muni de l'atlas $\{(U_{1},\psi_{1}),(U_{2},\psi_{2})\}$ où \begin{align*}&U_{1}:=\{e^{it}\mid -\pi<t<\pi\}\\ &U_{2}:=\{e^{it}\mid 0<t<2\pi\}\end{align*} Les fonctions $\psi_{1}$ et $\psi_{2}$ envoient $e^{it}$ sur $t$. Considérons d'autre part le cercle $S^{1}$ vu comme paramétrisé dans $\Bbb R^{2}$ par \[[0,2\pi)\to\Bbb R^{2}:\theta\mapsto (\cos(\theta),\sin(\theta))\] On peut également le voir comme muni d'un atlas similaire au précédent avec $e^{it}$ remplacé par $(\cos(\theta),\sin(\theta))$.

On se donne une application entre ces deux structures $\nu:S^{1}\to S^{1}:e^{it}\mapsto (\cos(nt),\sin(nt))$. J'aimerais déterminer la matrice de sa différentielle $\nu_{\ast}$ en, disons, le point $x=e^{it}\vert_{t=0}$. J'aimerais faire cela sans (trop) utiliser les structures particulières de $S^{1}$, mais plutôt pour comprendre comment déterminer cette matrice de manière générale. Étant donné que c'est vite horrible avec la définition de vecteurs tangents en termes de dérivations, je considère un chemin \[(-\epsilon,\epsilon)\to S^{1}:t\mapsto \Gamma(t) =e^{i\gamma(t)}\] tel que $\dot\Gamma(0)\in T_{x}S^{1}$ et $\Gamma(0)=x$. On s'intéresse donc à \[\nu_{\ast_{x}}(\dot\Gamma(0))=\frac{\partial}{\partial t}\nu(\Gamma(t))\vert_{t=0}=\frac{\partial}{\partial t}(\cos(n\gamma(t)),\sin(n\gamma(t))\vert_{t=0}=n\dot\gamma(0)(-\sin(n\gamma(0)),\cos(n\gamma(0)))\] Cependant, je n'ai aucune idée, à partir de cette expression, de la manière de déduire la matrice de $\nu_{\ast_{x}}$ ? J'imagine que je vais devoir déterminer à quoi ressemble une base de vecteurs tangents (en l'occurrence, un vecteur tangent) en $\nu(x)$, mais comment faire cela ? Mon idée est de prendre un autre chemin : \[(-\epsilon,\epsilon)\to S^{1}:t\mapsto \Sigma(t)=(\cos(\sigma(t)),\sin(\sigma(t)))\] tel que $\Sigma(0)=\nu(x)$ et de comparer. Dans ce cas, on \[\dot\Sigma(0)=\dot\sigma(0)(-\sin(\sigma(0)),\cos(\sigma(0)))\] J'en déduis donc que \[\nu_{\ast_{x}}=n\text{Id}\vert_{T_{\nu(x)}S^{1}}\] pour tout $x\in S^{1}$.

Cette approche est-elle correcte ? Y en a-t-il une plus simple (qui fonctionne de manière générale) ?

Réponses

  • Le résultat est correct, mais semble outrageusement compliqué : il suffit de prendre un seul chemin, et disons, le plus simple et du coup, c'est évident...
  • Merci pour ta réponse, remarque. Cependant, je me rends compte que je suis complètement perdu. Mon raisonnement n'a pas de sens. Disons que j'ai un chemin $\Gamma:(-\epsilon,\epsilon)\to M$ à valeurs dans une variété $M$ et tel que $\Gamma(0)=x\in M$. Si j'ai une application $\nu:M\to N$ entre deux variétés et que je veux connaître la matrice de l'application linéaire $\nu_{\ast_{x}}:T_{x}M\to T_{\nu(x)}N$, je peux le faire en déterminant l'image de chemin. On a \[\dot\Gamma(0)=\sum_{i=1}^{m}\underbrace{\dot\gamma^{i}(0)}_{\in\Bbb R}\frac{\partial}{\partial x^{i}}\vert_{x}\] où $x^{i}$ est un système de coordonnées locales sur $M$ et $\frac{\partial}{\partial x^{i}}\vert_{x}$ une base de vecteurs tangents en $x$ associée à ce système de coordonnées. Considérons de même un système de coordonnées locales $y^{1},\dots,y^{n}$ sur $N$ associée à une base de vecteurs tangents, etc. On a alors : \[\nu_{\ast_{x}}(\dot\Gamma(0))=\sum_{i=1}^{m}\dot\gamma^{i}(0)\nu_{\ast_{x}}\left(\frac{\partial}{\partial x^{i}}\vert_{x}\right)=\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{n}\dot\gamma^{i}(0)\nu_{ij}\frac{\partial}{\partial y^{j}}\vert_{\nu(x)}\] où $\nu_{ij}$ sont les coefficients de la matrice recherchée. Mais comment utiliser cette description en termes de chemin. Si j'ai un chemin $\Sigma:(-\epsilon,\epsilon)\to N$ tel que $\Sigma(0)=\nu(x)$, alors de manière similaire \[\dot\Sigma(0)=\sum_{j=1}^{n}\dot\sigma^{i}(0)\frac{\partial}{\partial y^{j}}\vert_{\nu(x)}\] Mais comment déterminer la matrice ? J'imagine qu'il faut regarder le chemin $s\mapsto\nu(\Gamma(s))$ dans $N$. Mais tout ceci demande évidemment de connaître les coordonnées des chemins dans les bases des espaces tangents respectifs.

    Dans mon problème initial, $s\mapsto \Gamma(s)=e^{i\gamma(s)}$ donne $\dot\Gamma(0)=i\dot\gamma(0)e^{i\gamma(0)}$ et n'importe quel chemin $e^{i\xi(s)}$ passant par $e^{i\gamma(0)}=x$ sera du type $i\dot\xi(0)e^{i\xi(0)}$ dont je déduis que $\dot\Gamma(0)=\dot\gamma(0)c_{x}\frac{\partial}{\partial t}\vert_{x}$.

    Donc ici si je prends le chemin $\Gamma(s)=e^{i(t+s)}$ il passe clairement par $x=e^{it}$ en $0$. Et $\dot\Gamma(0)$ a pour coordonnée $1c_{x}$. Donc \[\nu_{\ast_{x}}\dot\Gamma(0)=c_{x}\nu_{11}\frac{\partial}{\partial \theta}\vert_{\nu(x)}\] D'autre part, \[\nu(\Gamma(s))=(\cos(n(t+s)),\sin(n(t+s)))\] et donc \[\dot{\nu(\Gamma(s))}\vert_{s=0}=n(-\sin(nt),\cos(nt))\] De même, n'importe quel chemin passant par $\nu(x)$ aura pour vecteur tangent en $0$ un vecteur de la forme $\dot\sigma(0)(-\sin(nt),\cos(nt))$ mais rien ne me permet de conclure.

    Je ne comprends pas du tout comment on détermine en pratique toutes ces quantités (la base de l'espace tangent, etc.).

    Après, ici, je comprends que je peux prendre pour base de $T_{x}S^{1}$ le vecteur $ie^{it}$. La coordonnée de $\dot\Gamma(0)$ dans cette base est $1$. D'autre part, je peux prendre comme base pour $T_{\nu(x)}S^{1}$ le vecteur $(-\sin(nt),\cos(nt))$ et donc la coordonnée de $\dot{\nu(\Gamma(s))}\vert_{s=0}$ dans cette base est $n$, ce qui montre que le déterminant de $\nu_{\ast_{x}}$ est $n>0$ quel que soit $x$.
  • Bon, excuse-moi mais il fait trop chaud pour lire tout ça ! :-) Disons que là, tu as une application entre deux variétés de dimension 1. Donc en chaque point, l'espace tangent est de dimension 1. Toute application linéaire d'un espace de dimension 1 dans un espace de dimension 1 se réduit à la donnée d'un scalaire. Ici, ça veut dire que pour identifier la différentielle, il suffit d'identifier l'image d'un vecteur tangent non nul. Un vecteur tangent non nul peut s'obtenir avec n'importe quel chemin qui ne s'arrête pas en ce point. Par exemple $t\mapsto (\cos t,\sin t)$. Maintenant, c'est quand même la même variété au départ et à l'arrivée, donc on peut quand même les identifier. Après, il y a un choix de base dans l'espace tangent de départ et dans l'espace tangent d'arrivée. Là tu es libre de prendre n'importe quoi, mais bon, prendre les bases données par le chemin plus haut ne semble pas un mauvais plan en termes de simplicité. Si tu fais ce choix, tu verras trivialement que la matrice de la différentielle dans ces bases est $(n)$. À partir de là, tu peux imaginer le sort que fait subir cette différentielle à tout vecteur tangent sans grande difficulté. Je pense que la chose se voit mieux en considérant le cercle plongé dans le plan.64680
  • Merci beaucoup pour ta réponse, remarque, cela m'a éclairé. Cependant, mon problème initial était de déterminer la différentielle de manière générale (en particulier, lorsqu'on n'est pas dans le cas simple où les espaces tangents sont de dimension supérieure). Mon problème venait du fait que je n'étais pas toujours capable de déterminer quel était le vecteur tangent correspondant à la "dérivée partielle" par rapport aux coordonnées locales. De ma compréhension, c'est rarement utile en pratique puisque ce qui nous intéresse, c'est de savoir si cette différentielle est injective, surjective, a un déterminant égal à telle ou telle valeur, ce qui est indépendant du choix de la base.
  • Quand tu es dans des cartes locales, il n'y a pas trop à se poser de questions. Tu as des chemins simples qui sont donnés par les droites parallèles aux axes de coordonnées (une fois un tel système choisi), d'où en chaque point de la carte locale, une base de l'espace tangent (abstraitement les classes d'équivalence de ces chemins, en pratique les vecteurs de base). La différentielle est représentée dans ces bases par la matrice jacobienne usuelle, la même que de $\R^m$ dans $\R^n$.
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