In matematica, con il termine pull-back, che tradotto letteralmente dall'inglese significa "tirare indietro", ci si riferisce ad un operatore lineare che, dati due spazi vettoriali
e un operatore lineare
, ad ogni tensore
associa un tensore dello stesso tipo su
. Più in generale, questa operazione può essere fatta quando al posto di
si considerino due varietà lisce
qualsiasi, sostituendo all'operatore lineare
un'applicazione liscia
e al tensore
un campo tensoriale liscio su
.
Nel definire questa operazione si procede per gradi, mostrando che per certi tipi di tensori (o campi tensoriali) all'applicazione lineare (o alla funzione
) non è richiesto che sia un isomorfismo (o diffeomorfismo).
Esiste un operatore "duale" del pull-back che prende il nome di push-forward.
Esempi
Prima di proseguire la trattazione facciamo due esempi semplici che possano fare luce sul significato dell'operatore.
Siano
due varietà con dimensione arbitraria, anche diversa,
e
. Il pull-back di
tramite
che si denoterà
risulterà essere semplicemente la composizione di funzioni:
![{\displaystyle f\circ \Phi =f(\Phi ).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1131d5bf0ba565a51086f030be5a9bc9b113b465)
Ora consideriamo due spazi vettoriali
con dimensione finita, non necessariamente uguale, e i rispettivi duali
; sia
e
allora il pull-back di
tramite
definito come
cioè
e tale che per ogni
sia così definito:
![{\displaystyle \langle v,{\mathcal {L}}^{*}\alpha \rangle :=\langle {\mathcal {L}}v,\alpha \rangle .}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/711ff533911381426c65c25156a87ef4722674af)
L'operatore
prende anche il nome di aggiunto.
Quindi questi due esempi mostrano ciò che fa il pull-back, cioè "tira indietro" i due tensori ed inoltre abbiamo già studiato il caso in cui sia dato un campo tensoriale di tipo
, cioè una funzione scalare, su una varietà e nel secondo caso un tensore di tipo
su
.
Pull-back di tensori (0,p)
Per questo tipo di tensori si generalizza il discorso fatto sopra per i tensori di tipo
ed anche in questo caso gli spazi vettoriali
potranno non avere la stessa dimensione e quindi
non essere invertibile. Consideriamo
allora si definisce
in questo modo: dati
si ha
![{\displaystyle {\mathcal {L}}^{*}T(v_{1},v_{2},\ldots ,v_{p}):=T({{\mathcal {L}}v_{1},{\mathcal {L}}v_{2},\ldots ,{\mathcal {L}}v_{p}}).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f2b6932def1db42f2cdaa25a9d9200d0b6a5f8b1)
L'idea alla base di questa definizione è quella di utilizzare la proprietà universale di linearizzazione; infatti se si considera l'applicazione multilineare così definita:
![{\displaystyle \phi \colon {\mathcal {W}}^{*}\times {\mathcal {W}}^{*}\times \cdots \times {\mathcal {W}}^{*}\to \otimes ^{p}{\mathcal {V}}^{*}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/708d9eb9365fff5d52d76d75f25ef4a053fbe8c1)
![{\displaystyle \phi (\beta ^{1},\dots ,\beta ^{p})={\mathcal {L}}^{*}\beta ^{1}\otimes \cdots \otimes {\mathcal {L}}^{*}\beta ^{p},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/232659b36d2b18f1c8f64c5a2bca726288323016)
con
per
, per la proprietà universale di linearizzazione questa definisce un'unica applicazione multilineare
![{\displaystyle \otimes ^{p}{\mathcal {L}}^{*}\colon \otimes ^{p}{\mathcal {W}}^{*}\to \otimes ^{p}{\mathcal {V}}^{*}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d6d09545cde66e0b38afaf348346b37adf1a47ec)
tale che
![{\displaystyle \otimes ^{p}{\mathcal {L}}^{*}(\beta ^{1}\otimes \cdots \otimes \beta ^{p})={\mathcal {L}}^{*}\beta ^{1}\otimes \cdots \otimes {\mathcal {L}}^{*}\beta ^{p}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e849c50b478f7d5b571f0a227d1435b834fc5138)
Ora ricordando che ogni
, data una base
per
di
, ammette un'unica scrittura del tipo
, dove abbiamo utilizzato la notazione di Einstein, per linearità si ha l'uguaglianza con la definizione iniziale.
Se ora si considerano due varietà lisce
con dimensione rispettivamente
e
un'applicazione
liscia e un campo tensoriale
liscio, l'operazione di pull-back ci consente di "trasferire" il campo tensoriale su
.
Ogni applicazione
liscia tra varietà induce un'applicazione lineare, detta tangente e denotata
, tale che per ogni vettore appartenente allo spazio tangente di
, in un punto
, fa corrispondere un vettore appartenente allo spazio tangente di
nel punto immagine
. Questa applicazione tangente coincide con lo jacobiano della funzione
.
Grazie questa osservazione è banale estendere il pull-back ai campi tensoriali, usando quanto già visto nel caso di campi vettoriali, lavorando puntualmente sulle fibre dei fibrati tensoriali. Infatti
è così definito:
![{\displaystyle \Phi ^{*}T|_{M}(X_{1},\ldots ,X_{p})=T|_{\Phi (M)}(T\Phi X_{1},\ldots ,T\Phi X_{p}),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bc7959dc7e2e5eb1eaa614d09cf149f6426cfd19)
dove
è un punto sulla varietà
e
.
Pull-back di tensori arbitrari
Come nella sezione precedente mostreremo il pull-back per spazi vettoriali e poi estenderemo il tutto alle varietà.
In questo caso si hanno due spazi vettoriali
con dimensione uguale, un isomorfismo
, e un tensore
; il pull-back, dati
e
, per definizione è
![{\displaystyle {\mathcal {L}}^{*}T(\beta ^{1},\ldots ,\beta ^{p},v_{1},\ldots ,v_{q})=T({\mathcal {L^{*}}}^{-1}\beta ^{1},\ldots ,{\mathcal {L^{*}}}^{-1}\beta ^{p},{\mathcal {L}}v_{1},\ldots ,{\mathcal {L}}v_{q}),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5855fbe01f80c28ba544b47c68fdf855cc88a8c0)
dove
indica l'inverso dell'aggiunto che esiste perché
infatti
![{\displaystyle {\mathcal {L^{*}}}\colon {\mathcal {W^{*}}}\to {\mathcal {V^{*}}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/08f29e2c66f45a297d99492221fabb93c07ca0f1)
![{\displaystyle {\mathcal {L^{*}}}^{-1}\colon {\mathcal {V^{*}}}\to {\mathcal {W^{*}}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5577678892da6d53250e638b844a77c5a3787c26)
Quindi la definizione è ben posta e nel caso di tensori
coincide con quella precedente.
Per le varietà si procede in maniera analoga a quanto fatto precedentemente, la differenza è che ora le due varieta
devono la stessa dimensione e la funzione
deve essere un diffeomorfismo; quindi dato un campo tensoriale qualunque su
, il suo pull-back risulta essere
![{\displaystyle \Phi ^{*}T|_{M}(\alpha ^{1},\ldots ,\alpha ^{p},X_{1},\ldots ,X_{q})=T|_{\Phi (M)}(T\Phi ^{*-1}\alpha ^{1},\ldots ,T\Phi ^{*-1}\alpha ^{p},T\Phi X_{1},\ldots ,T\Phi X_{q}),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e5c904a882420eee9926c2c0d870eea6e2f56384)
dove
indica sempre l'applicazione tangente e
.
Esempio
Si consideri il pull-back di un campo vettoriale
; da quanto detto risulta:
![{\displaystyle \Phi ^{*}X=T\Phi ^{-1}X\in {\mathcal {M}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0574412d941d168cdbfc517303c8d4416cf43e8c)
Sia ora
tale che
e
, cioè la soluzione del problema di Cauchy su
con dato iniziale
.
Allora si ha che
è soluzione del problema di Cauchy su
con dato iniziale
del campo vettoriale
. Quindi se ora si considera il flusso
indotto dal campo vettoriale
su
, il rispettivo flusso del campo vettoriale
su
risulta essere
.
Espressione sulle basi del pull-back
Nelle sezioni precedenti si è presentato il pull-back in maniera astratta senza far ricorso a basi negli spazi vettoriali interessati o a coordinate sulle varietà perché i tensori, e il calcolo tensoriale, nascono come una struttura algebrica completamente intrinseca allo spazio dove vengono definiti, cioè indipendenti dalla scelta di basi.
In questa sezione si mostra invece qual è l'espressione del pull-back sulle basi. Siano
e
una base su
e la rispettiva base duale su
, e siano
e
una base su
e la duale su
. L'operatore
rispetto a queste basi ha rappresentazione
![{\displaystyle {\mathcal {L}}e_{i}={\mathcal {L}}_{i}^{j}f_{j},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a692c27a10b96fd724699a255dbf07d300efb9c0)
con
indice di riga e
di colonna, si è utilizzata la notazione di Einstein (per tutta la sezione se ne farà uso). Di conseguenza
si rappresenta
![{\displaystyle {\mathcal {L}}^{*}\varphi ^{i}={\mathcal {L}}_{j}^{i}\eta ^{j}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9c345ec68092b45ed49a2a986da116d43ff99332)
in pratica risulta essere la trasposta. Quindi la componente
su tale base risulta
![{\displaystyle {\mathcal {L}}^{*}T(\eta ^{i_{1}},\dots ,\eta ^{i_{q}},e_{j_{1}},\dots ,e_{j_{p}},)=T({\mathcal {L}}_{\quad r_{1}}^{-1\ i_{1}}\varphi ^{r_{1}},\dots ,{\mathcal {L}}_{\quad r_{p}}^{-1\ i_{p}}\varphi ^{r_{p}},{\mathcal {L}}_{j_{1}}^{s_{1}}f_{s_{1}},\dots ,{\mathcal {L}}_{j_{q}}^{s_{q}}f_{s_{q}})={\mathcal {L}}_{\quad r_{1}}^{-1\ i_{1}}\cdots {\mathcal {L}}_{\quad r_{p}}^{-1\ i_{p}}\ T_{s_{1}\cdots s_{q}}^{r_{1}\cdots r_{p}}\ {\mathcal {L}}_{j_{1}}^{s_{1}}\cdots {\mathcal {L}}_{j_{q}}^{s_{q}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b0d6c0409fe1ae2338dc00a1884892fc7aa93019)
dove
Notiamo che se
, allora
è l'applicazione del cambiamento di base e quindi il risultato ottenuto coincide con il comportamento dei tensori rispetto al cambio di base.
Composizione del pull-back
Sia data una terza varietà
e un diffeomorfismo
allora il pull-back di un campo tensoriale
su
è il pull-back della composizione di funzioni
che è un diffeomorfismo tra
e
e dato che l'applicazione tangente
, si ha la seguente relazione:
![{\displaystyle (\Psi \circ \Phi )^{*}T=\Phi ^{*}\Psi ^{*}T.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3de4949c9873ee936fdd37b77084706babafdca1)
Da questa relazione, dato che il pull-back della funzione identità è l'identità, si ha:
![{\displaystyle \Phi ^{-1*}=\Phi ^{*-1}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b465875704a4804e453d00123ab7222b213eb46c)
Pull-back commuta con la derivata esterna
Date due varietà
, una funzione liscia
, una q-forma
su
, si ha la seguente uguaglianza:
![{\displaystyle \Phi ^{*}\mathbf {d} \theta =\mathbf {d} \Phi ^{*}\theta ,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6a3e9da24eb7404d4317c2193af9ccb3f146293f)
dove
indica la derivata esterna.
Si noti che è un'uguaglianza tra
-forme su
, difatti questa relazione è verificata se è vera l'uguaglianza tra:
![{\displaystyle \Phi ^{*}df=d\Phi ^{*}f,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ded9d7a28b33805cdb227d16eca397baf920297d)
dove
è una funzione scalare liscia su
(quindi può essere vista come una 0-forma su
). Ma questa è immediata perché il pull-back di una funzione è semplicemente una composizione di funzioni; infatti:
![{\displaystyle \Phi ^{*}df=df\circ T\Phi =d(f\circ \Phi ).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fb55a1cfb79a5aa3e7342c8e3afcda9fb565317e)
Da cui ricordando che la regola per la derivata esterna di una
-forma
è:
![{\displaystyle d\Omega ={\frac {\partial \omega _{i_{1}\dots i_{q}}}{\partial x^{j}}}dx^{j}\wedge dx^{i_{1}}\wedge \cdots \wedge dx^{i_{q}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2a8e75ddd9c585c3bbc48c6ca9548b37821470ad)
con
e
liscia e con somma sugli indici sottintesa (notazione di Einstein).
Pull-back e derivata di Lie
Tra pull-back e derivata di Lie, di un tensore
lungo un campo vettoriale
, vi è la seguente relazione:
![{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\Phi ^{*}X}\Phi ^{*}T=\Phi ^{*}{\mathcal {L}}_{X}T.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/38c3cf79a0880566b526b488fe1a8b2ba1acd239)
La verifica è immediata ricordando l'espressione della derivata di Lie come derivata temporale e dal fatto che
non dipende dal tempo; da cui:
![{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\Phi ^{*}X}\Phi ^{*}T={\frac {d}{dt}}\Phi ^{*}\Psi _{t}^{X*}\Phi ^{-1*}\Phi ^{*}T=\Phi ^{*}{\frac {d}{dt}}\Psi _{t}^{X*}T=\Phi ^{*}{\mathcal {L}}_{X}T.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/324d9ce4a6a808671c6d31d9086efd96a7e793ba)
Bibliografia
- Ralph Abraham and Jerrold E. Marsden, Foundations of Mechanics, (1978) Benjamin-Cummings, London ISBN 0-8053-0102-X See section 2.2.
- David Bleecker, Gauge Theory and Variational Principles, (1981), Addison-Wesley Publishing, ISBN 0-201-10096-7. See Chapter 0.
- Jurgen Jost, Riemannian Geometry and Geometric Analysis, (2002) Springer-Verlag, Berlin ISBN 3-540-42627-2 See section 1.6.
- Kolář, I., Michor, P., and Slovák, J., Natural operations in differential geometry, Springer-Verlag, 1993. Extensive discussion of Lie brackets, and the general theory of Lie derivatives.
- Lang, S., Differential and Riemannian manifolds, Springer-Verlag, 1995, ISBN 978-0-387-94338-1. For generalizations to infinite dimensions.
- Lang, S., Fundamentals of Differential Geometry, Springer-Verlag, 1999, ISBN 978-0-387-98593-0. For generalizations to infinite dimensions.
Voci correlate
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