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Vorlesung vom 14.11.2013 digitalisiert

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Martin Thoma 2013-11-14 18:28:32 +01:00
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@ -102,5 +102,152 @@ U_i = \Set{(x_0: \dots : x_n) \in \mdp^n(\mdr) | x_i \neq 0} &\rightarrow \mdr^n
\end{enumerate}
\end{beispiel}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Mitschrieb vom 14.11.2013 %
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{definition}\xindex{Verklebung}
Seien $X, Y$ $n$-dimensionale Mannigfaltigkeiten, $U \subseteq X$
und $V \subseteq Y$ offen, $\Phi: U \rightarrow V$ ein Homöomorphismus
$Z = (X \dcup Y) /_\sim$ mit der von $u \sim \Phi(u) \forall{u \in U}$
erzeugten Äquivalenzrelation und der von $\sim$ induzierten
Quotiententopologie.
$Z$ heißt \textbf{Verklebung} von $X$ und $Y$ längs $U$ und $V$.
$Z$ besitzt einen Atlas aus $n$-dimensionalen Karten.
Falls $Z$ hausdoffsch ist, ist $Z$ eine $n$-dimensionale
Mannigfaltigkeit.
\end{definition}
\todo[inline]{Bilder mit Verklebung einfügen}
\begin{korollar}
Sind $X, Y$ Mannigfaltigkeiten der Dimension $n$ bzw. $m$, so ist
$X \times Y$ eine Mannigfaltigkeit der Dimension $n+m$.
\end{korollar}
\begin{beweis}
Produkte von Karten sind Karten. $\qed$
\end{beweis}
\begin{beispiel}
Mannigfaltigkeiten mit Dimension 1:
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
\item Offene Intervalle, $\mdr$, $(0,1)$ sind alle homöomorph
\item $S^1$
\end{enumerate}
Mannigfaltigkeiten mit Dimension 2:
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
\item $\mdr^2$
\item $S^2$ (0 Henkel)
\item $T^2$ (1 Henkel)
\item oder mehr Henkel, wie z.B. der Zweifachtorus in Abb. \ref{fig:double-torus}
\end{enumerate}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[width=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/Double-torus-illustration.png}
\caption{Zweifachtorus}
\label{fig:double-torus}
\end{figure}
\end{beispiel}
\begin{korollar}
Sei $n \in \mdn, F:\mdr^n \rightarrow \mdr$ stetig differenzierbar
und $X = V(F) := \Set{x \in \mdr^n | F(x) = 0}$ das \enquote{vanishing set}.
Dann gilt:
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item $X$ ist abgeschlossen in $\mdr^n$
\item Ist $\text{grad}(F)(X) \neq 0 \forall{x \in X}$, so ist
$X$ eine Mannigfaltigkeit der Dimension $n-1$. \label{Mannigfaltigkeitskriterium}
\end{enumerate}
\end{korollar}
\begin{beweis}
\begin{enumerate}[label=\alph*),ref=\theplaindefinition.\alph*]
\item Sei $y \in \mdr^n \setminus V(F)$. Weil $F$ stetig ist,
gibt es $\delta > 0$, sodass $F(\fB_\delta(y)) \subseteq \fB_\varepsilon(F(y))$
mit $\varepsilon = \frac{1}{2} \|F(y)\|$. Folgt
$\fB_\delta(y) \cap V(F) = \emptyset \Rightarrow \mdr^n \setminus V(F)$
ist offen.
\item Sei $x \in X$ mit $\text{grad}(F)(x) \neq 0$, also
\obda $\frac{\partial F}{\partial X_1} (x) \neq 0$,
$x = (x_1, \dots, x_n)$, $x' := (x_2, \dots, x_n) \in \mdr^{n-1}$.
Der Satz von der impliziten Funktion liefert nun:
Es gibt Umgebungen $U$ von $x'$ und differenzierbare
Funktionen $g: U \rightarrow \mdr$, sodass
$G: U \rightarrow \mdr^n, \; u \mapsto (g(u), u)$
eine stetige Abbildung auf eine offene Umgebung $V$ von
$x$ in $X$ ist.
\end{enumerate}
$\qed$
\end{beweis}
\begin{beispiel}\xindex{Neilsche Parabel}
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item $F: \mdr^3 \rightarrow \mdr,\;\;\; (x, y, z) \mapsto x^2 + y^2 + z^2 - 1$,
$V(F) = S^2$, $\text{grad}(F) = (2x, 2y, 2z) \xRightarrow{\ref{Mannigfaltigkeitskriterium}} S^n$
ist $n$-dimensionale Mannigfaltigkeit in $\mdr^{n+1}$
\item $F: \mdr^2 \rightarrow \mdr, \;\;\; (x,y) \mapsto y^2 - x^3$
\begin{figure}[ht]
\centering
\subfloat[$F(x,y) = y^2 - x^3$]{
\input{figures/3d-function-semicubical-parabola.tex}
\label{fig:semicubical-parabola-2d}
}%
\subfloat[$y^2 - ax^3 = 0$]{
\input{figures/2d-semicubical-parabola.tex}
\label{fig:semicubical-parabola-3d}
}%
\label{Neilsche-Parabel}
\caption{Rechts ist die Neilsche Parabel für verschiedene Parameter $a$.}
\end{figure}
Es gilt: $\text{grad}(F) = (-3x^2, 2y)$. Also: $\text{grad}(0,0) = (0,0)$.
Daher ist Korollar \label{Mannigfaltigkeitskriterium}
nicht anwendbar, aber $V(F)$ ist trotzdem
eine 1-dimensionale topologische Mannigfaltigkeit.
\end{enumerate}
\end{beispiel}
\begin{definition}\textbf{Mannigfaltigkeit!mit Rand}
Sei $X$ ein Hausdorffraum mit abzählbarer Basis der Topologie.
$X$ heißt $n$-dimensionale \textbf{Mannigfaltigkeit mit Rand},
wenn es einen Atlas $(U_i, \varphi_i)$ gibt, wobei $U_i \subseteq X_i$
offen und $\varphi_i$ ein Homöomorphismus auf eine offene
Teilmenge von
\[R_{+,0}^n := \Set{(x_1, \dots, x_n) \in \mdr^n | x_m \geq 0}\]
ist. $R_{+,0}^n$ ist ein \enquote{Halbraum}.
\end{definition}
\begin{beispiel}
\todo[inline]{Viele Bilder: Pair of pants, sphere with a hole, halbraum...}
\end{beispiel}
\begin{definition}\xindex{Rand}
Sei $X$ eine $n$-dimensionale Mannigfaltigkeit mit Rand und
Atlas $(U_i, \varphi_i)$. Dann heißt
\[\partial X := \bigcup_{i\in I} \Set{x \in U_i | \varphi_i (x)_n = 0}\]
\textbf{Rand} von $X$.
\end{definition}
$\partial X$ ist eine Mannigfaltigkeit der Dimension $n-1$.
\begin{definition}\xindex{Kartenwechsel}\xindex{bergangsfunktion}
Sei $X$ eine $n$-dimensionale Mannigfaltigkeit mit Atlas
$(U_i, \varphi_i)_{i \in I}$
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item Für $i, j \in I$ mit $U_i, U_j \neq \emptyset$ heißt
\begin{align*}
\varphi_{ij} &:= \varphi_j \circ \varphi_i^{-1}\\
\varphi_i (U_i \cap U_j) &\rightarrow \varphi_j (U_i \cap U_j)
\end{align*}
\textbf{Kartenwechsel} oder \textbf{Übergangsfunktion}.
\end{enumerate}
\end{definition}
\todo[inline]{Bilder mit Verklebung einfügen}
% Die Übungsaufgaben sollen ganz am Ende des Kapitels sein.
\input{Kapitel2-UB}

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@ -65,6 +65,27 @@
sort=MengenoperationNSetminus
}
\newglossaryentry{cup}
{
name={\ensuremath{A \cup B}},
description={Vereinigung},
sort=MengenoperationOCup
}
\newglossaryentry{dcup}
{
name={\ensuremath{A \dcup B}},
description={Disjunkte Vereinigung},
sort=MengenoperationOCupD
}
\newglossaryentry{cap}
{
name={\ensuremath{A \cap B}},
description={Schnitt},
sort=MengenoperationOCap
}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Zahlenmengen %
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

View file

@ -0,0 +1,32 @@
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
legend pos=south east,
axis x line=middle,
axis y line=middle,
grid = major,
%width=9cm,
%height=4.5cm,
grid style={dashed, gray!30},
xmin= 0, % start the diagram at this x-coordinate
xmax= 12, % end the diagram at this x-coordinate
ymin=-10, % start the diagram at this y-coordinate
ymax= 10, % end the diagram at this y-coordinate
%axis background/.style={fill=white},
xlabel=$x$,
ylabel=$y$,
%xticklabels={-2,-1.6,...,7},
tick align=outside,
%minor tick num=-3,
enlargelimits=true]
\addplot[domain=0:12, red, thick,samples=500] {1/3*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, orange, thick,samples=500] {1*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, blue, thick,samples=500] {2*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, red, thick,samples=500] {-1/3*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, orange, thick,samples=500] {-1*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, blue, thick,samples=500] {-2*x^1.5};
\addlegendentry{$a=\frac{1}{3}$}
\addlegendentry{$a=1$}
\addlegendentry{$a=2$}
\end{axis}
\end{tikzpicture}

View file

@ -0,0 +1,31 @@
\pgfplotsset{
colormap={whitered}{
color(0cm)=(white);
color(1cm)=(orange!75!red)
}
}
\begin{tikzpicture}[scale=0.5]
\begin{axis}[
colormap name=whitered,
width=15cm,
view={155}{45},
enlargelimits=false,
grid=major,
domain=-5:5,
y domain=-5:5,
samples=56, %57 : TeX capacity exceeded, sorry [main memory size=3000000].
% see also http://tex.stackexchange.com/a/7954/5645
xlabel=$x$,
ylabel=$y$,
zlabel={$z$},
colorbar,
colorbar style={
at={(-0.1,0)},
anchor=south west,
height=0.25*\pgfkeysvalueof{/pgfplots/parent axis height},
title={$f(x,y)$}
}
]
\addplot3[surf] {y*y-x*x*x};
\end{axis}
\end{tikzpicture}

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After

Width:  |  Height:  |  Size: 260 KiB

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@ -62,4 +62,7 @@
\def\GL{\ensuremath{\mathrm{GL}}}
\newcommand\mapsfrom{\mathrel{\reflectbox{\ensuremath{\mapsto}}}}
\newcommand\dcup{\mathbin{\dot{\cup}}}
\newcommand\obda{o.~B.~d.~A.}

View file

@ -0,0 +1,39 @@
\documentclass[varwidth=true, border=2pt]{standalone}
\usepackage{pgfplots}
\usepackage{tikz}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
legend pos=south east,
axis x line=middle,
axis y line=middle,
grid = major,
%width=9cm,
%height=4.5cm,
grid style={dashed, gray!30},
xmin= 0, % start the diagram at this x-coordinate
xmax= 12, % end the diagram at this x-coordinate
ymin=-10, % start the diagram at this y-coordinate
ymax= 10, % end the diagram at this y-coordinate
%axis background/.style={fill=white},
xlabel=$x$,
ylabel=$y$,
%xticklabels={-2,-1.6,...,7},
tick align=outside,
%minor tick num=-3,
enlargelimits=true]
\addplot[domain=0:12, red, thick,samples=500] {1/3*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, orange, thick,samples=500] {1*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, blue, thick,samples=500] {2*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, red, thick,samples=500] {-1/3*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, orange, thick,samples=500] {-1*x^1.5};
\addplot[domain=0:12, blue, thick,samples=500] {-2*x^1.5};
\addlegendentry{$a=\frac{1}{3}$}
\addlegendentry{$a=1$}
\addlegendentry{$a=2$}
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\end{document}

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After

Width:  |  Height:  |  Size: 62 KiB

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@ -0,0 +1,41 @@
\documentclass{article}
\usepackage[pdftex,active,tightpage]{preview}
\setlength\PreviewBorder{2mm}
\usepackage{pgfplots}
\pgfplotsset{compat=1.9}
\begin{document}
\begin{preview}
\pgfplotsset{
colormap={whitered}{
color(0cm)=(white);
color(1cm)=(orange!75!red)
}
}
\begin{tikzpicture}[scale=0.5]
\begin{axis}[
colormap name=whitered,
width=6cm,
view={155}{45},
enlargelimits=false,
grid=major,
domain=-5:5,
y domain=-5:5,
samples=56, %57 : TeX capacity exceeded, sorry [main memory size=3000000].
% see also http://tex.stackexchange.com/a/7954/5645
xlabel=$x$,
ylabel=$y$,
zlabel={$z$},
colorbar,
colorbar style={
at={(-0.1,0)},
anchor=south west,
height=0.25*\pgfkeysvalueof{/pgfplots/parent axis height},
title={$f(x,y)$}
}
]
\addplot3[surf] {y*y-x*x*x};
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\end{preview}
\end{document}

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@ -0,0 +1,35 @@
SOURCE = 3d-function-semicubical-parabola
DELAY = 80
DENSITY = 300
WIDTH = 512
make:
pdflatex $(SOURCE).tex -output-format=pdf
make clean
clean:
rm -rf $(TARGET) *.class *.html *.log *.aux *.data *.gnuplot
gif:
pdfcrop $(SOURCE).pdf
convert -verbose -delay $(DELAY) -loop 0 -density $(DENSITY) $(SOURCE)-crop.pdf $(SOURCE).gif
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png:
make
make svg
inkscape $(SOURCE).svg -w $(WIDTH) --export-png=$(SOURCE).png
transparentGif:
convert $(SOURCE).pdf -transparent white result.gif
make clean
svg:
make
#inkscape $(SOURCE).pdf --export-plain-svg=$(SOURCE).svg
pdf2svg $(SOURCE).pdf $(SOURCE).svg
# Necessary, as pdf2svg does not always create valid svgs:
inkscape $(SOURCE).svg --export-plain-svg=$(SOURCE).svg
rsvg-convert -a -w $(WIDTH) -f svg $(SOURCE).svg -o $(SOURCE)2.svg
inkscape $(SOURCE)2.svg --export-plain-svg=$(SOURCE).svg
rm $(SOURCE)2.svg

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@ -0,0 +1,3 @@
Compiled example
----------------
![Example](3d-function-semicubical-parabola.png)