Universit´e Paris-Diderot
M1 Math´ematiques fondamentales deuxi`eme semestre, 2014-2015
G´eom´etrie diff´erentielle Cours de Benjamin Texier
Fibr´e tangent, sous-vari´et´es et plongements
Feuille de TD 3 – correction partielle
5. Montrer qu’une sous-vari´et´e de Rnest localement un graphe au-dessus de son espace tangent.
Pr´ecis´ement: soit MRnune sous-vari´et´e de classe Cket de dimension mn. Montrer que
pour tout xM, on peut trouver un ouvert Ude Rncontenant x, un ouvert V0de 0dans TxM
tel que UMsoit le graphe de g:V0E, de classe Ck,o`u Eest un suppl´ementaire de TxM
dans Rn.
Utiliser un param´etrage g, puis la projection πsur TxMparall`element `a E, puis montrer
que πgest un diff´eomorphisme. Le diff´eomorphisme r´eciproque fournit un param´etrage `a
partir de l’espace tangent. On passe ensuite au point de vue graphe comme dans le cours.
6. Soit p:MBune application Ckentre deux vari´et´es M, B de classe Ck.On dit que
(p, M, B) est un fibr´e vectoriel, ou souvent que pest un fibr´e vectoriel, quand
pour tout bB, la fibre p1({b}) est un espace vectoriel, et
pour tout bB, il existe un ouvert Ude Bcontenant b, un espace vectoriel Fde dimension
finie, et un Ck-diff´eomorphisme ϕ:p1(U)U×Ftel que le diagramme suivant soit
commutatif:
p1(U)
ϕU×F
U
@
@R
p
π1
avec π1la projection sur la premi`ere composante U×FU,
et π2ϕ|p1({y}):p1({y})Fest un isomorphisme lin´eaire de chaque fibre p1({y})
avec yUvers l’espace F, o`u π2:U×FFest la deuxi`eme projection.
a) Comparer cette d´efinition avec la d´efinition de revˆetement.
Dans un revˆetement la fibre n’est pas n´ecessairement un espace vectoriel. Dans tous les
exemples qu’on a vus, la fibre ´etait finie. Mais un revˆetement est localement trivialisable,
au sens suivant: avec les notations du cours, chacun des Uiest hom´eomorphe `a V. Donc
on a
ϕ:p1(V)V×F,
avec Fl’ensemble fini des indices itels que p1(V) = SiUi,et ϕapplication qui `a xUi
associe (p(x), i)V×F.
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b) Montrer que la projection p:T M Md´efinit un fibr´e vectoriel, pour toute sous-vari´et´e
Mde Rn.
On prend un ouvert de carte en bas (dans M). Quel est le ϕqui marche en haut ?
On a p1(U) form´e des (x, u) avec uTxM. La carte associ´ee dans T M est localement
(g, g0(x)).Donc un point localement dans p1(U) est (g(x0), g0(x0)v).Le diff´eo trivial
ϕ= Id convient.
c) On dit qu’un fibr´e vectoriel est trivialisable quand on peut choisir U=B. Montrer
qu’un fibr´e est trivialisable si et seulement s’il existe nsections globales lin´eairement
ind´ependantes, de classe Ck,o`u nest la dimension de B.
On travaille avec des objets Ck, k 1.On suppose que p:EBest trivialisable,
c’est-`a-dire qu’il existe φ:EB×Rnun Ck-diff´eomorphisme tel que
π2φest un isomorphisme sur chaque fibre Ex=p1(x),o`u π2est la projection sur
la deuxi`eme composante π2:B×RnRn,
π1φ=p, o`u π1est la projection sur la premi`ere composante: π1:B×RnB.
Soit (ei) une base de Rn.V´erifions que xφ1(x, ei) est une famille de sections Ck
qui sont lin´eairement ind´ependantes en tout point x. Par propri´et´e de φ, on a bien p
φ1(x, ei) = x, c’est-`a-dire que φ1(x, ei)Expour tout x. Il suffit donc de v´erifier
l’ind´ependance: on se donne une famille de r´eels (αi) et on suppose que
X
1in
αiφ1(x, ei)=0Ex.
Alors, par lin´earit´e de π2φdans la fibre Ex,
π2φ
X
1in
αiφ1(x, ei)
=X
i
αiei=π2φ(0Ex).
Comme π2φest injective, π2φ(0Ex)=0Rn,et donc αi0.
R´eciproquement, soit (si) une famille de nsections Cket ind´ependantes en tout point.
Soit yE. Alors yEp(y),et yse d´ecompose donc dans la base (si(p(y)) :
y=X
1in
λi(y)si(p(y)).
On pose
φ:yEp(y),(λi(y))1inB×Rn.
Alors φest bijective, puique l’application r´eciproque est
φ1: (x, (µi)) X
i
µisi(x).
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Comme φ1est Ck,il ne reste plus qu’`a v´erifier la r´egularit´e de φ, c’est-`a-dire la r´egularit´e
des applications yλi(y).Cela prouvera que φest un Ckdiff´eomorphisme, et par ailleurs
le fait que π2φsoit un isomorphisme est clair (d´ecomposition d’un vecteur dans une
base).
Un point xdans la base ´etant donn´e, soit φUune trivialisation locale φU:p1(U)
U×Rn,o`u Uest un ouvert autour de xdans B. Soit yp1(U).L’image de si(p(y))
par φUest (p(y), σij(p(y)).Soit Σ la matrice (σij (p(y)).C’est une matrice inversible, car
l’image de la famille libre si(p(y)) par π2φUest une famille libre. On a donc
π2φU(y) = π2φU X
i
λi(y)si(p(y))!=X
i,j
λi(y)σij(p(y)) = ΛtΣ
en notant Λ le vecteur ligne des λi(y).Finalement en notant Y=π2φU(y),il apparaˆıt
que Λ = Y(tΣ)1,et donc yΛ(y) est Ck,puisque yYest Ck, y Σ(y) est Cket
l’inversion est C.
d) Montrer que le fibr´e tangent `a S1est trivialisable.
Une section globale partout non nulle est xS1xTxS1,en notant xun vecteur
unitaire orthogonal `a x.
7. On dit que f:MNest une immersion en x0Mquand Tx0f:Tx0MTf(x0)Nest
une immersion. V´erifier que cela revient `a dire que flue dans les cartes est une immersion.
L’application Txf: ¯γfγest injective. On cherche `a prouver que ψfϕ1est une
immersion. Soit donc v1et v2tels que (ψfϕ1)0(ϕ(x))v1= (ψfϕ1)0(ϕ(x))v2.Soit γ1
et γ2deux courbes trac´ees sur M, telles que γ1(0) = γ2(0) = x, et (ϕγj)0(0) = vj.Calculons
fγ1: on a fγ1(0) = f(x),et
(ψfγ1)0(0) = (ψfϕ1)0(ϕ(x))(ϕγ1)0(0) = (ψfϕ1)0(ϕ(x))v1.
De mˆeme pour v2.Donc fγ1=fγ2,si bien que ¯γ1= ¯γ2,et donc v1=v2.
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8. Un plongement de P2(R)dans R6.
a) Soit f: (x, y, z)R3(x2, y2, z2,2yz, 2xz, 2xy)R6.Montrer que f(S2)est une
sous-vari´et´e de dimension 2 de R6.
Soit (x0, y0, z0)S2tel que x0>0.On a alors un param´etrage local g: (y, z)
(p1y2z2, y, z) de S2au voisinage de (x0, y0, z0).Donc f(S2) admet pour param´etrage
local
G: (y, z)1y2z2, y2, z2,21/2yz, 21/2zp1y2z2,21/2yp1y2z2
au voisinage de f(x0, y0, z0),c’est-`a-dire
G(y, z) = fg(y, z).
Il s’agit de v´erifier que Gest une immersion et un hom´eomorphisme local. La v´erification
du fait que Gest une immersion est un simple calcul.
L’application f:S2f(S2) est localement injective: si f(x, y, z) = f(x0, y0, z0) avec
x > 0 et x0>0,alors si y=z= 0,on a x=x0,et sinon par exemple y6= 0,et alors en
comparant les premi`eres et derni`eres coordonn´ees x=x0et y=y0et donc z=z0.
Donc Gest localement injective. C’est donc localement un hom´eomorphisme sur son
image (application injective, donc bijective sur son image, continue, d´efinie sur un espace
localement compact – cf question e).
Remarquons que f(x, y, z) = f(x, y, z),donc fn’est pas globalement injective.
b) Montrer que fse factorise en une application f:P2(R)R6.
Il s’agit de v´erifier que f(x, y, z) = f(x, y, z),cf d´efinition de f.
c) Montrer que fest injective.
Soit f(x, y, z) = f(x0, y0, z0),pour deux points sur la sph`ere. Alors (x, y, z) = ±(x0, y0, z0).
d) Montrer que fest une immersion.
Il suffit de v´erifier que flue dans les cartes est une immersion, cf exercice 7 plus haut.
Ici f:P2R6,et donc une carte en zP2a la forme ϕ(π|U)1,o`u ϕest une carte
de S2et πle revˆetement S2P2.On cherche `a v´erifier que fϕ(π|U)11est une
immersion. Cette application est
fπ|Uϕ1=fϕ1
qui est une immersion car fest une immersion en tout point de la sph`ere.
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e) Montrer qu’une immersion injective d’une vari´et´e compacte vers une vari´et´e est un plonge-
ment (c’est-`a-dire une immersion qui est un hom´eomorphisme sur son image).
Une application continue bijective d´efinie sur un compact est un hom´eo. En effet, l’image
continue d’un compact est compact, et un ferm´e d’un compact est compact. Donc
l’application est ferm´ee: l’image d’un ferm´e est l’image d’un compact donc ferm´ee. Donc
l’image r´eciproque d’un ferm´e par la r´eciproque est ferm´ee: la r´eciproque est continue.
9. Montrer que si f:MNest un plongement, alors T f :T M T N est un plongement.
Il suffit de v´erifier les propri´et´es (immersion, hom´eomorphisme sur son image) pour T f lue
dans les cartes (cf exercice 7), c’est-`a-dire pour (avec les notations du cours)
f
T f =˜
ψT f ˜ϕ1=ψfϕ1,(ψfϕ1)0.
Soit donc (x, v) et (y, w) tels que f
T f(x, v) = f
T f(y, w).Par injectivit´e de la premi`ere composante
de f
T f, on a donc x=y. Par injectivit´e de la deuxi`eme composante ´evalu´ee en x, on a alors
v=w. Donc f
T f est une bijection sur son image. Elle est bicontinue (fest un hom´eomorphisme
qu’on suppose bien sˆur au moins C2).
La diff´erentielle f
T f0(x, v) en un point (x, v) est l’application lin´eaire (w1, w2)Rm×Rm
(w0
1, w0
2)Rm×Rm:
(w1, w2)(w0
1, w0
2) = (ψfϕ1)0(x) 0
(ψfϕ1)00(x)(v, ·) (ψfϕ1)0(x)w1
w2.
La matrice ci-dessus est de rang 2mcar (ψfϕ1)0(x) est bijective.
10. Soit Mune sous-vari´et´e de Rn.On note ψ:MTxMla projection orthogonale sur TxM.
Calculer Txψ.
Ici xest fix´e sur M. On utilise l’exercice 5: soit htel que Msoit localement le graphe
de hau-dessus (orthogonalement) de TxM. On a donc U={(x0, h(x0)), x0V0},avec Uun
voisinage de xdans M, et π(x0, h(x0)) = x0,avec πprojection orthogonale sur TxM, qui coincide
avec ψsur M. Soit γune courbe trac´ee sur M, telle que γ(0) = x, et γ0(0) = vTxM. On
cherche `a calculer (ψγ)0(0).Comme γest trac´ee sur M, on a γ(t) = (γ0(t), h(γ0(t)),et donc
γ0(0) = x, et aussi (hγ0)0(0) = 0,puisque vTxM. Donc ψγ0πγ0(γ0,0) Rn
satisfait (πγ0)0(0) = (v, 0) = v(dans l’identification TxMF=TxM×F=Rn) si bien que
Txψ= Id.
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