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微分几何中的拉普拉斯算子

指数 微分几何中的拉普拉斯算子

微分几何中,有多个二阶线性椭圆型微分算子称为拉普拉斯算子(Laplace operator 或 Laplacian)。本文给出它们的一个概览。.

21 关系: 埃尔米特伴随外微分伪黎曼流形余切丛微分形式微分几何微分算子列维-奇维塔联络共形映射美國數學學會黎曼流形黎曼曲率張量霍奇对偶里奇流梯度截面 (纤维丛)散度数量曲率拉普拉斯-德拉姆算子拉普拉斯-贝尔特拉米算子

埃尔米特伴随

数学上,特别是泛函分析中,希尔伯特空间中的每个线性算子有一个相应的伴随算子(adjoint operator)。算子的伴随将方块矩阵共轭转置推广到(可能)无穷维情形。如果我们将希尔伯特空间上的算子视为“广义复数”,则一个算子的伴随起着一个复数的共轭的作用。 一个算子A的伴随常常也称为埃尔米特伴随(Hermitian adjoint,以夏尔·埃尔米特命名),记作A*或A†(后者尤其用于狄拉克符号记法)。.

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外微分

数学上,微分拓扑的外微分算子,把一个函数的微分的概念推广到更高阶的微分形式的微分。它在流形上的积分理论中极为重要,并且是德拉姆和Alexander-Spanier上同调中所使用的微分算子。其现代形式是由嘉当发明的。.

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伪黎曼流形

伪黎曼流形(Pseudo-Riemannian manifold)是一光滑流形,其上有一光滑、对称、点点非退化的(0,2) 張量。此張量稱為伪黎曼度量或伪度量張量。 伪黎曼流形与黎曼流形的区别是它不需要正定(通常要求非退化)。因为每個正定形式都是非退化的,所以黎曼度量也是一个伪黎曼度量,亦即黎曼流形是伪黎曼流形的一种特例。 每一個非退化對稱,雙線性形式有一個固定的度量符号(p,q)。這裡p與q記作正特徵值及負特徵值的个数。注意p + q.

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余切丛

微分几何中,流形的余切丛是流形每点的余切空间组成的向量丛。余切空间有一个标准的辛形式,从中可以一个余切丛的非退化的体积形式。因此,本身作为一个流形的余切丛总是可定向的。可以在余切丛上定义一组特殊的坐标系;这些被称为正则坐标。因为余切丛可以视为辛流形,任何余切丛上的实函数总是可以解释为一个哈密顿函数;这样余切丛可以理解为哈密顿力学讨论的相空间。.

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微分形式

微分形式是多变量微积分,微分拓扑和张量分析领域的一个数学概念。现代意义上的微分形式,及其以楔积(wedge product)和外微分结构形成外代数的想法,都是由法国数学家埃里·嘉当引入的。.

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微分几何

微分幾何研究微分流形的幾何性質,是現代數學中一主流;是廣義相對論的基礎,與拓撲學、代數幾何及理論物理關係密切。 古典微分几何起源于微积分,主要内容为曲线论和曲面论。歐拉、蒙日和高斯被公认为古典微分几何的奠基人。近代微分几何的创始人是黎曼,他在1854年创立了黎曼几何(实际上黎曼提出的是芬斯勒几何),这成为近代微分几何的主要内容,并在相对论有极为重要的作用。埃利·嘉当和陈省身等人曾在微分几何领域做出极为杰出的贡献。.

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微分算子

在数学中,微分算子是定义为微分运算之函数的算子。首先在记号上,将微分考虑为一个抽象运算是有帮助的,它接受一个函数得到另一个函数(以计算机科学中高阶函数的方式)。 当然有理由不单限制于线性算子;例如施瓦茨导数是一个熟知的非线性算子。不过这里只考虑线性的情形。.

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列维-奇维塔联络

列维-奇维塔联络(Levi-Civita connection),在黎曼几何中, 是切丛上的无挠率联络,它保持黎曼度量(或伪黎曼度量)不变。因意大利数学家图利奥·列维-奇维塔而得名。 黎曼几何基本定理表明存在唯一联络满足这些属性。 在黎曼流形和伪黎曼流形的理论中,共变导数一词经常用于列维-奇维塔联络。联络的坐标空间的表达式称为克里斯托费尔符号。.

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共形映射

数学上,共形变换(Conformal map)或稱保角变换,來自於流体力学和几何学的概念,是一个保持角度不变的映射。 更正式的说,一个映射 称为在 z_0 \, 共形(或者保角),如果它保持穿过 z_0 \, 的曲线间的定向角度,以及它们的取向也就是说方向。共形变换保持了角度以及无穷小物体的形状,但是不一定保持它们的尺寸。 共形的性质可以用坐标变换的导数矩阵雅可比矩阵的术语来表述。如果变换的雅可比矩阵处处都是一个标量乘以一个旋转矩阵,则变换是共形的。.

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美國數學學會

美國數學學會(American Mathematical Society,缩写作 AMS)是美國進行數學研究和教育的組織,有不少出版品。前往英國時,受到倫敦數學學會的啟發而於1888年成立AMS。 AMS以TeX為基礎發展了。 AMS出版《數學評論》(Mathematical Reviews),這是數學出版品的評論資料庫。.

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在线性代数中,一個n \times n的矩陣\mathbf的跡(或跡數),是指\mathbf的主對角線(從左上方至右下方的對角線)上各個元素的總和,一般記作\operatorname(\mathbf)或\operatorname(\mathbf): 其中\mathbf_代表矩陣的第i行j列上的元素的值。一個矩陣的跡是其特徵值的總和(按代數重數計算)。 跡的英文為trace,是來自德文中的Spur這個單字(與英文中的Spoor是同源詞),在數學中,通常簡寫為「Sp」或「tr」。.

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黎曼流形

黎曼流形(Riemannian manifold)是一個微分流形,其中每點p的切空間都定義了點積,而且其數值隨p平滑地改變。它容許我們定義弧線長度、角度、面積、體積、曲率、函數梯度及向量域的散度。 每個Rn的平滑子流形可以导出黎曼度量:把Rn的點積都限制於切空間內。實際上,根据纳什嵌入定理,所有黎曼流形都可以這樣产生。 我們可以定義黎曼流形為和Rn的平滑子流形是等距同构的度量空間,等距是指其内蕴度量(intrinsic metric)和上述从Rn导出的度量是相同的。这對建立黎曼幾何是很有用的。 黎曼流形可以定义为平滑流形,其中给出了一个切丛的正定二次形的光滑截面。它可產生度量空間: 如果γ: → M是黎曼流形M中一段連續可微分的弧線,我們可以定義它的長度L(γ)為 (注意:γ'(t)是切空間M在γ(t)點的元素;||·||是切空間的內積所得出的範數。) 使用这个长度的定义,每个连通的黎曼流形M很自然的成为一个度量空間(甚至是長度度量空間):在x與y兩點之間的距離d(x, y)定義為: 虽然黎曼流形通常是弯曲的,“直線”的概念依然存在:那就是測地線。 在黎曼流形中,測地線完备的概念,和拓撲完备及度量完备是等价的:每个完备性都可以推出其他的完备性,这就是Hopf-Rinow定理的内容。.

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黎曼曲率張量

在微分几何中,黎曼曲率张量或黎曼張量是表达黎曼流形的曲率的标准方式,更普遍的,它可以表示有仿射联络的流形的曲率,包括无扭率或有撓率的。曲率张量通过列维-奇维塔联络(更一般的,一个仿射联络)\nabla(或者叫协变导数)由下式给出: 这里R(u,v)是一个流形切空间的线性变换;它对于每个参数都是线性的。 注意有些作者用相反的符号定义曲率.

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霍奇对偶

数学中,霍奇星算子(Hodge star operator)或霍奇对偶(Hodge dual)由苏格兰数学家威廉·霍奇(Hodge)引入的一个重要的线性映射。它定义在有限维定向内积空间的外代数上。.

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里奇流

在微分几何中,“里奇流”是一种固有的几何学流动,它的主要思想是让流形随时间变形,即是让度规张量随时间变化,观察在流形的变形下,Ricci曲率是如何变化的,以此来研究整体的拓扑性质。它的核心是Hamilton-Ricci流方程,是一个拟线性抛物型方程组。 里奇流以格雷戈里奥·里奇-库尔巴斯托罗的名字命名,由理查德·哈密顿于1981年首次引入,也称里奇-哈密顿流。这个工具同时被格里戈里·佩雷尔曼用于解决庞加莱猜想。同样的,和正是使用它,微分球面定理(differentiable sphere theorem)使得完成证明。.

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梯度

在向量微积分中,标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点的梯度指向在這點标量场增长最快的方向(當然要比較的話必須固定方向的長度),梯度的絕對值是長度為1的方向中函數最大的增加率,也就是說 |\nabla f|.

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截面 (纤维丛)

在数学之拓扑学领域中,拓扑空间 B 上纤维丛 π: E → B 的一个截面或横截面(section 或 cross section),是一个连续映射 s: B → E,使得对 x 属于 B 有 π(s(x)).

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散度

散度或稱發散度,是向量分析中的一个向量算子,将向量空间上的一个向量场(矢量场)对应到一个标量场上。散度描述的是向量场里一个点是汇聚点还是发源点,形象地说,就是这包含这一点的一个微小体元中的向量是“向外”居多还是“向内”居多。举例来说,考虑空间中的静电场,其空间里的电场强度是一个矢量场。正电荷附近,电场线“向外”发射,所以正电荷处的散度为正值,电荷越大,散度越大。负电荷附近,电场线“向内”,所以负电荷处的散度为负值,电荷越大,散度越小。向量函數的散度為一個純量,而纯量的散度是向量函数。.

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数量曲率

在黎曼几何中,数量曲率(Scalar curvature)或里奇数量(Ricci scalar)是一个黎曼流形最简单的曲率不变量。对黎曼流形的每一点,数量曲率是由该点附近的内蕴几何确定的一个实数。 在 2 维数量曲率完全确定了黎曼流形的曲率;当维数 ≥ 3,曲率比数量曲率含有更多的信息。参见黎曼流形的曲率中完整的讨论。 数量曲率一般记为 S(其它记法有 Sc, R),定义为关于度量的里奇曲率张量的迹: 这个迹和度量相关,因为里奇张量是一个 (0,2) 型张量;必须将指标上升得到一个 (1,1) 型张量才能取迹。在局部坐标中我们可以写成 这里 给了一个坐标系与一个度量张量,数量曲率可以表示为: 这里 \Gamma^a_ 是度量的克里斯托费尔符号。 不像黎曼曲率张量或里奇张量可以对任何仿射联络自然地定义,数量曲率只在黎曼几何存在;其定义与度量密不可分。.

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拉普拉斯-德拉姆算子

我们可以在微分流形的外代数上定义一个拉普拉斯微分算子。在黎曼流形上它是一个椭圆型算子,而在洛伦兹流形上是双曲型的。拉普拉斯–德拉姆算子(Laplace-de Rham operator)定义为 这里 d 是外导数而 δ 是余微分。当作用在数量函数上,余微分可以定义为 δ.

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拉普拉斯-贝尔特拉米算子

在微分几何中,拉普拉斯算子可以推广为定义在曲面,或更一般地黎曼流形与伪黎曼流形上,函数的算子。这个更一般的算子叫做拉普拉斯-贝尔特拉米算子(Laplace–Beltrami operator)。与拉普拉斯算子一样,拉普拉斯–贝尔特拉米算子定义为梯度的散度。这个算子作为共变导数的散度,可以延拓到张量上的算子。或者,利用散度与外导数,这个算子可以推广到微分形式上的算子,所得的算子称为拉普拉斯-德拉姆算子(Laplace–de Rham operator)。.

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