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Méthode qualitative pour l’étude de géodésique avec contraintes

II.1- première application ‘ Le cas du groupe de Heisenberg ‘ : Soit la dynamique décrite par le Lagrangien suivant

𝐋 =𝟏

𝟐𝛟. (𝐬)𝟐− 𝛌 .𝐰𝛟.(𝐬)/𝟐 (𝟏. 𝟓)

Cette expression traduit la différence entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle : 𝛌 est une constante , et w est une 1-forme choisie tel que la solution de l’équation d’Euler-Lagrange associe à L soit une géodésique pour certaine métrique à déterminer.

La méthode proposée par Ovidiu s’articule autour des points suivants : 2.1- Lemme :

Si 𝑅ij(𝜆) sont les composantes d’un tenseur de Ricci par rapport { la métrique 𝑕ij(𝜆)dans 𝐻1 alors 𝑅ij(𝜆) = 8λhij(−𝜆) (1.6)

Démonstration

Calculons les composantes du tenseur de Ricci par le logiciel Mathematica 8 :

𝑅[1,1] 8𝜆(1 − 4𝑦2𝜆) 𝑅[2,1] 32𝑥𝑦𝜆2 𝑅[2,2] 8𝜆(1 − 4𝑥2𝜆) 𝑅[3,1] −16𝑦𝜆2 𝑅[3,2] 16𝑥𝜆2

𝑅[3,3] −8𝜆2

D’autre part, remplaçant 𝜆 par – 𝜆 dans l’expression de la métrique précédente 𝑕ij(𝜆) :

𝑕ij(−𝜆)= :

1 − 4λy2 4λxy 2λy

4λxy 1 − 4λx2 −2λx

2λy −2λx −𝜆

;

L’application du lemme fournit les mêmes composantes du tenseur de Ricci :

41 Exemple : 𝑅11 = 8λh11(−𝜆)

= 8𝜆(1 − 4λy2) = 8𝜆 − 32𝜆2𝑦2 𝑅22 = 8λh22(−𝜆) = 8(1 − 4λx2) = 8𝜆 − 32𝜆2𝑥2 2.2- Corollaire :

Si 𝜑 est une courbe horizontale, alors

𝑅(𝜆)(𝜑., 𝜑.) = 8𝜆|𝜑.|2, Tel que |𝜑.|2= 𝑕(𝜆)(𝜑., 𝜑.) ne dépend pas de 𝜆.

Démonstration :

Si 𝜑 est une courbe horizontale, donc 𝜑. = 𝑥.𝑋1+ 𝑦.𝑋2, 𝑕(𝜆)(𝜑., 𝜑.) = |𝜑.|2 =< 𝜑., 𝜑. >

=< 𝑥.𝑋1+ 𝑦.𝑋2, 𝑥.𝑋1+ 𝑦.𝑋2>

= 𝑥. 2< 𝑋1, 𝑋1> +𝑥.𝑦. < 𝑋1, 𝑋2> +𝑦.𝑥. < 𝑋2, 𝑋1> +𝑦. 2 < 𝑋2, 𝑋2>

= 𝑥. 2+ 𝑦. 2. Donc on a : 𝑕(𝜆)(𝜑., 𝜑.) = 𝑕(−𝜆)(𝜑., 𝜑.) = 𝑥. 2+ 𝑦. 2 On remarque que 𝑕(𝜆)(𝜑., 𝜑.) ne dépend pas du 𝜆

Du lemme (3.1) on obtient :

𝑅(𝜆)(𝜑., 𝜑.) = 8λh(−𝜆)(𝜑., 𝜑.) = 8𝜆|𝜑.|2. 2.3- Proposition :

Pour tout champ de vecteur V on a :

𝑅(𝜆)(𝑉, 𝑉) = 8𝜆 𝑕(𝜆)(𝑉, 𝑉) − 2λw(𝑉)2 (1.7) Démonstration :

En utilisant la métrique𝑕ij(−𝜆), nous pouvons écrire :

42

𝑕ij(−𝜆)= 𝑕ij(𝜆)+ 2λKij (1.8) Tel que

𝐾ij = :

−4𝑦2 4xy 2𝑦

4xy −4𝑥2 −2𝑥

2𝑦 −2𝑥 −1

; (1.9)

On a alors

𝐾(𝑉, 𝑉) = −4𝑦2𝑣12+ 4xyv1𝑣2+ 2yv1𝑣3+ 4xyv2𝑣1− 4𝑥2𝑣22− 2𝑥𝑣2𝑣3+ 2yv3𝑣1− 2xv3𝑣2

− 𝑣32

= −4𝑦2𝑣12− 4𝑥2𝑣22− 𝑣32+ 8xyv1𝑣2+ 4yv1𝑣3− 4xv2𝑣3

= −(4𝑦2𝑣12+ 4𝑥2𝑣22+ 𝑣32− 8xyv1𝑣2− 4yv1𝑣3+ 4xv2𝑣3) = −(𝑣3− 2yv1+ 2xv2)2

= −𝑤(𝑉)2. (1.10) Donc

𝑕(−𝜆)(𝑉, 𝑉) = 𝑕(𝜆)(𝑉, 𝑉) − 2λw(𝑉)2 Du lemme (2.1), on a : 𝑅ij(𝜆) = 8λhij(−𝜆)

Alors : 𝑅(𝜆)(𝑉, 𝑉) = 8λh(−𝜆)(𝑉, 𝑉)

= 8𝜆 𝑕(𝜆)(𝑉, 𝑉) − 2λw(𝑉)2 . (1.11) 2.4- Corollaire

Les deux actions ∫ 𝑅(𝜆).𝜙.(𝑠), 𝜙.(𝑠)/ ⅆ𝑠 et ∫ 1

2𝜙.(𝑠)2− 𝜆 .𝑤𝜙.(𝑠)/2ⅆ𝑠 ,par rapport à la métrique 𝑕(𝜆) atteignent les extremum d’une même fonction 𝜑: ,0,1- → ℝ3.

En particulier, les extremums seront des géodésiques dans la métrique avec les coefficients 𝑅ij(𝜆). Il est intéressant de noter que, même si le Lagrangien (1.1) a des contraintes non-holonomiques les courbes minimales se comportent encore comme des géodésiques dans une certaine

métrique.

Démonstration :

43 Nous avons de la proposition (2.3)

𝑅(𝜆).𝜙.(𝑠), 𝜙.(𝑠)/ = 8𝜆 𝑕(𝜆).𝜙.(𝑠), 𝜙.(𝑠)/ − 2λw .𝜙.(𝑠)/2

= 8𝜆 𝜙.(𝑠)2− 2λw .𝜙.(𝑠)/2 = 16𝜆 1

2𝜙.(𝑠)2− λw .𝜙.(𝑠)/2

Donc : ∫ 𝑅(𝜆).𝜙.(𝑠), 𝜙.(𝑠)/ ⅆ𝑠 ≃ ∫ 1

2𝜙.(𝑠)2− 𝜆(𝑤𝜙.(𝑠))2ⅆ𝑠

Donc les deux actions atteignent les extrêmes d’une même fonction 𝜑: ,0,1- → ℝ3 dans la métrique considérée 𝑕(𝜆).

Nous énonçons sans démonstration le théorème suivant mais qui sera prouvé indirectement par la suite :

2.5- Théorème

L’équation d’Euler-Lagrange pour le Lagrangien (1.5) s’écrit :

𝜑.𝜑. = 0 (1.12) Tel que ∇𝑖𝑗 = 𝛤ij𝑘𝑘 , où les coefficients 𝛤ij𝑘 sont données par 𝛤ij𝑘 =1

2𝑔ks ∂𝑔is

∂𝑥𝑗 +∂𝑔js

∂𝑥𝑖∂𝑔ij

∂𝑥𝑠 . (1.13)

II.2- Deuxième application :cas d’une variété d’Heisenberg Nous allons considérer le cas général pour lequel le Lagrangien s’écrit :

𝐿 =1

2(( 𝜑.(𝑠) )2)𝑕(𝜆)− 𝜆 .𝑤 𝜑.(𝑠) /2+ 𝜉 𝜙. 𝑤 𝜙. , a- Ecriture des champs de vecteur :

𝑋1= ∂𝑥 + 𝐴1(𝑦) ∂𝑧 , 𝑋2= ∂𝑦− 𝐴2(𝑥) ∂𝑧 (1.14) Les 𝐴𝑖(. ) étant des fonctions lisses.

b- Ecriture de la 1-forme :

On démontre facilement que w s’écrit :

𝑤 = dz − 𝐴1(𝑦)dx + 𝐴2(𝑥)dy (1.15) c- Ecriture de la métrique covariante :

Les champs de vecteurs 𝑋1, 𝑋2,𝑡

𝜆 sont orthonormaux, Cette propriété nous permet d’écrire la métrique covariante 𝑕ij(𝜆) :

44

On a la normalité des champs de vecteur qui se traduit par :

〈𝑋1, 𝑋1〉 = 𝑕11+ 2𝐴1(𝑦)𝑕13+ 𝐴12(𝑦)𝑕33 = 1

〈𝑋2, 𝑋2〉 = 𝑕22− 2𝐴2(𝑥)𝑕23+ 𝐴22(𝑥)𝑕33 = 1

〈𝑋3, 𝑋3〉 =1

𝜆𝑕33 = 1 La troisième équation donne : 𝑕33 = 𝜆.

L’orthogonalité des champs de vecteur s’écrit :

〈𝑋1, 𝑋2〉 = 𝑕12− 𝐴2(𝑥)𝑕13+ 𝐴1(𝑦)𝑕32− 𝐴1(𝑦)𝐴2(𝑥)𝑕33 = 0

〈𝑋1, 𝑋3〉 = 1

𝜆𝑕13+𝐴1(𝑦)

𝜆 𝑕33 = 0

〈𝑋2, 𝑋3〉 = 1

𝜆𝑕23+𝐴2(𝑥)

𝜆 𝑕33 = 0

Donc : 𝑕13 = −λA1(𝑦)

Remplaçant 𝑕33 par sa valeur dans la 1ére équation :

𝑕11 = 1 + 𝜆𝐴12(𝑦) Et 𝑕23 = λA2(𝑥) Remplaçant 𝑕23 par sa valeur dans la 2ème équation :

𝑕22 = 1 + 𝜆𝐴22(𝑥) 𝑕12 = −λA1(𝑦)𝐴2(𝑥)

Donc

𝑕ij(𝜆)= :

1 + 𝜆𝐴12(𝑦) −λA1(𝑦)𝐴2(𝑥) −λA1(𝑦)

−λA1(𝑦)𝐴2(𝑥) 1 + 𝜆𝐴22(𝑥) λA2(𝑥)

−λA1(𝑦) λA2(𝑥) 𝜆

; (1.16)

d- Choix d’une autre 1- forme :

Pour généraliser la méthode et garder la forme quadratique de Lagrangien ,nous posons : 𝜂 = 𝐴2dy − 𝐴1dx (1.17)

e- Posons 𝐴1 =dAdy1 , 𝐴2 =dAdx2.

Le résultat qui suit est une généralisation de ce qui précède.

45

On peut en déduire facilement les composantes du tenseur de Ricci : 𝑅11 = 𝑅𝑕11(−𝜆)+𝜆

46

Pour vérifier ces résultats, nous avons écrit un programme sur Mathematica 8 pour la

détermination des composantes non nulles du tenseur de Ricci .Nous avons obtenu les valeurs suivantes :

"R[1, 1]" −1

2𝜆((−1 + 𝜆𝑓[𝑦]2)𝑓[𝑦]2− 2(−1 + 𝜆𝑓[𝑦]2)𝑓[𝑦]𝑔[𝑥] + (1 + 𝜆𝑓[𝑦]2)𝑔[𝑥]2− 2𝑓[𝑦]𝑓′′[𝑦])

"R[2, 1]" 1

2𝜆(−𝑔[𝑥]𝑓′′[𝑦] + 𝑓[𝑦](𝜆𝑔[𝑥](𝑓[𝑦] − 𝑔[𝑥])2− 𝑔′′[𝑥]))

"R[2, 2]" −1

2𝜆((1 + 𝜆𝑔[𝑥]2)𝑓[𝑦]2− 2(−1 + 𝜆𝑔[𝑥]2)𝑓[𝑦]𝑔[𝑥] + (−1 + 𝜆𝑔[𝑥]2)𝑔[𝑥]2− 2𝑔[𝑥]𝑔′′[𝑥])

"R[3, 1]" 1

2𝜆(𝜆𝑓[𝑦](𝑓[𝑦] − 𝑔[𝑥])2− 𝑓′′[𝑦])

"R[3, 2]" 1

2𝜆(−𝜆𝑔[𝑥](𝑓[𝑦] − 𝑔[𝑥])2+ 𝑔′′[𝑥])

"R[3, 3]" −1

2𝜆2(𝑓,𝑦- − 𝑔,𝑥-)2 Le scalaire de Ricci :

R = 1

2𝜆(𝑓[𝑦] + 𝑔[𝑥])2 2.7- Lemme :

Considérons la courbe 𝜙(𝑠) = (𝑥(𝑠), 𝑦(𝑠), 𝑧(𝑠)),alors

𝑄 𝜙., 𝜙. = 2 𝐴2𝑦.(𝑠) − 𝐴1𝑥.(𝑠) 𝑧.(𝑠) − 𝐴1𝑥.(𝑠) + 𝐴2𝑦.(𝑠) = 2𝜂 𝜙. 𝑤 𝜙. (1.21)

Démonstration :

Soit 𝜙.(𝑠) = 𝑥.(𝑠)𝑋1+ 𝑦.(𝑠)𝑋2+ 𝑧.(𝑠) ∂𝑡 un champ de vecteur tangent On peut alors écrire facilement :

𝑄 𝜙., 𝜙. = 2𝐴1𝐴1𝑥. 2+ 2𝐴2𝐴2𝑦. 2− 2(𝐴1𝐴2+ 2𝐴1𝐴2)𝑥.𝑦. − 2𝐴1𝑥.𝑧. + 2𝐴2𝑦.𝑧.

= (𝐴2𝑦. − 𝐴1𝑥.)(2𝐴2𝑦. − 2𝐴1𝑥.) + 𝑧.(2𝐴2𝑦. − 2𝐴1𝑥.)

= (2𝐴2𝑦. − 2𝐴1𝑥.)(𝐴2𝑦. − 𝐴1𝑥. + 𝑧.)

= 2(𝐴2𝑦. − 𝐴1𝑥.)(𝐴2𝑦. − 𝐴1𝑥. + 𝑧.)

= 2𝜂 𝜙. 𝑤 𝜙. .

2.8- Lemme

𝑕ij(−𝜆)− 𝑕ij(𝜆) = 2λKij (1.22) Avec

𝐾ij = :

−𝐴12(𝑦) 𝐴1(𝑦)𝐴2(𝑥) 𝐴1(𝑦) 𝐴1(𝑦)𝐴2(𝑥) −𝐴22(𝑥) −𝐴2(𝑥)

𝐴1(𝑦) −𝐴2(𝑥) −1

; De plus

𝐾(𝑉, 𝑉) = −𝑤(𝑉)2. (1.23)

47 Démonstration :

La première relation est obtenue par un simple calcul

𝑕ij(−𝜆)− 𝑕ij(𝜆)= :

1 − 𝜆𝐴12(𝑦) λA1(𝑦)𝐴2(𝑥) λA1(𝑦) λA1(𝑦)𝐴2(𝑥) 1 − 𝜆𝐴22(𝑥) −λA2(𝑥)

λA1(𝑦) −λA2(𝑥) −𝜆

; − :

1 + 𝜆𝐴12(𝑦) −λA1(𝑦)𝐴2(𝑥) −λA1(𝑦)

−λA1(𝑦)𝐴2(𝑥) 1 + 𝜆𝐴22(𝑥) λA2(𝑥)

−λA1(𝑦) λA2(𝑥) 𝜆

;

=:

−2𝜆𝐴12(𝑦) 2𝜆𝐴1(𝑦)𝐴2(𝑥) 2𝜆𝐴1(𝑦) 2𝜆𝐴1(𝑦)𝐴2(𝑥) −2𝜆𝐴22(𝑥) −2𝜆𝐴2(𝑥)

2𝜆𝐴1(𝑦) −2𝜆𝐴2(𝑥) −2𝜆

;

= 2λKij

Pour la deuxième partie On a

𝐊(𝐕, 𝐕) = −𝟐𝛌𝐀𝟏𝟐(𝐲)𝐯𝟏𝟐+ 𝟐𝛌𝐀𝟏(𝐲)𝐀𝟐(𝐱)𝐯𝟏𝐯𝟐+ 𝟐𝛌𝐀𝟏(𝐲)𝐯𝟏𝐯𝟑+ 𝟐𝛌𝐀𝟏(𝐲)𝐀𝟐(𝐱)𝐯𝟐𝐯𝟏− 𝟐𝛌𝐀𝟐(𝐱)𝐯𝟐𝐯𝟑− 𝟐𝛌𝐀𝟐𝟐(𝐱)𝐯𝟐𝟐+ 𝟐𝛌𝐀𝟏(𝐲)𝐯𝟑𝐯𝟏− 𝐀𝟐(𝐱)𝐯𝟑𝐯𝟐− 𝐯𝟑𝟐

= −2λA12(y)v12+ 4λA1(y)A2(x)v1v2+ 4λA1(y)v1v3− 4λA2(x)v2v3− 2λA22(x)v22− v32 = − 2λA12(y)v12− 4λA1(y)A2(x)v1v2− 4λA1(y)v1v3+ 4λA2(x)v2v3+ 2λA22(x)v22+ v32 = −(v3− A1(y)v1+ A2(x)v2)2

= −w(V)2.

- Notons 𝜌 = 𝐴1 + 𝐴2 , et soit 𝑔ij =𝑅ij

(𝜆 )

λρ2. notons aussi 𝜉 = 𝜂

𝜌2 . 2.9- Théorème

Les deux actions

∫ 𝑔 𝜑.(𝑠), 𝜑.(𝑠) ⅆ𝑠 𝑒𝑡 ∫ 1

2( 𝜑.(𝑠) )𝑕(𝜆)− 𝜆 .𝑤 𝜑.(𝑠) /2+ 𝜉 𝜙. 𝑤 𝜙. ds, atteignent les mémes extremas de la méme fonction 𝜑: [0,1] → ℝ3.

En particulier, les extrêmes seront des géodésiques dans la métrique 𝑔ij et obéissent à l’équation∇𝜑.𝜑. = 0 où ∇ est une connexion de type Livi-Civita définie par 𝑔ij.

Démonstration :

A partir des lemmes 3.6 et 3.7 nous pouvons écrire :

48

III - La connexion de Levi-Civita dans le groupe de Heisenberg :

Nous commençons par les propriétés de la connexion de Levi-Civita dans le groupe de Heisenberg .

Pour toute métrique 𝑕𝜆 nous avons une connexion de Levi-Civita ∇𝜆 définie par :

𝜆𝑖𝑗 = 𝛤ij𝑘(𝜆) ∂𝑘 (1.24) Où les symboles de Christoffel sont définis par la métrique (1.3) :

𝚪𝟏𝟐𝟏 = 𝟒𝛌𝐱𝟐 , 𝚪𝟏𝟏𝟐 = −𝟖𝛌𝐱𝟐 , 𝚪𝟏𝟏𝟑 = 𝟏𝟔𝛌𝐱𝟏𝐱𝟐 , 𝚪𝟐𝟐𝟑 = −𝟏𝟔𝛌𝐱𝟏𝐱𝟐

𝚪𝟐𝟐𝟏 = −𝟖𝛌𝐱𝟏 , 𝚪𝟏𝟐𝟐 = 𝟒𝛌𝐱𝟏 , 𝚪𝟏𝟐𝟑 = 𝟖𝛌 (𝐱𝟐)𝟐− (𝐱𝟏)𝟐 , 𝚪𝟐𝟑𝟑 = −𝟒𝛌𝐱𝟐, 𝚪𝟐𝟑𝟏 = −𝟐𝛌, 𝚪𝟏𝟑𝟐 = 𝟐𝛌, 𝚪𝟏𝟑𝟑 = −𝟒𝛌𝐱𝟏

les résultats suivantes affirment que la connexion de Levi-Civita par rapport à 𝛛𝒙𝟏,𝛛𝒙𝟐, 𝛛𝒕 est une combinaison linéaire de 𝑿𝟏𝐞𝐭𝑿𝟐, donc c’est une distribution générée par ces vecteurs.

3.1- Lemme

Les égalités entre les connexions viennent du fait que la connexion de Levi-Civita est symétrique ce qui se traduit par :

0 = [∂𝑖, ∂𝑗] = ∇𝜆𝑖𝑗 − ∇𝜆𝑗𝑖

49

La deuxième partie de la première égalité est obtenue à partir des symboles de Christoffel :

x 1

λx2 = Γ121x1+ Γ122x2 + Γ123t

= 4λx2x1+ 4λx1x2 + 8λ((x2)2− (x1)2) ∂t

= 4λx2x1 + 2x2t + 4λx1x2 − 2x1t

= 4λx2X1+ 4λx1X2

x 1

λt = Γ131x1+ Γ132x2 + Γ133t

= 0 + 2λ ∂x2− 4λx1t

= 2λ ∂x2− 2x1t

= 2λX2

λx 1x1 = Γ111x1+ Γ112x2 + Γ113t

= 0 − 8λx2x2 + 16λx1x2t

= −8λx2x2− 2x1t

= −8λx2X2

x 2

λt = Γ231x1 + Γ232x2+ Γ233t

= −2λ ∂x1 + 0 − 4λx1t

= −2λX1

x 2

λx2 = Γ221x1 + Γ222x2 + Γ223t

= −8λx2x1+ 0 − 16λx1x2t

= −8λx1X1

Pour k=1,2,3 , 𝛤33𝑘 = 0 Donc

𝜆𝑡𝑡 = 0 3.2- Lemme

Pour tout 𝜆 > 0,on a

𝛁𝐗𝛌𝟏𝐗𝟏= 𝟎, 𝛁𝐗𝛌𝟐𝐗𝟐= 𝟎 (1.28)

Xλ2X1= 2 ∂t, ∇Xλ2X2= −2 ∂t (1.29) Démonstration

50

Nous commençons par un calcul utilisant le lemme 3.10 soit :

En utilisant les deux relations précédentes et le lemme 3.10,on obtient

𝛁𝐗𝛌𝟏𝐗𝟏= 𝛁𝛛

Comme 𝛁𝛌est symétrique, le torsion est nul

𝛁𝐗𝛌𝟏𝐗𝟐− 𝛁𝐗𝛌𝟐𝐗𝟏 = ,𝐗𝟏, 𝐗𝟐-

A partir des relations précédentes, on en déduit que :

−𝟐𝛛𝐭− 𝟐𝛛𝐭= −𝟒𝛛𝐭= ,𝐗𝟏, 𝐗𝟐-.

51 Chapitre 3

MISE EN ŒUVRE DE QUELQUE PROGRAMMES

Ce chapitre se veut une mise en relief de l’efficacité du logiciel MATHEMATICA et MATLAB, qui se trouvent bien adaptés pour les deux chapitres précédant.

Ils facilitent le calcul de beaucoup de grandeurs telles que les coefficients de Christoffel permettant l’obtention des expressions analytiques des tenseurs.

Nous allons dans ce qui suit donner l’intégralité des programmes jugés intéressants et ayant également servis à vérifier certains lemmes.

I- Partie 1 :le cas sous Riemannien (avec contraintes)

Programme N° 1 : Détermination de la métrique invariante à gauche à partir des champs de vecteurs :

𝐗𝟏 = 𝛛𝐱+ 𝟐𝐲𝛛𝐳 , 𝐗𝟐= 𝛛𝐲− 𝟐𝐱𝛛𝐳 , 𝐓 = 𝛛𝐳. ****************************

𝐧 = 𝟑 𝟑

𝐟 = *𝟏, 𝟎, 𝟐𝐲+

*𝟏, 𝟎, 𝟐𝐲+

𝐠 = *𝟎, 𝟏, −𝟐𝐱+

*𝟎, 𝟏, −𝟐𝐱+

𝐥 = 2𝟎, 𝟎, 𝟏

𝛌3 2𝟎, 𝟎, 𝟏

𝛌3 𝐃𝐨[

𝐡,𝐢, 𝐣- = 𝐡,𝐣, 𝐢-, {𝐣, 𝟏, 𝐧}, {𝐢, 𝟏, 𝐧}

]

𝐍𝐒𝐨𝐥𝐯𝐞[{𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐒𝐮𝐦[𝐟[[𝐢]]𝐟[[𝐣]]𝐡[𝐢, 𝐣], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}] == 𝟏], 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞 𝐒𝐮𝐦 𝐥 ,𝐢- 𝐟 ,𝐣- 𝐡,𝐢, 𝐣-, *𝐢, 𝟏, 𝐧+, *𝐣, 𝟏, 𝐧+ == 𝟎 ,

𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞 𝐒𝐮𝐦 𝐥 ,𝐢- 𝐠 ,𝐣- 𝐡,𝐢, 𝐣-, *𝐢, 𝟏, 𝐧+, *𝐣, 𝟏, 𝐧+ == 𝟎 , 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞 𝐒𝐮𝐦 𝐠 ,𝐢- 𝐟 ,𝐣- 𝐡,𝐢, 𝐣-, *𝐢, 𝟏, 𝐧+, *𝐣, 𝟏, 𝐧+ == 𝟎 , 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞 𝐒𝐮𝐦 𝐥 ,𝐢- 𝐥 ,𝐣- 𝐡,𝐢, 𝐣-, *𝐢, 𝟏, 𝐧+, *𝐣, 𝟏, 𝐧+ == 𝟏 , 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐒𝐮𝐦[𝐠[[𝐢]]𝐠[[𝐣]]𝐡[𝐢, 𝐣], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}] == 𝟏]}, {𝐡[𝟏, 𝟐], 𝐡[𝟑, 𝟑], 𝐡[𝟑, 𝟐], 𝐡[𝟐, 𝟐], 𝐡[𝟏, 𝟑], 𝐡[𝟏, 𝟏]}]

{{𝐡[𝟏, 𝟐] → 𝟎. −𝟒. 𝐱𝐲𝛌, 𝐡[𝟑, 𝟑] → 𝟏. 𝛌, 𝐡[𝟐, 𝟑] → 𝟎. +𝟐. 𝐱𝛌, 𝐡[𝟐, 𝟐] → 𝟏. +𝟒. 𝐱𝟐𝛌, 𝐡[𝟏, 𝟑] → 𝟎. −𝟐. 𝐲𝛌, 𝐡[𝟏, 𝟏] → 𝟏. +𝟒. 𝐲𝟐𝛌}}

52

- Programme N°2 : Vérification du lemme 2.1 de la page 13 ***********************

𝐂𝐥𝐞𝐚𝐫,𝐜𝐨𝐨𝐫𝐝, 𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜, 𝐢𝐧𝐯𝐞𝐫𝐬𝐞𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜, 𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞, 𝐫𝐢𝐞𝐦𝐚𝐧𝐧, 𝐫𝐢𝐜𝐜𝐢, 𝛌, 𝐱, 𝐲, 𝐭- 𝐧 = 𝟑

3

𝐜𝐨𝐨𝐫𝐝 = {𝐱, 𝐲, 𝐭}

{𝐱, 𝐲, 𝐭}

𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜 = {{𝟏 + 𝟒𝛌(𝐲)^𝟐, −𝟒𝛌𝐱𝐲, −𝟐𝛌𝐲}, {−𝟒𝛌𝐱𝐲, 𝟏 + 𝟒𝛌(𝐱)^𝟐, 𝟐𝛌𝐱}, {−𝟐𝛌𝐲, 𝟐𝛌𝐱, 𝛌}}

{{𝟏 + 𝟒𝐲𝟐𝛌, −𝟒𝐱𝐲𝛌, −𝟐𝐲𝛌}, {−𝟒𝐱𝐲𝛌, 𝟏 + 𝟒𝐱𝟐𝛌, 𝟐𝐱𝛌}, {−𝟐𝐲𝛌, 𝟐𝐱𝛌, 𝛌}}

𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜//𝐌𝐚𝐭𝐫𝐢𝐱𝐅𝐨𝐫𝐦 :

𝟏 + 𝟒𝐲𝟐𝛌 −𝟒𝐱𝐲𝛌 −𝟐𝐲𝛌

−𝟒𝐱𝐲𝛌 𝟏 + 𝟒𝐱𝟐𝛌 𝟐𝐱𝛌

−𝟐𝐲𝛌 𝟐𝐱𝛌 𝛌

;

𝐢𝐧𝐯𝐞𝐫𝐬𝐞𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜 = 𝐒𝐢𝐦𝐩𝐥𝐢𝐟𝐲[𝐈𝐧𝐯𝐞𝐫𝐬𝐞[𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜]]

{{𝟏, 𝟎, 𝟐𝐲}, {𝟎, 𝟏, −𝟐𝐱}, {𝟐𝐲, −𝟐𝐱, 𝟒𝐱𝟐+ 𝟒𝐲𝟐+𝟏

𝛌}}

𝐢𝐧𝐯𝐞𝐫𝐬𝐞𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜//𝐌𝐚𝐭𝐫𝐢𝐱𝐅𝐨𝐫𝐦 :

𝟏 𝟎 𝟐𝐲

𝟎 𝟏 −𝟐𝐱

𝟐𝐲 −𝟐𝐱 𝟒𝐱𝟐+ 𝟒𝐲𝟐+𝟏

𝛌

;

𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞: =

𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞 = 𝐒𝐢𝐦𝐩𝐥𝐢𝐟𝐲[𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[(𝟏/𝟐) ∗ 𝐒𝐮𝐦[(𝐢𝐧𝐯𝐞𝐫𝐬𝐞𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜[[𝐢, 𝐬]]) ∗ (𝐃[𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜[[𝐬, 𝐣]], 𝐜𝐨𝐨𝐫𝐝[[𝐤]]]

+ 𝐃[𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜[[𝐬, 𝐤]], 𝐜𝐨𝐨𝐫𝐝[[𝐣]]]

− 𝐃[𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜[[𝐣, 𝐤]], 𝐜𝐨𝐨𝐫𝐝[[𝐬]]]), {𝐬, 𝟏, 𝐧}], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}, {𝐤, 𝟏, 𝐧}]]

𝐥𝐢𝐬𝐭𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞: =

𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐈𝐟[𝐔𝐧𝐬𝐚𝐦𝐞𝐐[𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝐢, 𝐣, 𝐤]], 𝟎], {𝐓𝐨𝐒𝐭𝐫𝐢𝐧𝐠[𝚪[𝐢, 𝐣, 𝐤]], 𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝐢, 𝐣, 𝐤]]}], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}, {𝐤, 𝟏, 𝐣}]

𝐫𝐢𝐞𝐦𝐚𝐧𝐧: = 𝐫𝐢𝐞𝐦𝐚𝐧𝐧 = 𝐒𝐢𝐦𝐩𝐥𝐢𝐟𝐲[𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[

𝐃[𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝐢, 𝐣, 𝐥]], 𝐜𝐨𝐨𝐫𝐝[[𝐤]]] −

𝐃[𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝐢, 𝐣, 𝐤]], 𝐜𝐨𝐨𝐫𝐝[[𝐥]]] + 𝐒𝐮𝐦[𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝒔, 𝒋, 𝒍]]𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝒊, 𝒌, 𝒔]] − 𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝐬, 𝐣, 𝐤]]𝐚𝐟𝐟𝐢𝐧𝐞[[𝐢, 𝐥, 𝐬]], {𝐬, 𝟏, 𝐧}], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}, {𝐤, 𝟏, 𝐧}, {𝐥, 𝟏, 𝐧}]]

𝐥𝐢𝐬𝐭𝐫𝐢𝐞𝐦𝐚𝐧𝐧

≔ 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐈𝐟[𝐔𝐧𝐬𝐚𝐦𝐞𝐐[𝐫𝐢𝐞𝐦𝐚𝐧𝐧[[𝐢, 𝐣, 𝐤, 𝐥]], 𝟎], {𝐓𝐨𝐒𝐭𝐫𝐢𝐧𝐠[𝐑[𝐢, 𝐣, 𝐤, 𝐥]], 𝐫𝐢𝐞𝐦𝐚𝐧𝐧[[𝐢, 𝐣, 𝐤, 𝐥]]}], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}, {𝐤, 𝟏, 𝐧}, {𝐥, 𝟏, 𝐤 − 𝟏}]

𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞𝐅𝐨𝐫𝐦[𝐏𝐚𝐫𝐭𝐢𝐭𝐢𝐨𝐧[𝐃𝐞𝐥𝐞𝐭𝐞𝐂𝐚𝐬𝐞𝐬[𝐅𝐥𝐚𝐭𝐭𝐞𝐧[𝐥𝐢𝐬𝐭𝐫𝐢𝐞𝐦𝐚𝐧𝐧], 𝐍𝐮𝐥𝐥], 𝟐], 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞𝐒𝐩𝐚𝐜𝐢𝐧𝐠 → {𝟐, 𝟐}]

53

54

Programme N° 3: Détermination de la métrique invariante à gauche à partir des champs de vecteurs suivants: 𝐗𝟏 = 𝛛𝐱+ 𝐀(𝐲)𝛛𝐳 , 𝐗𝟐 = 𝛛𝐲 − 𝐁(𝐱)𝛛𝐳 , 𝛛𝐭

𝛌

*******************

𝐧 = 𝟑 3

𝐟 = *𝟏, 𝟎, 𝐀,𝐲-+

*𝟏, 𝟎, 𝐀,𝐲-+

𝐠 = *𝟎, 𝟏, −𝐁,𝐱-+

*𝟎, 𝟏, −𝐁,𝐱-+

𝐥 = 2𝟎, 𝟎, 𝟏

𝛌3 2𝟎, 𝟎, 𝟏

𝛌3 𝐃𝐨[

𝐡,𝐢, 𝐣- = 𝐡,𝐣, 𝐢-,

*𝐣, 𝟏, 𝐧+, *𝐢, 𝟏, 𝐧+

]

𝐍𝐒𝐨𝐥𝐯𝐞[{𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐒𝐮𝐦[𝐟[[𝐢]]𝐟[[𝐣]]𝐡[𝐢, 𝐣], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}] == 𝟏], 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐒𝐮𝐦[𝐥[[𝐢]]𝐟[[𝐣]]𝐡[𝐢, 𝐣], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}] == 𝟎],

𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐒𝐮𝐦[𝐥[[𝐢]]𝐠[[𝐣]]𝐡[𝐢, 𝐣], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}] == 𝟎], 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞 𝐒𝐮𝐦 𝐠 ,𝐢- 𝐟 ,𝐣- 𝐡,𝐢, 𝐣-, *𝐢, 𝟏, 𝐧+, *𝐣, 𝟏, 𝐧+ == 𝟎 , 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐒𝐮𝐦[𝐥[[𝐢]]𝐥[[𝐣]]𝐡[𝐢, 𝐣], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}] == 𝟏], 𝐓𝐚𝐛𝐥𝐞[𝐒𝐮𝐦[𝐠[[𝐢]]𝐠[[𝐣]]𝐡[𝐢, 𝐣], {𝐢, 𝟏, 𝐧}, {𝐣, 𝟏, 𝐧}] == 𝟏]}, {𝐡,𝟏, 𝟐-, 𝐡,𝟑, 𝟑-, 𝐡,𝟑, 𝟐-, 𝐡[𝟐, 𝟐], 𝐡[𝟏, 𝟑], 𝐡[𝟏, 𝟏]}]

{{𝐡[𝟏, 𝟐] → 𝟎. −𝟏. 𝛌𝐀[𝐲]𝐁[𝐱], 𝐡[𝟑, 𝟑] → 𝟏. 𝛌, 𝐡[𝟐, 𝟑] → 𝟎. +𝟏. 𝛌𝐁[𝐱], 𝐡[𝟐, 𝟐] → 𝟏. +𝟏. 𝛌𝐁,𝐱-𝟐, 𝐡[𝟏, 𝟑] → 𝟎. −𝟏. 𝛌𝐀[𝐲], 𝐡[𝟏, 𝟏] → 𝟏. +𝟏. 𝛌𝐀,𝐲-𝟐}}

*******************

Programme N°4 : Vérification du Lemme 2.6 de la page 18

********************

Clear[coord, metric,inversemetric, affine, riemann, ricci, scalar,x,y,t, 𝝀,A,B]

n=3 3

coord = {x,y,t}

{𝒙, 𝒚, 𝒕}

𝐦𝐞𝐭𝐫𝐢𝐜 =

2 𝟏 + 𝛌𝐀,𝐲-𝟐, −𝛌𝐀,𝐲-𝐁,𝐱-, −𝛌𝐀,𝐲- , −𝛌𝐀,𝐲-𝐁,𝐱-, 𝟏 + 𝛌𝐁,𝐱-𝟐, 𝛌𝐁,𝐱- , *−𝛌𝐀,𝐲-, 𝛌𝐁,𝐱-, 𝛌+3 {{𝟏 + 𝛌𝐀[𝐲]𝟐, −𝛌𝐀[𝐲]𝐁[𝐱], −𝛌𝐀[𝐲]}, {−𝛌𝐀[𝐲]𝐁[𝐱], 𝟏 + 𝛌𝐁[𝐱]𝟐, 𝛌𝐁[𝐱]}, {−𝛌𝐀[𝐲], 𝛌𝐁[𝐱], 𝛌}}

55

D[affine[[i,j,l]],coord[[k]] ]-D[affine[[i,j,k]],coord[[l]] ]+

Sum[affine[[s,j,l]] affine[[i,k,s]]-affine[[s,j,k]] affine[[i,l,s]], {s,1,n}],

56 R[1, 2, 3, 1] 𝟏

𝟒𝛌 −𝛌𝐁,𝐱-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐+ 𝟐𝐁′′,𝐱- R[1, 2, 3, 2] 𝟏

𝟐𝛌𝐀′′,𝐲- R[1, 3, 2, 1] 𝟏

𝟒𝛌 −𝛌𝐁,𝐱-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐+ 𝟐𝐁′′,𝐱- R[1, 3, 3, 1] −𝟏

𝟒𝛌𝟐(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐 𝐑,𝟐, 𝟏, 𝟐, 𝟏- 𝟏

𝟒𝛌((−𝟑 + 𝛌𝐀[𝐲]𝟐)𝐀[𝐲]𝟐+ 𝟐(−𝟑 + 𝛌𝐀[𝐲]𝟐)𝐀[𝐲]𝐁[𝐱] + (−𝟑 + 𝛌𝐀[𝐲]𝟐)𝐁[𝐱]𝟐− 𝟐(𝟐𝐀[𝐲]𝐀′′[𝐲] + 𝐁[𝐱]𝐁′′[𝐱]))

R[2, 1, 3, 1] −𝟏

𝟐𝛌𝐁′′,𝐱-

R[2, 1, 3, 2] 𝟏𝟒𝛌 𝛌𝐀,𝐲-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐− 𝟐𝐀′′,𝐲- R[2, 2, 2, 1] 𝟏𝟒𝛌𝐁,𝐱- −𝛌𝐀,𝐲-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐+ 𝟐𝐀′′,𝐲- R[2, 2, 3, 2] −𝟏

𝟒𝛌𝟐𝐁,𝐱-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐 R[2, 3, 2, 1] 𝟏

𝟒𝛌 −𝛌𝐀,𝐲-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐+ 𝟐𝐀′′,𝐲- R[2, 3, 3, 2] −𝟏

𝟒𝛌𝟐(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐 R[3, 1, 2, 1] 𝟏

𝟐 𝟐𝛌𝐁,𝐱- 𝐀,𝐲-𝟐+ 𝟐𝐀,𝐲-𝐁,𝐱- + 𝐁,𝐱-𝟐+ 𝐀,𝐲-𝐀′′,𝐲- − 𝟏 + 𝛌𝐀,𝐲-𝟐 𝐁′′,𝐱- + 𝛌𝐁,𝐱-𝟐𝐁′′,𝐱-

R[3, 1, 3, 1] 𝟏

𝟒𝛌 . 𝟏 + 𝛌𝐀,𝐲-𝟐 𝐀,𝐲-𝟐+ 𝟐 𝟏 + 𝛌𝐀,𝐲-𝟐 𝐀,𝐲-𝐁,𝐱- + 𝟏 + 𝛌𝐀,𝐲-𝟐 𝐁,𝐱-𝟐+ 𝟐𝐁,𝐱-𝐁′′,𝐱-/

R[3, 1, 3, 2] 𝟏𝟒𝛌𝐁,𝐱- −𝛌𝐀,𝐲-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐+ 𝟐𝐀′′,𝐲- 𝐑,𝟑, 𝟐, 𝟐, 𝟏- 𝟏

𝟐𝛌𝐀,𝐲-𝟐𝐀′′,𝐲- −𝟏

𝟐 𝟏 + 𝛌𝐁,𝐱-𝟐 𝐀′′,𝐲- + 𝛌𝐀,𝐲- 𝐀,𝐲-𝟐+ 𝟐𝐀,𝐲-𝐁,𝐱- + 𝐁,𝐱-𝟐+ 𝐁,𝐱-𝐁′′,𝐱-)

R[3, 2, 3, 1] 𝟏

𝟒𝛌𝐀,𝐲- −𝛌𝐁,𝐱-(𝐀,𝐲- + 𝐁,𝐱-)𝟐+ 𝟐𝐁′′,𝐱- R[3, 2, 3, 2] 𝟏

𝟒𝛌 . 𝟏 + 𝛌𝐁,𝐱-𝟐 𝐀,𝐲-𝟐+ 𝟐 𝟏 + 𝛌𝐁,𝐱-𝟐 𝐀,𝐲-𝐁,𝐱- + 𝟏 + 𝛌𝐁,𝐱-𝟐 𝐁,𝐱-𝟐+ 𝟐𝐀,𝐲-𝐀′′,𝐲-/

R[3, 3, 2, 1] 𝟏

𝟐(−𝛌𝐁,𝐱-𝐀′′,𝐲- + 𝛌𝐀,𝐲-𝐁′′,𝐱-)

57

- Programme N°5 : Calcul des symboles de Christoffel de deuxième espèce : *****************

58

𝚪[𝟏, 𝟐, 𝟏] = 𝟒𝐲𝛌

Γ[1, 2, 2] = −𝟖𝐱𝛌

𝚪[𝟏, 𝟑, 𝟐] = −𝟐𝛌

𝚪[𝟐, 𝟏, 𝟏] = −𝟖𝐲𝛌

𝚪[𝟐, 𝟐, 𝟏] = 𝟒𝐱𝛌

𝚪[𝟐, 𝟑, 𝟏] = 𝟐𝛌

𝚪[𝟑, 𝟏, 𝟏] = 𝟏𝟔𝐱𝐲𝛌 𝚪[𝟑, 𝟐, 𝟏] = 𝟖(−𝐱𝟐+ 𝐲𝟐)𝛌 𝚪[𝟑, 𝟐, 𝟐] = −𝟏𝟔𝐱𝐲𝛌 𝚪[𝟑, 𝟑, 𝟏] = −𝟒𝐱𝛌 𝚪[𝟑, 𝟑, 𝟐] = −𝟒𝐲𝛌

*************************

59

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