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Academic year: 2021

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Texte intégral

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Differential Geometry 2017–2018 ENS de Lyon

Tensor fields

Exercise 1. Let E and E0 be two smooth vector bundles over the same base space M. Let F : Γ(E)→Γ(E0) be a C(M)-linear map.

1. Prove that there exists a uniquef :E →E0 which is a bundle map overM (that is, for any x∈M,f|Ex ∈End(Ex, Ex0)) and satisfies:

∀s∈Γ(E),∀x∈M, F(s)(x) =f(s(x)). (1) 2. Check that f can be seen as an element ofΓ(E⊗E0).

3. Conversely, check that a section f ∈ Γ(E ⊗E0) defines a unique C(M)-linear map F : Γ(E)→Γ(E0) satisfying (1).

Remark. In other terms we have defined a canonical isomorphism ofC(M)-modules between Hom(Γ(E),Γ(E0))and Γ(ERE0).

Similarly, we can show that s⊗s0 7→ (x 7→ s(x)⊗s0(x)) defines a canonical isomorphism of C(M)-modules from Γ(E)⊗C(M)Γ(E0) to Γ(E⊗RE0). For example, Γ(Vk

TM ⊗RE) is isomorphic toΩk(M, E) := Ωk(M)⊗C(M)Γ(E), the space ofk-forms with values in E.

Exercise 2. Let ∇ be a connection on a smooth vector bundle E → M. We can see ∇ as a map from Ω0(M, E) to Ω1(M, E). We extend ∇: Ωk(M, E) →Ωk+1(M, E) by forcing the Leibniz rule:

∀α∈Ωk(M),∀s∈Γ(E),∀x∈M ∇x(α⊗s) =dxα⊗s(x) + (−1)kαx∧ ∇xs

andR-linearity.

1. Prove that∇ ◦ ∇isC(M)-linear fromΩ0(M, E) to Ω2(M, E).

2. Using the previous exercise, show that∇ ◦ ∇defines a section R∈Ω2(M,End(E)). We call R thecurvature of (E,∇).

3. Let(x1, . . . , xn)be local coordinates onM and(e1, . . . , er)be a local frame forEdefined on the same open set U. We denote by (Γkij) the Christoffel symbols of ∇ in these coordinates. We also define (Rlijk)by:

∀i, j, k ∈ {1, . . . , n}, R ∂

∂xi, ∂

∂xj

ek=

n

X

l=1

Rlijkel.

Check that for any i, j∈ {1, . . . , n} and anyk, l∈ {1, . . . , r} we have:

Rlijk= ∂Γljk

∂xi −∂Γlik

∂xj +

r

X

m=1

ΓmjkΓlim

r

X

m=1

ΓmikΓljm. (2)

4. Check that for anyX, Y ∈Γ(T M)and any s∈Γ(E) we have:

X(∇Ys)− ∇Y(∇Xs)− ∇[X,Y]s=R(X, Y)s.

Remark. In particular, if ∇is the Levi–Civita connection of (M, g) then R is its Riemann curvature. Equation (2) is of course valid in this case.

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