Mapas, Curvas, superfícies e Variedades

2. Mapas, Curvas, superfícies e Variedades

2.1. Mapas

1 - Seja \(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) dado por \(f(x) = \sin{x}\) ou \(f: x \Rightarrow \sin{x}\). Determine o domínio, alcance, imagem e imagem inversa de \(0\).


2 - Classifique os mapas a seguir como injetivos, sobrejetivos ou bijetivo:
\(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) definido como \(f: x \mapsto ax\), onde \(a \in \mathbb{R} - \lbrace 0\rbrace\).

\(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) definido como \(f: x \mapsto x^{2}\).

\(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) definido como \(f: x \mapsto e^{x}\).

Seja \(M\) um elemento do grupo linear geral \(GL(n,\mathbb{R})\) cujas representação matricial é dada por matrizes \(n \times n\) com determinante não nulo, ou seja, \(M: \mathbb{R}^{n} \rightarrow \mathbb{R}^{n}\), \(x \mapsto Mx\).


3 - Seja o mapa \(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) definido como \(f: x \mapsto \sin{x}\). Defina restrições no domínio e no alcance para que \(f\) seja bijetivo.


4 - Seja \(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) definido por \(f: x \mapsto x^{2}\) e \(g: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) por \(g: x \mapsto e^{x}\). Quais são os mapas \(g \circ f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) e \(f \circ g:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\)?


5 - O grupo Euclidiano n-dimensional \(E^{n}\) é feito de uma translação n-dimensional \(a: x \rightarrow x + a\), onde \(x,a \in \mathbb{R}^{n}\), e uma rotation, \(O(n)\), \(R: x \rightarrow Rx\), onde \(R \in O(n)\). Um elemento geral \((R,a)\) de \(E^{n}\) atua sobre \(x\) pelo mapa \((R,a): x \mapsto Rx + a\). O produto é definido por \((R_{2},a_{2}) \times (R_{1},a_{1}): x \mapsto R_{2}\left( R_{1}x + a_{1}\right) + a_{2}\), que é \((R_{2},a_{2}) \circ (R_{1},a_{1}) = \left( R_{2}R_{1}, R_{2}a_{1} + a_{2} \right)\). Mostre que os mapas \(a, R\) e \((R,a)\) são bijeções e encontre seus mapas inversos.


6 - Seja o mapa \(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}_{\ge 0}\) definido por \(f: x \rightarrow x^{2}\). Mostre que se dotarmos \(\mathbb{R}\) com a propriedade da soma, ou seja \(ab = a + b\ \forall a,b \in \mathbb{R}\), o mapa \(f\) não é um homomorfismo. Mostre também que se ao invés da soma dotarmos \(\mathbb{R}\) com a propriedade da multiplicação, o mapa \(f\) é então um homomorfismo.


2.2. Variedades diferenciaveis

1 - Mostre que a função \(f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\), \(f(s) = s^{3}\), define uma estrutura \(C^{\infty}\) sobre \(\mathbb{R}\) diferente da usual (aquela do atlas \(\lbrace (\mathbb{R}, id_{\mathbb{R}}) \rbrace\)).


2 - Sejam \(U\) e \(V\) dois subconjuntos abertos do círculo unitário \(S^{1}\) de \(\mathbb{R}^{2}\) dados por:

\[U = \lbrace (\cos{\theta},\sin{\theta} \vert \theta \in (0,2 \pi))\rbrace, \ \ \ V = \lbrace (\cos{\theta},\sin{\theta} \vert \theta \in (-\pi,\pi))\rbrace.\]

Mostre que \(\mathcal{A} = \lbrace (U,f), (V,g) \rbrace\), onde

\[\begin{split}f: U \rightarrow \mathbb{R},\ \ \ f(\cos{\theta},\sin{\theta})=\theta,\ \ \ \theta \in (0,2 \pi) \\ g: V \rightarrow \mathbb{R},\ \ \ f(\cos{\theta},\sin{\theta})=\theta,\ \ \ \theta \in (-\pi,\pi),\end{split}\]

é um atlas sobre \(S^{1}\).

Solução:


3 - Defina um atlas na superfície cilíndrica

\[M = \lbrace (x,y,z) \in \mathbb{R}^{3} \vert x^{2} + y^{2} = r^{2},\ 0 < z < h \rbrace,\]

onde \(h,r \in \mathbb{R}_{\ge 0}\).

Solução:


4 - Prove que se \(h: \mathbb{R}^{n} \rightarrow \mathbb{R}^{n}\) é um homemomorfismo, então o atlas \(\lbrace (\mathbb{R}^{n}, h) \rbrace\) define a estrutura diferencial usual sobre \(\mathbb{R}^{n}\) ((aquela definida pelo atlas \(\lbrace (\mathbb{R}^{n}, id_{\mathbb{R}^{n}}) \rbrace\)) se e somente se \(h\) e \(h^{-1}\) são diferenciaveis.

Solução:


5 - Considere o mapa: \(f: \mathbb{R}^{2} \rightarrow \mathbb{R},\ \ \ (x,y) \Rightarrow x^{3} + xy + y^{3} + 1\)

  1. Calcule o mapa \(f_{*}: T_{p}\mathbb{R}^{2} \rightarrow T_{p(p)}\mathbb{R}\).

  2. Para quais dos pontos \((0,0),\ (1/3,1/3),\ (-1/3,-1/3)\), é \(f_{*}\) é injetiva or sobrejetiva?