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Variedades diferenciables (geom)

1854
  • Bernhard Riemann
Rollo de pergamino que detalla variedades diferenciables en una sala de estudio histórica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Una variedad diferenciable es una espacio topológico que es localmente similar al espacio euclidiano, lo que permite aplicar el cálculo. Cada punto tiene un entorno homeomorfo a un subconjunto abierto de [latex]mathbb{R}^n[/latex]. Estos sistemas de coordenadas locales, llamados cartas, están relacionados por funciones de transición suaves, formando un atlas que define la estructura diferenciable de la variedad.

Una variedad diferenciable es el objeto central de estudio en geometría diferencial. Este concepto formaliza la idea de un «espacio curvo» de cualquier dimensión. Si bien globalmente una variedad puede ser compleja (como una esfera o un toro), localmente, alrededor de cualquier punto, se asemeja a una porción plana del espacio euclidiano. Esta «planitud» local es fundamental, ya que nos permite utilizar las herramientas del cálculo multivariable.

La definición formal implica un conjunto de puntos M, una topología en M y un atlas. Un atlas es una colección de cartas, donde cada carta es un par (U, φ), siendo U un subconjunto abierto de M y φ un subconjunto abierto de M. homeomorfismo de U a un subconjunto abierto de [latex]mathbb{R}^n[/latex]. Para cualesquiera dos cartas superpuestas, (U, φ) y (V, ψ), la aplicación de transición [latex]psi circ phi^{-1}[/latex] de [latex]phi(U cap V)[/latex] a [latex]psi(U cap V)[/latex] debe ser un difeomorfismo (infinitamente diferenciable con una inversa diferenciable). Esta condición de compatibilidad garantiza que el cálculo realizado en un sistema de coordenadas sea consistente con el cálculo realizado en otro.

Esta estructura permite la definición de espacios tangentes, campos vectoriales y formas diferenciales en la variedad, independientemente de cualquier sistema de coordenadas. Proporciona un marco para el estudio intrínseco de la geometría, sin necesidad de integrar el espacio en un espacio ambiental de mayor dimensión.

UNESCO Nomenclature: 1204
- Geometría

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • geometría euclidiana
  • Geometrías no euclidianas (Lobachevsky, Bolyai)
  • Teoría de superficies de Carl Friedrich Gauss
  • Sistemas de coordenadas de René Descartes
  • Conceptos tempranos de topología

Aplicaciones

  • Relatividad general (el espacio-tiempo se modela como una variedad lorentziana 4d)
  • robótica (los espacios de configuración de los robots son variedades)
  • gráficos por computadora (que representan superficies complejas)
  • teoría de cuerdas
  • mecánica clásica (el espacio de fases es una variedad simpléctica)

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Desarrollar algoritmos más eficientes para navegar por paisajes de datos complejos y de alta dimensión en el aprendizaje automático.
  • Creación de nuevos materiales con propiedades topológicas programables para robótica blanda
  • designing control systems for swarms of autonomous drones that treat the swarm’s collective state as a point on a manifold
  • modeling the “shape” of financial markets to identify systemic risks
  • Creación de entornos de realidad virtual con geometrías no euclidianas para simulaciones de juegos y entrenamiento.
  • Optimizar los protocolos de enrutamiento de red al ver el espacio de estado de la red como una variedad
  • Desarrollo de nuevos métodos para el análisis del plegamiento de proteínas mediante el modelado de espacios conformacionales.
  • Diseño de sistemas criptográficos avanzados basados ​​en la geometría de variedades de alta dimensión
Relacionado con: variedad, topología, estructura diferenciable, atlas, carta, espacio euclidiano, cálculo, geometría.

Contexto histórico

Variedades diferenciables (geom)

1827
1829
1850
1854
1854
1895
1899
1822
1828
1848
1850
1854
1884
1896
1900

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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