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Varietà differenziabili (geom)

1854
  • Bernhard Riemann
Rotolo di pergamena che illustra dettagliatamente le varietà differenziabili in una sala studio storica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Una varietà differenziabile è una spazio topologico che è localmente simile allo spazio euclideo, consentendo l'applicazione del calcolo infinitesimale. Ogni punto ha un intorno omeomorfo a un sottoinsieme aperto di [latex]mathbb{R}^n[/latex]. Questi sistemi di coordinate locali, chiamati carte, sono correlati da funzioni di transizione lisce, formando un atlante che definisce la struttura differenziabile della varietà.

Una varietà differenziabile è l'oggetto centrale di studio della geometria differenziale. Il concetto formalizza l'idea di uno "spazio curvo" di qualsiasi dimensione. Mentre globalmente una varietà può essere complessa (come una sfera o un toro), localmente, attorno a qualsiasi punto, appare come una porzione piana dello spazio euclideo. Questa "piattezza" locale è fondamentale, poiché ci permette di utilizzare gli strumenti del calcolo multivariabile.

La definizione formale coinvolge un insieme di punti M, una topologia su M e un atlante. Un atlante è una collezione di carte, dove ogni carta è una coppia (U, φ), con U che è un sottoinsieme aperto di M e φ che è un omeomorfismo da U a un sottoinsieme aperto di [latex]mathbb{R}^n[/latex]. Per due carte sovrapposte qualsiasi, (U, φ) e (V, ψ), la mappa di transizione [latex]psi circ phi^{-1}[/latex] da [latex]phi(U cap V)[/latex] a [latex]psi(U cap V)[/latex] deve essere un diffeomorfismo (infinitamente differenziabile con un inverso differenziabile). Questa condizione di compatibilità garantisce che il calcolo eseguito in un sistema di coordinate sia coerente con il calcolo eseguito in un altro.

Questa struttura consente la definizione di spazi tangenti, campi vettoriali e forme differenziali sulla varietà, indipendentemente da qualsiasi sistema di coordinate specifico. Fornisce un quadro per studiare la geometria intrinsecamente, senza dover incorporare lo spazio in uno spazio ambiente di dimensione superiore.

UNESCO Nomenclature: 1204
- Geometria

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • geometria euclidea
  • Geometrie non euclidee (Lobachevsky, Bolyai)
  • Teoria delle superfici di Carl Friedrich Gauss
  • Sistemi di coordinate di René Descartes
  • Primi concetti di topologia

Applicazioni

  • relatività generale (lo spaziotempo è modellato come una varietà lorentziana 4d)
  • robotica (gli spazi di configurazione dei robot sono collettori)
  • computer grafica (rappresentazione di superfici complesse)
  • teoria delle stringhe
  • meccanica classica (lo spazio delle fasi è una varietà simplettica)

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • sviluppo di algoritmi più efficienti per la navigazione di paesaggi di dati complessi e ad alta dimensionalità nell'apprendimento automatico
  • creazione di nuovi materiali con proprietà topologiche programmabili per la robotica morbida
  • 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
  • creazione di ambienti di realtà virtuale con geometrie non euclidee per simulazioni di gioco e di formazione
  • ottimizzazione dei protocolli di routing di rete visualizzando lo spazio di stato della rete come un collettore
  • sviluppo di nuovi metodi per l'analisi del ripiegamento delle proteine ​​mediante la modellazione degli spazi conformazionali
  • progettazione di sistemi crittografici avanzati basati sulla geometria di varietà ad alta dimensione
Argomenti correlati: varietà, topologia, struttura differenziabile, atlante, grafico, spazio euclideo, calcolo infinitesimale, geometria.

Contesto storico

Varietà differenziabili (geom)

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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