Introduction à la géométrie différentielle
Pierre Aimé
ellipses
1 Tenseurs17
1.1 Algèbre tensorielle17
Tenseurs sur un espace vectoriel17
Opérations sur les tenseurs19
Tenseurs euclidiens ou pseudo-euclidiens24
Produit tensoriel d'une famille finie d'espaces vectoriels27
1.2 Algèbre extérieure30
Applications multilinéaires antisymétriques31
Tenseurs antisymétriques32
Algèbre extérieure d'un espace vectoriel34
Dualité en algèbre extérieure41
Espaces vectoriels symplectiques et de poisson43
Problème50
1.3 Repères52
2 Calcul différentiel dans un espace affine53
2.1 Vers de nouvelles structures53
Introduction53
Atlas canonique d'un ouvert de l'espace54
Différentiabilité61
Le fibré tangent66
Le fibré cotangent71
Introduction aux structures riemanniennes74
Fibrés tensoriels généraux81
Fibré tensoriel des puissances extérieures81
2.2 Calcul différentiel d'ordre un sur un espace affine85
Différentielle extérieure d'une forme différentielle85
Flot local d'un champ de vecteurs, dérivées de Lie91
2.3 Calcul différentiel d'ordre deux sur un espace affine103
Le deuxième fibré tangent103
Quelques structures symplectiques115
2.4 Travaux dirigés125
Parties fermées de Rn125
Coordonnées "elliptiques" dans l'espace125
Isométries riemanniennes d'un espace affine euclidien126
Projection stéréographique127
2.5 Repères127
3 Courbes129
3.1 Courbes lisses129
Des arcs aux courbes129
Caractérisation des courbes lisses131
Un atlas sur une courbe lisse135
Le fibré tangent d'une courbe lisse138
Classification des courbes lisses141
3.2 Intégration d'une forme de degré un143
Cas d'une forme définie sur un ouvert de l'espace143
Cas d'une forme sur une courbe lisse, 1-forme canonique146
3.3 Relèvements pour le revêtement de U, applications148
Introduction148
Quelques outils149
Cas des fonctions continues sur le cercle unité152
Structure des groupes G(K)157
Propriétés des lacets simples du plan160
3.4 Travaux dirigés165
Déformation d'un fil165
Théorème des 4 sommets165
4 Surfaces167
4.1 Nappes paramétrées167
Vocabulaire de base167
Nappes géométriques170
Nappes réglées171
Nappes de révolution174
4.2 Surfaces lisses176
Des nappes aux surfaces176
Caractérisation des surfaces lisses177
Un atlas sur une surface lisse179
4.3 Applications différentiables181
4.4 Le fibré tangent d'une surface lisse182
Le plan tangent en un point182
Le fibré tangent184
Application linéaire tangente184
Champs de vecteurs185
Intersection de deux surfaces lisses185
4.5 Surfaces riemanniennes186
Métrique186
Déformations, isométries riemanniennes187
Distance intrinsèque189
4.6 Travaux dirigés191
Courbe dense sur un Tore191
Un exemple de conoïde de Plücker191
5 Formes volumes, intégration193
5.1 Formes volumes, orientation193
Cas d'un espace vectoriel de dimension n193
Cas d'un espace vectoriel euclidien orienté194
Cas d'une sous variété de l'espace197
Cas d'une sous variété riemannienne de l'espace199
5.2 Intégration sur une sous variété orientée de l'espace206
Cas d'un ouvert de Rn207
Cas d'une sous variété orientée de E207
Intégration des fonctions209
Cas de la forme volume riemannienne210
5.3 Intégration sur un domaine212
Domaine d'une sous variété213
Théorème de Stokes214
5.4 Travaux dirigés: la surface de Möbius218
5.5 Annexe: Partitions de l'unité219
6 Calcul différentiel d'ordre deux sur une surface223
6.1 Introduction223
6.2 Exercice préliminaire223
6.3 Connexions sur une surface lisse225
Dérivations covariantes, connexions linéaires225
La connexion canonique d'une surface lisse226
Connexion de Levi-Civita d'une surface riemannienne227
Exemples229
La seconde forme fondamentale d'une surface230
Exemples232
6.4 Point de vue des champs de vecteurs le long d'un arc233
Dérivation covariante le long d'un arc233
Transport d'un champ par parallélisme236
Géodésiques238
6.5 1-Forme de connexion canonique240
Surfaces parallélisables240
La 1-Forme de connexion canonique242
Exemples245
6.6 Courbures246
Le point de vue d'Euler246
Le tenseur de courbure de Riemann248
Courbure de Gauss253
Extension aux surfaces riemanniennes: courbure scalaire259
6.7 Travaux dirigés263
Nappes réglées développables263
Une expression locale de la courbure de Gauss264
Théorème de Jacobi264
6.8 Repères264
7 Mécanique classique et relativiste du point267
7.1 Les configurations d'un point en mécanique classique268
Le point libre268
Liaisons géométriques268
7.2 Cinématique classique du point269
Le temps269
Mouvements d'un point libre271
Mouvement d'un point soumis à liaison géométrique271
7.3 Dynamique classique du point272
Les structures géométriques de la dynamique du point272
Cinétique275
Le théorème fondamental de la dynamique du point libre282
Le théorème fondamental de la dynamique du point lié284
7.4 Systèmes discrets287
7.5 Cinématique relativiste du point290
Point matériel relativiste290
Trois paramétrisations remarquables291
Changement d'observateurs293