Topologie différentielle

2.2 Foncteur tangent

Soit une variété et un point de . On note l’ensemble des courbes lisses passant par à  :

Toute application lisse entre deux variété et induit, pour chaque de , l’application de vers qui envoie sur .

On dit que deux éléments et de ont même vitesse en s’il existe une carte dont le domaine contient et pour laquelle . Le théorème de dérivation des fonctions composées montre que cette propriété est indépendant du choix de la carte . Le même théorème montre que cette relation est préservée par pour toute application .

Définition 5
L’espace tangent d’une variété est un point est le quotient par la relation d’équivalence « avoir la même vitesse à » de l’ensemble des courbes lisses passant par à . Le fibré tangent de est la réunion disjointe des pour tous les points de .

Définition 6
L’application tangente à en un point est l’application de vers induite par . L’application correspondante de dans est notée , ou parfois ou . Lorsque , on la note aussi .

L’inusable théorème de dérivation des fonctions composées est alors promu en :

On dit que est un foncteur, il transforme à la fois les objets que sont les variétés et les morphismes que sont les applications lisses entre variétés, d’une façon compatible avec la composition des morphismes.

Exemple 7
Soit un espace affine de directon . L’application de dans qui envoie sur induit un isomorphisme de sur . Cet isomorphisme est fonctoriel : pour toute application différentiable de dans , l’isomorphisme identifie à .

Théorème 8
Soit une variété de dimension . Il existe une unique structure de variété sur pour laquelle la projection évidente est un fibré vectoriel de rang et pour laquelle tous les sont des applications lisses et les sont linéaires, de rang .

Démonstration

L’unicité est claire car .

L’existence est basée sur la méthode de recollement de la proposition 4. Partant d’un atlas et de ses changements de cartes , on considère les données de recollement de fibrés envoyant sur . La relation de cocycle pour les découle immédiatement de celle vérifiée par les et de la formule de dérivée des fonctions composées. L’exemple 7 montre que le fibré vectoriel ainsi obtenu est en bijection avec et vérifie les propriétés annoncées.

Un champs de vecteurs sur une variété est une section de . Le théorème de Cauchy-Lipschitz à paramètres, appliqué dans des cartes, montre que, pour tout champ de vecteur , il existe une fonction et une application définie sur et vérifiant

On dit que est le flot de .