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Geometría euclideana, geometría analítica, geometría afín, geometría proyectiva, geometría elíptica, geometría hiperbólica, geometría simplectica, geometría Riemanniana, geometría Lorentziana, geometría conforme, geometría diferencial, geometría lineal, geometría algebraica

¿Qué es, en esencia, una geometría? Felix Klein en su Programa de Erlangen nos lo aclara: es el estudio de los invariantes bajo un grupo de transformaciones, donde grupo se refiere a la estructura algebraica y no al mero conjunto.

Cuando en matemáticas estudiamos una estructura algebraica determinada, un objeto en la Teoria de categorías, supongamos el espacio afín para fijar ideas, a continuación siempre se estudian las aplicaciones entre éstas, los morfismo en la Teoría de categorías, que conservan la estructura en realidad, aplicaciones entre las estructuras que respetan ciertos invariantes característicos de estas estructuras (la idea es que obtendremos el mismo valor para el invariante si trabajamos en la estructura de salida y finalmente transformamos a la estructura  que si primero transformamos para trabajar en el destino), en particular aquellas cuyos conjuntos de salida y de llegada coinciden, los endomorfismos, que en el caso que nos ocupa, por ejemplo, serían las transformaciones afines o afinidades. De esta manera, la geometría afín es el estudio de los invariantes por las traslaciones.

Es mas, no es la geometría la que induce el grupo, sino el grupo el que genera la geometría: dame el grupo de transformaciones admisible y te construiré su geometría.

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Cuando trabajamos en \mathbb{K}^n, con \mathbb{K}=\mathbb{R} o \mathbb{K} = \mathbb{C}, podemos hacerlo en distintos sistemas de coordenadas. Por ejemplo, en \mathbb{R}^2 puedo trabajar en coordenadas cartesianas (x,y) o en coordenadas polares (r,\theta); 0 en \mathbb{R}^3 lo puedo hacer en cartesianas (x,y,z), en cilíndricas (r,\theta,z) o en esféricas (r,\theta,\varphi).

En el cálculo vectorial, en la geometría diferencial o en las ecuaciones en derivadas parciales, lo que hacemos es trabajar con el concepto de diferenciación y lo hacemos en el espacio tangente, que como tiene estructura de espacio vectorial, dispone del concepto de base:

(x,y) \longrightarrow \{ \partial_x, \partial_y \},

(r,\theta) \longrightarrow \{ \partial_r, \partial_\theta \},

(x,y,z) \longrightarrow \{ \partial_x, \partial_y, \partial_z \},

(r,\theta,z) \longrightarrow \{ \partial_r, \partial_\theta, \partial_z \},

(r,\theta,\varphi) \longrightarrow \{ \partial_r, \partial_\theta, \partial_\varphi \},

y es aquí donde tienen sentido las bases holonómicas, todas las anteriores, los cambios de base que comentamos en este post. Las compactificaciones de aquí, por contra, solo tienen sentido al especificar el sistema de coordenadas.

Para nuestras ecuaciones en derivadas parciales, el primer paso será fijar que coordenadas utilizamos en la variedad (compactificaciones) y, hecho esto, determinar que base (holonómica, ortonormal, etc.) queremos utilizar en su fibrado tangente. Por ejemplo, podríamos tener:

(r, \theta, \varphi) \longrightarrow (\partial_r, \frac{1}{r} \partial_\theta, \frac{1}{r \sin \theta} \partial_\varphi),

porque nos resulta comodo tener una bases ortonormal en el espacio tangente.

octubre 2019
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