Derivada covariante de armónicos esféricos

Dada es la métrica γ j k para la superficie de una esfera S 2 con γ 22 = 1 , γ 23 = γ 32 = 0 y γ 33 = pecado 2 ( θ ) . las coordenadas son X = ( t , r , θ , ϕ ) y j y k atropellar X 2 = θ y X 3 = ϕ .
Por lo tanto, obtengo los Christoffels. Γ 33 2 = pecado ( θ ) porque ( θ ) y Γ 23 3 = Γ 32 3 = porque ( θ ) pecado ( θ ) . Todas las demás entradas de los Christoffels son cero.
Ahora quiero calcular las siguientes segundas derivadas covariantes con respecto a esta métrica:

2 2 Y metro yo = 2 ( θ Y metro yo + Γ 23 3 Y metro 3 Γ 23 3 Y 3 yo ) 3 3 Y metro yo = . . . 3 2 Y metro yo = . . . ,
donde el Y metro yo denota las funciones armónicas esféricas. En la primera línea, solo usé la definición de la derivada covariante y cancelé todos los Christoffels, que son cero.
Las soluciones deben ser:
2 2 Y metro yo = 2 θ 2 Y metro yo 3 3 Y metro yo = ( 1 pecado 2 ( θ ) 2 ϕ 2 + porque ( θ ) pecado ( θ ) θ ) Y metro yo 3 2 Y metro yo = ( θ ϕ porque ( θ ) pecado ( θ ) ϕ ) Y metro yo .
¿Alguien sabe, cómo se obtienen estas expresiones?

Respuestas (1)

Desde F = F ( θ , ϕ ) = Y metro yo ( θ , ϕ ) es una función escalar, a F es un vector covariante, por lo que su derivada covariante es la derivada covariante de un vector covariante, por lo que tenemos

3 3 F = gramo 33 3 3 F = gramo 33 ( 3 3 F Γ 33 a a F ) = gramo 33 ( 3 3 F Γ 33 2 2 F ) = gramo 33 ( 3 3 F Γ 33 2 2 F ) = 1 pecado 2 θ [ 3 3 F ( pecado θ porque θ ) 2 F ] = [ 1 pecado 2 θ 2 ϕ 2 + porque θ pecado θ θ ] F
y
3 2 F = 3 2 F Γ 32 a a F = 3 2 F Γ 32 3 3 F = [ ϕ θ porque θ pecado θ ϕ ] F
y
2 2 F = 2 2 F Γ 22 a a F = 2 θ 2 F .