Integralkurve

Eine Integralkurve bezeichnet in der Mathematik eine auf einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit definierten Kurve, die in enger Beziehung zu einem gegebenen glatten Vektorfeld auf dieser Mannigfaltigkeit steht. So stellen beispielsweise elektrische Feldlinien Integralkurven des zugehörigen elektrischen Vektorfeldes dar. Anschaulich bewegt sich ein kleiner Styroporball im Idealfall auf Integralkurven des Vektorfeldes, das etwa von der Strömung eines Flusses vorgegeben wird.

Definition

Integralkurven eines Vektorfeldes auf der zweidimensionalen Einheitssphäre

Sei X ein glattes Vektorfeld auf einer Mannigfaltigkeit M der Dimension n und $p \in M$ ein beliebiger Punkt. Dann heißt eine glatte Kurve $\gamma: I \to M$ auf einem offenen Intervall $I\subset \mathbb R$ mit $t_0 \in I$ Integralkurve von X durch p, wenn

γ(t₀) = p;

$\gamma'(t) = X(\gamma(t)) \quad \forall t\in I.$

Oder mit anderen Worten: Der Tangentialvektor von γ ist an jeder Stelle identisch mit dem durch X gegebenen Vektor an dieser Stelle.

Existenz

In lokalen Koordinaten reduziert sich das Problem auf ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen:

(γⁱ)'(t) = Xⁱ(γ¹(t),...,γⁿ(t))

wobei i = 1,...,n und die Xⁱ glatte Funktionen auf M sind. Zusammen mit der Randbedingung γ(t₀) = p handelt es sich also um ein klassisches Anfangswertproblem und der Satz von Picard-Lindelöf garantiert somit eine eindeutige Lösung in einer Umgebung von t₀. Da man Lösungen von Differentialgleichungen auch oft 'Integrale' nennt, liegt hier der Begriff 'Integralkurve' nahe.

Weiteres

Unter der Annahme, dass die Integralkurve γ_p(t) mit γ_p(0) = p für alle $(p,t)\in M\times\mathbb R$ definiert ist, kann man den Fluss von X definieren durch

$h:M\times \mathbb R \to M,\; h(x,t) \mapsto \gamma_x(t).$

Es gilt dann h(h(x,t),s) = h(x,t + s).

Literatur

• John M. Lee: Introduction to Smooth Manifolds. Springer Verlag, 2002, ISBN 0387954481.