Риманово многообразие - Riemannian manifold

Эта статья о концепции из дифференциальной геометрии. По поводу алгебраической концепции см. Пространство Зарисского – Римана.

Не путать с Риманова поверхность.

В дифференциальная геометрия, а Риманово многообразие или же Риманово пространство (M, грамм) это настоящий, гладкое многообразие M оснащен положительно-определенным внутренний продукт грамм_п на касательное пространство Т_пM в каждой точке п. Обычное соглашение - взять грамм быть гладким, что означает, что для любого гладкого карта координат (U, х) на M, то п² функции

${\displaystyle g\left({\frac {\partial }{\partial x^{i}}},{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right):U\to \mathbb {R} }$

находятся гладкие функции. Таким же образом можно было бы рассмотреть Липшиц Римановы метрики или измеримый Римановы метрики и многие другие возможности.

Семья грамм_п внутренних продуктов называется Риманова метрика (или риманов метрический тензор). Эти термины названы в честь немецкого математика. Бернхард Риманн. Изучение римановых многообразий составляет предмет, называемый Риманова геометрия.

Риманова метрика (тензор) позволяет определить несколько геометрических понятий на римановом многообразии, например угол на перекрестке, длина изгиб, площадь поверхности и многомерные аналоги (объем, так далее.), внешняя кривизна подмногообразий и собственная кривизна самого коллектора.

Вступление

В 1828 г. Карл Фридрих Гаусс доказал его Теорема Egregium (замечательная теорема на латыни), устанавливая важное свойство поверхностей. Неформально в теореме говорится, что кривизна поверхности могут быть полностью определены путем измерения расстояний вдоль дорожек на поверхности. То есть кривизна не зависит от того, как поверхность может быть встроена в трехмерное пространство. Видеть Дифференциальная геометрия поверхностей. Бернхард Риманн распространил теорию Гаусса на многомерные пространства, называемые многообразиями, таким образом, который также позволяет измерять расстояния и углы, а также определять понятие кривизны, опять же таким образом, который присущ многообразию и не зависит от его вложения в высшие - размерные пространства. Альберт Эйнштейн использовал теорию псевдоримановы многообразия (обобщение римановых многообразий), чтобы развить его общая теория относительности. В частности, его уравнения гравитации таковы: ограничения о кривизне пространства-времени.

Определение

В касательный пучок из гладкое многообразие ${\displaystyle M}$ присваивает каждой точке ${\displaystyle p}$ из ${\displaystyle M}$ векторное пространство ${\displaystyle T_{p}M}$ называется касательное пространство из ${\displaystyle M}$ в ${\displaystyle p.}$ Риманова метрика (по определению) сопоставляет каждому ${\displaystyle p}$ положительно определенный внутренний продукт ${\displaystyle g_{p}:T_{p}M\times T_{p}M\to \mathbb {R} ,}$ вместе с этим идет норма ${\displaystyle |\cdot |_{p}:T_{p}M\to \mathbb {R} }$ определяется ${\displaystyle |v|_{p}={\sqrt {g_{p}(v,v)}}.}$ В гладкое многообразие ${\displaystyle M}$ наделен этой метрикой ${\displaystyle g}$ это Риманово многообразие, обозначенный ${\displaystyle (M,g)}$.

При наличии системы плавного местные координаты на ${\displaystyle M,}$ данный ${\displaystyle n}$ действительные функции ${\displaystyle (x^{1},\ldots ,x^{n}):U\to \mathbb {R} ^{n},}$ векторы

${\displaystyle \left\{{\frac {\partial }{\partial x^{1}}}{\Big |}_{p},\dotsc ,{\frac {\partial }{\partial x^{n}}}{\Big |}_{p}\right\}}$

составляют основу векторного пространства ${\displaystyle T_{p}M,}$ для любого ${\displaystyle p\in U.}$ Относительно этого базиса можно определить «компоненты» метрического тензора в каждой точке ${\displaystyle p}$ к

${\displaystyle g_{ij}|_{p}:=g_{p}\left(\left.{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}\right|_{p},\left.{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right|_{p}\right).}$

Их можно было бы рассматривать как ${\displaystyle n^{2}}$ отдельные функции ${\displaystyle g_{ij}:U\to \mathbb {R} }$ или как сингл ${\displaystyle n\times n}$ матричнозначная функция на ${\displaystyle U;}$ заметим, что «риманово» предположение говорит о том, что оно оценивается в подмножестве, состоящем из симметричных положительно определенных матриц.

С точки зрения тензорная алгебра, то метрический тензор можно записать в терминах двойная основа {dИкс¹, ..., dИкс^п} котангенсного расслоения как

${\displaystyle g=\sum _{i,j}g_{ij}\,\mathrm {d} x^{i}\otimes \mathrm {d} x^{j}.}$

Изометрии

Если ${\displaystyle (M,g)}$ и ${\displaystyle (N,h)}$ являются двумя римановыми многообразиями, причем ${\displaystyle f:M\to N}$ диффеоморфизм, то ${\displaystyle f}$ называется изометрия если ${\displaystyle g=f^{\ast }h,}$ т.е. если

${\displaystyle g_{p}(u,v)=h_{f(p)}(df_{p}(u),df_{p}(v))}$

для всех ${\displaystyle p\in M}$ и ${\displaystyle u,v\in T_{p}M.}$

Один говорит, что карта ${\displaystyle f:M\to N,}$ не считается диффеоморфизмом, является локальная изометрия если каждый ${\displaystyle p\in M}$ имеет открытый район ${\displaystyle U\ni p}$ такой, что ${\displaystyle f:U\to f(U)}$ является диффеоморфизмом и изометрией.

Регулярность римановой метрики

Говорят, что риманова метрика ${\displaystyle g}$ является непрерывный если ${\displaystyle g_{ij}:U\to \mathbb {R} }$ непрерывны при задании любой гладкой координатной карты ${\displaystyle (U,x).}$ Один говорит, что ${\displaystyle g}$ является гладкий если эти функции гладкие при заданной любой гладкой координатной карте. В этом же духе можно было бы рассмотреть многие другие типы римановых метрик.

В большинстве наглядных представлений о римановой геометрии метрика всегда считается гладкой. Однако могут быть важные причины для выбора менее плавных показателей. Римановы метрики, полученные методами геометрический анализ, в частности, может быть менее гладким. См., Например, (Громов, 1999) и (Ши, Там, 2002).

Обзор

Примеры римановых многообразий будут рассмотрены ниже. Знаменитый теорема из Джон Нэш утверждает, что для любого гладкого риманова многообразия ${\displaystyle (M,g),}$ есть (обычно большое) число ${\displaystyle N}$ и вложение ${\displaystyle F:M\to \mathbb {R} ^{N}}$ так что откат на ${\displaystyle F}$ стандартной римановой метрики на ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ является ${\displaystyle g.}$ Неформально вся структура гладкого риманова многообразия может быть закодирована диффеоморфизмом на некоторое вложенное подмногообразие некоторого евклидова пространства. В этом смысле можно утверждать, что рассмотрение абстрактных гладких многообразий и их римановых метрик ничего нельзя сделать. Однако существует множество естественных гладких римановых многообразий, таких как набор поворотов трехмерного пространства и гиперболическое пространство, из которых любое представление как подмногообразие евклидова пространства не сможет представить их замечательные симметрии и свойства так ясно, как это делают их абстрактные представления.

Примеры

Евклидово пространство

Позволять ${\displaystyle x^{1},\ldots ,x^{n}}$ обозначим стандартные координаты на ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}.}$ Затем определите ${\displaystyle g_{p}^{\mathrm {can} }:T_{p}\mathbb {R} ^{n}\times T_{p}\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }$ к

${\displaystyle \left(\sum _{i}a_{i}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}},\sum _{j}b_{j}{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right)\longmapsto \sum _{i}a_{i}b_{i}.}$

Другими словами: относительно стандартных координат местное представление ${\displaystyle g_{ij}:U\to \mathbb {R} }$ дается постоянным значением ${\displaystyle \delta _{ij}.}$

Очевидно, что это риманова метрика, и она называется стандартной римановой структурой на ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}.}$ Его также называют Евклидово пространство измерения п и грамм_ij^может также называется (каноническим) Евклидова метрика.

Вложенные подмногообразия

Позволять ${\displaystyle (M,g)}$ - риманово многообразие и пусть ${\displaystyle N\subset M}$ быть вложенное подмногообразие из ${\displaystyle M,}$ что по крайней мере ${\displaystyle C^{1}.}$ Тогда ограничение из грамм касательным векторам вдоль N определяет риманову метрику над N.

• Например, рассмотрим ${\displaystyle S^{n-1}=\{x\in \mathbb {R} ^{n}:(x^{1})^{2}+\cdots +(x^{n})^{2}=1.\},}$ которое является гладким вложенным подмногообразием евклидова пространства со стандартной метрикой. Риманова метрика, которую это индуцирует на ${\displaystyle S^{n-1}}$ называется стандартная метрика или же каноническая метрика на ${\displaystyle S^{n-1}.}$
• Подобных примеров много. Например, каждый эллипсоид в ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}$ имеет естественную риманову метрику. График гладкой функции ${\displaystyle f:\mathbb {R} ^{3}\to \mathbb {R} }$ является вложенным подмногообразием, а значит, имеет естественную риманову метрику.

Погружения

Позволять ${\displaystyle (M,g)}$ - риманово многообразие и пусть ${\displaystyle f:\Sigma \to M}$ - дифференцируемое отображение. Тогда можно рассмотреть откат из ${\displaystyle g}$ через ${\displaystyle f}$, который является симметричным 2-тензором на ${\displaystyle \Sigma }$ определяется

${\displaystyle (f^{\ast }g)_{p}(v,w)=g_{f(p)}{\big (}df_{p}(v),df_{p}(w){\big )},}$

куда ${\displaystyle df_{p}(v)}$ это продвигать из ${\displaystyle v}$ к ${\displaystyle f.}$

В этом случае обычно ${\displaystyle f^{\ast }g}$ не будет римановой метрикой на ${\displaystyle \Sigma ,}$ поскольку он не является положительно определенным. Например, если ${\displaystyle f}$ постоянно, то ${\displaystyle f^{\ast }g}$ равно нулю. Фактически, ${\displaystyle f^{\ast }g}$ является римановой метрикой тогда и только тогда, когда ${\displaystyle f}$ является погружение, что означает, что линейное отображение ${\displaystyle df_{p}:T_{p}\Sigma \to T_{f(p)}M}$ инъективен для каждого ${\displaystyle p\in \Sigma .}$

• Важный пример возникает, когда ${\displaystyle (M,g)}$ не является односвязным, поэтому существует покрывающая карта ${\displaystyle {\widetilde {M}}\to M.}$ Это погружение, поэтому универсальное покрытие любого риманова многообразия автоматически наследует риманову метрику. В более общем смысле, но по тому же принципу, любое накрывающее пространство риманова многообразия наследует риманову метрику.
• Кроме того, погруженное подмногообразие риманова многообразия наследует риманову метрику.

Показатели продукта

Позволять ${\displaystyle (M,g)}$ и ${\displaystyle (N,h)}$ - два римановых многообразия и рассмотрим декартово произведение ${\displaystyle M\times N}$ с обычной гладкой структурой изделия. Римановы метрики ${\displaystyle g}$ и ${\displaystyle h}$ естественно положить риманову метрику ${\displaystyle {\widetilde {g}}}$ на ${\displaystyle M\times N,}$ который можно описать несколькими способами.

• Учитывая разложение ${\displaystyle T_{(p,q)}(M\times N)\cong T_{p}M\oplus T_{q}N,}$ можно определить

${\displaystyle {\widetilde {g}}_{p,q}(u\oplus x,v\oplus y)=g_{p}(u,v)+h_{q}(x,y).}$

• Позволять ${\displaystyle (U,x)}$ быть гладкой координатной картой на ${\displaystyle M}$ и разреши ${\displaystyle (V,y)}$ быть гладкой координатной картой на ${\displaystyle N.}$ потом ${\displaystyle (U\times V,(x,y))}$ это гладкая координатная диаграмма на ${\displaystyle M\times N.}$ Для удобства пусть ${\displaystyle \operatorname {Sym} _{n\times n}^{+}}$ обозначают набор положительно определенных симметричных ${\displaystyle n\times n}$ реальные матрицы. Обозначим координатное представление ${\displaystyle g}$ относительно ${\displaystyle (U,x)}$ к ${\displaystyle g_{U}:U\to \operatorname {Sym} _{m\times m}^{+}}$ и обозначим координатное представление ${\displaystyle h}$ относительно ${\displaystyle (V,y)}$ к ${\displaystyle h_{V}:V\to \operatorname {Sym} _{n\times n}^{+}.}$ Тогда локальное координатное представление ${\displaystyle {\widetilde {g}}}$ относительно ${\displaystyle (U\times V,(x,y))}$ является ${\displaystyle {\widetilde {g}}_{U\times V}:U\times V\to \operatorname {Sym} _{(m+n)\times (m+n)}^{+}}$ данный

${\displaystyle (p,q)\mapsto {\begin{pmatrix}g_{U}(p)&0\\0&h_{V}(q)\end{pmatrix}}.}$

Стандартный пример - рассмотреть n-тор ${\displaystyle T^{n},}$ определить как n-кратное произведение ${\displaystyle S^{1}\times \cdots \times S^{1}.}$ Если дать каждую копию ${\displaystyle S^{1}}$ его стандартная риманова метрика, учитывая ${\displaystyle S^{1}\subset \mathbb {R} ^{2}}$ как вложенное подмногообразие (как и выше), то можно рассматривать риманову метрику произведения на ${\displaystyle T^{n}.}$ Это называется плоский тор.

Выпуклые комбинации показателей

Позволять ${\displaystyle g_{0}}$ и ${\displaystyle g_{1}}$ - две римановы метрики на ${\displaystyle M.}$ Тогда для любого числа ${\displaystyle \lambda \in [0,1],}$

${\displaystyle {\tilde {g}}:=\lambda g_{0}+(1-\lambda )g_{1}}$

также является римановой метрикой на ${\displaystyle M.}$ В более общем смысле, если ${\displaystyle a}$ и ${\displaystyle b}$ - любые два положительных числа, то ${\displaystyle ag_{0}+bg_{1}}$ - еще одна риманова метрика.

Каждое гладкое многообразие имеет риманову метрику

Это фундаментальный результат. Хотя большая часть базовой теории римановых метрик может быть развита только с использованием того факта, что гладкое многообразие является локально евклидовым, для этого результата необходимо включить в определение «гладкого многообразия», что оно хаусдорфово и паракомпактно. Причина в том, что в доказательстве используется разделение единства.

Доказательство —

Позволять M - дифференцируемое многообразие и {(U_α, φ_α) | α ∈ я} а локально конечный атлас открытых подмножеств U_α из M и диффеоморфизмы на открытые подмножества р^п

${\displaystyle \varphi _{\alpha }\colon U_{\alpha }\to \varphi _{\alpha }(U_{\alpha })\subseteq \mathbf {R} ^{n}.}$

Позволять {τ_α}_α∈я быть дифференцируемым разделение единства подчиняться данный атлас.

Затем определите метрику грамм на M к

${\displaystyle g:=\sum _{\beta \in I}\tau _{\beta }\cdot {\tilde {g}}_{\beta },\qquad {\text{with}}\qquad {\tilde {g}}_{\beta }:=\varphi _{\beta }^{*}g^{\mathrm {can} }\,\,{\text{on}}\,\,U_{\alpha },}$

куда грамм^может - евклидова метрика на р^п и ${\displaystyle \varphi _{\beta }^{*}g^{\mathrm {can} }}$ это его откат вперед φ_β.

Легко увидеть, что это показатель M.

Структура метрического пространства непрерывных связных римановых многообразий

Длина кусочно-непрерывно дифференцируемых кривых

Если ${\displaystyle \gamma :[a,b]\to M}$ дифференцируема, то каждому ${\displaystyle t\in (a,b)}$ вектор ${\displaystyle \gamma '(t)}$ в векторном пространстве ${\displaystyle T_{\gamma (t)}M,}$ размер которых можно измерить по норме ${\displaystyle |\cdot |_{\gamma (t)}.}$ Так ${\displaystyle t\mapsto |\gamma '(t)|_{\gamma (t)}}$ определяет неотрицательную функцию на интервале ${\displaystyle (a,b).}$ Длина определяется как интеграл этой функции; однако, как представлено здесь, нет причин ожидать, что эта функция будет интегрируемой. Типично предположить грамм быть непрерывным и ${\displaystyle \gamma }$ быть непрерывно дифференцируемой, так что интегрируемая функция неотрицательна и непрерывна, и, следовательно, длина ${\displaystyle \gamma ,}$

${\displaystyle L(\gamma )=\int _{a}^{b}|\gamma '(t)|_{\gamma (t)}\,dt,}$

четко определено. Это определение легко расширить, чтобы определить длину любой кусочно-непрерывно дифференцируемой кривой.

Во многих случаях, например, при определении Тензор кривизны Римана, необходимо потребовать, чтобы грамм имеет больше регулярности, чем простую непрерывность; это будет обсуждаться в другом месте. А пока преемственность грамм будет достаточно использовать указанную выше длину, чтобы наделить M со структурой метрическое пространство, при условии, что он подключен.

Структура метрического пространства

Точно определить ${\displaystyle d_{g}:M\times M\to [0,\infty )}$ к

${\displaystyle d_{g}(p,q)=\inf\{L(\gamma ):\gamma {\text{ a piecewise continuously differentiable curve from }}p{\text{ to }}q\}.}$

Чаще всего проверить корректность функции ${\displaystyle d_{g},}$ его свойство симметрии ${\displaystyle d_{g}(p,q)=d_{g}(q,p),}$ его свойство рефлексивности ${\displaystyle d_{g}(p,p)=0,}$ и неравенство треугольника ${\displaystyle d_{g}(p,q)+d_{g}(q,r)\geq d_{g}(p,r),}$ хотя есть некоторые незначительные технические сложности (например, проверка того, что любые две точки могут быть соединены кусочно-дифференцируемым путем). Более важно понять, что ${\displaystyle p\neq q}$ обеспечивает ${\displaystyle d_{g}(p,q)>0,}$ и, следовательно, что ${\displaystyle d_{g}}$ удовлетворяет всем аксиомам метрики.

(Набросок) Доказательство того, что ${\displaystyle p\neq q}$ подразумевает ${\displaystyle d_{g}(p,q)>0.}$

Вкратце: вокруг должна быть какая-то предкомпактная открытая установка. п что каждая кривая из п к q должен сбежать. Выбирая этот открытый набор для включения в координатную диаграмму, можно свести утверждение к хорошо известному факту, что в евклидовой геометрии кратчайшая кривая между двумя точками - это линия. В частности, как видно из евклидовой геометрии координатной карты вокруг п, любая кривая из п к q сначала должен пройти через определенный «внутренний радиус». Предполагаемая непрерывность римановой метрики грамм только позволяет этой «геометрии координатной диаграммы» искажать «истинную геометрию» некоторым ограниченным фактором. Если быть точным, пусть ${\displaystyle (U,x)}$ быть гладкой координатной картой с ${\displaystyle x(p)=0}$ и ${\displaystyle q\notin U.}$ Позволять ${\displaystyle V\ni x}$ быть открытым подмножеством ${\displaystyle U}$ с ${\displaystyle {\overline {V}}\subset U.}$ По преемственности ${\displaystyle g}$ и компактность ${\displaystyle {\overline {V}},}$ есть положительное число ${\displaystyle \lambda }$ такой, что ${\displaystyle g(X,X)\geq \lambda \|X\|^{2}}$ для любого ${\displaystyle r\in V}$ и любой ${\displaystyle X\in T_{r}M,}$ куда ${\displaystyle \|\cdot \|}$ обозначает евклидову норму, индуцированную локальными координатами. Позволять р обозначать ${\displaystyle \sup\{r>0:B_{r}(0)\subset x(V)\},}$ для использования на последнем этапе доказательства. Теперь для любого кусочно непрерывно дифференцируемого пути ${\displaystyle \gamma :[a,b]\to M}$ из п к q, должны быть минимальные ${\displaystyle \delta >0}$ такой, что ${\displaystyle \gamma (a+\delta )\notin V;}$ четко ${\displaystyle \gamma (a+\delta )\in \partial V.}$ Длина ${\displaystyle \gamma }$ по крайней мере, столько же, сколько ограничение ${\displaystyle \gamma }$ к ${\displaystyle [a,a+\delta ].}$ Так ${\displaystyle L(\gamma )\geq {\sqrt {\lambda }}\int _{a}^{a+\delta }\|\gamma '(t)\|\,dt.}$ Появившийся здесь интеграл представляет евклидову длину кривой от 0 до ${\displaystyle x(\partial V)\subset \mathbb {R} ^{n}}$, поэтому он больше или равен р. Итак, мы делаем вывод ${\displaystyle L(\gamma )\geq {\sqrt {\lambda }}R.}$

Наблюдение, лежащее в основе приведенного выше доказательства, относительно сравнения длин, измеренных грамм и евклидовы длины, измеренные в гладкой координатной карте, также подтверждают, что топология метрического пространства ${\displaystyle (M,d_{g})}$ совпадает с исходной структурой топологического пространства ${\displaystyle M.}$

Хотя длина кривой задается явной формулой, обычно невозможно записать функцию расстояния ${\displaystyle d_{g}}$ любыми явными способами. Фактически, если ${\displaystyle M}$ тогда компактно, даже когда грамм гладко, всегда существуют точки, где ${\displaystyle d_{g}:M\times M\to \mathbb {R} }$ является недифференцируемым, и может быть чрезвычайно сложно даже определить местоположение или характер этих точек, даже в кажущихся простых случаях, например, когда ${\displaystyle (M,g)}$ является эллипсоидом.

Геодезические

Как и в предыдущем разделе, пусть ${\displaystyle (M,g)}$ - связное и непрерывное риманово многообразие; рассмотрим ассоциированное метрическое пространство ${\displaystyle (M,d_{g}).}$ Относительно этой структуры метрического пространства говорят, что путь ${\displaystyle c:[a,b]\to M}$ единица скорости геодезический если для каждого ${\displaystyle t_{0}\in [a,b]}$ существует интервал ${\displaystyle J\subset [a,b]}$ который содержит ${\displaystyle t_{0}}$ и такой, что

${\displaystyle d_{g}(c(s),c(t))=|s-t|\qquad \forall s,t\in J.}$

Неформально можно сказать, что просят ${\displaystyle c}$ локально «растягиваться» настолько, насколько это возможно, с учетом (неофициально рассматриваемого) ограничения на единицу скорости. Идея в том, что если ${\displaystyle c:[a,b]\to M}$ является (кусочно) непрерывно дифференцируемым и ${\displaystyle |c'(t)|_{c(t)}=1}$ для всех ${\displaystyle t,}$ тогда автоматически получается ${\displaystyle d_{g}(c(s),c(t))\leq |s-t|}$ применяя неравенство треугольника к аппроксимации суммы Римана интеграла, определяющего длину ${\displaystyle c.}$ Таким образом, геодезическое условие единичной скорости, как указано выше, требует ${\displaystyle c(s)}$ и ${\displaystyle c(t)}$ быть как можно дальше друг от друга. Тот факт, что мы ищем только кривые, чтобы локально растянуть себя отражается в первых двух примерах, приведенных ниже; глобальная форма ${\displaystyle (M,g)}$ может заставить даже самые безобидные геодезические прогнуться и пересечься.

• Рассмотрим случай, когда ${\displaystyle (M,g)}$ круг ${\displaystyle S^{1}}$ со стандартной римановой метрикой, и ${\displaystyle c:\mathbb {R} \to S^{1}}$ дан кем-то ${\displaystyle t\mapsto (\cos t,\sin t).}$ Напомним, что ${\displaystyle d_{g}}$ измеряется длинами кривых вдоль ${\displaystyle S^{1}}$, а не прямолинейными путями на плоскости. Этот пример также демонстрирует необходимость выбора подынтервала. ${\displaystyle J,}$ так как кривая ${\displaystyle c}$ повторяется особенно естественным образом.
• Аналогично, если ${\displaystyle (M,g)}$ это круглая сфера ${\displaystyle S^{2}}$ со стандартной римановой метрикой, то путь с единичной скоростью по экваториальной окружности будет геодезической. Путь с единичной скоростью по другим кругам широты не будет геодезическим.
• Рассмотрим случай, когда ${\displaystyle (M,g)}$ является ${\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}$ со стандартной римановой метрикой. Затем строка с единичной скоростью, такая как ${\displaystyle t\mapsto (2^{-1/2}t,2^{-1/2}t)}$ геодезическая, но кривая ${\displaystyle c}$ из первого примера выше нет.

Обратите внимание, что геодезические с единичной скоростью, как здесь определено, по необходимости являются непрерывными, и фактически Липшиц, но они не обязательно дифференцируемы или кусочно дифференцируемы.

Теорема Хопфа-Ринова

Как и выше, пусть ${\displaystyle (M,g)}$ - связное и непрерывное риманово многообразие. В Теорема Хопфа-Ринова, в этой обстановке, говорит, что (Громов 1999)

• если метрическое пространство ${\displaystyle (M,d_{g})}$ является полный (т.е. каждый ${\displaystyle d_{g}}$-Последовательность Коши сходится), то
  • каждое замкнутое и ограниченное подмножество ${\displaystyle M}$ компактный.
  • учитывая любые ${\displaystyle p,q\in M}$ есть геодезическая с единичной скоростью ${\displaystyle c:[a,b]\to M}$ из ${\displaystyle p}$ к ${\displaystyle q}$ такой, что ${\displaystyle d_{g}(c(s),c(t))=|s-t|}$ для всех ${\displaystyle s,t\in [a,b].}$

Суть доказательства состоит в том, что, как только первая половина установлена, можно непосредственно применить Теорема Арзела-Асколи, в контексте компактного метрического пространства ${\displaystyle {\overline {B_{2d_{g}(p,q)}(p)}},}$ к последовательности кусочно-непрерывно дифференцируемых кривых единичной скорости из ${\displaystyle p}$ к ${\displaystyle q}$ длина которого приблизительно равна ${\displaystyle d_{g}(p,q).}$ Полученный подпоследовательный предел и есть искомая геодезическая.

Предполагаемая полнота ${\displaystyle (M,d_{g})}$ это важно. Например, рассмотрим случай, когда ${\displaystyle (M,g)}$ это проколотый самолет ${\displaystyle \mathbb {R} ^{2}\smallsetminus \{(0,0)\}}$ со стандартной римановой метрикой, и берется ${\displaystyle p=(1,0)}$ и ${\displaystyle q=(0,1).}$ Не существует геодезических от одного к другому с единичной скоростью.

Диаметр

Позволять ${\displaystyle (M,g)}$ - связное и непрерывное риманово многообразие. Как и в любом метрическом пространстве, можно определить диаметр ${\displaystyle (M,d_{g})}$ быть

${\displaystyle \operatorname {diam} (M,d_{g})=\sup\{d_{g}(p,q):p,q\in m\}.}$

Теорема Хопфа-Ринова показывает, что если ${\displaystyle (M,d_{g})}$ полное и имеет конечный диаметр, то оно должно быть компактным. Наоборот, если ${\displaystyle (M,d_{g})}$ компактна, то функция ${\displaystyle d_{g}:M\times M\to \mathbb {R} }$ должен иметь максимум, так как это непрерывная функция на компактном метрическом пространстве. Это доказывает следующее утверждение:

• Если ${\displaystyle (M,d_{g})}$ полное, то оно компактно тогда и только тогда, когда имеет конечный диаметр.

Это не так без предположения о полноте; в качестве контрпримеров можно рассматривать любое открытое ограниченное подмножество евклидова пространства со стандартной римановой метрикой.

Обратите внимание, что в более общем случае и с тем же однострочным доказательством каждое компактное метрическое пространство имеет конечный диаметр. Однако следующее утверждение ложный: «Если метрическое пространство полно и имеет конечный диаметр, то оно компактно». В качестве примера полного и некомпактного метрического пространства конечного диаметра рассмотрим

${\displaystyle M={\Big \{}{\text{continuous functions }}f:[0,1]\to \mathbb {R} {\text{ with }}\sup _{x\in [0,1]}|f(x)|\leq 1{\Big \}}}$

с единообразная метрика

${\displaystyle d(f,g)=\sup _{x\in [0,1]}|f(x)-g(x)|.}$

Итак, хотя все члены в приведенном выше следствии теоремы Хопфа-Ринова включают только структуру метрического пространства ${\displaystyle (M,g),}$ важно, что метрика индуцирована римановой структурой.

Римановы метрики

Геодезическая завершенность

Риманово многообразие M является геодезически полный если для всех п ∈ M, то экспоненциальная карта exp_п определено для всех v ∈ Т_пM, т.е. если геодезические γ(т) начиная с п определяется для всех значений параметра т ∈ р. В Теорема Хопфа – Ринова. утверждает, что M является геодезически полным тогда и только тогда, когда оно в комплекте как метрическое пространство.

Если M завершено, тогда M нерасширяемо в том смысле, что оно не изометрично открытому собственному подмногообразию любого другого риманова многообразия. Однако обратное неверно: существуют нерасширяемые многообразия, которые не являются полными.

Смотрите также

• Риманова геометрия
• Финслеровский коллектор
• Субриманово многообразие
• Псевдориманово многообразие
• Метрический тензор
• Эрмитово многообразие
• Космос (математика)
• Уравнение волновых карт

Рекомендации

• ду Карму, Манфреду (1992). Риманова геометрия. Базель: Биркхойзер. ISBN  978-0-8176-3490-2.
• Громов, Миша (1999). Метрические структуры для римановых и неримановых пространств (Основано на оригинальном французском издании 1981 г.). Birkhäuser Boston, Inc., Бостон, Массачусетс. ISBN  0-8176-3898-9.
• Йост, Юрген (2008). Риманова геометрия и геометрический анализ (5-е изд.). Берлин: Springer-Verlag. ISBN  978-3-540-77340-5.
• Ши, югуан; Там, Луен-Фай (2002). «Теорема о положительной массе и граничное поведение компактных многообразий с неотрицательной скалярной кривизной». J. Дифференциальная геометрия. 62 (1): 79–125.

внешняя ссылка

• Сидоров Л.А. (2001) [1994], «Риманова метрика», Энциклопедия математики, EMS Press