John Morgan:黎曼几何、曲率、Ricci流以及在三维流形上的应用二讲
本文是笔者在线看Lektorium上John Morgan在圣彼得堡国立大学欧拉研究所的讲座做的笔记。第一讲以如下内容组成
1. 黎曼曲面上的联络
黎曼流形(Mn,g)
中,M
为n
维流形,而g
为正定的黎曼度量,即gij(x1,x2,⋯,xn)dxi⊗dxj
,而(gij)
是对称正定的。
∇
是联络(我们可以把它看成“方向导数”(∇X
为求X
方向)),它的定义域与值域为∇:Vect(M)⊗RVect(M)×Vect(M)
,也即将两个M
上的向量场映射到M
上的向量场,即∇X(Y)∈Vect(M)
.且满足如下三条性质:
2⟨∇XY,Z⟩=X⟨Y,Z⟩−Z⟨Y,X⟩+Y⟨Z,X⟩−⟨Z,[Y,X]⟩+⟨[Z,Y],X⟩−⟨Y,[X,Z]⟩
来定义,满足以上条件)
由于在局部,我们可以用∂i(i=1,2⋯n)
来张成TxM|U
,我们可以令∇∂i(∂j)=Γkij∂k
,(从而我们通过前面知道
Γkij=12glk(∂jgki+∂igjk−∂kgij)
,从而惟一性成立)
2.测地线,高斯映射
γ˙(t)∈Tγ(t)M
,其中γ(t)=(x1(t),x2(t),⋯,xn(t))
为M
上的曲线,γ˙=(x˙1(t),x˙2(t),⋯,x˙n(t))
为速度。曲率线方程即为∇γ˙(t)(γ˙(t))=0
。注意到∇
作用在M
上的向量场上,而γ˙
并非向量场,所以我们需要把γ˙
延拓到全流形上。(笔者按:由于d2xkdt2+Γkijdxidtdxjdt=0
)
由于常微分方程解的存在惟一性,给定了γ(0)
以及γ˙(0)
,我们就得到一条测地线。也就是说,我们能够构造一个从Tγ(0)M→M
的映射,也即初始向量为此向量的测地线到达的M
上的点。我们设为exp:TxM→M
,在起点的领域B(0,ϵ)
上有定义。
3.曲率
我们有了零阶的信息(度量),一阶信息(测地线、联络),那么二阶信息是什么呢?我们认为是曲率
问题如下:一个度量的几何性质是怎么样的(我们能从度量的句子(gij)
中获得什么信息)
在单点上,实际上度量没有任何信息,所有的度量都是等价于标准的欧氏度量,我们可以通过坐标变换把矩阵变成对角阵,从而得到标准度量。
这样的标准性能到几阶呢?似乎我们只能最多到2阶。曲率是唯一的几何不变量。而有定理:高斯度量完全由曲率决定(也就是局部来说,黎曼曲率包含了所有信息)
我们还没有定义曲率,曲率定义如下:R(X,Y)=∇X∇Y−∇Y∇X−∇[X,Y]
,由于Levi-Civita联络的定义我们知道R(X,Y)f=0
成立。
Z
关于C∞(M)
成立,也就是R(X,Y)(fZ)=fR(X,Y)Z
。所以我们可以定义4-张量,⟨R(X,Y)Z,W⟩
,对于四个变量都是线性的,从而定义Rlijk∂l=R(∂i,∂j)∂k
。
将符号降下来,可以定义Rijkl=gmkRmijk=⟨R(∂i,∂j)∂l,∂k⟩
.,通过前面我们知道Rijkl(dxi∧dxj)⊗(dxl∧dxk)
为在⋀2TM
上的对称2-张量。
黎曼定义的曲率来源于高斯曲率的定义
也就是在曲面上一点附近的测地圆(也就是以|x|≤ϵ
为半径的TxM
上的向量用高斯映射映至的区域)和平面上的圆相差多少?高斯认为是
limϵ→012πϵ2−Area(B(p,ϵ))πϵ4
定义为高斯曲率(实际上我们通常定义不是这样的,定义的等价性成为Bertrand–Diquet–Puiseux定理)
此时,⋀2TM=R
,而黎曼曲率R:R→R
仅为乘上高斯曲率。
也就是在指数映射exp:Rn→M
拉回,我们在Tp(M)=Rn
原点附近有度量exp∗(g)=g^
。g^
有基于R
的公式。(g^
is identity up to 2-nd order,这句话没懂是什么意思)也就是度量在坐标变换,也就是同胚群作用的意义下只与黎曼曲率相关。
所以我们可以知道,如果一个度量在某个邻域内为欧氏度量当且仅当黎曼曲率为0.
最后我们给出Ricci曲率的定义:Ricijdxi⊗dxj
为对称2-张量,有Ricij=gklRiklj
.
4.整体性质
局部来看,在坐标变换的意义下,度量完全被曲率所决定。但是在整体性质却不一样,一般来说度量的性质不完全由曲率决定。黎曼流形除了曲率外有更多整体不变量。比如一个范例如下:
对于紧平的曲面(黎曼曲率为0且有界),我们考虑环面(T2,g)
,(R2,g)
为欧氏空间,万有覆盖映射π:R2→T2
.由于T2
的同伦群π1(T2)=H1(T2)⊂R2
是格Λ
.从而T2≅R2/Λ
为等距同构。
我们就来研究格,格的基为v1,v2
用复数表示为v2=τv1,τ∈C
,我们选择定向,使得τ∈H2
.而由于在行列式为1
的整数矩阵变换下格不变,所以[τ]∈H2/SL2(Z)≅S2−{∞}
.同时R+=area(T2)
,所以我们有一族平的环面构成的3维实空间,它们都有相同的度量(平整度量)
对于更高的亏格会如何呢?对于Σg(g>1)
,我们用(H2,g),g=dx2+dy2y2
进行覆盖,而H2
在实2×2
的矩阵下不变。所以Σg
有H2/Γ,Γ⊂PSL2(R)
给出。这样的双曲度量形成了6g−6
维的空间。
但在更高维,情况就不一样了。我们可以类似地定义Hn
以及它的度量。同样具有常截曲率−1
。而同理得到的流形Hn/Γn
由于Mostow Rigidity定理,是唯一的。其中Γn
为基本群。也就是说,例如在3维,固定了基本群,我们只能得到至多一个度量。
5.极限——几何极限与Gromov-Hausdorff极限
如何定义一族流形{(Mn,gn,xn∈Mn)}∞n=1
趋近一个极限流形(M∞,g∞,x∞)
(其中x
为基点)?我们通过一个例子进行讲述:假如Mn=M,xn=x
,只有gn=λ2ng,λ2n→∞
,在平常我们的想象中,应该有流形趋近于它的切空间,也就是(TxM,g|x)
,就像一个无限大的球面在局部来看就趋于平面一样。
我们来定义几何极限,也就是存在开区间Un⊂M∞,x∞∈Un⊂Un+1⊂⋯
,且 ⋃nUn=M∞
,其中Un
满足存在嵌入φn:Un↪Mn,φn(x∞)=xn
,且φ∗n(gn)→g∞
在任意的紧集上一致收敛。就如一些例子:
在基点选为红色的点,我们不断拉长拉瘪中间的柄,得到就是红色的流形,这也说明极限流形的拓扑性质会改变,亏格由3变为1。
如果点在右边那段上,则收敛到的流形亏格为2.
但如果放在中间的柄上,最后会怎么样的?我们期望它收敛到一条直线,而这显然不可能由几何收敛做到,我们就引入Gromov-Hausdorff这种“弱收敛”来解决这个问题。
以下是第二讲的内容。
首先我们回顾了黎曼曲率的定义R(X,Y,Z,W)=⟨R(X,Y)W,Z⟩
,其中R(X,Y)=∇X∇Y−∇Y∇X−∇[X,Y]
.而截曲率是定义在TxM
的二维子空间P
上,令X,Y
为P的基,那么截曲率定义为R(X,Y,X,Y)=⟨R(X,Y)Y,X⟩
(这样定义黎曼曲率是由于,如果定义为⟨R(X,Y)X,Y⟩
,球的黎曼曲率会变为−1
,与历史上定义球的高斯曲率为1
不符。我们将在下面的计算中看到这点。)
6.球的截曲率的计算
我们考虑球的赤道,只需要计算赤道上每一点的截曲率,由于对称性,我们就可以解出所有点的截曲率。令y
为“经度”,x
为“纬度”,且令X=∂x,Y=∂y
,有
⟨R(X,Y)Y,X⟩=⟨∇X∇Y(Y)−∇Y∇X(Y),X⟩
由于Y
是测地线,则∇Y(Y)=0
,我们需要计算∇X(Y)
.而由于我们需要对Y
求方向导数,即考察y
方向在水平面上的投影向量求导,为−siny∂x
,再乘以圆的半径cosy
,得到∇X(Y)=−cosysiny∂x
.由于我们再考虑的是在y=0
的值,所以不考虑∇Y(∂x)
因为前面系数为0.从而有
∇Y∇X(Y)=(sin2y−cos2y)|y=0=−1
从而⟨R(X,Y)Y,X⟩=1
成立
7.度量放大后黎曼曲率与Ricci曲率的变化
接下来我们讨论是当度量放大λ2
倍后,即h=λ2g
,各个曲率将会如何变化?我们计算得知黎曼曲率R(X,Y,Z,W)
放大了λ2
倍,而Ricci曲率Ric(X,Z)
与原来相等。这是注意到前面提过的
∇∂i(∂j)=Γkij∂k
,且Γkij=12glk(∂jgki+∂igjk−∂kgij)
成立,也就是说,由于gij
变为原来的λ2
倍,而glk
变为原来的λ−2
倍,也就是Γ
没有变化。那么∇X(Y)
也没有变化。但是由于内积⟨,⟩
变为原来的λ2
倍,就是R(X,Y,Z,W)
变为原来的λ2
倍。
但是我们会观察到,当球面增大的时候,它的高斯曲率反而变小了,这是因为向量的“减小”导致的。由于在新的度量下,原来的单位向量X,Y
必须变为新的单位向量λ−1X,λ−1Y
.对于截曲率我们就有
sech(P)=Rh(λ−1X,λ−1Y,λ−1X,λ−1Y)=λ−2Rg(X,Y,X,Y)=secg(P)
而且对于Ricci曲率,我们计算得到
Rich(X,Z)=∑Yi basisRh(X,Yi,Z,Yi)=∑Yi basisλ2Rg(X,λ−1Yi,Z,λ−1Yi)
是由于Yi
是正交向量场,在原坐标下是λ−1Yi
才是正交向量场,也就是Ricci曲率没有变化。
8.Bishop-Gromov不等式
我们同时给出黎曼曲面内著名的比较定理:Bishop-Gromov不等式
M
在R
增大的时候B
会倒塌。
9.Ricci流以及在某些特殊流形上的解
Ricci流的定义如下:在M
上的度量g(t)
满足
∂g(t)∂t=−2Ric(g(t))
是弱双曲方程。它在短时间内是存在唯一的。具体刻画是:
存在性:给定Mn
为紧的,度量g0
,则∃ϵ>0,
存在光滑的g(t)(0≤t≤ϵ)
,满足g(0)=g0
且满足该方程。
惟一性:对于g(t),h(t)
为解,且g(0)=h(0)
,那么在共同的定义域上g=h
。
对于某些特殊流形我们可以研究Ricci流的显式解。比如Einstein流形,也就是(M,g)
为流形,且满足Ric(g0)=λg0
,其中λ
为常数。
那么该Ricci流的解为g(t)=(1−2λt)g0
。因为∂g(t)∂t=−2λg0=−2Ric(g0)=−2Ric(g(t))
,最后一个等号成立是由于g(t)
是g0
的倍数,利用前面的放大性质得到。
所以当λ>0
,在t=1/2λ
的时候为奇点,由于流形退化了。比如一个球会退化到一个点上,这种现象对于λ>0
的黎曼流形都成立。
当λ<0
,g(t)
对与所有t
成立。考虑g(t)/t=(1+2|λ|t)/tg0→2|λ|g0
是一个有限的极限。这个极限也是Perelman用来在3维的Ricci流中寻找无穷远的双曲部分使用的方法。他考虑的是在体积不倒塌的区域上,取缩小为1/t
,那么这个区域与其度量收敛到双曲3维流形。
其他可以计算Ricci流的方程为积流形,也就是两个流形的笛卡尔积。例如S2×R
,有度量gs2+dt2
,在t→∞
时候,原来的流形缩至一条直线。除了这些流形以为,我们没法给出更多整体的Ricci流的性质
10.怎么研究Ricci流?
怎么研究Ricci流?我们有三种方法可以使用:
vol(U)=∫U(det(g))1/2dx⃗,U⊂ coordinate patch
那么如果∂g(t)∂t=−2Ric(t)
,则ddtvol(U)=∫U−Rdvol
,其中R
为数量曲率。这是由于
ddtvol(U)=∫U12(det(g))−1/2∂∂tdet(g)=∫U12(det(g))−1/2det(tr(∂∂tg))=∫12(det(g))−1/2tr(−2Ric)=−∫tr(Ric)dvol=−∫Rdvol
所以这也表明了,正的数量曲率代表这体积在变小,负的数量曲率体积变大
第二个方法,就是
∂R∂t=ΔR+2nR2+2|Ric0|2
其中Ric0=Ric−Rng
为迹0的Ricci曲率(也就是正交分解)。所以对于Rmin(t)=minx∈M(R(x,t))
,我们有
dRmin(t)dt≥2nR2min(t)
成立,是由于其他两项都大于等于0.而同理可得对于固定的y
,dR(y,t)dt≥2nR2(y,t)
.通过这里我们有两个推论。
1.Rmin(t)
单调递增
2.若Rmin(0)>0
,那么在有限时间内会爆破,也就是Rmin
达到无穷。而若Rmin(0)<0
,则
Rmin(t)≥−n|Rmin(0)|2|Rmin(0)|t+n
也即它的渐进下界为−n/(2t)
.
1. 黎曼曲面上的联络
黎曼流形
- 线性性,即关于
X 的f∈C∞(M) 线性,有∇fX+Y(Z)=f∇X(Z)+∇Y(Z)
但是注意到关于第二个值并没有C∞M) 线性,就是∇X(fY)=f∇X(Y)+X(f)⋅Y X(⟨Y1,Y2⟩)=⟨∇X(Y1),Y2⟩+⟨Y1,∇X(Y2)⟩ ,这表示“与度量相容”,也就是∇X(g)=0 .为什么会这样呢?我们本来想象需要对Y1,Y2 以及g 分别求“方向导数”,而只有两项留下来了,也就是对度量求“导数”会恒为0 .- 无挠,也就是
∇X(Y)−∇Y(X)=[X,Y] .这个定义Morgan认为他不是很明白,因为∇X(Y) 同样可以定义为∇:Vect(M)⊗RΓ(E)→Γ(E) , 其中Γ(E) 是向量丛的截面。而无挠性不能延伸到这个定义域上,因为∇Y 没有意义。
定理:Levi-Civita联络存在唯一(笔者按:Levi-Civita可以用
由于在局部,我们可以用
2.测地线,高斯映射
由于常微分方程解的存在惟一性,给定了
3.曲率
我们有了零阶的信息(度量),一阶信息(测地线、联络),那么二阶信息是什么呢?我们认为是曲率
问题如下:一个度量的几何性质是怎么样的(我们能从度量的句子
在单点上,实际上度量没有任何信息,所有的度量都是等价于标准的欧氏度量,我们可以通过坐标变换把矩阵变成对角阵,从而得到标准度量。
这样的标准性能到几阶呢?似乎我们只能最多到2阶。曲率是唯一的几何不变量。而有定理:高斯度量完全由曲率决定(也就是局部来说,黎曼曲率包含了所有信息)
我们还没有定义曲率,曲率定义如下:
引理:曲率对于奇迹的是,我们可以计算,对于X,Y 关于C∞(M) 成立,即R(fX,Y)Z=fR(X,Y)Z ,它对X,Y 反对称。
将符号降下来,可以定义
黎曼定义的曲率来源于高斯曲率的定义
定义为高斯曲率(实际上我们通常定义不是这样的,定义的等价性成为Bertrand–Diquet–Puiseux定理)
此时,
定理(Cartan):我们有关于黎曼曲率R 对于度量exp∗(gij(x1,x2,⋯,xn)) (被称为高斯度量)的公式。(Do carmo第八章第2节)
所以我们可以知道,如果一个度量在某个邻域内为欧氏度量当且仅当黎曼曲率为0.
最后我们给出Ricci曲率的定义:
4.整体性质
局部来看,在坐标变换的意义下,度量完全被曲率所决定。但是在整体性质却不一样,一般来说度量的性质不完全由曲率决定。黎曼流形除了曲率外有更多整体不变量。比如一个范例如下:
对于紧平的曲面(黎曼曲率为0且有界),我们考虑环面
我们就来研究格,格的基为
用复数表示为
对于更高的亏格会如何呢?对于
但在更高维,情况就不一样了。我们可以类似地定义
5.极限——几何极限与Gromov-Hausdorff极限
如何定义一族流形
我们来定义几何极限,也就是存在开区间
如果点在右边那段上,则收敛到的流形亏格为2.
但如果放在中间的柄上,最后会怎么样的?我们期望它收敛到一条直线,而这显然不可能由几何收敛做到,我们就引入Gromov-Hausdorff这种“弱收敛”来解决这个问题。
以下是第二讲的内容。
首先我们回顾了黎曼曲率的定义
6.球的截曲率的计算
我们考虑球的赤道,只需要计算赤道上每一点的截曲率,由于对称性,我们就可以解出所有点的截曲率。令
由于
从而
7.度量放大后黎曼曲率与Ricci曲率的变化
接下来我们讨论是当度量放大
但是我们会观察到,当球面增大的时候,它的高斯曲率反而变小了,这是因为向量的“减小”导致的。由于在新的度量下,原来的单位向量
而且对于Ricci曲率,我们计算得到
是由于
8.Bishop-Gromov不等式
我们同时给出黎曼曲面内著名的比较定理:Bishop-Gromov不等式
M为这个定理在全局的意义下也成立,是由于n 维完备流形,且Ricci曲率满足Ric≥(n−1)k ,那么对于Hnk ,也就是常截曲率k (换言之,常Ricci曲率(n−1)k )的n 维流形。(k<0 双曲空间,k=0 欧氏空间,k>0 球面),那么对于∀x∈M,∀x0∈Hnk ,有函数是关于f(R)=vol(B(x,R))vol(B(x0,R)) R 非增的函数。其中
9.Ricci流以及在某些特殊流形上的解
Ricci流的定义如下:在
是弱双曲方程。它在短时间内是存在唯一的。具体刻画是:
存在性:给定
惟一性:对于
对于某些特殊流形我们可以研究Ricci流的显式解。比如Einstein流形,也就是
那么该Ricci流的解为
所以当
当
其他可以计算Ricci流的方程为积流形,也就是两个流形的笛卡尔积。例如
10.怎么研究Ricci流?
怎么研究Ricci流?我们有三种方法可以使用:
- 直接计算方程,正是我们前面使用的
- 极大值原理——在一定范围内控制数量曲率
- Bishop-Gromov不等式的双曲形式
那么如果
所以这也表明了,正的数量曲率代表这体积在变小,负的数量曲率体积变大
第二个方法,就是
其中
1.
2.若
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