Friday, July 31, 2015

riemann 零阶的信息(度量),一阶信息(测地线、联络),二阶信息是曲率

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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,Mn 维流形,而g 为正定的黎曼度量,即gij(x1,x2,,xn)dxidxj ,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:
  • 线性性,即关于XfC(M) 线性,有fX+Y(Z)=fX(Z)+Y(Z)
    但是注意到关于第二个值并没有CM) 线性,就是X(fY)=fX(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。
满足如上三个性质的联络成为Levi-Civita联络。于是我们有如下定理:
定理:Levi-Civita联络存在唯一
(笔者按:Levi-Civita可以用
2XY,Z=XY,ZZY,X+YZ,XZ,[Y,X]+[Z,Y],XY,[X,Z]
来定义,满足以上条件)
由于在局部,我们可以用i(i=1,2n) 来张成TxM|U ,我们可以令i(j)=Γkijk ,(从而我们通过前面知道
Γkij=12glk(jgki+igjkkgij)
,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))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)MM 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:TxMM ,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)=XYYX[X,Y] ,由于Levi-Civita联络的定义我们知道R(X,Y)f=0 成立。
引理:曲率对于X,Y 关于C(M) 成立,即R(fX,Y)Z=fR(X,Y)Z ,它对X,Y 反对称。
奇迹的是,我们可以计算,对于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Rlijkl=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(dxidxj)(dxldxk) 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
limϵ012πϵ2Area(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:RR 仅为乘上高斯曲率。
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)
 
也就是在指数映射exp:RnM 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:Ricijdxidxj 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:R2T2 .由于T2 的同伦群π1(T2)=H1(T2)R2 是格Λ .从而T2R2/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,τC ,我们选择定向,使得τH2 .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ΣgH2/Γ,ΓPSL2(R) 给出。这样的双曲度量形成了6g6 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,xnMn)}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UnM,xUnUn+1 ,且 nUn=M ,其中Un 满足存在嵌入φn:UnMn,φn(x)=xn ,且φn(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)=XYYX[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=XY(Y)YX(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sinyx ,再乘以圆的半径cosy ,得到X(Y)=cosysinyx .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
YX(Y)=(sin2ycos2y)|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)=Γkijk ,且Γkij=12glk(jgki+igjkkgij) 成立,也就是说,由于gij 变为原来的λ2 倍,而glk 变为原来的λ2 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λ1X,λ1Y .对于截曲率我们就有
sech(P)=Rh(λ1X,λ1Y,λ1X,λ1Y)=λ2Rg(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,λ1Yi,Z,λ1Yi)

是由于Yi 是正交向量场,在原坐标下是λ1Yi 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为n 维完备流形,且Ricci曲率满足Ric(n1)k ,那么对于Hnk ,也就是常截曲率k (换言之,常Ricci曲率(n1)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xM,x0Hnk ,有函数
f(R)=vol(B(x,R))vol(B(x0,R))
是关于R 非增的函数。其中
这个定理在全局的意义下也成立,是由于MR 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)(0tϵ) ,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)=(12λt)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)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。
λ<0 ,g(t) 对与所有t 成立。考虑g(t)/t=(1+2|λ|t)/tg02|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:
  1. 直接计算方程,正是我们前面使用的
  2. 极大值原理——在一定范围内控制数量曲率
  3. Bishop-Gromov不等式的双曲形式
 第一个方法,我们使用对于体积的估计,我们知道,体积的定义是
vol(U)=U(det(g))1/2dx,U coordinate patch

那么如果g(t)t=2Ric(t) ,则ddtvol(U)=URdvol ,其中R 为数量曲率。这是由于
ddtvol(U)=U12(det(g))1/2tdet(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
Rt=ΔR+2nR2+2|Ric0|2

其中Ric0=RicRng 为迹0的Ricci曲率(也就是正交分解)。所以对于Rmin(t)=minxM(R(x,t)) ,我们有
dRmin(t)dt2nR2min(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)dt2nR2(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) .

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