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(M
n
,g)![]()
中,M![]()
为n![]()
维流形,而g![]()
为正定的黎曼度量,即g
ij
(x
1
,x
2
,⋯,x
n
)dx
i
⊗dx
j![]()
![]()
,而(g
ij
)![]()
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)⊗
R
Vect(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⟨∇
X
Y,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T
x
M|
U![]()
![]()
,我们可以令∇
∂
i![]()
(∂
j
)=Γ
k
ij
∂
k![]()
![]()
,(从而我们通过前面知道
Γ
k
ij
=1
2![]()
g
lk
(∂
j
g
ki
+∂
i
g
jk
−∂
k
g
ij
)![]()
,从而惟一性成立)
2.测地线,高斯映射
γ
˙
(t)∈T
γ(t)
M![]()
,其中γ(t)=(x
1
(t),x
2
(t),⋯,x
n
(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d
2
x
k![]()
dt
2![]()
![]()
+Γ
k
ij
dx
i![]()
dt![]()
dx
j![]()
dt![]()
=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T
γ(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:T
x
M→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(g
ij
)![]()
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R
l
ijk
∂
l
=R(∂
i
,∂
j
)∂
k![]()
![]()
。
将符号降下来,可以定义R
ijkl
=g
mk
R
m
ijk
=⟨R(∂
i
,∂
j
)∂
l
,∂
k
⟩![]()
.,通过前面我们知道R
ijkl
(dx
i
∧dx
j
)⊗(dx
l
∧dx
k
)![]()
为在⋀
2
TM![]()
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T
x
M![]()
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
lim
ϵ→0
12πϵ
2
−Area(B(p,ϵ))
πϵ
4![]()
![]()
![]()
![]()
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,⋀
2
TM=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:R
n
→M![]()
拉回,我们在T
p
(M)=R
n![]()
![]()
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:Ric
ij
dx
i
⊗dx
j![]()
![]()
为对称2-张量,有Ric
ij
=g
kl
R
iklj![]()
![]()
.
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(T
2
,g)![]()
,(R
2
,g)![]()
为欧氏空间,万有覆盖映射π:R
2
→T
2![]()
![]()
.由于T
2![]()
![]()
的同伦群π
1
(T
2
)=H
1
(T
2
)⊂R
2![]()
![]()
是格Λ![]()
.从而T
2
≅R
2
/Λ![]()
为等距同构。
我们就来研究格,格的基为v
1
,v
2![]()
![]()

用复数表示为v
2
=τv
1
,τ∈C![]()
,我们选择定向,使得τ∈H
2![]()
![]()
.而由于在行列式为1![]()
的整数矩阵变换下格不变,所以[τ]∈H
2
/SL
2
(Z)≅S
2
−{∞}![]()
.同时R
+
=area(T
2
)![]()
,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Σ
g
(g>1)![]()
,我们用(H
2
,g),g=dx
2
+dy
2![]()
y
2![]()
![]()
![]()
![]()
进行覆盖,而H
2![]()
![]()
在实2×2![]()
的矩阵下不变。所以Σ
g![]()
![]()
有H
2
/Γ,Γ⊂PSL
2
(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H
n![]()
![]()
以及它的度量。同样具有常截曲率−1![]()
。而同理得到的流形H
n
/Γ
n![]()
![]()
由于Mostow Rigidity定理,是唯一的。其中Γ
n![]()
![]()
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{(M
n
,g
n
,x
n
∈M
n
)}
∞
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M
n
=M,x
n
=x![]()
,只有g
n
=λ
2
n
g,λ
2
n
→∞![]()
,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(T
x
M,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U
n
⊂M
∞
,x
∞
∈U
n
⊂U
n+1
⊂⋯![]()
,且 ⋃
n
U
n
=M
∞![]()
![]()
,其中U
n![]()
![]()
满足存在嵌入φ
n
:U
n
↪M
n
,φ
n
(x
∞
)=x
n![]()
![]()
,且φ
∗
n
(g
n
)→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T
x
M![]()
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)=(sin
2
y−cos
2
y)|
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λ
2![]()
![]()
倍后,即h=λ
2
g![]()
,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λ
2![]()
![]()
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
)=Γ
k
ij
∂
k![]()
![]()
,且Γ
k
ij
=1
2![]()
g
lk
(∂
j
g
ki
+∂
i
g
jk
−∂
k
g
ij
)![]()
成立,也就是说,由于g
ij![]()
![]()
变为原来的λ
2![]()
![]()
倍,而g
lk![]()
![]()
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λ
2![]()
![]()
倍,就是R(X,Y,Z,W)![]()
变为原来的λ
2![]()
![]()
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
−1
X,λ
−1
Y![]()
.对于截曲率我们就有
sec
h
(P)=R
h
(λ
−1
X,λ
−1
Y,λ
−1
X,λ
−1
Y)=λ
−2
R
g
(X,Y,X,Y)=sec
g
(P)![]()
而且对于Ricci曲率,我们计算得到
Ric
h
(X,Z)=∑
Y
i
basis
R
h
(X,Y
i
,Z,Y
i
)=∑
Y
i
basis
λ
2
R
g
(X,λ
−1
Y
i
,Z,λ
−1
Y
i
)![]()
是由于Y
i![]()
![]()
是正交向量场,在原坐标下是λ
−1
Y
i![]()
![]()
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M
n![]()
![]()
为紧的,度量g
0![]()
![]()
,则∃ϵ>0,![]()
存在光滑的g(t)(0≤t≤ϵ)![]()
,满足g(0)=g
0![]()
![]()
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(g
0
)=λg
0![]()
![]()
,其中λ![]()
为常数。
那么该Ricci流的解为g(t)=(1−2λt)g
0![]()
![]()
。因为∂g(t)
∂t![]()
=−2λg
0
=−2Ric(g
0
)=−2Ric(g(t))![]()
,最后一个等号成立是由于g(t)![]()
是g
0![]()
![]()
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)/tg
0
→2|λ|g
0![]()
![]()
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S
2
×R![]()
,有度量g
s
2![]()
+dt
2![]()
![]()
,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))
1/2
dx
⃗
,U⊂ coordinate patch![]()
那么如果∂g(t)
∂t![]()
=−2Ric(t)![]()
,则d
dt![]()
vol(U)=∫
U
−Rdvol![]()
,其中R![]()
为数量曲率。这是由于
d
dt![]()
vol(U)![]()
![]()
![]()
=∫
U
1
2![]()
(det(g))
−1/2
∂
∂t![]()
det(g)
=∫
U
1
2![]()
(det(g))
−1/2
det(tr(∂
∂t![]()
g))=∫1
2![]()
(det(g))
−1/2
tr(−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+2
n![]()
R
2
+2|Ric
0
|
2![]()
![]()
其中Ric
0
=Ric−R
n![]()
g![]()
为迹0的Ricci曲率(也就是正交分解)。所以对于R
min
(t)=min
x∈M
(R(x,t))![]()
,我们有
dR
min
(t)
dt![]()
≥2
n![]()
R
2
min
(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![]()
≥2
n![]()
R
2
(y,t)![]()
.通过这里我们有两个推论。
1.R
min
(t)![]()
单调递增
2.若R
min
(0)>0![]()
,那么在有限时间内会爆破,也就是R
min![]()
![]()
达到无穷。而若R
min
(0)<0![]()
,则
R
min
(t)≥−n|R
min
(0)|
2|R
min
(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 线性,有∞
(M)
∇ fX+Y
(Z)=f∇
X
(Z)+∇
Y
(Z)
但是注意到关于第二个值并没有C 线性,就是∞
M)
∇ X
(fY)=f∇
X
(Y)+X(f)⋅Y
X(⟨Y ,这表示“与度量相容”,也就是1
,Y
2
⟩)=⟨∇
X
(Y
1
),Y
2
⟩+⟨Y
1
,∇
X
(Y
2
)⟩
∇ .为什么会这样呢?我们本来想象需要对X
(g)=0
Y 以及1
,Y
2
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
∇ .这个定义Morgan认为他不是很明白,因为X
(Y)−∇
Y
(X)=[X,Y]
∇ 同样可以定义为X
(Y)
∇:Vect(M)⊗ , 其中R
Γ(E)→Γ(E)
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∇ 没有意义。Y
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 成立,即∞
(M)
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 (被称为高斯度量)的公式。(Do carmo第八章第2节)∗
(g
ij
(x
1
,x
2
,⋯,x
n
))
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H ,也就是常截曲率n
k
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,∀x ,有函数0
∈H
n
k
是关于f(R)=vol(B(x,R)) vol(B(x
0
,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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