圆球上的大圆弧不能一直保持最短:绕得太远,就能改走另一侧。Bonnet–Myers定理把这一现象推广到曲率不恒定的空间。只要每个方向上的Ricci曲率都有同一个严格正下界,最短路线就有统一长度上限;配合完备性,整个空间必须紧。
形式陈述
用曲率取迹定义Ricci量
沿用Riemann曲率张量理路Riemann 曲率张量Riemann curvature tensor · Curvature tensor以协变微分不交换刻画 Riemann 流形内蕴曲率的四阶张量。的符号约定
在点 取任意正交标准基 ,定义
这是线性算子 的迹,因此与正交基的选择无关。对单位向量 ,可选 ;最后一项为零,其余 项是包含 的各个正交截面曲率之和。
直径、紧性与基本群
设 为连通、无边界、维数 的光滑Riemann流形,且距离 使它成为完备度量空间理路完备度量空间Complete metric space每个 Cauchy 序列都在空间内部收敛的度量空间。。假设存在统一常数 ,使每个点、每个切向量 都满足
则
进一步,紧,且基本群 有限。有限不等于平凡;定理没有断言 单连通。
若每个截面曲率都至少为 ,式(2)自然成立,这给出Bonnet的截面曲率版本。Ricci条件直接约束一组截面曲率的和,是此处证明实际使用的条件。
直觉
对最短路线同时测试所有横向方向
由Hopf–Rinow定理理路Hopf–Rinow完备性定理Hopf-Rinow theorem · Hopf–Rinow theorem · Hopf–Rinow定理 · 测地完备性定理在有限维连通无边界Riemann流形上证明度量完备、测地完备、单点指数映射全定义和闭有界集紧等价,并构造全局最短连接,分清存在、唯一与边界条件。,任意两点可由极小测地线连接。取一条长度 的单位速度极小测地线
,记 。
沿 平行移动一组垂直于 的正交标准基,得到 。度量相容与 保证这些向量始终正交标准,且垂直于 。令
这些试验场在两个端点都为零,在中间将曲线向侧面推开。
Jacobi场与第二变分理路Jacobi 场与共轭点Jacobi field · Conjugate point从测地线变分推导 Jacobi 方程,证明它给出固定端点能量 Hessian 的核,并完整计算球面弧长跨过 π 时的正、零、负方向与真实变分。给出的指标形式是
极小曲线必须满足 。具体地,对任意固定端点变分曲线 ,Cauchy–Schwarz给出
,所以能量在 处的二阶导数非负。这里调用的是已经证明的指标形式,不要求先找到共轭点。
把全部指标形式相加,恰好得到Ricci
因为 平行,。将式(5)对 求和,再应用式(1)与(2),得到
两个三角积分都恰为 ,这个因子决定了数值证书的尺度。
若 ,右端严格为负。于是至少一个 ,与极小性矛盾。故所有端点距离均不超过式(3)的上界。
在 时,式(6)只给非正上界,可能所有试验场都恰好取零。因此这里只排除严格更长的极小测地线。等号可以达到;从这一步计算本身也不能推出整个流形的刚性分类。
图中 。正区只表示这一组试验场没有给出否定证书;不能把正的上界反过来当成极小性证明。
有限直径怎样变成紧性
固定任意 。直径界说明
由完备性及Hopf–Rinow,右边这个闭有界球紧,因而 紧。若删去完备性,有限直径的开集未必紧,这一步便不成立。
为什么基本群只能有有限多个元素
光滑流形局部同胚于欧氏空间,满足存在万有覆叠理路万有覆叠Universal covering space总空间单连通的覆叠空间,在标准局部条件下支配所有连通覆叠。的局部条件。取连通万有覆叠
,在其上放拉回度量 。于是 为局部等距。局部等距保持度量及Levi–Civita联络,继而保持曲率,所以式(2)也在 上成立。
还需核对上层的完备性。任取上层测地初值,将它投到 ;下层完备,测地线可定义在整个 。按指定起点把这条曲线提升到 :在有限时间段用路径提升,再由唯一性把各段拼起来。局部等距使提升曲线满足同一测地方程,因此上层测地线也能延拓到全部时间。Hopf–Rinow遂给出上层度量完备。
对上层应用已证直径界与紧性,得到 紧。对任意 ,纤维 既是闭集,又是离散子空间:闭性来自点 闭,离散性来自均匀覆盖邻域。因此该纤维是紧离散空间,只能有限。这里闭性不可省略,紧空间可以含无限的非闭离散子集。
万有覆叠中,基于 的环路同伦类与指定上层起点所能到达的纤维点一一对应,故 的元素个数等于这一有限纤维的大小。
例子与边界
圆球给出精确常数
半径为 的圆球 满足
取 ,式(3)得到 。一对对跖点的距离恰为 ,所以常数 不能减小。
例如 、,直径上界为 。若有人声称存在长度 的极小连接,式(6)直接给出
是一份明确的否定证书。
有限基本群仍可以非平凡
单位圆球 按对跖点识别得到标准实射影平面 。商映射局部等距,所以其曲率仍为1,且空间紧、完备。其万有覆叠纤维有两个点,故基本群为二元群。
若 ,商空间距离为
因此它的直径为 。它满足定理,却既不单连通,也不要求直径达到通用上界。
处处正曲率仍可能没有统一正下界
考虑欧氏三维空间中的抛物面 。用极坐标参数化,在 处,第一基本形式为
取朝上的单位法向,第二基本形式的两个对角系数为
及 。两者乘积除以第一基本形式行列式,得到
原点处由光滑性取同一公式的极限 ,但当 时,。
这个曲面是完备的。它的内蕴距离至少为平面投影距离,所以内蕴Cauchy列的 坐标必收敛到有限点;在该点的一个小邻域,度量又有统一上界,沿平面短线段提升到图面即可证明内蕴距离也收敛。它显然非紧。
二维中 。这个例子说明“每一点的Ricci都正”不足以替换式(2)中的同一个 。
维数与完备性不能默默删去
在一维直线上Ricci恒为零,而 。若删去 ,式(2)会对任意 空泛成立,直径结论却显然错误。
单位球面的开北半球处处曲率为1,但沿经线趋向赤道的Cauchy列没有极限,空间非紧。这说明正曲率不会自动修补缺失的完备性。若把严格正下界改成Ricci非负,欧氏平面或平坦圆柱又给出完备但直径无限的例子;圆柱的基本群也无限。
推论与应用
缩放度量时,长度与曲率的量纲要一致
将度量改为 ,其中 为常数,长度乘以 。Levi–Civita联络不变,作为双线性形式的Ricci张量不变;相对于新度量,式(2)中的常数变为 。所以
正好与长度缩放一致。把曲率下界当成长度单位的常数直接代入,会丢掉这个平方关系。
在证书中分别记录几何与拓扑结论
全局测地线证书终点要求先写出统一Ricci下界,再计算正弦指标总和,随后才给直径、紧性及基本群有限的结论。圆球检查常数取等,射影平面检查“有限”不等于“平凡”,抛物面检查点态正性与统一下界的区别。
这条证明不计算基本群的具体阶数,也不分类所有取等空间。若问题要求这些更细信息,需要额外的覆盖结构或刚性定理。
参考资料