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定义Definition

联络与协变导数

Connection · Covariant derivative

用 Leibniz 规则定义向量丛上的微分,以单位分解构造联络,再用线性方程的平行移动证明光滑可缩底空间上的丛平凡。

形式陈述 ​

设 π:E→M 是光滑向量丛,Γ(E) 为其光滑截面。联络或协变导数是映射

∇:X(M)×Γ(E)⟶Γ(E),(X,s)⟼∇Xs,

满足对 X 的 C∞(M)-线性、对 s 的实线性,以及 Leibniz 规则

∇fX+gYs=f∇Xs+g∇Ys,∇X(fs)=X(f)s+f∇Xs.

复向量丛中,第二变量要求复线性,Leibniz 规则允许复值光滑函数;第一变量仍是实切向量场。以下存在性与平行移动同样适用。

取局部标架 e1,…,er,可写

∇Xej=∑iωij(X)ei,

其中 ωij 是局部连接 1-形式。切丛坐标标架下的系数通常记为 Christoffel 符号 Γijk。沿曲线 γ 的协变导数 Ds/dt 由局部延拓定义;若 Ds/dt=0,则称 s 沿 γ 平行,给定初值时产生唯一平行移动。

当 E=TM 时,联络的挠率定义为

T(X,Y)=∇XY−∇YX−[X,Y].

对一般向量丛 E,X,Y 是底流形的切向量场,却不一定是 E 的截面,所以 ∇XY 等项本来就没有这里所需的意义。底流形向量场仍有 Lie 括号,但不能因此把上述切丛挠率公式直接用于任意 E。

直觉

不同点的纤维是不同向量空间,向量不能天然相减。联络提供一条规则:沿某个方向观察一个截面时,怎样扣除局部标架自身的变化,得到坐标无关的导数。它相当于选择哪些沿曲线变化的向量应被视作“保持平行”。

局部系数记录这套比较规则在某个标架中的样子。换标架时,系数不仅做矩阵共轭,还出现标架导数项,所以 Christoffel 符号不是张量;协变导数和平行移动的最终结果才是几何对象。

对于保持纤维内积的联络,在定向秩二丛的正向正交单位标架中,这条换架规律可具体写成 a′=a+dϕ,其中 ∇e1=ae2,ϕ 为标架的旋转角。平面丛 Euler 类推导该式,并证明局部的 −da/(2π) 拼成全局曲率代表;公共边上的联络积分相消,把总积分还原为整数绕数。

例子与边界

在平凡丛 Rn×Rr 上,标准联络逐分量求方向导数:

∇Xs=X(s1)e1+⋯+X(sr)er.

标准直角坐标中连接系数为零。即使 Euclidean 平面仍用同一平坦联络,换到极坐标后 Christoffel 符号通常非零;这说明“系数非零”不等于“空间有曲率”。

∇Xs 对第一变量是函数线性的,却对第二变量不是:

∇X(fs)=X(f)s+f∇Xs.

若把它误写成对两变量都 C∞-线性,就会丢掉真正的求导项。反过来,∇Xs 在一点的值只依赖 X 在该点的值,却依赖 s 在该点附近的一阶变化。

联络不是由向量丛自动唯一决定的;两个联络之差是一个 End(E) 值 1-形式。只有加入额外条件时才可能选出典范联络;Riemann 度量如何通过无挠与度量相容条件唯一选出联络,见Levi–Civita 定理。

推论与应用

任意光滑向量丛都可以选择联络 ​

在局部标架 eα1,…,eαr 上定义逐分量求导的平坦联络

∇Xα(∑jfjeαj)=∑jX(fj)eαj.

取从属于这些平凡化开集的光滑单位分解 {ρα},定义

(1)∇Xs=∑αρα∇Xα(s|Uα).

每项在 Uα 外按零延拓。因为 suppρα⊂Uα,接缝外每一点附近此项恒为零,故延拓光滑;局部有限性使和在每点附近只含有限项。对 X 的函数线性直接保留,而

∑αρα∇Xα(fs)=(∑αρα)X(f)s+f∑αρα∇Xαs=X(f)s+f∇Xs.

因此式 (1) 是全局联络。局部平坦联络的加权平均一般不平坦,存在性没有推出曲率为零。

平行移动及其对路径参数的光滑依赖 ​

沿光滑曲线 γ,在局部标架中写 s(t)=e(γ(t))u(t)。平行条件为

(2)u′(t)=−ωγ(t)(γ˙(t))u(t).

实秩 r≥1 时,这是实线性常微分方程组。复秩 r≥1 时,写 u=x+iy、A=B+iC,则 u′=−Au 等价于

ddt(xy)=(−BC−C−B)(xy).

这是维数 2r 的实系统,适用同一理论。秩为零时只有零截面,无须解方程。

在任何紧时间段,把曲线分成有限个落入平凡化的子段,在各段解初值问题,再按过渡矩阵换坐标;唯一性使相邻解一致。线性系统在连续系数的整个子段存在,所以该过程不会因纤维坐标变大而提前终止。于是得到纤维线性映射

Pγ:Eγ(0)⟶Eγ(1).

反向走同一曲线给出其逆,拼接曲线对应复合;因此它是线性同构。

后面还需要一个参数事实:若 γ(t,x) 光滑依赖 x,则 Pγ(⋅,x) 也光滑依赖 x。这里不必预先给整个路径族上的丛平凡化。固定 x0,把紧时间段分为有限段,使每段曲线连同 x0 的一个小参数邻域都落在同一张图中。在单段上,记 A(t,x)=ωγ(t,x)(∂tγ(t,x)),则式 (2) 为 u′=−Au,其基本矩阵可由逐次积分级数构造:

I+∑k≥1(−1)k∫t0≤tk≤⋯≤t1≤tA(t1,x)⋯A(tk,x)dtk⋯dt1.

在紧参数邻域内,第 k 项被 Ck|t−t0|k/k! 控制。对参数作任意固定阶数 m 的导数后,乘积法则至多增加常数倍 km,并可用包括 A 的前 m 阶导数的统一界替换 C;级数仍一致收敛。因此可逐项求参数导数,时间导数再由方程恢复,得到联合光滑性。有限段的解矩阵与光滑过渡矩阵复合,便得到所需结论。

沿收缩搬运一个基 ​

设底流形 M 有光滑收缩

H:[0,1]×M→M,H(0,x)=x0,H(1,x)=x.

选 Ex0 的一组基 v1,…,vr,沿 t↦H(t,x) 平行移动,得到

sj(x)=PH(⋅,x)vj.

参数光滑性保证 sj 是光滑截面;每次平行移动可逆,保证它们在每个纤维仍为基。故丛有全局标架,得到光滑平凡化。开区间、开球和 Rd 采用直线收缩即可,所以任意丛在这些底空间上平凡。这里只需要这些显式光滑收缩;一般“拓扑可缩”的推广还涉及同伦与光滑化的比较。

圆周与球面线丛的分类由此获得两张大图上的标架,再分析重叠区的过渡函数。联络仅用来选择这些标架;分类中的符号或绕数不依赖这个选择。即使底空间可缩,不同路径的平行移动也可能不同,所构造的平凡化并没有证明联络路径无关。

切丛中的几何用途 ​

在 Riemann 流形上选取其 Levi–Civita 切丛联络时,满足

∇γ˙γ˙=0

的曲线是Riemann 测地线。一般切丛联络也有自己的自平行曲线,但不必对应某个指定度量的测地线。对这里的 Levi–Civita 联络,平行移动比较路径两端的向量,沿闭路返回后的无穷小失败由Riemann 曲率张量刻画。联络也可延拓到对偶丛、张量积与外幂,使微分形式和张量能够作协变微分。

Lie 括号只依赖光滑结构,联络则是额外选择。Riemann 度量提供长度角度,Levi–Civita 定理再选出唯一相容联络;把这三层分开,才能区分坐标效应、联络效应与真正曲率。

参考资料
  • John M. Lee, Riemannian Manifolds: An Introduction to Curvature, Springer, 1997, Chs. 4–5, connections and covariant derivatives.
  • Manfredo P. do Carmo, Riemannian Geometry, Birkhäuser, 1992, Chs. 2–3, affine connections and parallel transport.
  • Shoshichi Kobayashi and Katsumi Nomizu, Foundations of Differential Geometry, Vol. I, Wiley, 1963, Ch. II.
  • Daniel Monclair, Groups and Geometry, 27 September 2023, Proposition 7.1.6, pp. 112–113,Proposition 7.2.8, pp. 116–117,以及 Definition 7.2.18 后的讨论,p. 123:线性方程的平行移动、单位分解构造联络与收缩上的平凡化。
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