Skip to content

定理Theorem

Gauss径向正交引理

Riemannian Gauss lemma · Gauss radial lemma · 黎曼几何Gauss引理 · 径向正交引理

证明指数映射保留径向内积,由此分解曲线的径向与角向速度,认证正常球中心到球内点的最短连接及其唯一性,并处理离开球的竞争曲线与球面边界。

从一点朝各个方向发出测地线,走相同的距离,会得到一圈“等距离线”。Gauss引理说明:向外走的方向与沿这一圈移动的方向垂直。这个正交关系把长度拆成两部分,进而证明在足够小的范围内,径直向外走确实最短。

形式陈述 ​

径向内积恒等式 ​

设 M为有限维、无边界的光滑Riemann流形,p∈M。沿用测地线页的指数映射

expp⁡(v)=γp,v(1),γp,v(0)=p,γ˙p,v(0)=v.

它的定义域是 TpM中含零点的开集:只收录能走到时间1的初速度。若 v在定义域内,整段 tv,0≤t≤1,也在定义域内。

把向量空间 TpM在 v处的切空间仍识别为 TpM。Gauss径向正交引理断言,对任意 w∈TpM,

(1)⟨(dexpp)v(v),(dexpp)v(w)⟩expp⁡(v)=⟨v,w⟩p.

取 w=v可知径向速度的长度保持;取 w⊥v可知角向速度与径向速度正交。这并没有断言两个任意方向的内积都保持。

正常球中的最短连接 ​

因为 (dexpp)0=id,反函数定理给出一个 R0>0,使 expp在切空间开球 BR0(0)上为微分同胚。取 0<R<R0,记

UR=expp⁡(BR(0)).

这样的邻域称为以 p为中心的正常球。对于 v∈BR(0),令 q=expp⁡(v),则

(2)dg(p,q)=|v|p.

最短曲线的几何轨迹唯一,是 t↦expp⁡(tv),0≤t≤1。这里允许竞争曲线离开 UR;它们都不会更短。若固定参数区间并要求常速,最短曲线本身唯一。任意参数化下,可以加入停顿或作单调重参数化,不能仍要求函数表达式唯一。

直觉

两参数测地族给出正交性 ​

把初速度略改为 v+sw,考虑

F(s,t)=expp⁡(t(v+sw)),T=∂tF,S=∂sF.

s足够小时,所有 0≤t≤1均有定义。每条固定 s的曲线都是测地线,所以 DtT=0,且它的速度平方一直等于 |v+sw|p2。

Levi–Civita联络的无挠性给出 DtS=DsT,度量相容性于是给出

∂t⟨S,T⟩=⟨DtS,T⟩+⟨S,DtT⟩=12∂s⟨T,T⟩=⟨v+sw,w⟩p.

t=0时 F(s,0)=p与 s无关,故 S(s,0)=0。对 t积分,在 s=0,t=1处得到

⟨S(0,1),T(0,1)⟩=⟨v,w⟩p.

而 S(0,1)=(dexpp)v(w),T(0,1)=(dexpp)v(v),这就是式(1)。证明只需要测地方程和联络的两个性质,不预先假定这些曲线最短。

曲线向侧面绕行要支付额外长度 ​

先考虑留在 UR中的分段光滑曲线 c。把它写成正常坐标

c(s)=expp⁡(v(s)),v(s)=r(s)θ(s),|θ(s)|p=1.

在 r(s)>0处,⟨θ,θ′⟩p=0。将 v′=r′θ+rθ′代入式(1),得到精确分解

(3)|c′(s)|g2=(r′(s))2+|(dexpp)rθ(rθ′)|g2≥(r′(s))2.

第一项负责离中心变远或变近,第二项负责改变方向。第二项不能用来抵消第一项。

即使曲线经过中心,r(s)=|v(s)|p仍是绝对连续函数,式(3)的下界几乎处处成立;在中心处也可由 (dexpp)0=id直接得到相同估计。因此从 p走到 q=expp⁡(v),

(4)L(c)=∫|c′|gds≥∫|r′|ds≥|r(终点)−r(起点)|=|v|p.

径向测地线速度恒定,长度正好 |v|p,所以它达到这一界。

离开球的路线为什么也不能抢先 ​

expp在更大的球 BR0(0)上仍是一一对应的,而 B―R(0)是紧集。因此 UR的边界恰为 expp⁡({u:|u|p=R})。

任何从 p出发、曾离开 UR的连续分段光滑曲线,都有第一次到达这条边界的时刻。在此之前应用式(4),再取到该时刻的极限,已经走了至少 R。由于目标点满足 |v|p<R,这种路线严格长于径向路线。这一步排除了“先出小球再走捷径”的可能。

什么时候取等号 ​

若一条曲线的长度恰为 |v|p,它首先不能离开球。式(4)取等要求 r不下降;式(3)取等要求角向项为零。正常坐标中的 dexpp可逆,所以只要 r>0,便有 θ′=0。

因此曲线离开中心后只能沿同一条射线向外走,不能折返或改变方向。分段光滑情形下,这个几乎处处的结论由绝对连续性推出整段成立。若 q=p,最短长度为零,只能是常值曲线。

例子与边界

球面:径向长度保持,圆周长度改变 ​

半径为 a的圆球 Sa2⊂R3上,对 p∈Sa2和 v∈TpSa2,令 r=|v|。当 v≠0,

(5)expp⁡(v)=cos⁡(r/a)p+asin⁡(r/a)vr.

在 0<r<πa的极坐标中,拉回度量为

(6)expp∗⁡g=dr2+a2sin2⁡(r/a)dθ2.

径向系数为1,交叉项为零,正好对应Gauss引理。角向系数却不等于欧氏极坐标的 r2;例如 r=πa/2时,球面纬圈长度为 2πa,而切空间对应圆周长度为 π2a。

在 r=πa时,所有方向都到达对跖点,角向微分为零。式(1)仍成立,但指数映射不再是一一对应的正常坐标。径向恒等式本身不会阻止这种合并。

图中取 a=2,r=π,两边使用各自切平面的正交标准坐标及同一长度比例;它画的是微分对向量的作用。

正常球不一定对任意两点都唯一最短 ​

在单位球面,以北极为中心取半径 3π/4的正常球。赤道上的一对对跖点都距北极 π/2,所以都在球内。它们之间却有多条最短半大圆。

因而“中心到每一点有唯一径向最短连接”不能换成“球内任意两点都有唯一最短连接”。后一种强凸性质还要进一步缩小邻域或另作证明。

局部等距也不保证全局单射 ​

周长为 ℓ的平坦圆柱可写为 R2/(ℓZ×{0})。其指数映射为平面向圆柱的投影,处处保持整个切空间的内积,但相差 (ℓ,0)的向量仍会落到同一点。

这比Gauss引理更强的局部性质,也不能给出全局唯一性。Jacobi场页的圆柱例进一步说明:不存在共轭点仍不能排除绕行造成的全局竞争。

推论与应用

小距离可以用正常坐标精确读出 ​

对上面选定的 R,其实有

UR={q∈M:dg(p,q)<R}.

正向包含来自式(2)。反向包含也由第一次出球论证得到:若 q∉UR,每条从 p到 q的路线在出球前已长至少 R,故距离不小于 R。所以这里的“正常球”确实是Riemann距离球,不只是坐标球的一个名字。

还可逐渐扩大半径,只要指数映射在稍大的闭包附近仍为微分同胚,同样的证明就继续有效。边界处可能发生方向合并或不同测地线相遇,不能从内部结论直接推出边界唯一性。

全局存在性证明所需的局部输入 ​

Hopf–Rinow定理将使用这里的两个输出:小距离球面紧,以及中心到球面点的径向连接确实最短。它再结合完备性,把一段局部最短连接延长成连接任意两点的全局极小测地线。

可在全局测地线证书终点中先核球面的径向与角向长度,再核圆柱不同提升的长度。前者检查正交分解,后者检查同一终点的全局竞争,两项计算承担不同的任务。

参考资料
  • Matthias Weber, Lectures on Riemannian Geometry,2005年9月23日版本,§3.4,定理3.4.1–3.4.2,第79–83页。用于核对径向正交与正常邻域内的长度比较。
  • Danny Calegari, Notes on Riemannian Geometry,2013,§4.3,引理4.6、推论4.7,第15–16页。径向恒等式与局部最短性;本页另外展开首次出球及取等条件。
关系图谱6 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系

使用的工具

被这些条目使用