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定理Theorem

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。

在每一点附近,测地线能给出短距离的最短路线。要把这件事推广到远处,还必须排除路线在有限距离内跑到空间的缺口。Hopf–Rinow定理说明,在有限维Riemann流形上,“没有这种缺口”既能用Cauchy列描述,也能用测地线能走多久描述,并足以保证任意两点之间有最短路线。

形式陈述 ​

四种等价的完备性条件 ​

设 M为非空、连通、有限维的光滑流形,没有边界,g为光滑正定Riemann度量。以曲线长度的下确界定义距离 dg;连通性及局部道路连通性保证任意两点可由有限长分段光滑曲线连接,故该距离有限。

以下条件等价:

  1. (M,dg)是完备度量空间,即每个Cauchy列在 M中收敛
  2. 每条具有给定位置与初速度的测地线都能延拓到全部实数时间,称为测地完备
  3. 存在一个 p∈M,使 expp在整个 TpM上有定义
  4. 每个闭且有界的子集都是紧集;等价地,每个闭距离球都是紧集

在这些条件成立时,对任意 p,q∈M,存在测地线连接它们,且长度恰为 dg(p,q)。这样的曲线称为极小测地线。这里保证存在,没有保证唯一。

条件3表面上只检查一个出发点和时间1,但它允许任意大小的初速度。测地线的缩放关系 γp,av(t)=γp,v(at)使这个条件覆盖从 p出发的任意有限行程。负时间由初速度 −v处理。

若维数为零,连通流形只有一个点,以上结论直接成立。下面证明讨论正维情形。

直觉

度量完备为什么能防止测地线提前终止 ​

设测地线 γ定义到某个有限右端点 b之前,常速为 c。对 s,t<b,

(1)dg(γ(s),γ(t))≤c|s−t|.

所以当 t↑b时,γ(t)是Cauchy族。度量完备给出极限点 q∈M。

仅有位置收敛还不够:测地方程的状态包含位置和速度。取 q附近一个坐标邻域,再取其中包含 q的紧小邻域 K。由于距离拓扑与流形拓扑相同,γ的末段留在 K内。设坐标为 x(t);在 K上存在 m>0使

gx(u,u)≥m|u|2.

常速性于是给出 |x′(t)|≤c/m。Christoffel系数在 K上有界,而测地方程为

x″k=−∑i,jΓijk(x)x′ix′j,

故 |x″(t)|也有统一上界。于是 x′(t)在 t↑b时有极限 v。

现在位置—速度状态收敛到坐标域内部的 (x(q),v)。光滑方程满足Picard–Lindelöf存在唯一性定理的局部条件,从时间 b以该状态继续求解即可。原末段的积分方程在极限处仍成立,唯一性使新旧解拼成同一条光滑测地线。左端点同理,因此条件1推出条件2;条件2显然推出条件3。

一小段正确方向从哪里来 ​

下面从条件3出发,固定它提供的点 p,为任意 q≠p构造极小连接。记 D=dg(p,q)>0。

由Gauss径向正交引理,可选 0<ε<D,使 p周围半径 ε的距离球是正常球,其边界紧。取从 p到 q的曲线 cj,满足

L(cj)⟶D.

让 xj为 cj第一次碰到这个小球面的点。取子列使 xj→x。第一次出球之前至少走了 ε,因此

ε+dg(xj,q)≤L(cj).

取极限,并结合三角不等式 D≤ε+dg(x,q),得到

(2)ε+dg(x,q)=D.

于是从 p径向走到 x,恰好用掉总距离中的 ε,没有浪费。令 v为该径向的单位初速度,由条件3可将 γ(t)=expp⁡(tv)定义到所有需要的时间。

最短曲线不能带一个真正的折角 ​

后面要把两段短测地线拼起来。先证明:若一条分段测地线已经最短,那么拼接处的入射与出射单位速度必须相同。

设拼接点为 z,入射速度为 u,出射速度为 w。在以 z为原点的正常坐标中,拼接点前后各距离 h的点,其坐标分别为 −hu和 hw。原折线长 2h。

若 u≠w,则 |u+w|<2。用坐标中的直线段连接这两个点,由 g(0)为欧氏内积且 g(x)=g(0)+O(|x|),新路线长度为

h|u+w|+O(h2)<2h

当 h足够小时,这严格小于原折线的长度 2h,与最短性矛盾。因此两段速度相同,再由测地初值唯一性,它们其实是同一条测地线的连续部分。

正确方向可以一直走到目标 ​

同时记录已走弧长与剩余距离,定义

(3)S={t∈[0,D]:dg(p,γ(t))=t,dg(γ(t),q)=D−t}.

式(2)说明 ε∈S;距离连续说明 S闭,因此存在最大元 τ。

若 τ<D,在 y=γ(τ)处重复小球论证,取正常半径 0<δ<D−τ,得到球面点 z,满足

dg(y,z)=δ,δ+dg(z,q)=D−τ.

三角不等式的两端夹住同一个数:

(4)τ+δ=D−dg(z,q)≤dg(p,z)≤dg(p,y)+dg(y,z)=τ+δ.

所以从 p沿 γ走到 y,再沿短径向测地线走到 z,恰为一条最短路线。刚才的折角论证迫使后一段继续沿 γ前进,因而 z=γ(τ+δ)。式(4)及剩余距离等式说明 τ+δ∈S,与 τ最大矛盾。

因此 τ=D,式(3)给出 dg(γ(D),q)=0,即 γ(D)=q。我们已经构造出从 p到任意 q的极小测地线。

从极小连接得到紧球,再回到度量完备 ​

条件3提供的 expp在整个有限维向量空间上光滑。刚证出的极小连接给出

(5)B―dg(p,R)=expp⁡(B―TpM(0,R)).

右侧包含于左侧,因为每条径向曲线的长度至多 R;左侧包含于右侧,因为每个球内点都有长度不超过 R的极小连接。

切空间闭球紧,连续像也紧。任意闭有界集都包含于某个以 p为中心的闭球中,且为其闭子集,因此也紧。这证明条件3推出条件4。

最后,任意Cauchy列有界。条件4给它一个收敛子列;再用Cauchy条件,整列收敛到同一极限,故条件4推出条件1。四个条件形成完整闭环。它们成立后,条件2对每个出发点都成立,前面的构造遂适用于任意一对端点。

例子与边界

任意两点都有最短路线,空间仍可能不完备 ​

欧氏平面的开单位圆盘中,两点之间的直线段完全留在圆盘内,因而是唯一最短路线。但点列 (1−1/j,0)是Cauchy列,其极限 (1,0)不在圆盘内。

因此“任意两点存在极小连接”只是定理的推论,不能加入四个等价条件。圆盘中的径向测地线在有限时间触及缺失的边界,正好暴露其不完备。

缺一个点,长度下确界可以取不到 ​

在 M=R2∖{0}上取欧氏度量,令 p=(−1,0)、q=(1,0)。任何连接的长度至少为2。经过 (0,η)的两段折线避开原点,长度为

21+η2⟶2(η↓0).

所以 dg(p,q)=2。然而欧氏长度达到端点距离的曲线只能沿直线段单调前进;该线段经过删去的原点,故下确界没有被任何允许曲线达到。

这里点列 (1/j,0)再次显示度量不完备。数值上找到越来越短的候选曲线,并不足以认证存在一条真正最短曲线。

完备不等于紧,也不等于唯一最短 ​

平坦圆柱 R2/(ℓZ×{0})的测地线来自全部实数时间上的直线,故测地完备,但沿轴向无界,所以不紧。相差半周、且有任意固定高度差的两个点,有左右绕行的两条等长极小连接。

圆球则紧且完备。非对跖点的短大圆弧唯一,对跖点之间有无穷多条半大圆极小连接。紧性仍不会补上唯一性。

图中周长为6,端点高度差为4。两个最近提升的横向差分别为−3与3,给出两条长度为5的最短连接;所有其他整数提升都更远。

无边界与有限维条件确实有作用 ​

带通常距离的闭区间 [0,1]完备,但从内部向右走的单位速度直线在到达1后不能在区间内继续保持原速度。它是带边界对象,不满足本定理的无边界条件。

无限维Hilbert空间 ℓ2完备,直线测地线也能无限延拓,但标准正交向量 ej之间距离为 2,所以闭单位球不紧。证明中的有限维紧球不能照搬到无限维。

推论与应用

紧流形自动测地完备 ​

紧度量空间中的Cauchy列必收敛,故紧且无边界的Riemann流形满足条件1,继而测地完备。若已知一个Riemann流形完备,再证明其直径有限,则整个空间是一个闭有界集,由条件4得到紧性。

Bonnet–Myers定理正使用后面这条路线:先用曲率限制最短测地线的长度,再由Hopf–Rinow把直径上界转成紧性。仅有有限直径而没有完备性,开圆盘已说明不够。

给最短路计算划清可认证的结论 ​

局部测地方程产生候选曲线;完备性保证远端目标至少有一个极小候选;具体距离比较才判断候选是否最短,以及是否还有别的同长路线。这三项需要分别核验。

全局测地线证书终点以圆柱的整数提升、缺点平面的趋近折线及开圆盘的逃逸序列执行这三步。每个结论都有长度公式或序列证书,而不是只依据示意图判断。

参考资料
  • Matthias Weber, Lectures on Riemannian Geometry,2005年9月23日版本,§8.1,命题8.1.1、定理8.1.1,第190–193页。核对有限端点延拓和由单点指数映射构造极小连接的机制。
  • Danny Calegari, Notes on Riemannian Geometry,2013,§4.4,定理4.8,第16–17页。完备性与紧球的等价关系;本页将延拓所需的速度极限及折角缩短单独展开。
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