Введение
Римановская геометрия — это раздел дифференциальной геометрии, изучающий римановы многообразия, определяемые как гладкие многообразия, оснащённые римановой метрикой (внутренним произведением на касательном пространстве в каждой точке, плавно меняющимся от точки к точке). Это, в частности, позволяет локально определять понятия угла, длины кривых, площади поверхности и объёма. На основе этих локальных понятий можно получить некоторые глобальные величины, интегрируя локальные вклады. Римановская геометрия берёт начало в идеях Бернхарда Римана, изложенных в его инаугурационной лекции «Ueber die Hypothesen, welche der Geometrie zu Grunde liegen» («О гипотезах, лежащих в основе геометрии»). Это очень широкое и абстрактное обобщение дифференциальной геометрии поверхностей в R3. Развитие римановской геометрии привело к синтезу различных результатов, касающихся геометрии поверхностей и поведения геодезических на них, с использованием методов, применимых к изучению дифференцируемых многообразий более высоких размерностей. Она позволила сформулировать общую теорию относительности Эйнштейна, оказала глубокое влияние на теорию групп и теорию представлений, а также на анализ и стимулировала развитие алгебраической и дифференциальной топологии.
Riemannian geometry is the branch of differential geometry that studies Riemannian manifolds, defined as smooth manifolds with a Riemannian metric (an inner product on the tangent space at each point that varies smoothly from point to point). This gives, in particular, local notions of angle, length of curves, surface area and volume. From those, some other global quantities can be derived by integrating local contributions. Riemannian geometry originated with the vision of Bernhard Riemann expressed in his inaugural lecture "Ueber die Hypothesen, welche der Geometrie zu Grunde liegen" ("On the Hypotheses on which Geometry is Based"). It is a very broad and abstract generalization of the differential geometry of surfaces in R3. Development of Riemannian geometry resulted in synthesis of diverse results concerning the geometry of surfaces and the behavior of geodesics on them, with techniques that can be applied to the study of differentiable manifolds of higher dimensions. It enabled the formulation of Einstein's general theory of relativity, made profound impact on group theory and representation theory, as well as analysis, and spurred the development of algebraic and differential topology.
Введение
Римановская геометрия была впервые сформулирована в общем виде Бернардом Риманом в XIX веке. Она изучает широкий класс геометрий, метрические свойства которых меняются от точки к точке, включая стандартные типы неевклидовой геометрии. Каждое гладкое многообразие допускает риманову метрику, которая часто помогает в решении задач дифференциальной топологии. Она также является отправной точкой для более сложной структуры псевдоримановых многообразий, которые (в четырёхмерном пространстве) являются основными объектами теории общей относительности. Другие обобщения римановской геометрии включают геометрию Финслера. Существует тесная аналогия между дифференциальной геометрией и математической структурой дефектов в регулярных кристаллах. Дислокации и дисклинации порождают кручение и кривизну. Следующие статьи содержат полезные вводные материалы:
Метрический тензор
Риманово многообразие
Соединение Леви-Чивиты
Кривизна
Тензор кривизны Римана
Список тем дифференциальной геометрии
Глоссарий римановой и метрической геометрии
Metric tensor
Riemannian manifold
Levi Civita connection
Curvature
Riemann curvature tensor
List of differential geometry topics
Glossary of Riemannian and metric geometry
Классические теоремы
Ниже представлен неполный список наиболее классических теорем в римановой геометрии. Выбор обусловлен их важностью и изяществом формулировок. Большинство результатов можно найти в классической монографии Джеффа Чигера и Д. Эбина (см. ниже). Представленные формулировки не отличаются особой точностью или общностью. Этот список предназначен для тех, кто уже знаком с основными определениями и хочет понять, к чему они относятся.
Общие теоремы
Теорема Гаусса — Бонне. Интеграл от гауссовой кривизны на компактном двумерном римановом многообразии равен 2πχ(M), где χ(M) обозначает эйлерову характеристику M. Эта теорема имеет обобщение на любое компактное чётномерное риманово многообразие, см. обобщённую теорему Гаусса — Бонне. Теоремы Нэша о вложениях. Они утверждают, что любое риманово многообразие может быть изометрически вложено в евклидово пространство Rn.
Геометрия в большом
Во всех следующих теоремах мы исходим из некоторого локального поведения пространства (обычно формулируемого в виде предположения о кривизне), чтобы вывести информацию о его глобальной структуре, включая сведения либо о топологическом типе многообразия, либо о поведении точек на "достаточно больших" расстояниях.
Ключевая кривая сечения
Сферная теорема. Если M — односвязное компактное n-мерное риманово многообразие с секционной кривизной, строго зажатой между 1/4 и 1, то M диффеоморфно сфере. Теорема о конечности Чигера. Для заданных констант C, D и V существует лишь конечное число (с точностью до диффеоморфизма) компактных n-мерных римановых многообразий с секционной кривизной |K| ≤ C, диаметром ≤ D и объемом ≥ V. Почти плоские многообразия Громова. Существует εn > 0 такое, что если n-мерное риманово многообразие имеет метрику с секционной кривизной |K| ≤ εn и диаметром ≤ 1, то его конечное накрытие диффеоморфно нильмногообразию.
Gromov's almost flat manifolds. There is an εn > 0 such that if an n dimensional Riemannian manifold has a metric with sectional curvature |K| ≤ εn and diameter ≤ 1 then its finite cover is diffeomorphic to a nil manifold.
Круглая кривизна, ограниченная ниже
Теорема о душе Чигера — Громолла. Если M — некомпактное полное n-мерное риманово многообразие с неотрицательной кривизной, то M содержит компактное, полностно геодезическое подмногообразие S, такое что M диффеоморфно нормальному расслоению S (S называется душой M). В частности, если M имеет строго положительную кривизну всюду, то оно диффеоморфно Rn. Г. Перельман в 1994 году дал удивительно элегантное и короткое доказательство гипотезы о душе: M диффеоморфно Rn, если оно имеет положительную кривизну только в одной точке. Теорема Громова о числах Бетти. Существует константа C = C(n) такая, что если M — компактное связное n-мерное риманово многообразие с положительной сечной кривизной, то сумма его чисел Бетти не превосходит C. Теорема о конечности Гроува — Петерсена. Для заданных констант C, D и V существует лишь конечное число типов гомотопии компактных n-мерных римановых многообразий с сечной кривизной K ≥ C, диаметром ≤ D и объемом ≥ V.
Grove–Petersen's finiteness theorem. Given constants C, D and V, there are only finitely many homotopy types of compact n dimensional Riemannian manifolds with sectional curvature K ≥ C, diameter ≤ D and volume ≥ V.
Кривая Риччи, ограниченная ниже
Теорема Майерса. Если полное риманово многообразие имеет положительную кривизну Риччи, то его фундаментальная группа конечна. Формула Бохнера. Если компактное риманово n-многообразие имеет неотрицательную кривизну Риччи, то его первое число Бетти не превосходит n, причем равенство достигается тогда и только тогда, когда риманово многообразие является плоским тором. Теорема о расщеплении. Если полное n-мерное риманово многообразие имеет неотрицательную кривизну Риччи и содержит геодезическую, минимизирующую расстояние на каждом интервале (то есть прямую линию), то оно изометрично прямому произведению вещественной прямой и полного (n-1)-мерного риманова многообразия с неотрицательной кривизной Риччи. Неравенство Бишопа — Громова. Объем метрического шара радиуса r в полном n-мерном римановом многообразии с положительной кривизной Риччи не превосходит объема шара того же радиуса r в евклидовом пространстве. Теорема о компактности Громова. Множество всех римановых многообразий с положительной кривизной Риччи и диаметром, не превышающим D, является предкомпактным в метрике Громова — Хаусдорфа.
Отрицательная кривая Риччи
Изометрическая группа компактного риманова многообразия с отрицательной кривизной Риччи дискретна. Любое гладкое многообразие размерности n ≥ 3 допускает риманову метрику с отрицательной кривизной Риччи. (Это неверно для поверхностей.)
Положительная скалярная кривизна
n-мерный тор не допускает метрику с положительной скалярной кривизной. Если радиус инъективности компактного n-мерного риманова многообразия больше или равен π, то средняя скалярная кривизна не превосходит n(n-1).