रीमैनियन बहुविध

This article is about a concept from differential geometry. For the algebraic concept, see Zariski–Riemann space.

Not to be confused with Riemann surface.

डिफरेंशियल ज्योमेट्री में, एक रीमैनियन मैनिफोल्ड या रीमैनियन स्पेस (M, g), जिसे जर्मन गणितज्ञ बर्नहार्ड रीमैन के नाम से जाना जाता है, एक वास्तविक कई गुना, चिकनी कई गुना एम है जो एक सकारात्मक-निश्चित आंतरिक उत्पाद स्थान जी से सुसज्जित है।_p स्पर्शरेखा स्थान T पर_pएम प्रत्येक बिंदु पर पी.

परिवार जी_p आंतरिक उत्पादों की संख्या को मेट्रिक टेन्सर कहा जाता है|रीमैनियन मेट्रिक (या रीमैनियन मेट्रिक टेंसर)। रीमैनियन ज्योमेट्री रीमैनियन मैनिफोल्ड्स का अध्ययन है।

जी को स्मूथनेस के रूप में लेना एक सामान्य परंपरा है, जिसका अर्थ है कि किसी भी स्मूथ कोऑर्डिनेट चार्ट के लिए (U, x) एम पर, एन² कार्य करता है

$g\left({\frac {\partial }{\partial x^{i}}},{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right):U\to \mathbb {R}$

चिकने कार्य हैं। इन कार्यों को आमतौर पर के रूप में नामित किया जाता है $g_{ij}$.

आगे प्रतिबंधों के साथ $g_{ij}$, लिप्सचिट्ज़ निरंतरता रीमैनियन मेट्रिक्स या मापने योग्य फ़ंक्शन रीमैनियन मेट्रिक्स, कई अन्य संभावनाओं के बीच भी विचार कर सकते हैं।

एक रिमेंनियन मेट्रिक (टेंसर) रिमेंनियन मैनिफोल्ड पर कई ज्यामितीय धारणाओं को परिभाषित करना संभव बनाता है, जैसे कि एक चौराहे पर कोण, एक वक्र की लंबाई, एक सतह का क्षेत्र और उच्च-आयामी एनालॉग्स (आयतन, आदि), बाहरी वक्रता की सबमनीफोल्ड्स, और मैनिफोल्ड की आंतरिक वक्रता।

परिचय

1828 में, कार्ल फ्रेडरिक गॉस ने अपने प्रमेय एग्रेगियम (लैटिन में उल्लेखनीय प्रमेय) को साबित किया, सतहों की एक महत्वपूर्ण संपत्ति की स्थापना की। अनौपचारिक रूप से, प्रमेय कहता है कि गॉसियन वक्रता पूरी तरह से सतह पर पथों के साथ दूरी को मापकर निर्धारित की जा सकती है। यही है, वक्रता इस बात पर निर्भर नहीं करती है कि सतह को 3-आयामी अंतरिक्ष में कैसे एम्बेड किया जा सकता है। सतहों की विभेदक ज्यामिति देखें। बर्नहार्ड रीमैन ने गॉस के सिद्धांत को कई गुना नामक उच्च-आयामी रिक्त स्थान तक विस्तारित किया जो दूरी और कोणों को मापने की अनुमति देता है और वक्रता की धारणा को फिर से परिभाषित करने की अनुमति देता है, जो कि कई गुना के लिए आंतरिक है और इसके एम्बेडिंग पर निर्भर नहीं है। उच्च-आयामी रिक्त स्थान। अल्बर्ट आइंस्टीन ने सापेक्षता के अपने सामान्य सिद्धांत को विकसित करने के लिए स्यूडो-रीमैनियन मैनिफोल्ड्स (रीमैनियन मैनिफोल्ड्स का एक सामान्यीकरण) के सिद्धांत का इस्तेमाल किया। विशेष रूप से, गुरुत्वाकर्षण के लिए उनके समीकरण दिक्-काल की वक्रता पर प्रतिबन्ध (गणित) हैं।

परिभाषा

चिकने मैनिफोल्ड का स्पर्शरेखा बंडल $M$ प्रत्येक बिंदु को आवंटित करता है $p$ का $M$ एक वेक्टर स्थान $T_{p}M$ की स्पर्शरेखा स्थान कहलाती है $M$ पर $p.$ एक रिमेंनियन मीट्रिक (इसकी परिभाषा के अनुसार) प्रत्येक को निर्दिष्ट करता है $p$ एक सकारात्मक-निश्चित आंतरिक उत्पाद $g_{p}:T_{p}M\times T_{p}M\to \mathbb {R} ,$ जिसके साथ एक आदर्श आता है $|\cdot |_{p}:T_{p}M\to \mathbb {R}$ द्वारा परिभाषित $|v|_{p}={\sqrt {g_{p}(v,v)}}.$ चिकना कई गुना $M$ इस मीट्रिक के साथ संपन्न $g$ एक रिमेंनियन मैनिफोल्ड है, जिसे निरूपित किया गया है $(M,g)$.

जब सुचारू स्थानीय निर्देशांक की एक प्रणाली दी जाती है $M,$ के द्वारा दिया गया $n$ वास्तविक मूल्यवान कार्य $(x^{1},\ldots ,x^{n}):U\to \mathbb {R} ^{n},$ वैक्टर

$\left\{{\frac {\partial }{\partial x^{1}}}{\Big |}_{p},\dotsc ,{\frac {\partial }{\partial x^{n}}}{\Big |}_{p}\right\}$

सदिश स्थान का आधार बनता है $T_{p}M,$ किसी के लिए $p\in U.$ इस आधार के सापेक्ष, प्रत्येक बिंदु पर मीट्रिक टेन्सर घटकों को परिभाषित किया जा सकता है $p$ द्वारा

$g_{ij}|_{p}:=g_{p}\left(\left.{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}\right|_{p},\left.{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right|_{p}\right).$

इन्हें इस प्रकार माना जा सकता है $n^{2}$ व्यक्तिगत कार्य $g_{ij}:U\to \mathbb {R}$ या एकल के रूप में $n\times n$ मैट्रिक्स-मूल्यवान फ़ंक्शन चालू $U;$ ध्यान दें कि रीमैनियन धारणा कहती है कि यह सममित सकारात्मक-निश्चित मैट्रिसेस वाले सबसेट में मूल्यवान है।

टेन्सर बीजगणित के संदर्भ में, मीट्रिक टेन्सर को दोहरे आधार के रूप में लिखा जा सकता है {dx¹, ..., dxⁿ} कॉटैंजेंट बंडल के रूप में

$g=\sum _{i,j}g_{ij}\,\mathrm {d} x^{i}\otimes \mathrm {d} x^{j}.$

आइसोमेट्रिज

यदि $(M,g)$ तथा $(N,h)$ दो रिमेंनियन मैनिफोल्ड हैं, साथ में $f:M\to N$ एक भिन्नता, फिर $f$ एक आइसोमेट्री कहा जाता है अगर $g=f^{\ast }h,$ यानी अगर

$g_{p}(u,v)=h_{f(p)}(df_{p}(u),df_{p}(v))$

सभी के लिए $p\in M$ तथा $u,v\in T_{p}M.$ एक का कहना है कि एक नक्शा $f:M\to N,$ एक भिन्नता नहीं माना जाता है, यदि प्रत्येक स्थानीय आइसोमेट्री है $p\in M$ एक खुला पड़ोस है $U$ ऐसा है कि $f:U\to f(U)$ एक आइसोमेट्री है (और इस प्रकार एक भिन्नता)।

एक रीमैनियन मीट्रिक की नियमितता

एक का कहना है कि रिमेंनियन मीट्रिक $g$ यदि निरंतर है $g_{ij}:U\to \mathbb {R}$ किसी भी सहज समन्वय चार्ट दिए जाने पर निरंतर होते हैं $(U,x).$ एक कहता है $g$ सुचारू है अगर किसी भी सुचारू समन्वय चार्ट को दिए जाने पर ये कार्य सुचारू हैं। इस भावना में कई अन्य प्रकार के रीमैनियन मेट्रिक्स पर भी विचार किया जा सकता है।

रीमैनियन ज्यामिति के अधिकांश एक्सपोजिटरी खातों में, मेट्रिक्स हमेशा चिकनी होने के लिए लिया जाता है। हालाँकि, मेट्रिक्स पर विचार करने के महत्वपूर्ण कारण हो सकते हैं जो कम सहज हैं। विशेष रूप से, ज्यामितीय विश्लेषण के तरीकों द्वारा निर्मित रिमेंनियन मेट्रिक्स चिकनी से कम हो सकते हैं। उदाहरण के लिए देखें (ग्रोमोव 1999) और (शि और टैम 2002)।

सिंहावलोकन

रीमैनियन मैनिफोल्ड्स के उदाहरणों पर नीचे चर्चा की जाएगी। जॉन फोर्ब्स नैश जूनियर के एक प्रसिद्ध नैश एम्बेडिंग प्रमेय में कहा गया है कि, किसी भी चिकनी रीमैनियन कई गुना दिए जाने पर $(M,g),$ एक (आमतौर पर बड़ी) संख्या होती है $N$ और एक एम्बेडिंग $F:M\to \mathbb {R} ^{N}$ ऐसा कि पुलबैक (डिफरेंशियल ज्योमेट्री) द्वारा $F$ मानक रिमेंनियन मीट्रिक पर $\mathbb {R} ^{N}$ है $g.$ अनौपचारिक रूप से, एक चिकनी रिमेंनियन मैनिफोल्ड की पूरी संरचना को कुछ यूक्लिडियन अंतरिक्ष के एक निश्चित एम्बेडेड सबमनीफोल्ड के लिए डिफियोमोर्फिज्म द्वारा एन्कोड किया जा सकता है। इस अर्थ में, यह तर्क दिया जा सकता है कि सार चिकनी मैनिफोल्ड्स और उनके रीमैनियन मेट्रिक्स के विचार से कुछ भी प्राप्त नहीं किया जा सकता है। हालांकि, कई प्राकृतिक चिकने रीमैनियन मैनिफोल्ड हैं, जैसे कि 3डी रोटेशन ग्रुप | त्रि-आयामी अंतरिक्ष और अतिपरवलयिक स्थान के रोटेशन का सेट, जिनमें से यूक्लिडियन अंतरिक्ष के सबमेनिफोल्ड के रूप में कोई भी प्रतिनिधित्व उनकी उल्लेखनीय समरूपता और गुणों का प्रतिनिधित्व करने में विफल रहेगा। स्पष्ट रूप से जैसा कि उनकी अमूर्त प्रस्तुतियाँ करती हैं।

उदाहरण

यूक्लिडियन स्थान

होने देना $x^{1},\ldots ,x^{n}$ पर मानक निर्देशांक निरूपित करें $\mathbb {R} ^{n}.$ फिर परिभाषित करें $g_{p}^{\mathrm {can} }:T_{p}\mathbb {R} ^{n}\times T_{p}\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R}$ द्वारा

$\left(\sum _{i}a_{i}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}},\sum _{j}b_{j}{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right)\longmapsto \sum _{i}a_{i}b_{i}.$

अलग-अलग वाक्यांश: मानक निर्देशांक के सापेक्ष, स्थानीय प्रतिनिधित्व $g_{ij}:U\to \mathbb {R}$ स्थिर मान द्वारा दिया जाता है $\delta _{ij}.$ यह स्पष्ट रूप से एक रिमेंनियन मीट्रिक है, और इसे मानक रीमैनियन संरचना कहा जाता है $\mathbb {R} ^{n}.$ इसे आयाम n और g के यूक्लिडियन स्थान के रूप में भी जाना जाता है_ij^can को (प्रामाणिक) यूक्लिडियन मीट्रिक भी कहा जाता है।

एंबेडेड सबमनिफोल्ड्स

होने देना $(M,g)$ एक Riemannian कई गुना हो और चलो $N\subset M$ का सबमेनफोल्ड हो $M,$ जो कम से कम है $C^{1}.$ फिर N के साथ सदिश स्पर्शरेखा पर g का प्रतिबंध (गणित) N पर एक रिमेंनियन मीट्रिक को परिभाषित करता है।

• उदाहरण के लिए, विचार कीजिए $S^{n-1}=\{x\in \mathbb {R} ^{n}:(x^{1})^{2}+\cdots +(x^{n})^{2}=1.\},$ जो अपने मानक मीट्रिक के साथ यूक्लिडियन अंतरिक्ष का एक चिकना एम्बेडेड सबमनीफोल्ड है। रिमेंनियन मीट्रिक यह प्रेरित करता है $S^{n-1}$ मानक मीट्रिक या कैननिकल मीट्रिक कहा जाता है $S^{n-1}.$
• ऐसे ही कई उदाहरण हैं। उदाहरण के लिए, प्रत्येक दीर्घवृत्त में $\mathbb {R} ^{3}$ एक प्राकृतिक रिमेंनियन मीट्रिक है। एक सुचारू कार्य का ग्राफ $f:\mathbb {R} ^{3}\to \mathbb {R}$ एक एम्बेडेड सबमनीफोल्ड है, और इसलिए एक प्राकृतिक रीमैनियन मीट्रिक भी है।

विसर्जन

होने देना $(M,g)$ एक Riemannian कई गुना हो और चलो $f:\Sigma \to M$ एक अलग नक्शा बनें। तब कोई पुलबैक (अंतर ज्यामिति) पर विचार कर सकता है $g$ के जरिए $f$, जो एक सममित 2-टेंसर ऑन है $\Sigma$ द्वारा परिभाषित

$(f^{\ast }g)_{p}(v,w)=g_{f(p)}{\big (}df_{p}(v),df_{p}(w){\big )},$

कहाँ पे $df_{p}(v)$ का पुशफॉरवर्ड (अंतर) है $v$ द्वारा $f.$ इस सेटिंग में, आम तौर पर $f^{\ast }g$ रिमेंनियन मेट्रिक ऑन नहीं होगा $\Sigma ,$ चूंकि यह सकारात्मक-निश्चित नहीं है। उदाहरण के लिए, अगर $f$ स्थिर है, तो $f^{\ast }g$ शून्य है। वास्तव में, $f^{\ast }g$ एक रिमेंनियन मीट्रिक है अगर और केवल अगर $f$ एक विसर्जन (गणित) है, जिसका अर्थ है कि रैखिक मानचित्र $df_{p}:T_{p}\Sigma \to T_{f(p)}M$ प्रत्येक के लिए इंजेक्शन है $p\in \Sigma .$

• एक महत्वपूर्ण उदाहरण तब होता है जब $(M,g)$ सरलता से जुड़ा नहीं है, ताकि एक कवरिंग मैप हो ${\widetilde {M}}\to M.$ यह एक विसर्जन है, और इसलिए किसी भी रीमैनियन मैनिफोल्ड का सार्वभौमिक कवर स्वचालित रूप से एक रिमेंनियन मीट्रिक प्राप्त करता है। अधिक आम तौर पर, लेकिन उसी सिद्धांत से, रिमेंनियन मैनिफोल्ड के किसी भी कवरिंग स्पेस को रिमेंनियन मेट्रिक प्राप्त होता है।
• इसके अलावा, एक रिमेंनियन मैनिफोल्ड का एक डूबा हुआ सबमेनिफोल्ड एक रिमेंनियन मेट्रिक को इनहेरिट करता है।

उत्पाद मेट्रिक्स

होने देना $(M,g)$ तथा $(N,h)$ दो रीमैनियन कई गुना हो, और कार्टेशियन उत्पाद पर विचार करें $M\times N$ सामान्य उत्पाद चिकनी संरचना के साथ। रिमेंनियन मेट्रिक्स $g$ तथा $h$ स्वाभाविक रूप से एक रिमेंनियन मीट्रिक रखें ${\widetilde {g}}$ पर $M\times N,$ जिनका वर्णन कुछ इस प्रकार किया जा सकता है।

• अपघटन को ध्यान में रखते हुए $T_{(p,q)}(M\times N)\cong T_{p}M\oplus T_{q}N,$ कोई परिभाषित कर सकता है

${\widetilde {g}}_{p,q}(u\oplus x,v\oplus y)=g_{p}(u,v)+h_{q}(x,y).$

• होने देना $(U,x)$ एक सहज समन्वय चार्ट पर रहें $M$ और जाने $(V,y)$ एक सहज समन्वय चार्ट पर रहें $N.$ फिर $(U\times V,(x,y))$ पर एक सहज समन्वय चार्ट है $M\times N.$ सुविधा के लिए दें $\operatorname {Sym} _{n\times n}^{+}$ सकारात्मक-निश्चित सममित के संग्रह को निरूपित करें $n\times n$ वास्तविक मैट्रिसेस। के समन्वय प्रतिनिधित्व को निरूपित करें $g$ के सापेक्ष $(U,x)$ द्वारा $g_{U}:U\to \operatorname {Sym} _{m\times m}^{+}$ और के समन्वय प्रतिनिधित्व को निरूपित करें $h$ के सापेक्ष $(V,y)$ द्वारा $h_{V}:V\to \operatorname {Sym} _{n\times n}^{+}.$ फिर स्थानीय समन्वय का प्रतिनिधित्व ${\widetilde {g}}$ के सापेक्ष $(U\times V,(x,y))$ है ${\widetilde {g}}_{U\times V}:U\times V\to \operatorname {Sym} _{(m+n)\times (m+n)}^{+}$ के द्वारा दिया गया

$(p,q)\mapsto {\begin{pmatrix}g_{U}(p)&0\\0&h_{V}(q)\end{pmatrix}}.$

एन-टोरस पर विचार करना एक मानक उदाहरण है $T^{n},$ एन-फोल्ड उत्पाद के रूप में परिभाषित करें $S^{1}\times \cdots \times S^{1}.$ यदि कोई इसकी प्रत्येक प्रति देता है $S^{1}$ इसके मानक रिमेंनियन मीट्रिक, विचार कर रहे हैं $S^{1}\subset \mathbb {R} ^{2}$ एक एम्बेडेड सबमेनिफोल्ड (ऊपर के रूप में) के रूप में, फिर कोई उत्पाद रिमेंनियन मीट्रिक पर विचार कर सकता है $T^{n}.$ इसे समतल टोरस कहा जाता है।

मेट्रिक्स का उत्तल संयोजन

होने देना $g_{0}$ तथा $g_{1}$ दो रीमैनियन मेट्रिक्स ऑन हों $M.$ फिर, किसी भी संख्या के लिए $\lambda \in [0,1],$

${\tilde {g}}:=\lambda g_{0}+(1-\lambda )g_{1}$

एक रिमेंनियन मीट्रिक भी चालू है $M.$ अधिक सामान्यतः, यदि $a$ तथा $b$ तब कोई दो धनात्मक संख्याएँ हैं $ag_{0}+bg_{1}$ एक अन्य रिमेंनियन मीट्रिक है।

== प्रत्येक चिकने मैनिफोल्ड में एक रिमेंनियन मीट्रिक == होता है यह एक मौलिक परिणाम है। हालांकि रिमेंनियन मेट्रिक्स के अधिकांश मूल सिद्धांत को केवल इसका उपयोग करके विकसित किया जा सकता है कि एक स्मूथ मैनिफोल्ड स्थानीय रूप से यूक्लिडियन है, इस परिणाम के लिए स्मूथ मैनिफोल्ड की परिभाषा में यह शामिल करना आवश्यक है कि यह हॉसडॉर्फ और पैराकॉम्पैक्ट है। इसका कारण यह है कि प्रमाण एकता के विभाजन का उपयोग करता है।

Proof

Let $M$ be a differentiable manifold and $\{(U_{\alpha },\varphi _{\alpha })\}_{\alpha \in I}$ a locally finite atlas so that $U_{\alpha }\subseteq M$ are open subsets and $\varphi _{\alpha }\colon U_{\alpha }\to \varphi _{\alpha }(U_{\alpha })\subseteq \mathbf {R} ^{n}$ are diffeomorphisms.

Let $\{\tau _{\alpha }\}_{\alpha \in I}$ be a differentiable partition of unity subordinate to the given atlas, i.e. such that $\operatorname {supp} \,\tau _{\alpha }\subseteq U_{\alpha }$ for all $\alpha \in I$.

Then define the metric $g$ on $M$ by

$g:=\sum _{\beta \in I}\tau _{\beta }\cdot {\tilde {g}}_{\beta },\qquad {\text{with}}\qquad {\tilde {g}}_{\beta }:=\varphi _{\beta }^{*}g^{\mathrm {can} }\,\,{\text{on}}\,\,U_{\beta },$

कहाँ पे math>g^\mathrm{can}</math> यूक्लिडियन मीट्रिक ऑन है गणित>\R^n </गणित> और math>\varphi_\beta^*g^{\mathrm{can

</math> इसका पुलबैक है गणित> \varphi_\beta</math>.

यह आसानी से एक मीट्रिक के रूप में देखा जाता है $M$.}}

निरंतर जुड़े रिमेंनियन मैनिफोल्ड्स की मीट्रिक अंतरिक्ष संरचना

टुकड़े की लंबाई लगातार-अलग-अलग घटता

यदि $\gamma :[a,b]\to M$ अवकलनीय है, तो यह प्रत्येक को असाइन करता है $t\in (a,b)$ एक वेक्टर $\gamma '(t)$ वेक्टर अंतरिक्ष में $T_{\gamma (t)}M,$ जिसका आकार मानक से नापा जा सकता है $|\cdot |_{\gamma (t)}.$ इसलिए $t\mapsto |\gamma '(t)|_{\gamma (t)}$ अंतराल पर एक गैर-नकारात्मक कार्य को परिभाषित करता है $(a,b).$ लंबाई को इस फ़ंक्शन के अभिन्न अंग के रूप में परिभाषित किया गया है; हालाँकि, जैसा कि यहाँ प्रस्तुत किया गया है, इस फ़ंक्शन के पूर्ण होने की अपेक्षा करने का कोई कारण नहीं है। जी को निरंतर और मान लेना विशिष्ट है $\gamma$ निरंतर भिन्न होने के लिए, ताकि एकीकृत किया जाने वाला कार्य गैर-नकारात्मक और निरंतर हो, और इसलिए की लंबाई $\gamma ,$

$L(\gamma )=\int _{a}^{b}|\gamma '(t)|_{\gamma (t)}\,dt,$

सुपरिभाषित है। इस परिभाषा को आसानी से किसी भी टुकड़े-टुकड़े-लगातार अलग-अलग वक्र की लंबाई को परिभाषित करने के लिए बढ़ाया जा सकता है।

कई उदाहरणों में, जैसे रीमैन वक्रता टेन्सर को परिभाषित करने में, यह आवश्यक है कि जी में केवल निरंतरता की तुलना में अधिक नियमितता हो; इस पर अन्यत्र चर्चा की जाएगी। अभी के लिए, जी की निरंतरता एक मीट्रिक स्थान की संरचना के साथ एम को समाप्त करने के लिए ऊपर परिभाषित लंबाई का उपयोग करने के लिए पर्याप्त होगी, बशर्ते कि यह जुड़ा हो।

मीट्रिक अंतरिक्ष संरचना

ठीक है, परिभाषित करें $d_{g}:M\times M\to [0,\infty )$ द्वारा

$d_{g}(p,q)=\inf\{L(\gamma ):\gamma {\text{ a piecewise continuously differentiable curve from }}p{\text{ to }}q\}.$

फ़ंक्शन की अच्छी तरह से परिभाषितता की जांच करना ज्यादातर सीधा है $d_{g},$ इसकी समरूपता संपत्ति $d_{g}(p,q)=d_{g}(q,p),$ इसकी रिफ्लेक्सिविटी संपत्ति $d_{g}(p,p)=0,$ और त्रिकोण असमानता $d_{g}(p,q)+d_{g}(q,r)\geq d_{g}(p,r),$ हालाँकि कुछ छोटी तकनीकी जटिलताएँ हैं (जैसे कि यह सत्यापित करना कि किन्हीं भी दो बिंदुओं को अलग-अलग पथ से जोड़ा जा सकता है)। यह समझना अधिक मौलिक है $p\neq q$ सुनिश्चित $d_{g}(p,q)>0,$ और इसलिए वह $d_{g}$ एक मीट्रिक के सभी स्वयंसिद्धों को संतुष्ट करता है।

(Sketched) Proof that $p\neq q$ implies $d_{g}(p,q)>0.$ Briefly: there must be some precompact open set around p which every curve from p to q must escape. By selecting this open set to be contained in a coordinate chart, one can reduce the claim to the well-known fact that, in Euclidean geometry, the shortest curve between two points is a line. In particular, as seen by the Euclidean geometry of a coordinate chart around p, any curve from p to q must first pass though a certain "inner radius." The assumed continuity of the Riemannian metric g only allows this "coordinate chart geometry" to distort the "true geometry" by some bounded factor.

To be precise, let $(U,x)$ be a smooth coordinate chart with $x(p)=0$ and $q\notin U.$ Let $V\ni x$ be an open subset of $U$ with ${\overline {V}}\subset U.$ By continuity of $g$ and compactness of ${\overline {V}},$ there is a positive number $\lambda$ such that $g(X,X)\geq \lambda \|X\|^{2}$ for any $r\in V$ and any $X\in T_{r}M,$ where $\|\cdot \|$ denotes the Euclidean norm induced by the local coordinates. Let R denote $\sup\{r>0:B_{r}(0)\subset x(V)\},$ to be used at the final step of the proof.

Now, given any piecewise continuously-differentiable path $\gamma :[a,b]\to M$ from p to q, there must be some minimal $\delta >0$ such that $\gamma (a+\delta )\notin V;$ clearly $\gamma (a+\delta )\in \partial V.$

The length of $\gamma$ is at least as large as the restriction of $\gamma$ to $[a,a+\delta ].$ So

$L(\gamma )\geq {\sqrt {\lambda }}\int _{a}^{a+\delta }\|\gamma '(t)\|\,dt.$

The integral which appears here represents the Euclidean length of a curve from 0 to $x(\partial V)\subset \mathbb {R} ^{n}$, and so it is greater than or equal to R. So we conclude $L(\gamma )\geq {\sqrt {\lambda }}R.$

जी द्वारा मापी गई लंबाई और चिकने निर्देशांक चार्ट में मापी गई यूक्लिडियन लंबाई के बीच तुलना के बारे में उपरोक्त प्रमाण के अंतर्गत आने वाला अवलोकन यह भी सत्यापित करता है कि मीट्रिक स्पेस टोपोलॉजी $(M,d_{g})$ की मूल सामयिक अंतरिक्ष संरचना के साथ मेल खाता है $M.$ हालांकि एक वक्र की लंबाई एक स्पष्ट सूत्र द्वारा दी गई है, आमतौर पर दूरी फलन को लिखना असंभव है $d_{g}$ किसी स्पष्ट माध्यम से। वास्तव में, अगर $M$ कॉम्पैक्ट है, तब भी जब जी चिकना होता है, वहां हमेशा मौजूद बिंदु होते हैं $d_{g}:M\times M\to \mathbb {R}$ गैर-विभेदक है, और इन बिंदुओं के स्थान या प्रकृति को निर्धारित करना उल्लेखनीय रूप से कठिन हो सकता है, यहां तक ​​​​कि प्रतीत होने वाले सरल मामलों में भी जब $(M,g)$ एक दीर्घवृत्ताभ है।

जियोडेसिक्स

पिछले खंड की तरह, आइए $(M,g)$ एक जुड़ा हुआ और निरंतर रिमेंनियन मैनिफोल्ड हो; संबद्ध मीट्रिक स्थान पर विचार करें $(M,d_{g}).$ इस मीट्रिक अंतरिक्ष संरचना के सापेक्ष, कोई कहता है कि एक पथ $c:[a,b]\to M$ यदि प्रत्येक के लिए एक इकाई-गति जियोडेसिक है $t_{0}\in [a,b]$ एक अंतराल होता है $J\subset [a,b]$ जिसमें है $t_{0}$ और ऐसा है

$d_{g}(c(s),c(t))=|s-t|\qquad \forall s,t\in J.$

अनौपचारिक रूप से, कोई कह सकता है कि वह मांग रहा है $c$ (अनौपचारिक रूप से माना जाता है) इकाई-गति बाधा के अधीन, जितना हो सके स्थानीय रूप से 'खुद को बाहर खींचें'। विचार यह है कि अगर $c:[a,b]\to M$ (टुकड़ावार) लगातार अलग-अलग है और $|c'(t)|_{c(t)}=1$ सभी के लिए $t,$ फिर एक स्वचालित रूप से होता है $d_{g}(c(s),c(t))\leq |s-t|$ की लंबाई को परिभाषित करने वाले इंटीग्रल के रीमैन योग सन्निकटन पर त्रिभुज असमानता को लागू करके $c.$ इसलिए ऊपर दी गई यूनिट-स्पीड जियोडेसिक स्थिति की आवश्यकता है $c(s)$ तथा $c(t)$ जितना हो सके एक दूसरे से दूर होना। तथ्य यह है कि हम केवल स्थानीय रूप से खुद को फैलाने के लिए वक्रों की तलाश कर रहे हैं, नीचे दिए गए पहले दो उदाहरणों से परिलक्षित होता है; का वैश्विक स्वरूप $(M,g)$ यहां तक ​​कि सबसे अहानिकर जियोडेसिक्स को भी पीछे झुकने और खुद को काटने के लिए मजबूर कर सकते हैं।

• उस मामले पर विचार करें $(M,g)$ घेरा है $S^{1}$ इसके मानक रिमेंनियन मीट्रिक के साथ, और $c:\mathbb {R} \to S^{1}$ द्वारा दिया गया है $t\mapsto (\cos t,\sin t).$ याद करें कि $d_{g}$ वक्र की लंबाई के साथ मापा जाता है $S^{1}$, विमान में सीधी रेखा के रास्तों से नहीं। यह उदाहरण उपअंतराल को चुनने की आवश्यकता को भी प्रदर्शित करता है $J,$ वक्र के बाद से $c$ विशेष रूप से प्राकृतिक तरीके से खुद को दोहराता है।
• इसी प्रकार यदि $(M,g)$ गोल गोला है $S^{2}$ अपने मानक रिमेंनियन मीट्रिक के साथ, तो भूमध्यरेखीय वृत्त के साथ एक इकाई-गति पथ एक जियोडेसिक होगा। अन्य अक्षांशीय वृत्तों के साथ एक इकाई-गति पथ जियोडेसिक नहीं होगा।
• उस मामले पर विचार करें $(M,g)$ है $\mathbb {R} ^{2}$ इसके मानक रिमेंनियन मीट्रिक के साथ। फिर एक इकाई-गति रेखा जैसे $t\mapsto (2^{-1/2}t,2^{-1/2}t)$ एक जियोडेसिक लेकिन वक्र है $c$ ऊपर के पहले उदाहरण से नहीं है।

ध्यान दें कि यूनिट-स्पीड जियोडेसिक्स, जैसा कि यहां परिभाषित किया गया है, अनिवार्य रूप से निरंतर है, और वास्तव में लिप्सचिट्ज़ निरंतरता है, लेकिन वे आवश्यक रूप से अलग-अलग या अलग-अलग अलग-अलग नहीं हैं।

हॉफ-रिनो प्रमेय

ऊपर के रूप में, चलो $(M,g)$ एक जुड़ा हुआ और निरंतर रिमेंनियन मैनिफोल्ड हो। इस सेटिंग में हॉफ-रिनो प्रमेय कहता है कि (ग्रोमोव 1999)

• यदि मीट्रिक स्थान $(M,d_{g})$ पूर्ण मीट्रिक स्थान है (अर्थात प्रत्येक $d_{g}$-कॉची क्रम अभिसरित होता है) तब
  • का प्रत्येक बंद और परिबद्ध उपसमुच्चय $M$ कॉम्पैक्ट है।
  • कोई दिया $p,q\in M$ एक यूनिट-स्पीड जियोडेसिक है $c:[a,b]\to M$ से $p$ प्रति $q$ ऐसा है कि $d_{g}(c(s),c(t))=|s-t|$ सभी के लिए $s,t\in [a,b].$

सबूत का सार यह है कि एक बार जब पहली छमाही स्थापित हो जाती है, तो कॉम्पैक्ट मीट्रिक स्पेस के संदर्भ में सीधे अर्जेला-एस्कोली प्रमेय लागू किया जा सकता है। ${\overline {B_{2d_{g}(p,q)}(p)}},$ टुकड़े के क्रम में निरंतर-विभेदक इकाई-गति घटता से अनुक्रम के लिए $p$ प्रति $q$ जिनकी लंबाई लगभग होती है $d_{g}(p,q).$ परिणामी अनुवर्ती सीमा वांछित जियोडेसिक है।

की अनुमानित पूर्णता $(M,d_{g})$ महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, उस मामले पर विचार करें $(M,g)$ पंचर विमान है $\mathbb {R} ^{2}\smallsetminus \{(0,0)\}$ इसके मानक रिमेंनियन मीट्रिक के साथ, और एक लेता है $p=(1,0)$ तथा $q=(-1,0).$ एक से दूसरे में कोई यूनिट-स्पीड जियोडेसिक नहीं है।

व्यास

होने देना $(M,g)$ एक जुड़ा हुआ और निरंतर रिमेंनियन मैनिफोल्ड हो। किसी भी मीट्रिक स्थान के साथ, व्यास को परिभाषित किया जा सकता है $(M,d_{g})$ होना

$\operatorname {diam} (M,d_{g})=\sup\{d_{g}(p,q):p,q\in M\}.$

हॉफ-रिनो प्रमेय से पता चलता है कि अगर $(M,d_{g})$ पूर्ण है और परिमित व्यास है, तो यह कॉम्पैक्ट है। इसके विपरीत यदि $(M,d_{g})$ कॉम्पैक्ट है, फिर फ़ंक्शन $d_{g}:M\times M\to \mathbb {R}$ एक अधिकतम है, क्योंकि यह एक कॉम्पैक्ट मीट्रिक स्थान पर एक सतत कार्य है। इससे निम्नलिखित कथन सिद्ध होता है:

• यदि $(M,d_{g})$ पूर्ण है, तो यह संहत है यदि और केवल यदि इसका परिमित व्यास है।

पूर्णता धारणा के बिना ऐसा नहीं है; प्रतिउदाहरणों के लिए मानक रीमैनियन मीट्रिक के साथ यूक्लिडियन अंतरिक्ष के किसी भी खुले परिबद्ध उपसमुच्चय पर विचार किया जा सकता है।

ध्यान दें कि, अधिक आम तौर पर, और समान एक-पंक्ति प्रमाण के साथ, प्रत्येक कॉम्पैक्ट मीट्रिक स्थान में परिमित व्यास होता है। हालाँकि निम्नलिखित कथन असत्य है: यदि एक मीट्रिक स्थान पूर्ण है और परिमित व्यास है, तो यह कॉम्पैक्ट है। परिमित व्यास के एक पूर्ण और गैर-कॉम्पैक्ट मीट्रिक स्थान के उदाहरण के लिए, विचार करें

$M={\Big \{}{\text{continuous functions }}f:[0,1]\to \mathbb {R} {\text{ with }}\sup _{x\in [0,1]}|f(x)|\leq 1{\Big \}}$

समान अभिसरण के साथ

$d(f,g)=\sup _{x\in [0,1]}|f(x)-g(x)|.$

इसलिए, हालांकि हॉफ-रिनो प्रमेय के उपरोक्त उपप्रमेय में सभी शब्द केवल मीट्रिक अंतरिक्ष संरचना को शामिल करते हैं $(M,g),$ यह महत्वपूर्ण है कि मीट्रिक एक रिमेंनियन संरचना से प्रेरित है।

रीमानियन मेट्रिक्स

जियोडेसिक पूर्णता

यदि सभी के लिए एक रिमेंनियन मैनिफोल्ड एम 'भूगर्भीय रूप से पूर्ण' है p ∈ M, घातीय मानचित्र (रीमैनियन ज्यामिति) ऍक्स्प_p सभी के लिए परिभाषित किया गया है v ∈ T_pM, यानी अगर पी से शुरू होने वाला कोई जियोडेसिक γ(t) पैरामीटर के सभी मूल्यों के लिए परिभाषित किया गया है t ∈ R. हॉफ-रिनो प्रमेय का दावा है कि एम भौगोलिक रूप से पूर्ण है अगर और केवल अगर यह पूर्ण मीट्रिक स्थान है।

यदि एम पूर्ण है, तो एम इस अर्थ में गैर-विस्तार योग्य है कि यह किसी भी अन्य रिमेंनियन मैनिफोल्ड के खुले उचित सबमनीफोल्ड के लिए आइसोमेट्रिक नहीं है। हालाँकि, इसका विलोम सत्य नहीं है: वहाँ गैर-विस्तार योग्य मैनिफोल्ड मौजूद हैं जो पूर्ण नहीं हैं।

अनंत-आयामी कई गुना

ऊपर दिए गए बयान और प्रमेय परिमित-आयामी कई गुना-कई गुना हैं जिनके चार्ट मानचित्र को सबसेट खोलने के लिए मैप करते हैं $\mathbb {R} ^{n}.$ इन्हें एक निश्चित सीमा तक अनंत-आयामी कई गुना तक बढ़ाया जा सकता है; वह है, मैनिफोल्ड्स जो एक टोपोलॉजिकल वेक्टर स्पेस के बाद तैयार किए गए हैं; उदाहरण के लिए, फ्रेचेट मैनिफोल्ड | फ्रेचेट, बनच मैनिफोल्ड और हिल्बर्ट मैनिफोल्ड।

परिभाषाएँ

Riemannian मेट्रिक्स को एक तरह से परिमित-आयामी मामले के समान परिभाषित किया गया है। हालाँकि दो प्रकार के रिमेंनियन मेट्रिक्स के बीच एक अंतर है:

• एक कमजोर रिमेंनियन मीट्रिक ऑन $M$ एक चिकना कार्य है $g:TM\times TM\to \mathbb {R} ,$ ऐसा कि किसी के लिए $x\in M$ प्रतिबंध $g_{x}:T_{x}M\times T_{x}M\to \mathbb {R}$ एक आंतरिक उत्पाद है $T_{x}M.$
• एक मजबूत रिमेंनियन मीट्रिक चालू $M$ एक कमजोर रिमेंनियन मीट्रिक है, जैसे कि $g_{x}$ टोपोलॉजी को चालू करता है $T_{x}M.$ ध्यान दें कि अगर $M$ तब हिल्बर्ट मैनिफोल्ड नहीं है $g$ एक मजबूत मीट्रिक नहीं हो सकता।

उदाहरण

• यदि $(H,\langle \,\cdot ,\cdot \,\rangle )$ हिल्बर्ट स्पेस है, तो किसी के लिए भी $x\in H,$ कोई पहचान सकता है $H$ साथ $T_{x}H.$ सभी के लिए सेटिंग करके $x,u,v\in H$ $g_{x}(u,v)=\langle u,v\rangle$ one एक मजबूत रीमैनियन मीट्रिक प्राप्त करता है।
• होने देना $(M,g)$ एक कॉम्पैक्ट रीमैनियन मैनिफोल्ड हो और इसके द्वारा निरूपित करें $\operatorname {Diff} (M)$ इसका डिफोमोर्फिज्म समूह। यह एक सहज मैनिफोल्ड (सुविधाजनक वेक्टर स्पेस) है और वास्तव में, एक झूठ समूह है। आइडेंटिटी पर इसका टेंगेंट बंडल स्मूथ वेक्टर फील्ड्स का सेट है $M.$ होने देना $\mu$ वॉल्यूम फॉर्म ऑन हो $M.$ तब कोई परिभाषित कर सकता है $G,$ $L^{2}$ कमजोर रीमानियन मीट्रिक, चालू $\operatorname {Diff} (M).$ होने देना $f\in \operatorname {Diff} (M),$ $u,v\in T_{f}\operatorname {Diff} (M).$ फिर के लिए $x\in M,u(x)\in T_{f(x)}M$ और परिभाषित करें $G_{f}(u,v)=\int _{M}g_{f(x)}(u(x),v(x))d\mu (x).$ $L^{2}$ h> कमजोर रिमेंनियन मीट्रिक चालू $\operatorname {Diff} (M)$ गायब होने वाली जियोडेसिक दूरी को प्रेरित करता है, मिकोर और ममफोर्ड (2005) देखें।

मीट्रिक अंतरिक्ष संरचना

वक्रों की लंबाई परिमित-आयामी मामले के समान एक तरह से परिभाषित की जाती है। कार्यक्रम $d_{g}:M\times M\to [0,\infty )$ उसी तरीके से परिभाषित किया गया है और इसे जियोडेसिक दूरी कहा जाता है। परिमित-आयामी मामले में, सबूत कि यह फ़ंक्शन एक मीट्रिक है, किसी भी बिंदु के आसपास प्री-कॉम्पैक्ट ओपन सेट के अस्तित्व का उपयोग करता है। अनंत मामले में, खुले सेट अब प्री-कॉम्पैक्ट नहीं होते हैं और इसलिए यह कथन विफल हो सकता है।

• यदि $g$ एक मजबूत रिमेंनियन मीट्रिक है $M$, फिर $d_{g}$ बिंदुओं को अलग करता है (इसलिए एक मीट्रिक है) और मूल टोपोलॉजी को प्रेरित करता है।
• यदि $g$ एक कमजोर रिमेंनियन मीट्रिक है लेकिन मजबूत नहीं है, $d_{g}$ बिंदुओं को अलग करने में विफल हो सकते हैं या पतित भी हो सकते हैं।

उत्तरार्द्ध के उदाहरण के लिए, वैलेंटिनो और डेनियल (2019) देखें।

हॉफ-रिनो प्रमेय

मजबूत रीमैनियन मेट्रिक्स के मामले में, परिमित-आयामी हॉफ-रिनो का एक हिस्सा अभी भी काम करता है।

प्रमेय: चलो $(M,g)$ एक मजबूत रिमेंनियन मैनिफोल्ड बनें। फिर मीट्रिक पूर्णता (मीट्रिक में $d_{g}$) का अर्थ है जियोडेसिक पूर्णता (जियोडेसिक्स हमेशा के लिए मौजूद है)। सबूत (लैंग 1999, अध्याय VII, धारा 6) में पाया जा सकता है। परिमित-आयामी स्थिति के अन्य कथन विफल हो सकते हैं। एक उदाहरण हॉफ-रिनो प्रमेय पाया जा सकता है।

यदि $g$ एक कमजोर रीमैनियन मीट्रिक है, तो पूर्णता की कोई धारणा सामान्य रूप से दूसरे को नहीं दर्शाती है।

यह भी देखें

• रिमेंनियन ज्यामिति
• फिन्सलर कई गुना
• सब-रीमैनियन मैनिफोल्ड
• छद्म-रिमानियन कई गुना
• मीट्रिक टेंसर
• हर्मिटियन कई गुना
• अंतरिक्ष (गणित)
• वेव मैप समीकरण

संदर्भ

• Lee, John M. (2018). Introduction to Riemannian Manifolds. Springer-Verlag. ISBN 978-3-319-91754-2.
• do Carmo, Manfredo (1992). Riemannian geometry. Basel: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-3490-2.
• Gromov, Misha (1999). Metric structures for Riemannian and non-Riemannian spaces (Based on the 1981 French original ed.). Birkhäuser Boston, Inc., Boston, MA. ISBN 0-8176-3898-9.
• Jost, Jürgen (2008). Riemannian Geometry and Geometric Analysis (5th ed.). Berlin: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-77340-5.
• Shi, Yuguang; Tam, Luen-Fai (2002). "Positive mass theorem and the boundary behaviors of compact manifolds with nonnegative scalar curvature". J. Differential Geom. 62 (1): 79–125.
• Lang, Serge (1999). Fundamentals of differential geometry. New York: Springer-Verlag. ISBN 978-1-4612-0541-8.
• Magnani, Valentino; Tiberio, Daniele (2020). "A remark on vanishing geodesic distances in infinite dimensions". Proc. Amer. Math. Soc. 148 (1): 3653–3656.
• Michor, Peter W.; Mumford, David (2005). "Vanishing geodesic distance on spaces of submanifolds and diffeomorphisms". Documenta Math. 10: 217–245. arXiv:math/0409303.

बाहरी संबंध

• L.A. Sidorov (2001) [1994], "Riemannian metric", Encyclopedia of Mathematics, EMS Press