黎曼流形上的几何学,简称黎曼几何。是由德国数学家G.F.B. 黎曼19世纪中期提出的几何学理论。黎曼将曲面本身看成一个独立的几何实体,而不是把它仅仅看作 欧几里得空间中的一个几何实体。他首先发展了空间的概念,提出了几何学研究的对象应是一种多重广义量 。
黎曼几何中的一个基本问题是微分形式的等价性问题。黎曼几何与偏微分方程、多复变函数论、代数拓扑学等学科互相渗透,相互影响,在现代数学和理论物理学中有重大作用。
数学上的黎曼几何可以看做是欧式几何的推广。欧式几何中的度量是零曲率的,而黎曼几何研究更一般的度量,在不同的度量下,空间的曲率是不同的。物理学中,牛顿力学粗略地说是建立在欧式空间上的。而广义相对论里的时空是一个黎曼流形。
以下一段讨论涉及物理时所说的“ 欧式几何”有时候是指“牛顿时空观”。
在平面上,两点间的最短距离是线段,但是在 双曲面上,两点间的最短距离则是曲线,因为平面上的最短距离在平面上,那么曲面上的最短距离也只能在曲面上,而不能跑到曲面外抻直,故这个最短距离只能是曲线。若我们把双曲面舒展成平面以后,再继续朝平面的另一个方向变,则变成了椭圆面或圆面,这个时候,如果我们在这个椭圆面上画三角形,将发现,无论怎么画,这个三角形的内角和都大于180度,两点间的最短距离依然是曲线,这个几何就是黎曼几何。这个几何在物理上非常有用,因为光在空间上就是沿着曲线跑的,并非是直线,我们生活在地球上,因此我们的空间也是曲面,而不是平面,但为了生活方便,都不做严格规定,都近似地当成了平面。
1944年陈省身给出n维黎曼 流形高斯-博内公式的内蕴证明,以及他关于埃尔米特流形的示性类的研究,引进了后来通称的陈示性类,为大范围微分几何提供了不可缺少的工具并为 复流形的微分几何与 拓扑研究开创了先河。半个多世纪,黎曼几何的研究从局部发展到整体,产生了许多深刻的结果。黎曼几何与偏微分方程、多 复变函数论、 代数拓扑学等学科互相渗透,相互影响,在 现代数学和 理论物理学中有重大作用。
从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同,尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题,例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论,它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过,仍然有一些问题至今未能解决,典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来,从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。
爱因斯坦的科学定律,对所有的观察者,不管他们如何运动,都必须是相同的。它将引力解释成四维空间的曲率。
但在黎曼所处的时代,李群以及拓扑学还没有发展起来,因此黎曼几何只限于小范围的理论。大约在1925年H.霍普夫才开始对黎曼空间的微分结构与拓扑结构的关系进行了研究。随着微分流形精确概念的确立,特别是E. 嘉当在20世纪20年代开创并发展了外微分形式与活动标架法,建立了李群与黎曼几何之间的联系,从而为黎曼几何的发展奠定重要基础,并开辟了广阔的园地,影响极其深远。并由此发展了线性联络及纤维丛的研究。
黎曼几何
黎曼流形上的几何学。德国数学家G.F.B. 黎曼19世纪中期提出的几何学理论。1854年黎曼在 格丁根大学发表的题为《 论作为几何学基础的假设》的就职演说,通常被认为是 黎曼几何学的源头。在这篇演说中,黎曼将曲面本身看成一个独立的几何实体,而不是把它仅仅看作欧几里得空间中的一个几何实体。他首先发展了空间的概念,提出了几何学研究的对象应是一种多重广义量 ,空间中的点可用n个 实数(x1,……,xn)作为坐标来描述。这是现代n维微分流形的原始形式,为用抽象空间描述自然现象奠定了基础。这种空间上的几何学应基于无限邻近两点(x1,x2,……xn)与(x1+dx1,……xn+dxn)之间的距离,用微分弧长度平方所确定的 正定二次型理解度量。亦即 (gij)是由函数构成的正定 对称矩阵。这便是黎曼度量。赋予黎曼度量的微分流形,就是黎曼流形。
黎曼认识到度量只是加到 流形上的一种结构,并且在同一流形上可以有许多不同的度量。黎曼以前的数学家仅知道三维欧几里得空间E 3中的曲面S上存在诱导度量ds 2=Edu 2+2Fdudv+Gdv 2,即第一基本形式,而并未认识到S还可以有独立于三维 欧几里得几何赋予的度量结构。黎曼意识到区分诱导度量和独立的黎曼度量的重要性,从而摆脱了经典微分几何曲面论中局限于诱导度量的束缚,创立了 黎曼几何学,为近代数学和物理学的发展作出了杰出贡献。
黎曼几何以欧几里得几何和种种非欧几何作为其特例。例如:定义曲率(截面曲率处处为常数)(a是常数),则当a=0时是普通的欧几里得几何,当a>0时 ,就是 椭圆几何,而当a<0时为>0时为>
微分几何中, 黎曼几何研究具有黎曼度量的光滑 流形,即流形切空间上二次形式的选择。它特别关注于角度、弧线长度及体积。把每个微小部分加起来而得出整体的数量。
19世纪, 波恩哈德·黎曼把这个概念加以推广。两个非欧几里得几何的特例是: 球面几何和双曲几何。
任意平滑流形容许黎曼度量及这个额外结构帮助解决微分拓扑问题。它成为 伪黎曼流形复杂结构的入门。其中大部分都是 广义相对论的四维研究对象。
研究黎曼几何先要熟悉以下主题:
1. 度量张量
2. 黎曼流形
3. 列维-奇维塔联络
4. 曲率
5. 曲率张量
黎曼(德国,1826-1866年)
黎曼1851年博士论文《单复变函数一般理论基础》不仅包含了现代 复变函数论主要部分的萌芽,而且开启了 拓扑学的系统研究,革新了代数几何,并为黎曼自己的 微分几何研究铺平了道路。
现代智能科学的突破也需要类似黎曼几何般的思考,不出现新式逻辑体系,仅仅在现有的学科中修修补补,是很难颠覆性创新滴!
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