本文主要收集一些黎曼几何中常用的结论和公式.
向量丛上的联络 考虑向量丛 V → M 上的线性联络 (cf. [EL83 ],[BC2010 ])
∇ : C ( TM ) × C ( V ) → C ( V ) (1)
内积: ⟨ σ ⊕ λ , ρ ⊕ μ ⟩ = ⟨ σ , ρ ⟩ + ⟨ λ , μ ⟩ V x ⊕ W x ⟨ σ ⊗ λ , ρ ⊗ μ ⟩ = ⟨ σ , ρ ⟩ ⋅ ⟨ λ , μ ⟩ V x ⊗ W x ⟨ α , β ⟩ V ∗ = ⟨ α # , β # ⟩ V ⟨ σ , ρ ⟩ ϕ − 1 w = ⟨ σ , ρ ⟩ b 对偶联络: ( ∇ X ∗ θ ) ⋅ σ = X ⋅ ( θ ⋅ σ ) − θ ⋅ ∇ X σ 直和: ∇ X ( σ ⊕ λ ) = ∇ X V σ ⊕ ∇ X W λ 张量积: ∇ X ( σ ⊗ λ ) = ( ∇ X V σ ) ⊗ λ + σ ⊗ ( ∇ X W λ ) 拉回联络: ∇ X ρ = ∇ X ( f α ⋅ ϕ ∗ λ α ) = ( X ⋅ f α ) ϕ ∗ λ α + f α ⋅ ∇ X ϕ ∗ λ α = ( X ⋅ f α ) ϕ ∗ λ α + f α ⋅ ϕ ∗ ( ∇ d ϕ ⋅ X W λ α ) . (2)
Levi-Civita 联络: ∇ X ϕ − 1 TN d ϕ ⋅ Y − ∇ Y ϕ − 1 TN d ϕ ⋅ X = d ϕ ⋅ ([ X , Y ]) (3)
定义联络曲率 R : ⋀ 2 C ( TM ) ⊗ C ( V ) → C ( V ) 为R ( X , Y ) σ = − ∇ X ∇ Y σ + ∇ Y ∇ X σ + ∇ [ X , Y ] σ = − R ( Y , X ) σ
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对于 V ∗ : R ∗ ( X , Y ) θ ⋅ σ = − θ ⋅ R ( X , Y ) σ , 其中 X , Y ∈ C ( TM ) , θ ∈ C ( V ∗ ) , σ ∈ C ( V ) ;
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对于 V ⊕ W : R ( X , Y ) ( σ ⊕ λ ) = R V ( X , Y ) σ ⊕ R W ( X , Y ) λ , 其中 λ ∈ C ( W ) ;
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对于 V ⊗ W : R ( X , Y ) ( σ ⊗ λ ) = ( R V ( X , Y ) σ ) ⊗ λ + σ ⊗ R W ( X , Y ) λ ;
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对于 ϕ − 1 W : R x ( X , Y ) ρ ( x ) = R ϕ ( x ) W ( d ϕ ⋅ X , d ϕ ⋅ Y ) ρ ( x ) .
Rm g 1 + g 2 ( X , Y , Z , W ) = Rm g 1 ( X 1 , Y 1 , Z 1 , W 1 ) + Rm g 2 ( X 2 , Y 2 , Z 2 , W 2 ) (4) Ric g 1 + g 2 ( X , Y ) = Ric g 1 ( X 1 , Y 1 ) + Rc g 2 ( X 2 , Y 2 ) (5) S = S 1 + S 2 . (6)
拉回与取对偶和张量积可交换: ( f ∗ E ) ∗ = f ∗ ( E ∗ ) and ( f ∗ E 1 ) ⊗ ( f ∗ E 2 ) = f ∗ ( E 1 ⊗ E 2 ) (7)
设 S ∈ Γ ( E 1 ∗ ⊗ E 2 ) , ξ ∈ Γ ( E 1 ) 且 X , Y ∈ X ( M ) . 则( R ( X , Y ) S ) ( ξ ) = R ∇ ( 2 ) ( X , Y ) ( S ( ξ )) − S ( R ∇ ( 1 ) ( X , Y ) ξ ) .
设 F , G ∈ T ℓ k ( M ) , 则R ( X , Y ) ( tr F ) R ( X , Y ) ( F ⊗ G ) = tr ( R ( X , Y ) F ) = ( R ( X , Y ) F ) ⊗ G + F ⊗ ( R ( X , Y ) G ) (8) 以及R ( X , Y ) ( F ( ω 1 , … , ω ℓ , Z 1 , … , Z k ) ) = ( R ( X , Y ) F ) ( ω 1 , … , ω ℓ , Z 1 , … , Z k ) + j = 1 ∑ ℓ F ( ω 1 , … , R ( X , Y ) ω j , … , ω ℓ , Z 1 , … , Z k ) + i = 1 ∑ k F ( ω 1 , … , ω ℓ , Z 1 , … , R ( X , Y ) Z i , … , Z k ) (9)
R ( ∂ i , ∂ j ) f = ∇ ∂ i ( ∇ ∂ j f ) − ∇ ∂ j ( ∇ ∂ i f ) + ∇ [ ∂ i , ∂ j ] f = ∂ i ∂ j f − ∂ j ∂ i f = 0
BC2010 在局部测地法坐标坐标下, g ij ( u 1 , … , u n ) = δ ij − 3 1 R ikj ℓ u k u ℓ + O ( ∥ u ∥ 3 ) . (10)
法坐标下进行计算往往可以带来方便, 请参考 [Mei2013 ], P135-140.
黎曼几何中的尺度分析 在黎曼流形 ( M n , g ) 上, 我们考虑对度量的一个尺度变换 g ˉ = λ g , λ > 0 为常数.
首先, 黎曼联络 ∇ ˉ = ∇ , 那么 R ˉ x y z = R x y z .
截面曲率: 由R ( x , y , z , w ) = ⟨ R x y w , z ⟩ g , (11) 知R ˉ ( x , y , z , w ) = λ R ( x , y , z , w ) . (12) 而截面曲率k = R ( x , y , x , y ) = ⟨ R x y y , x ⟩ g , (13) 其中 ∣ x ∣ g = ∣ y ∣ g = 1 , ⟨ x , y ⟩ g = 0 . 所以∣ λ x ∣ g ˉ = ∣ λ y ∣ g ˉ = 1 , ⟨ λ x , λ y ⟩ g ˉ = 0. (14) 于是k ˉ = R ˉ ( λ x , λ y , λ x , λ y ) = ( λ 1 ) 4 ⟨ R x y y , x ⟩ g ˉ = λ 1 ⟨ R x y y , x ⟩ g = λ 1 k . (15)
Ricci 曲率: Ric ( x , y ) = i ∑ R ( x , e i , y , e i ) , (16) 其中 { e i } 为相对于 g 的一组幺正基, x , y 为任意的向量. 那么Ric ( x , y ) = λ 1 i ∑ R ˉ ( x , e i , y , e i ) = λ 1 i ∑ ⟨ R x e i e i , y ⟩ g ˉ = Ric ( x , y ) . (17) 而 Ric ≥ ( n − 1 ) c 意味着 Ric ( x , x ) ≥ ( n − 1 ) c , 对任意的 ∣ x ∣ g = 1 成立. 所以此时Ric ( λ x , λ x ) = Ric ( λ x , λ x ) ≥ ( n − 1 ) λ c , (18) 也即 Ric ≥ ( n − 1 ) λ c .
数量曲率: S ˉ = λ 2 1 ij ∑ R ˉ ( e i , e j . e i , e j ) = λ 1 S . (19)
长度: 由d ( p , q ) = ∫ 0 b ∣ γ ˙ ∣ g d t , (20) 可知d ˉ = λ d . (21)
体积: 设相对于 g 的体积形式为 Ω , 由定义 Ω ( e 1 , ... , e n ) = 1 , 由此可见 Ω = λ n Ω , 所以体积V = λ n V . (22)
Laplace 算子与特征值: 因为Δ f = g ij ( ∂ x i ∂ x j ∂ 2 f − Γ ij k ∂ x k ∂ f ) , (23) 而 Γ ij k = Γ ij k , 所以Δ f = λ 1 Δ f . (24) 如果 μ 为 Δ 的特征值, 那么对应的 Δ 的特征值为μ ˉ = λ μ . (25)
正规化的 Sobolev 不等式∫ B p ( ρ ) ∣∇ ϕ ∣ 2 ≥ ρ 2 C S D ( ∫ B p ( ρ ) ϕ 2 μ ) μ 1 以及( ∫ B p ( ρ ) ∣ f ∣ 2 μ / ( μ − 2 ) ) ( μ − 2 ) / μ ≤ C 1 V p ( ρ ) − 2/ μ ρ 2 × ∫ B p ( ρ ) ∣∇ f ∣ 2 + C 2 V p ( ρ ) − 2/ μ ∫ B p ( ρ ) f 2 都是尺度不变的.
微分形式 Alt α = k ! 1 σ ∈ S k ∑ ( sgn σ ) ( σ α ) , ω ∧ η = k ! l ! ( k + l )! Alt ( ω ⊗ η ) .
Φ ∧ Ψ ∧ η = r ! s ! t ! ( r + s + t )! Alt ( Φ ⊗ Ψ ⊗ η ) . (26)
ω i 1 ∧ ω i 2 ∧ ⋯ ∧ ω i r = r ! Alt ( ω i 1 ⊗ ω i 2 ⊗ ⋯ ⊗ ω i r ) . (27)
下面罗列一些微分形式的性质.
Lee2012 设 V 为 n 维线性空间.
1.
ω ∧ η = ( − 1 ) k l η ∧ ω .
2.
ω 1 ∧ ⋯ ∧ ω k ( v 1 , … , v k ) = det ( ω j ( v i ) ) .
3.
dim Λ k ( V ∗ ) = ( n k ) = k ! ( n − k )! n ! .
4.
ω ( T v 1 , … , T v n ) = ( det T ) ω ( v 1 , … , v n ) .
记 ω = ∑ I ′ ω I d x i 1 ∧ ⋯ ∧ d x i k = ∑ I ′ ω I d x I , 那么由d x i 1 ∧ ⋯ ∧ d x i k ( ∂ x j 1 ∂ , … , ∂ x j k ∂ ) = δ J I 知ω I = ω ( ∂ x i 1 ∂ , … , ∂ x i k ∂ ) .
定义 i v : Λ k ( V ∗ ) → Λ k − 1 ( V ∗ ) , v ┘ ω = i v ω 为i v ω ( w 1 , … , w k − 1 ) = ω ( v , w 1 , … , w k − 1 ) .
设 ω ∈ Λ k ( V ∗ ) 以及 η ∈ Λ l ( V ∗ ) , 那么
1.
i v ∘ i v = 0 .
2.
i v ( ω ∧ η ) = ( i v ω ) ∧ η + ( − 1 ) k ω ∧ ( i v η ) .
设 F : M → N . 那么
1.
F ∗ ( ω ∧ η ) = ( F ∗ ω ) ∧ ( F ∗ η ) .
2.
F ∗ ( ∑ I ′ ω I d y i 1 ∧ ⋯ ∧ d y i k ) = ∑ I ′ ( ω I ∘ F ) d ( y i 1 ∘ F ) ∧ ⋯ ∧ d ( y i k ∘ F ) .
设 ( x i ) , ( y i ) 分别为 M , N 的局部坐标. 那么F ∗ ( u d y 1 ∧ ⋯ ∧ d y n ) = ( u ∘ F ) ( det D F ) d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n .
d x ~ 1 ∧ ⋯ ∧ d x ~ n = det ( ∂ x i ∂ x ~ j ) d x 1 ∧ ⋯ ∧ d x n .
d ( J ∑ ′ ω J d x j 1 ∧ ⋯ ∧ d x j k ) = J ∑ ′ i ∑ ∂ x i ∂ ω J d x i ∧ d x j 1 ∧ ⋯ ∧ d x j k .
设 ω ∈ Λ k ( V ∗ ) 以及 η ∈ Λ l ( V ∗ ) , 那么
1.
d ( ω ∧ η ) = d ω ∧ η + ( − 1 ) k ω ∧ d η .
2.
d ∘ d ≡ 0 .
3.
F ∗ ( d ω ) = d ( F ∗ ω ) .
在局部坐标下, 微分形式可以表示为α = i < ∑ α i 1 ⋯ i r d x i 1 ∧ ⋯ ∧ d x i r = r ! 1 α i 1 ⋯ i r d x i 1 ∧ ⋯ ∧ d x i r = α i 1 ⋯ i r d x i 1 ⊗ ⋯ ⊗ d x i r . (28)
r 阶微分形式 α , β 的内积定义为⟨ α , β ⟩ = def i < ∑ α i 1 ⋯ i r β i 1 ⋯ i r = r ! 1 α i 1 ⋯ i r β i 2 ⋯ i r . (29)
d x i 1 ∧ ⋯ ∧ d x i r = r ! 1 δ j 1 ⋯ j r i 1 ⋯ i r d x j 1 ∧ ⋯ ∧ d x j r .
div ( α ) i 1 ⋯ i p − 1 ≑ g jk ∇ j α k i 1 ⋯ i p − 1 = ∇ j α j i 1 ⋯ i p − 1 (30)
设 α 为 1 形式, 则 δ ( α ) = − g ij ∇ i α j .
∇ X ( θ ∧ ω ) = ∇ X θ ∧ ω + θ ∧ ∇ X ω (31)
d ω ( X 1 , … , X k + 1 ) = 1 ≤ i ≤ k + 1 ∑ ( − 1 ) i − 1 X i ( ω ( X 1 , … , X i , … , X k + 1 ) ) + 1 ≤ i < j ≤ k + 1 ∑ ( − 1 ) i + j ω ( [ X i , X j ] , X 1 , … , X i , … , X j , … , X k + 1 ) . (32) 特别, 对于 1 -形式 ω : d ω ( X , Y ) = X ( ω ( Y )) − Y ( ω ( X )) − ω ([ X , Y ]) (33)
利用联络的无挠性 可知: d θ ( X 1 , ⋯ , X r + 1 ) = α = 1 ∑ r + 1 ( − 1 ) α + 1 ⋅ ∇ X α θ ( X 1 , ⋯ , X ^ α , ⋯ , X r + 1 ) . (34)
( d β ) i 0 i 1 ⋯ i p = j = 0 ∑ p ( − 1 ) j ∇ i j β i 0 i 1 ⋯ i ^ j ⋯ i p . (35)
对于 1 形式和 2 形式分别有( d β ) ij = ( ∇ i β j − ∇ j β i ) , (36) ( d β ) ijk = ( ∇ i β jk + ∇ j β ki + ∇ k β ij ) (37)
更多关于微分形式的 L 2 内积的公式计算可以参考 [Jost2017 ] 的 140-103 页.
参考文献 [EL83]
James Eells and Luc Lemaire. Selected Topics in Harmonic Maps, 1983.
[BC2010]
Ben Andrews and Christopher Hopper. The Ricci flow in Riemannian geometry: a complete proof of the differentiable 1/4-pinching sphere theorem . springer, 2010.
[Mei2013]
梅加强. 流形与几何初步 . 科学出版社, 2013.
[Lee2012]
John M Lee. Introduction to Smooth manifolds , volume 218. Springer, 2012.
[Jost2017]
Jürgen Jost. Riemannian geometry and geometric analysis . Universitext. Cham: Springer, 7th edition, 2017.