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リーマン計量とリーマン多様体 📂幾何学

リーマン計量とリーマン多様体

定義1

nn次元の微分可能多様体 MMに対するリーマン計量Riemannian metric, リーマン計量 ggとは、各点pMp \in Mgpg_{p}に対応させる関数のことだ。ここで、gpg_{p}pp上の接空間 TpMT_{p}Mで定義される内積である。

g:M{all inner products on tangent space TpM}pgp=,p \begin{align*} g : M &\to \left\{ \text{all inner products on tangent space } T_{p}M \right\} \\ p &\mapsto g_{p}=\left\langle \cdot, \cdot \right\rangle_{p} \end{align*}

gp:TpM×TpMR(Xp,Yp)gp(Xp,Yp)=Xp,Ypp \begin{align*} g_{p} : T_{p}M \times T_{p}M &\to \mathbb{R} \\ (\mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p}) &\mapsto g_{p}(\mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p})=\left\langle \mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p} \right\rangle_{p} \end{align*}

この場合、gpg_{p}は次の意味で微分可能でなければならない。

x:URnM\mathbf{x} : U \subset \mathbb{R}^{n} \to Mppの周りの座標系とし、x(x1,,xn)=p\mathbf{x}(x_{1}, \dots, x_{n}) = pとする。すると、次のgij:RnRg_{ij} : \mathbb{R}^{n} \to \mathbb{R}微分可能でなければならない。

gij(x1,,xn)=xip,xjpp g_{ij} (x_{1}, \dots, x_{n}) = \left\langle \left. \dfrac{\partial }{\partial x_{i}} \right|_{p}, \left. \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \right|_{p}\right\rangle_{p}

gijg_{ij}リーマン計量の局所表現と言う。リーマン計量が与えられた微分多様体(M,g)(M, g)リーマン多様体と呼ぶ。

説明

  • リーマン多様体(M,g)(M, g)を研究することをリーマン幾何学と呼ぶ。ggをRiemannian structureとも呼ぶ。gijg_{ij}は微分幾何学で第1基本形式の係数と学ぶ。

  • Xp,YpTpM\mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p} \in T_{p}Mとしよう。すると、TpMT_{p}Mは基底が{xip}\left\{ \left. \dfrac{\partial }{\partial x_{i}} \right|_{p} \right\}nn次元ベクトル空間であるため、

    Xp=Xi(p)xip and Yp=Yj(p)xjp \mathbf{X}_{p} = X^{i}(p)\left. \dfrac{\partial }{\partial x_{i}} \right|_{p} \text{ and } \mathbf{Y}_{p} = Y^{j}(p)\left. \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \right|_{p}

    だから、

    gp(Xp,Yp)=Xp,Yp=Xi(p)Yj(p)xip,xjp=Xi(p)Yj(p)gij(p) g_{p}(\mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p}) = \left\langle \mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p} \right\rangle = X^{i}(p)Y^{j}(p) \left\langle \left. \dfrac{\partial }{\partial x_{i}} \right|_{p}, \left. \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \right|_{p} \right\rangle = X^{i}(p)Y^{j}(p)g_{ij}(p)

    ppを一般化すると、

    g(X,Y)=XiYjxi,xj=XiYjgij g(\mathbf{X}, \mathbf{Y}) = X^{i}Y^{j} \left\langle \dfrac{\partial }{\partial x_{i}}, \dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \right\rangle = X^{i}Y^{j}g_{ij}

  • 微分可能性の条件の別の表現は次の通り。

    多様体上で定義される関数g(X,Y):MRg(\mathbf{X}, \mathbf{Y}) : M \to \mathbb{R}微分可能である。

    g(X,Y)(p)=gp(Xp,Yp),Xp,YpTpM g(\mathbf{X}, \mathbf{Y}) (p) = g_{p} (\mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p}), \quad \mathbf{X}_{p}, \mathbf{Y}_{p} \in T_{p}M

    この場合、g(X,Y)p=g(X,Y)(p)g(\mathbf{X}, \mathbf{Y})_{p} = g(\mathbf{X}, \mathbf{Y}) (p)と表記されることもある。

  • 「すべての微分可能多様体はリーマン計量を持つ」という事実が知られている。したがって、研究の方向性は、「多様体MMがリーマン計量を持つ条件」ではなく、「多様体MMにどのような良いリーマン計量を与えることができるか」となる。

誘導された計量

微分多様体M,NM, N間のイマージョン f:MNf : M \to Nが与えられたとする。(N,h)(N, h)がリーマン多様体であるとする。次のように定義されるMM上のリーマン計量ggffから誘導された計量と呼ぶ。

gp(v,w):=hf(p)(dfp(v),dfp(w)) g_{p}(v, w) := h_{f(p)}(df_{p}(v), df_{p}(w))

この場合、dfpdf_{p}は点ppでのff微分である。

ユークリッド空間

微分可能多様体としてのユークリッド空間M=RnM = \mathbb{R}^{n}を考えよう。すると、TpRnRnT_{p}\mathbb{R}^{n} \approx \mathbb{R}^{n}であり、基底{xi}\left\{ \dfrac{\partial }{\partial x}_{i} \right\}はユークリッド空間の標準基底{ei=(0,,1,,0)}\left\{ e_{i} = (0, \dots, 1, \dots, 0) \right\}と同じである。したがって、計量の係数は次の通りである。

gij=ei,ej=δij g_{ij} = \left\langle e_{i}, e_{j} \right\rangle = \delta_{ij}

したがって、ユークリッド空間のリーマン計量は、ユークリッド空間自体で標準的に定義される内積そのものである。(Rn,g)(\mathbb{R}^{n}, g)を研究することをユークリッド幾何学と呼ぶ。


  1. Manfredo P. Do Carmo, Riemannian Geometry (Eng Edition, 1992), p38-39 ↩︎