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note-math

sectional-curvature_(tag)

根据 #link(<symmetry-of-curvature>)[], curvature ⊂⨀2⋀2𝑉⊺

截面曲率是二次型 (可能退化) 限制在 ⋀2𝑉⊺ 方向空间 i.e. 限制在单位长度

𝐾(𝑋∧𝑌)=𝑅(𝑋∧𝑌,𝑋∧𝑌)|𝑋∧𝑌|2

curvature 可以恢复自 sectional-curvature. Proof 不需要非退化, 对称双线性可以恢复自二次型 quadratic-form

Prop 12⋅(𝑔⧀𝑔)(𝑋∧𝑌,𝑋∧𝑌)=|𝑋∧𝑌|2

constant-sectional-curvature_(tag) 𝐾(𝑋∧𝑌)= const <==>

(𝑅=12𝑛(𝑛−1)⋅ scal ⋅𝑔⧀𝑔)∧(scal = const)

i.e. 曲率只有纯量部分且纯量曲率是常值

Proof

constant-sectional-curvature <==> 𝑅(𝑋∧𝑌,𝑋∧𝑌)=𝜆|𝑋∧𝑌|2=𝜆⋅12⋅(𝑔⧀𝑔)(𝑋∧𝑌,𝑋∧𝑌)

<==> 𝑅−𝜆⋅12⋅𝑔⧀𝑔 是零二次型

<==> 𝑅=𝜆⋅12⋅𝑔⧀𝑔

curvature 正交分解给出 𝑅=12𝑛(𝑛−1)⋅ scal ⋅𝑔⧀𝑔 with scal = constant

constant-sectional-curvature-imply-Einstein-metric_(tag)

Proof trace-free Ricci-curvature = 0

constant-sectional-curvature-low-dimension_(tag)

  • dim =2 ==> constant-sectional-curvature = Einstein-metric = constant-scalar-curvature

  • dim =3 ==> constant-sectional-curvature = Einstein-metric Proof 三维 𝑊=0 + (Einstein <==> tr-free-Ric =0)

quadratic-manifold_(tag) :=

ℚ𝑝,𝑞(±1)={𝑥∈ℝ𝑝,𝑞:⟨𝑥⟩2=±1}

where ⟨𝑥⟩2=∑ sign  sign ∑𝑖 sign 𝑥𝑖 sign 2=𝑥12+⋯+𝑥𝑝2−(𝑥𝑝+12+⋯+𝑥𝑝+𝑞2)

quadratic-manifold-is-constant-sectional-curvature_(tag) 二次型流形 ℚ𝑝,𝑞(±𝑎2) 有 constant-sectional-curvature 𝑅=1±2𝑎2𝑔⧀𝑔

Proof

使用子流形技术. 子流形 ℚ(𝑝,𝑞)(±𝑎2) 上的点 𝑥 在 ℝ𝑝,𝑞 有切空间与法空间

𝑥∈ℚ(𝑝,𝑞)(±𝑎2) 点的子流形测地线坐标 + 法空间作为流形 ℝ𝑝,𝑞 坐标

ℝ𝑝,𝑞 在此坐标在 𝑥 点的 coordinate-frame ∂𝑖 orthonormal

拆开 tangent, normal, Γ=Γ⊤+Γ⟂

曲率的 metric-dual 𝑔[∇𝑖,∇𝑖′]=𝑔[∂𝑖+Γ𝑖,∂𝑖′+Γ𝑖′]

==> 𝑅𝑖𝑗𝑖′𝑗′⊤=𝑅𝑖𝑗𝑖′𝑗′+𝑔(Γ𝑖𝑗⟂,Γ𝑖′𝑗′⟂)−𝑔(Γ𝑖𝑗′⟂,Γ𝑖′𝑗⟂)

ℝ𝑝,𝑞 的曲率是零 𝑅𝑖𝑗𝑖′𝑗′=0

==> 𝑅𝑖𝑗𝑖′𝑗′⊤=𝑔(Γ𝑖𝑗⟂,Γ𝑖′𝑗′⟂)−𝑔(Γ𝑖𝑗′⟂,Γ𝑖′𝑗⟂)

二次型流形 co-dimension 1, 法空间 dimension 1, 法向场 Γ𝑖𝑗⟂=𝜆𝑛 with 单位法向场 𝑛

𝑔(Γ𝑖𝑗⟂,𝑛)=𝑔(Γ𝑖𝑗,𝑛) by Γ𝑖𝑗⊤⟂𝑛⟹𝑔(Γ𝑖𝑗,𝑛)=0=𝑔(∇∂𝑖∂𝑗,𝑛)=∂𝑖(𝑔(∂𝑗,𝑛))−𝑔(∂𝑗,∇∂𝑖𝑛)=−𝑔(∂𝑗,∇∂𝑖𝑛) by ∂𝑗⟂𝑛⟹𝑔(𝑛,∂𝑗)=0

所以 Γ𝑖𝑗⟂=−𝑔(∇∂𝑖𝑛,∂𝑗)𝑛

在 ℝ𝑝,𝑞 普通坐标在 𝑥 点 𝑛=grad |𝑥|2|grad |𝑥|2|=1𝑎𝑥𝑖∂𝑖 且 ∇∂𝑖𝑛=∂𝑖𝑛=1𝑎∂𝑖

==> Γ𝑖𝑗⟂=−𝑔(∇∂𝑖𝑛,∂𝑗)𝑛=−1𝑎𝑔(∂𝑖,∂𝑗)𝑛

==>

𝑅𝑖𝑗𝑖′𝑗′⊤=1𝑎2𝑔(𝑛,𝑛)(𝑔𝑖𝑗𝑔𝑖′𝑗′−𝑔𝑖𝑗′𝑔𝑖′𝑗)=1±2𝑎2(𝑔⧀𝑔)𝑖𝑗𝑖′𝑗′

宇宙常数 Λ=±(𝑛−1)(𝑛−2)2𝑎2

二次型流形中的 Lorentz 流形 ℚ1,𝑛(−𝑎2),ℚ2,𝑛−1(𝑎2) 有 "静态坐标", i.e. 在静态坐标中 metric 将是静态形式

  • ℚ1,𝑛(−𝑎2) 静态坐标 :=

分解到半径 𝑟 + 双曲线 ℚ1,1(−𝑎2+𝑟2) + 球面 ℚ0,𝑛−1(−𝑟2)

坐标 (𝑡,𝑟,𝕊𝑛−2) with

𝑟2=𝑥32+⋯+𝑥𝑛+12𝑥1=(𝑎2−𝑟2)12sinh(1𝑎𝑡)𝑥2=(𝑎2−𝑟2)12cosh(1𝑎𝑡)𝑥𝑖=𝑟𝑥𝑖𝑟

metric 将是

𝑔=(1−𝑟2𝑎2)𝑑𝑡2−((1−𝑟2𝑎2)−1𝑑𝑟2+𝑟2𝑔𝕊𝑛−2)
  • ℚ2,𝑛−1(𝑎2) 静态坐标 :=

分解到半径 𝑟 + 球面 ℚ2,0(𝑎2+𝑟2) + 球面 ℚ0,𝑛−2(−𝑟2)

坐标 (𝑡,𝑟,𝕊𝑛−2) with

𝑟2=𝑥32+⋯+𝑥𝑛+12𝑥1=(𝑎2+𝑟2)12cos(1𝑎𝑡)𝑥2=(𝑎2+𝑟2)12sin(1𝑎𝑡)𝑥𝑖=𝑟𝑥𝑖𝑟

metric 将是

𝑔=(1+𝑟2𝑎2)𝑑𝑡2−((1+𝑟2𝑎2)−1𝑑𝑟2+𝑟2𝑔𝕊𝑛−2)

ℚ2,𝑛−1(𝑎2) 的时间轴的行为存在 𝕊1 like. 而且存在 closed time-like geodesicm, 从而不 causal

"单叶双曲面" ℚ1,𝑛(−𝑎2) 的时间轴的行为是 ℝ like, 空间存在 𝕊𝑛−1 like. 存在 closed space-like geodesic

ℚ1,𝑛(−𝑎2) 可以 "时间切片" 化为 ℝ×𝕊𝑛−1. sinh 是 ℝ 的微分同胚

𝑥1=𝑎sinh(1𝑎𝑡)𝑥𝑖=𝑎cosh(1𝑎𝑡)𝑥𝑖𝑎cosh(1𝑎𝑡)

metric

𝑔=𝑑𝑡2−𝑎2 cosh 2(1𝑎𝑡)𝑔𝕊𝑛

ℚ2,𝑛−1(𝑎2) "可视化" 的例子: ℝ3 中的 ℚ2,1(1) or 𝑥12+𝑥22−𝑥32=1, 单叶双曲面

虽然 ℚ2,1(1) 类时测地线总是闭合的, 表现为椭圆, 但类时非测地线可以无限长度, 例如可以不断逼近类光测地线

类光测地线表现为 "抛物线" …