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note-math

flat-metric_(tag) (ref-2, vol)

flat metric := 存在坐标使得 ∀𝑥,𝑔(𝑥)=𝜂 标准 metric

𝕊2 的继承自 ℝ3 的子流形 metric 不是 #link(<flat-metric>)[], 而是 #link(<quadratic-manifold-is-constant-sectional-curvature>)[constant-sectional-curvature].

何时存在 flat metric?

选取一个坐标 𝑦, with metric 𝑔

假设变换到 𝑥 with metric 𝜂, 则

  • 𝑔=∂𝑥∂𝑦⊺⋅𝜂⋅∂𝑥∂𝑦

  • 𝑔−1=∂𝑦∂𝑥⋅𝜂⋅∂𝑦∂𝑥⊺

  • ∂𝑥∂𝑦⋅𝑔−1⋅∂𝑥∂𝑦⊺=𝜂

#link(<connection-transformations>)[联络的变换]

Γ(𝑦)=∂𝑦∂𝑥⋅Γ(𝑥)⋅∂𝑥∂𝑦+∂𝑦∂𝑥⋅∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦)

对于 flat metric Γ(𝑥)=0, 从而

Γ(𝑦)=∂𝑦∂𝑥⋅∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦)

等价地

∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦)=∂𝑥∂𝑦⋅Γ(𝑦)

这个性质, 加上 𝑝 的初值条件, 使得可以用 PDE 恢复 flat metric, i.e. 用于证明

∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦⋅𝑔−1⋅∂𝑥∂𝑦⊺)=0

Proof

product-rule 展开以上的微分

=(∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦))⋅𝑔−1⋅(∂𝑥∂𝑦)⊺+∂𝑥∂𝑦⋅(∂∂𝑦(𝑔−1))⋅(∂𝑥∂𝑦)⊺+∂𝑥∂𝑦⋅𝑔−1⋅(∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦)⊺) then use ∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦)=∂𝑥∂𝑦⋅Γ(𝑦)=∂𝑥∂𝑦⋅(𝑔−1(Γ,)+∂𝑔−1+𝑔−1(,Γ))⋅(∂𝑥∂𝑦)⊺ see  #link(<differenial-of-metric-inverse-vs-connection>)[link] =0

关于 ∂𝑥∂𝑦 的线性 PDE

∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦)=∂𝑥∂𝑦⋅Γ(𝑦)

是可解的 <==> 满足 #link(<linear-PDE-integrable-condition>)[]

[∇𝑖,∇𝑖′]=0

where ∇=∂+Γ is #link(<geodesic-derivative>)[]

or

[∇𝑣,∇𝑣′]−∇[𝑣,𝑣′]=0

如果解出了 ∂𝑥∂𝑦(𝑦), 用初值条件再次积分得到 𝑥(𝑦), 得到从坐标 𝑦 到 flat-metric 坐标 𝑥 的转换函数

在 flat-metric 坐标 Γ=0 所以测地线 ODE 是 𝑥̈=0,所以 flat-metric 坐标将是测地线坐标

不存在 flate metric 坐标时, 则选取 #link(<Einstein-metric>)[] 作为最小 #link(<scalar-curvature>)[纯量曲率]

现在不假设 flat metric

curvature-of-metric_(tag)

曲率 (𝑅 from "Riemann")

  • 𝑅𝑖𝑖′=[∇𝑖,∇𝑖′]
  • (𝑅𝑖𝑖′)𝑗𝑗′=[∇𝑖,∇𝑖′]𝑗𝑗′

[∇𝑖,∇𝑖′] 是张量 (尽管 ∇ 不是)

name-overload: 曲率 := 曲率的 #link(<metric-dual>)[] 𝑅≔𝑔[∇𝑖,∇𝑖′]

在坐标中 𝑅𝑖𝑖𝑗′𝑗′=𝑔𝑗′𝑘(𝑅𝑖𝑖′)𝑗𝑘

flat-metric-iff-curvature-0_(tag) flat-metric <==> 曲率是零

curvature-determine-metric-locally_(tag)

"flat-metric <==> 曲率零" 可以推广到曲率决定局部 metric

如果两个 metric 𝑔,𝑔′ 及其曲率通过 𝑝,𝑝′ 点之间局部微分同胚联系起来, 且微分是 𝑝,𝑞 切空间之间的 isometry, 则局部微分同胚是 𝑔,𝑔′ 的局部 isometry

curvature-in-geodesic-coordinate_(tag)

在测地线坐标的原点 𝑝, 通过计算, 通过

  • #link(<metric-connection>)[] Γ 的定义和曲率 𝑅 定义
  • Γ(𝑝)=0

有

𝑅𝑖1𝑖2𝑗1𝑗2=12∑𝑖,𝑗∈2!sign(𝑖)sign(𝑗)∂𝑖1𝑗1𝑔𝑖2𝑗2

or

𝑅𝑖𝑖′𝑗𝑗′=12(∂𝑖𝑗𝑔𝑖′𝑗′+∂𝑖′𝑗′𝑔𝑖𝑗−∂𝑖𝑗′𝑔𝑖′𝑗−∂𝑖′𝑗𝑔𝑖𝑗′)

==> 如果在测地线坐标, metric 的 Taylor 展开二阶微分也是零 𝑔(𝑝+𝑣)=𝜂+𝑜(𝑣2), 则曲率也是零 𝑅=0, 从而导致 flat-metric, 从而高阶微分也是零 𝑜(𝑣2)=0

symmetry-of-curvature_(tag)

  • 𝑅𝑖(12)𝑗(12)=
  • −𝑅𝑖(21)𝑗(12)
  • −𝑅(𝑖(12)𝑗(21)
  • 𝑅𝑗(12)𝑖(12)
  • ∑cyclic (123)𝑅𝑖(123)𝑗=0

or

  • 𝑅𝑖𝑖′𝑗𝑗′=
  • −𝑅𝑖′𝑖𝑗𝑗′
  • −𝑅𝑖𝑖′𝑗′𝑗
  • 𝑅𝑗𝑗′𝑖𝑖′
  • 𝑅𝑖𝑖′𝑖″𝑗+𝑅𝑖′𝑖″𝑖𝑗+𝑅𝑖″𝑖𝑖′𝑗=0

==> 𝑅∈⨀2(⋀2𝑉⊺)

Proof 在测地线坐标, 用 Γ or 𝑔 表示的曲率 𝑅 的定义

algebraic-curvature-tensor_(tag) 代数曲率张量定义为满足上述对称性 (ref-6, lect 8)

curvature-product_(tag)

模仿 #link(<curvature-in-geodesic-coordinate>)[曲率在测地线坐标的定义], 对于二阶对称张量 𝑇,𝑆∈⨀2𝑉⊺ 定义 curvature-product

(𝑇⧀𝑆)𝑖1𝑖2𝑗1𝑗2=∑𝑖,𝑗∈2!sign(𝑖)sign(𝑗)𝑇𝑖1𝑗1𝑆𝑖2𝑗2

or

(𝑇⧀𝑆)𝑖𝑖′𝑗𝑗′=𝑇𝑖𝑗𝑆𝑖′𝑗′+𝑇𝑖′𝑗′𝑆𝑖𝑗−𝑇𝑖𝑗′𝑆𝑖′𝑗−𝑇𝑖′𝑗𝑆𝑖𝑗′

𝑇⧀𝑆 满足 #link(<symmetry-of-curvature>)[], 从而 𝑇⧀𝑆∈ curvature, or ⧀:(⨀2𝑉⊺)2→ curvature

在测地线坐标的原点, 曲率是 (formally)

𝑅=12(∂2⧀𝑔)

Def 𝑓(𝑅𝑖(1234))≔∑cyclic (123)𝑅𝑖(123)𝑖(4)

  • 𝑓 将 𝑇∈⨀2(⋀2𝑉⊺) 映射到自身且 𝑓2=𝑓, i.e. wiki:Projection_(linear_algebra), so ⨀2(⋀2𝑉⊺)= ker 𝑓⊕ im 𝑓

  • ker 𝑓= curvature

  • 对于交错张量 𝑇,𝑆∈⋀2𝑉⊺, 𝑓(𝑇⊙𝑆)=𝑇∧𝑆, so im(𝑓)=⋀4𝑉⊺

dimension-of-algebraic-curvature_(tag) 使用 domain kernel ≃ image, 有代数曲率张量空间的维数

dim(curvature )=dim(⨀2(⋀2𝑉⊺))−dim(⋀4𝑉⊺)=112𝑛2(𝑛2−1)

where 𝑛= dim 𝑉

metric 是一种张量 𝑔∈⨀2𝑉⊺

映射 𝑔⧀:⨀2𝑉⊺→ curvature

adjoint-of-curvature-product_(tag) (𝑔⧀)†: curvature →⨀2𝑉⊺ :=

对于 𝑇∈⨀2𝑉⊺ 和 𝑆∈ curvature 和 curvature,⨀2𝑉⊺ 的 #link(<tensor-induced-metric>)[]

𝑔(𝑔⧀𝑇,𝑆)=𝑔(𝑇,(𝑔⧀)†𝑆)

对每个 𝑆∈ curvature, 线性函数

(𝑇⇝𝑔(𝑔⧀𝑇,𝑆))∈(⨀2𝑉⊺)⊺

有 ⨀2𝑉⊺ 空间的 metric-adjoint :=

(𝑔⧀)†(𝑆)∈⨀2𝑉⊺

线性函数 𝑇⇝𝑔(𝑔⧀𝑇,𝑆) 可以用 ⨀2𝑉⊺ 空间的 metric 表示

𝑇⇝𝑔(𝑇,(𝑔⧀)†𝑆)

在坐标中 ((𝑔⧀)†𝑆)𝑖𝑗=4𝑔𝑖′𝑗′𝑆𝑖𝑖′𝑗𝑗′

𝑔⧀ 是单射, (𝑔⧀)† 是满射. Proof 使用复合映射的前置逆和后置逆, 构造方式参考 #link(<curvature-decomposition>)[] 的计算

dim(im(𝑔⧀)†)=dim(im(𝑔⧀))= dim ⨀2𝑉⊺

metric-adjoint (𝑔⧀)† ==> ker(𝑔⧀)†⟂im(𝑔⧀)⊂ curvature

线性映射 (𝑔⧀)† ==> dim ker(𝑔⧀)†+ dim im(𝑔⧀)†= curvature

==> ker(𝑔⧀)†⟂im(𝑔⧀)= curvature

映射 𝑔⋅:ℝ→⨀2𝑉⊺

metric-adjoint (𝑔⋅)†:⨀2𝑉⊺→ℝ :=

for 𝑟∈ℝ and 𝑇∈⨀2𝑉⊺

𝑔(𝑔⋅𝑟,𝑇)=𝑔(𝑟,(𝑔⋅)†𝑇)=𝑟⋅((𝑔⋅)†𝑇)

𝑔(𝑔⋅𝑟,𝑇)=𝑟⋅𝑔(𝑔,𝑇) so (𝑔⋅)†𝑇=𝑔(𝑔,𝑇)

在坐标中 𝑔(𝑔,𝑇)=𝑔𝑖𝑗𝑇𝑖𝑗

𝑔⋅ 是单射, (𝑔⋅)† 是满射

dim(im(𝑔⋅)†)=dim(im(𝑔⋅))

ker(𝑔⋅)†⟂im(𝑔⋅)=⨀2𝑉⊺=im(𝑔⧀)†

curvature-decomposition-space_(tag)

curvature =ker(𝑔⧀)†⟂ker(𝑔⋅)†⟂im(𝑔⋅)

正交分解为子张量空间, 且不可再这样分解 i.e. irreducible

curvature-decomposition_(tag) forall 𝑇∈ curvature, exists 𝑆∈⨀2𝑉⊺, 正交分解 𝑇=𝑈+𝑔⧀𝑆∈ker(𝑔⧀)†⊕im(𝑔⧀)

Proof if it's true then

14(𝑔⧀)†𝑇=(𝑔⧀)†(𝑔⧀)𝑆=(𝑛−2)𝑆+𝑔⋅𝑔(𝑔,𝑆)

14(𝑔⋅)†(𝑔⧀)†𝑇=(𝑛−2)⋅𝑔(𝑔,𝑆)+𝑔(𝑔,𝑔)⋅𝑔(𝑔,𝑆)=2(𝑛−1)⋅𝑔(𝑔,𝑆)

𝑆=14(𝑛−2)((𝑔⧀)†𝑇−12(𝑛−1)𝑔⋅(𝑔⋅)†(𝑔⧀)†𝑇)

  • Ricci-curvature_(tag) Ric ≔14(𝑔⧀)†𝑅

    在坐标中 Ric(𝑖𝑗)=𝑔𝑖′𝑗′𝑅𝑖𝑖′𝑗𝑗′

  • scalar-curvature_(tag) scal ≔14(𝑔⋅)†(𝑔⧀)†𝑅

    在坐标中 scal =𝑔𝑖𝑗𝑔𝑖′𝑗′𝑅𝑖𝑖′𝑗𝑗′

  • conformal-curvature_(tag) 𝑊≔𝑅−𝑔⧀1𝑛−2(Ric −12(𝑛−1)⋅𝑔⋅ scal)∈ker(𝑔⧀)† (named so because if it vanish then the metric conformally flat when 𝑛≥4) (𝑊 from "Weyl")

类似地, 正交分解 ⨀2𝑉⊺=ker(𝑔⋅)†⊕im(𝑔⋅) 是 (𝑆−1𝑛⋅𝑔⋅(𝑔⋅)†𝑆)+1𝑛⋅𝑔⋅(𝑔⋅)†𝑆

trace-free Ricci-curvature tr-free-Ric ≔ Ric −1𝑛⋅𝑔⋅ scal ∈ker(𝑔⋅)†

曲率正交子张量空间分解

curvature =ker(𝑔⧀)†⊕ker(𝑔⋅)†⊕im(𝑔⋅)

𝑅=𝑊+1𝑛−2⋅𝑔⧀ tr-free-Ric +12𝑛(𝑛−1)⋅ scal ⋅𝑔⧀𝑔

quadratic-form

|𝑅|2=|𝑊|2+4𝑛−2|tr-free-Ric|2+2𝑛(𝑛−1) scal 2=|𝑊|2+4𝑛−2|Ric|2−2𝑛(𝑛−1) scal2

curvature-low-dimension_(tag) low dimension curvature

  • 𝑛=0,1⟹dim( curvature )=0

  • 𝑛=2⟹dim( curvature )=1 span by 𝑔⧀𝑔

  • 𝑅=12 scal 𝑔⧀𝑔, only type 𝑅1212≠0, and 𝑔⧀𝑔∼𝑔11𝑔12−𝑔122=det(𝑔)

  • Ric =12 scal 𝑔

  • 𝑛=3⟹dim( curvature )=6
  • 𝑔⧀:⨀2𝑉⊺→ curvature 是双射

  • 𝑊=0

  • 𝑅 完全决定于 Ric =14(𝑔⧀)†𝑅

let ∂𝑔𝑖𝑖′∂𝑥𝑗∂𝑥𝑗′=𝑔𝑖𝑖′,𝑗𝑗′

metric 测地线坐标展开也有曲率的出现

𝑔𝑖𝑖′=𝜂𝑖𝑖′+(∂𝑗𝑗′𝑔𝑖𝑖′)𝑣𝑗𝑣𝑗′+𝑜(𝑣2)

且满足

(∂𝑗𝑗′𝑔𝑖𝑖′)𝑣𝑗𝑣𝑗′=−13𝑅𝑖𝑗𝑖′𝑗′𝑤𝑗𝑤𝑗′

注意这是求和 ∑𝑗𝑗′ 的等式, 而不是系数的等式

  • "trace" (𝑔⧀)† 也出现在 Taylor-expansion of metric volume-form |𝑔|=|det (𝑔𝑖𝑗)|12, 相关于 det(𝟙+𝐴)=𝟙+tr(𝐴)+𝑜(𝐴) and (1+𝑥)12=1+12𝑥+𝑜(𝑥)

    |𝑔|=1−16Ric(𝑣,𝑣)+𝑜(𝑣2)
  • "trace" (𝑔⋅)† 再次出现在 volume of geodesic ball (for spacetime manifold 应该用 multi radius?)

    Vol(geodesic-ball(𝑟))Vol(ball(𝑟))=1−16(𝑛+2) scal 𝑟2+𝑜(𝑟2)

∇𝑋𝑌−∇𝑌𝑋=[𝑋,𝑌]

if scale matric 𝑔⇝𝜆𝑔

  • geodesic-derivative ∇
  • curvature [∇𝑖,∇𝑖′]
  • curvature metric-dual 𝜆𝑔[∇𝑖,∇𝑖′]
  • Ricci-curvature 1𝜆 Ric
  • #link(<sectional_curvature>)[] 1𝜆𝐾
  • scalar-curvature 1𝜆 scal

用 signature (3,1) 来表示时空 metric 时, 就是对 (1,3) signature 乘以 𝜆=−1