Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
А. Многообразия отрицательной кривизны Напомним сначала некоторые классические свойства римановых многообразий отрицательной кривизны. Теорема П21.1. Пусть $V$ — полное односвязное риманово многообразие отрицательной кривизны. Тогда: 1) Существует одна и только одна геодезическая, проходящая через две данные различные точки; Доказательство может быть найдено в работе С. Хелгасона [1]. Прямым результатом является следующее следствие: В. Асимптоты к данной геодезической Как обычно, $\gamma(x, \boldsymbol{u}, t)=\gamma(t)=\gamma$ обозначает геодезическую, исходящую из $x$ с вектором начальной скорости $\boldsymbol{u}$ и длиной дуги $t$. Точка на $\gamma$, соответствующая $t$, также записывается через $\gamma(t)$. Риманово расстояние между двумя точками $a$ и $b$ обозначается через $|a, b|$. Через $V$ обозначим полное, односвязное риманово многообразие отрицательной кривизны. Теорема П21.3. Пусть $v^{\prime}$ — точка из V. Геодезическая, соединяющая $v^{\prime}$ с точкой $\gamma(t) \in \gamma$, стремится к пределу, когда $t \rightarrow+\infty$ (соответственно, $t \rightarrow-\infty$ ). Этот предел является геодезической. Доказательство. С другой стороны, неравенство треугольника, примененное к $v, v^{\prime}, \gamma\left(t_{1}\right)$, дает откуда Аналогично, В результате получаем то есть Таким образом, согласно Коши, $\boldsymbol{u}_{1}$ стремится к пределу $\boldsymbol{u}^{\prime}$, когда $t_{1} \rightarrow+\infty$. Геодезическая $\gamma\left(v^{\prime}, \boldsymbol{u}^{\prime}, t\right)$ является предельным положением $\gamma\left(v^{\prime}, \boldsymbol{u}_{1}, t\right)$, поскольку экспоненциальное отображение $\exp _{v^{\prime}}$ непрерывно. Геодезическая $\gamma\left(v^{\prime}, u^{\prime}, t\right)$ называется положительной асимптотой $\kappa \gamma$. Отрицательные асимптоты определяются подобным образом при $t \rightarrow-\infty$. Замечание П21.5. Легко доказать, что положительная асимптота к $\gamma$, исходящая из данной точки положительной асимптоты $\gamma\left(v^{\prime}, \boldsymbol{u}^{\prime}, t\right)$ является ничем иным, как $\gamma$ (геометрически). Таким образом, можно говорить о положительной асимптоте к $\gamma$, не упоминая определенную точку $v^{\prime}$. Более того, множество положительных асимптот к $\gamma$ является ( $\operatorname{dim} V-1$ )-параметрическим семейством геодезических. С. Орисферы ${ }^{1} V$ Пусть снова $V$ — полное, односвязное риманово многообразие отрицательной кривизны. Пусть $\gamma(v, \boldsymbol{u}, t)=\gamma(t)$ — геодезическая и $v^{\prime}$ произвольная точка из $V$. Лемма П21.6. Разность стрелится к конечному пределу $L\left(v^{\prime} ; \gamma, v\right)$ при $t \rightarrow+\infty$. Этот предел является $C^{1}$-дифференцируелой функцей $v^{\prime} u v$. Таким образом, $\varphi(t)$ монотонно убывает. С другой стороны, $\varphi(t)$ ограничена, поскольку неравенство треугольника, примененное к $v, v^{\prime}, \gamma(t)$, дает что доказывает существование предела Второе утверждение следует из неравенства Очевидно, что где $\bar{v}_{1}$ — алгебраическая мера $v v_{1}$ на ориентированной геодезической $\gamma$. Определение П21.8. Геометрическое место точек $x$, для которых $L(x ; \gamma, O)=0$, называется положительной орисферой, проходящей через точку $O$ на $\gamma$, и будет обозначаться через $H^{+}(\gamma, O)$. Согласно лемме (П21.7), $H^{+}(\gamma, O)$ является $C^{1}$-дифференцируемым подмногообразием размерности $(\operatorname{dim} V-1)$. Пусть $v_{1}$ — произвольная точка на $\gamma$. Отношение (I21.7) показывает, что $H^{+}(\gamma, O)$ имеет уравнение Получаем орисферы, являющиеся сферами бесконечного радиуса с центром в бесконечности. Риманова сфера с центром в точке $a$, проходящая через $b$, будет обозначаться $\sum(a, b)$. Лемма П21.9. $\quad \sum(\gamma(t), O)$ стремится $\kappa H^{+}(\gamma, O)$ при $t \rightarrow+\infty$. С другой стороны, $\varphi(t) \geqslant 0$. Таким образом, $\sum(\gamma(t), O)$ пересекает отрезок геодезической $x \gamma(t)$ в точке $b(t)$ (см. рис. П21.10). Это означает, что каждая точка положительной орисферы $H^{+}(\gamma, O)$ является предельной точкой сфер $\sum(\gamma(t), O)$ при $t \rightarrow+\infty$. Обратно, докажем, что такая предельная точка принадлежит $H^{+}(\gamma, O)$. Пусть $b(t)-$ точка сфер $\sum(\gamma(t), O)$ и $x=\lim _{t \rightarrow+\infty} b(t)$. Неравенство треугольника дает Таким образом, $L(x ; \gamma, O)=0$, то есть Следствие П21.11. Орисферы являются выпуклыми и, если кривизна многообразия $V$ ограничена сверх отрицательной постоянной, строго выпуклыми. Доказательство. Лемма П21.12. Пусть $\mathrm{H}^{+}(\gamma, O)$ и $\mathrm{H}^{+}\left(\gamma, O^{\prime}\right)$ — две орисферы на $\gamma$. Если $a \in H^{+}(\gamma, O)$ и $a^{\prime} \in H^{+}\left(\gamma, O^{\prime}\right)$, тогда $\left|a, a^{\prime}\right| \geqslant\left|O, O^{\prime}\right|$. Доказательство. Предположим, что $\left|a, a^{\prime}\right|<\left|O, O^{\prime}\right|$. Из (П21.9) заключаем, что каждому $t$ соответствует точка $a(t) \in \sum(\gamma(t), O)$ такая, что и точка $a^{\prime}(t) \in \sum\left(\gamma(t), O^{\prime}\right)$ такая, что Таким образом, для достаточно больших $t$, имеем Не меняя общности, предположим, что точка $O^{\prime}$ лежит между точками $O$ и $\gamma(t)$. Получаем следующее противоречие Лемма П21.13. Две положительные орисферы $\mathrm{H}^{+}(\gamma, O)$ и $\mathrm{H}^{+}\left(\gamma, O^{\prime}\right)$ отрезают дугу длиной $\left|O, O^{\prime}\right|$ на каждой положительной асимптоте к геодезической $\gamma$. Доказательство. Отсюда выводим, что Таким образом, $a \in H^{+}(\gamma, O)$. Теорема П21.15. Положительные асимптоты к $\gamma$ являются ортогональными траекториями положительных орисфер на $\gamma$. Доказательство. Наконец, заметим, что отрицательные орисферы $H^{-}(\gamma, O)$ определяются аналогично из отрицательных асимптот $(t \rightarrow-\infty)$. D. Орисферы на $T_{1} V$ Унитарное касательное расслоение многообразия $V$ обозначается через $T_{1} V$ и $p: T_{1} V \rightarrow T$ является канонической проекцией. Пусть $u$ — точка на $T_{1} V ; \boldsymbol{u}$ определяет геодезическую $\gamma(p \boldsymbol{u}, \boldsymbol{u}, t)=$ $=\gamma(\boldsymbol{u}, t)=\gamma(t)$, подъем которой в $T_{1} V$ снова обозначается через $\gamma(t)$. Из раздела $B$ нам известно, что существуют две орисферы $H^{+}(\gamma, p \boldsymbol{u})=H^{+}(\boldsymbol{u})$ и $H^{-}(\gamma, p \boldsymbol{u})=H^{-}(\boldsymbol{u})$, проходящие через $\boldsymbol{p} \boldsymbol{u}$. Множество унитарных векторов, ортогональных $H^{+}(\boldsymbol{u})$ (соотв. $H^{-}(\boldsymbol{u})$ ) вдоль $H^{+}(\boldsymbol{u})$ (соотв. $H^{-}(\boldsymbol{u})$ ) и ориентированных подобно $\boldsymbol{u}$ является $(\operatorname{dim} V-1)$-размерным подмногообразием $\mathscr{H}^{+}(\boldsymbol{u})$ (соотв. $\mathscr{H}^{-}(\boldsymbol{u})$ ) на $T_{1} V$. Подмногообразия $\mathscr{H}$ называются орисферами из $T_{1} V$. Теорема П21.16. 1) Все $\gamma(\boldsymbol{u}, t)$ и подмногообразия $\mathscr{H}^{+}(\boldsymbol{u}), \mathscr{H}^{-}(\boldsymbol{u})$ являются слоениями $T_{1} V$; где $X_{u}^{+}$(соответственно, $X_{u}^{-}, Z_{u}$ ) является касательным пространством к $\mathscr{H}^{+}(\boldsymbol{u})$ (соответственно, $\left.\mathscr{H}^{-}(\boldsymbol{u}), \gamma(\boldsymbol{u}, t)\right)$ к точке $\boldsymbol{u}$; Доказательство. для каждых $s, t \geqslant 0$ и $r_{s}(0)>0, r_{s}(s)=0$. Тогда Предположим также, что Тогда, для достаточно больших значений $s$, Доказательство. удовлетворяет Таким образом, $l_{s}$ вогнут между 0 и $s$ и принимает нулевое значение при $t=0, s$, следовательно $l_{s}(t) \leqslant 0$ при $0 \leqslant t \leqslant s$, что доказывает первую часть леммы. Это также доказывает, что $\dot{l}_{s}$ увеличивается между 0 и $s$. Таким образом, $i_{s}(t) \leqslant \dot{l}_{s}(s)$ при $0 \leqslant t \leqslant s$. С другой стороны в частности, откуда вторая часть легко выводится. Теорема П21.18. Пусть $\phi_{t}$ — геодезический поток подмногообразия $T_{1} V$. Тогда, для любого положительного числа $t$ Положительные постоянные а и в независимы от $t$ и $\xi$ || || обозначает длину вектора из $T_{1} V$ с обычной римановой метрикой. Доказательство. Пусть $\gamma(O, \boldsymbol{u}, t)=\gamma(t)=\gamma$ геодезическая из $V$ и пусть $x$ точка из $H^{+}(\gamma, O)$, достаточно близкая к $O$. Существует определенная геодезическая $\gamma_{s}\left(x, \boldsymbol{u}_{s}, t\right)=\gamma_{s}(t)$, проходящая через $x$ и $\gamma(t) \in \gamma$. Наше первое намерение заключается в вычислении риманова расстояния между точками $\dot{\gamma}(t)$ и $\dot{\gamma}_{s}(t)$, рассматриваемыми как элементы $T_{1} V$. Пусть $r_{s}(t)$ — риманово расстояние между их проекциями $\gamma(t)$ и $\gamma_{s}(t)$ на $V$. Для того, чтобы вычислить $r_{s}(t)$, рассмотрим поле Якоби ${ }^{2} \psi(t)$ вдоль $\gamma$, которое ортогонально к $\gamma$ и которое обращается в нуль при $t=s$. По определению, где $R(\cdot, \cdot)$ является тензором кривизны и $ Известно, что $\rho(\dot{\gamma}, \psi) \geqslant-k^{2}$, следовательно, С другой стороны, abla\langle Таким образом, длина $l_{s}(t)$ из $\psi(t)$ удовлетворяет неравенству то есть Лемма (П21.17) и классическая возможность выбрать поле Якоби $\psi$ так, что при $x$, достаточно близком к $\gamma$, дает Теперь легко видеть, что угол из $\gamma$ и $\gamma_{s}$ в $\gamma(s)$ стремится к нулю при $s \rightarrow+\infty$. Следовательно, $\dot{r}_{s}(s) \rightarrow 0$ при $s \rightarrow+\infty$ и из леммы П21.17 снова вытекает При $s \rightarrow+\infty, \gamma_{s}(t)$ стремится к точке $\gamma^{\prime}(t)$ положительной асимптоты $\gamma^{\prime}\left(x, \boldsymbol{u}^{\prime}, t\right)$ к $\gamma$, и $\gamma_{s}(t)$ стремится к $\dot{\gamma}^{\prime}(t)$. Если $r(t)$ обозначает расстояние от $\gamma(t)$ до $\gamma^{\prime}(t)$, то из неравенств (П21.19) и (П21.20) получаем (при $s \rightarrow+\infty$ ) Таким образом, риманово расстояние $\dot{\gamma}(t), \dot{\gamma}^{\prime}(t) \in T_{1} V$ удовлетворяет неравенству Из чего легко выводится первое неравенство теоремы П21.18. Е. Доказательство теоремы Лобачевского-Адамара ${ }^{3}$ Теорема П21.21. Пусть $W$ — компактное, связное риманово многообразие отрицательной кривизны. Тогда геодезический поток на $T_{1} W$ является -потоком. $^{2}$ Доказательство. ное. Группа $\pi_{1}(W)$ действует как группа автоморфизмов из $T_{1} \widetilde{W}$ : если $\boldsymbol{u}^{\prime}, \boldsymbol{u}^{\prime \prime} \in T_{1} \widetilde{W}$ сравнимы по $\bmod \pi_{1}(W)$, тогда $\mathscr{H}^{ \pm}\left(\boldsymbol{u}^{\prime}\right)$ и $\mathscr{H}^{ \pm}\left(\boldsymbol{u}^{\prime \prime}\right)$ сами являются сравнимыми по $\bmod \pi_{1}(W)$. Этот результат не выполняется для некомпактных многообразий. Рассмотрим пространство $\{(x, y) \mid y>0, x(\bmod 1)\}$, снабженное метрикой Гауссова кривизна равняется -1 и универсальное накрывающее пространство является плоскостью Лобачевского (см. приложение 20). Кривая $y=1$ является орициклом, гомеоморфным $S^{1}$.
|
1 |
Оглавление
|