黎曼流形

黎曼流形是一黎曼度量的微分流形。設M是n維光滑流形，若在M上給定一個光滑的二階協變張量場g，稱(M，g)為一個n維黎曼流形，g稱為該黎曼流形的基本張量或黎曼度量，如果滿足：

1.g是對稱的，即：

g(X，Y)=g(Y，X) (X，Y∈T_pM，p∈M).

2.g是正定的，即：

g(X，X)≥0 (X∈T_pM，p∈M)，

且等號僅在X=0時成立。 ^[1] 

簡單地説，黎曼流形就是給定了一個光滑的對稱、正定的二階張量場的光滑流形。

在微分流形以及黎曼幾何中，一個黎曼流形是具有黎曼度量的微分流形，換句話説，這個流形上配備有一個對稱正定的二階協變張量場，亦即在每一點的切空間上配備一個正定二次型。給了度量以後，我們就可以像初等幾何學中一樣，測量長度，面積，體積等量。

n維歐氏空間中有自然的度量ds^2=(dx_1)^2+...+(dx_n)^2。它的矩陣表示就是單位矩陣。

歐氏空間中的子流形當然也就自然地誘導出一個度量。曲線和曲面的微分幾何裏，我們都是把曲線曲面視為三維空間的子流形，所以自然賦予了度量結構。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，引力並不是真正的力，而是反映空間扭曲的一個幾何現象。對一個考察者來説，他身處在這個空間裏，是無法直接體會到空間扭曲的。 但是他可以通過測量自己所處的空間來判斷是否存在空間扭曲，測量的標準就是所謂的度量。 度量是內藴性質。 具有度量的空間就稱為黎曼空間。

流形是一類特殊的連通、豪斯多夫仿緊的拓撲空間，在此空間每一點的鄰近預先建立了座標系，使得任何兩個(局部)座標系間的座標變換都是連續的。n維流形的概念在18世紀法國數學家拉格朗日的力學研究中已有萌芽。19世紀中葉英國數學家凱萊(1843)、德國數學家格拉斯曼(1844，1861)、瑞士數學家施勒夫利(1852)分別論述了n維歐幾里得空間理論，把它視為n個實變量的連續統。1854年德國數學家黎曼在研究微分幾何時用歸納構造法給出一般n維流形的概念：n維流形是把無限多個(n-1)維流形按照一維流形方式放在一起而形成的，從此開始流形的拓撲結構及其局部理論的研究。法國數學家龐加萊在19世紀末把n維流形定義為一種連通的拓撲空間，其中每一點都具有和n維歐氏空間同胚的鄰域(被稱為龐加萊流形)，從而開闢了組合拓撲學的道路。

對流形的深入研究集中在流形上的微分結構與組合結構的存在性、唯一性問題，微分結構與組合結構的關係，流形的各種意義下的分類等問題，20世紀50—60年代做出許多重要結果，近幾十年來出現有限維帶邊流形和無限維流形概念。流形理論在與其他拓撲理論的相互結合發展中也提出許多問題，其研究仍在繼續。

流形上的黎曼度量給定後，我們可以得到一個唯一確定的對稱（即無撓）聯絡，並且它保持黎曼度量。這個聯絡稱為這個黎曼度量的Levi-Civita聯絡。

有了聯絡，我們就可以定義向量場的協變微分和協變導數，從而建立起流形上的微分學。歐氏空間的聯絡就是通常意義上的向量函數的微分。

黎曼度量還誘導出曲率的概念，它反映了流形的彎曲程度。曲率處處為零的流形稱為平坦黎曼流形。歐氏空間就是最常見的平坦流形。

德國數學家高斯最早研究了曲面上的曲率，發現這種曲率是內藴的，儘管它的定義式不是內藴的。 ^[2] 

德國數學家。生於德國漢諾威 (Hannover) 的佈雷塞倫茨(Breselenz)，是牧師之子，在哥廷根 (Gottingen) 大學和梅林大學學習，1851年在哥廷根大學獲得博士學位，1854年任該大學兼職講師，1857年任副教授，1859年作為P. G. L. Dirichlet的繼承人任教授。因患肺病，英年早逝。短短一生中，在數學各個領域作出了劃時代的貢獻。最重要的貢獻有四個方面：幾何學、複變函數論、微分方程和數學分析的基本理論。他是黎曼幾何的創始人，複變函數理論創始人之一。在數學分析方面，他給積分下的標準定義，一直沿用至今，以至於這種意義下的古典積分叫作“黎曼積分”。他還對傅立葉級數理論做了許多研究，其中最著名的就是以他的名字命名的定理。黎曼對偏微分方程和常微分方程理論，特別是常微分方程的奇點理論，也都創造了一些重要的方法。黎曼還十分關注自然科學，特別是物理學。他的複變函數和微分方程研究都直接與流體力學和電磁理論相聯繫，著名的數學家克萊因曾在《19世紀數學發展講義》一書中指出： “黎曼用他的數學才能為自然科學本身開闢新的途徑。然後又把自然科學作為形成數學中的新概念的動力”。 ^[3]