中卷前言
中卷的主題是活動標架法。含三篇
篇四 張量的微積分
篇五 Riemann幾何的結構
六 活動標架法與大域幾何
共九章,即Ch.13-21。
微分幾何處理的對象是彎曲的空間。上卷已經建立了彎曲空間的基本概念,例如向量場的共變微分與曲率張量,並藉由彎曲空間中測地線的變分來探測彎曲空間大域的幾何性質,例如對正、負曲率空間,分別有Bonnet-Myers定理、與Hadamard定理。
本書中卷先介紹張量的微積分,我們從平均的視角出發,引入均曲率、divergence、與Laplacian,使這些概念具有幾何的直觀,而不只做抽象的定義。活動標架法(moving frames)是處理彎曲空間簡潔而有效的方法,也是中卷的主題。
活動標架法的基本概念是微分式(differential form)。在本書上卷前篇的章B中,我們已經鋪陳?n中的微分式,並看到它如何被運用、被拿來有效而漂亮的計算出n度球?、Clifford環面、與Lorentz雙曲面?n的Gauss曲率(高維時稱為截曲率)。這是截曲率為常數,而且分別為正、零與負值的三種典型。
微分式是一階世界的概念,不屬於零階世界,亦即:在一個點的微分式,必須把那個點附近的無窮小範圍,放大無窮多倍,這時我們才看得到微分式。例如微分式ω在一塊面域D上的積分,如果用這樣的方式了解,便一目瞭然:原來微分式可以從積分符號中剝落出來,成為一個獨立的概念[篇四,參見Ch.15,§7]。把無窮小世界的微分式,在一塊面域D上的無窮多點「累加」,就得到ω在D上的積分值。微分式ω本身,例如:ω=dxdy是一個獨立游走的概念。這涵意是深遠的。
當然,向量場本身也是一階產物,但因它與零階世界放在一起,直觀上還一目瞭然,所以問題不大。但微分式放到高階世界來了解,相對容易養成直觀,尤其取了外微分之後。
古典的張量分析(tensor analysis)與向量場的共變微分,是處理彎曲空間的一種直接而廣泛沿用的方法,它們容易懂,但不好算。微分式則反過來,不好懂,但容易算,算起來尤其簡潔有效。而且一旦掌握,更可以用來分析彎曲空間(亦即Riemann流形)的幾何結構[篇五]:從建立結構方程開始,清楚的洞悉Riemann流形的局部性質。這件事在上卷曲面論基本定理[Ch.4, §2]中,討論高維超曲面的存在與唯一的時候,已經鋪陳了伏筆。到中卷篇五,藉由Ch.16子流形的結構方程、Ch.18活動標架法的運算基礎、與commutation formula這三樣重要題材,我們進一步把彎曲空間的局部幾何徹底釐清。從這裡借助invariance,躍入大域世界:1943年陳省身漂亮的運用moving frames,給予高維Gauss-Bonnet定理一個內在證明,開啟了大域幾何的紀元。這是篇六的第19章。
就這樣,我們走進篇六,討論活動標架法在大域幾何的重要應用。我們引入Bochner著名的的技法,證明幾個經典的大域定理,如Lishnerowicz、Bochner、Hopf-Alexandrov、Minkowski、Reilly等人的貢獻。
最後一節[Ch.21, §2]我們特別提到Obata定理,其中一個原因是Obata讓我們又細細回顧古典曲面論與測地線變分的技法,把它拿來處理某類Riemann流形M在Laplacian特徵值λ1取得最小的狀態(即敲音最低沉時)。證明此時Riemann流形M必定是最勻稱的n度球,這是球面一個深刻的特徵定理。