可视化微分几何和形式

第五幕的习题

1-形式

  1. 狄拉克的德尔塔函数是 1-形式。考虑向量空间 ,它是由定义在 上的无穷次可微的实值函数 组成的。它的对偶空间由称为分布的 1-形式组成。狄拉克的德尔塔函数 就是这样的一个分布,所以它是一个 1-形式。它对于“向量” 的作用定义为 在 处的值:
  • 对于 中的任意函数 ,记其对应的 1-形式为 ,定义它对向量 的作用为 证明 确实是一个 1-形式。
  • 因此狄拉克在定义德尔塔函数时强调 事实上,任何普通的函数都不可能满足这个定义。考虑一个以 为对称中心的光滑钟形曲线,想象它在变得越来越高,越来越窄的同时,始终对 满足 (39.1): 解释为什么在钟形曲线的宽度趋于零的极限下,我们就得到 (39.1)。
  1. 首先理解一下函数 是 1-形式的意思。根据式 (32.1),如果 作为一个分布是一个 1-形式,那么对于向量空间 中的函数 和 ,以及实数 和 ,有

  2. 考虑向量空间 中的任意函数 和 以及系数 和 ,有

    说明 是一个 1-形式。

  3. 钟形曲线的定义域涵盖了 ,但是题目要求 那就局限在此范围内进行说明。题目的描述和狄拉克 delta 函数的描述中的定义 2 一致。令 ,, 是题目中描述的,变得越来越高和窄的钟形曲线,有

    成立。如果按照习题 1 所示,选择

    作为满足题目的钟形曲线,有

    (如果没有 在 的地方函数值为 0 的性质,很难拆分积分区间进行计算(正常逻辑就是展开,然后除去中间项,左右趋向于 的积分项都为 0)。

  1. 在 中,给出 1-形式 对向量 的作用 的显式几何解释。
  1. 大概这样吧:

    Pic. Exercise 2.1

    根据 410 页的结论,通过叠加三个相互正交的平行平面束构造 ,得到的新平面束如上图所示。平面的法向量为

    间隔为

  1. 逆变和协变的解释。设 是旋转角为 的旋转变换,则如第 176 页图 15-3 中的解释,其矩阵为 它的逆是 其中 ,。记 为标准正交基, 为将原来的基旋转角度 生成的新基,即 。
  • 在同一幅图中同时画出这两个基,同时画出一个一般的向量 ,以及它在旋转后的基中的分量 。用图解释为什么新的分量是通过对原来分量应用相反的旋转矩阵 得到的: 因为这个向量的分量是以与基向量变换相反的(“逆”的)方式变化的,所以在年代较远的文献中,称这样的向量为逆变向量,或反变向量。
  • 的对偶基是 。设 为一般的 1-形式, 为对偶到 的基,使新的分量为 。证明 1-形式变换的分量与基向量的变换方式相同(是“协”的): 因此,1-形式常常称为协变向量,或共变向量。[注意:现代微分几何关注(与坐标无关的)几何对象,这些对象在基变换下不会改变(如本例所示)。出于这个原因,逆变和协变这两个术语在现代文献中已经基本消失了。]
  1. 如图所示:

    Pic. Exercise 3.1

    上图中使用 表示 ,用 表示 。

    从图上可以看出,向量 在旋转后的基 上的投影 ,其长度是 在标准正交基 上的投影向量,再在在旋转后的基 上的投影上沿各个基 的分量长度之和。

    首先有

    则

    所以

    所以有

  2. 不知道咋搞,从图 32-9 所示的 1-形式中,考虑 的平行线束以及一般向量 ,则

    对于旋转后的基底 ,其对偶基的 1-形式的平行线束的法向量为

    而平面线束的距离不变,仍旧为 。则

    于是取

    且

    满足线束距离不变的要求。所以变换后的 1-形式的分量满足

    虽然感觉上这么证不对但是也没想到其他的方法……实在是没搞懂标准正交基和旋转后的基各自的 1-形式之间的潜在关系是啥。

  1. 矩阵乘法。在矩阵代数中,一个矩阵作用于另一个矩阵,就产生了矩阵的乘法。证明矩阵的乘法是一个 阶的张量。(提示:每个矩阵本身就是一个 阶的张量,见 33.2 节。)
  1. 翻了 Geometrical methods of mathematical physics(Schutz 1980),在 58 页对张量的介绍中,有个练习:

    Exercise 2.4

    A linear(`active’) transformation in matrix algebra(e.g. an orthigonal rotation) transforms one matrix into another. Show that it is therefore a (2, 2) tensor when operating on matrices.

    翻译过来就是:矩阵代数中的一个线性(主动)变换(例如正交旋转变换)把一个矩阵变换为另一个矩阵。证明这个(应该指的是线性变换)作用在矩阵上时,是一个 阶张量。

    我感觉这个题目应该是从这个练习改编的。那么题目的意思应该是说,作用于矩阵的线性变换是 阶张量。

    题目的翻译也有点问题,啥叫矩阵的乘法是一个 张量,英文原文的意思是矩阵代数中一个矩阵对另一个矩阵的作用,得到矩阵的乘积,是一个 阶张量。

    我是不把问题想复杂了……按照这个回答的描述,矩阵的线性变换接受一个矩阵( 阶张量),得到变换后的矩阵( 阶张量),向量内积可以推广到矩阵乘积,那么矩阵对矩阵的作用就可以认为是张量 ,此张量在接收一个矩阵后,仍旧需要一个 1-形式和一个向量才能得到标量。所以矩阵乘积代表的线性变换就是 阶张量(这不算证明吧,很奇怪)。

    补充:Schutz 关于本题目的解答是:每个矩阵都是一个 张量,需要一个向量和一个 1-形式以得到一个标量。因为题目包含了两个矩阵,则带有两个向量和两个 1-形式的线性变换,可以得到一个数字。再验证一下线性性质就行。

  1. 张量的缩并。对一个 阶张量 所有可能配对的指标做缩并,一功能生成多少个不同的 阶的张量?再对这些张量做第二次缩并,可以产生多少个 阶的张量(即向量)?
  1. 33.7 节介绍的张量的缩并,是选取一对上下标进行缩并。

  2. 既然缩并是将一个上标和一个下标加起来,则可能的上下标配对为:

    共六种。缩并后得到的 阶张量的各自分量为

  3. 缩并一个指标后得到的 阶张量再任选一对指标进行缩并:

    这么看下来能够选择的搭配仍然是 6 对。

  1. 将矩阵乘法看作张量的缩并。参考 33.2 节和 33.6 节,设 是一个线性变换,表示为一个阶为 的向量值张量函数:。设 是另一个线性变换, 是这两个线性变换的复合变换:。证明: 是一个 阶张量,其分量为缩并(也称为矩阵乘法):。
  1. 首先,因为 和 都是接受一个向量,得到一个向量的 阶张量, 肯定也是接受一个向量,得到一个向量的 阶张量。验证 作为张量的线性性质,如果 和 是任意常数, 和 是任意向量,那么有

  2. 其次考察 的分量。已知 张量作用于向量时有

    上式用到了笛卡尔基的性质:

    则

    其中上式倒数第二个等号如下:

    所以

2-形式

  1. 在 内的因式分解。设 设 内的一般 2-形式。证明 总是能因式分成称两个 1-形式的楔积:。
  1. 基于基底表示的 2-形式 为

    与之对应的向量为 。

    考虑两个 1-形式 和 ,基底形式为

    则

    为了让 和 相等,令 即可。

  1. 在 内都能因式分解吗? 设 是 内的一般 2-形式。
  • 证明 不是总能分解成两个 1-形式的楔积。提示:如果它能因式分解,考虑 ,再看看 35.7 节。
  • 如果 ,证明这时 可以因式分解成两个 1-形式的楔积。
  • 证明 总能表示成两个楔积的和:
  1. 根据题意,我们假设 可以分解成两个1-形式的楔积,即 。考虑 :

    根据 35.7 节的描述, 是偶数次的 2-形式, 可以不为 0。如果 ,则给出的假设不成立,说明 不总是可以分解成两个 1-形式的楔积。

  2. 令 为 中的基底 2-形式:

    则

    设 中的两个 1-形式分别为

    则

    则可取(上面那段推导没用)

    且满足

    显然有 。此时 2-形式可以用两个 1-形式的楔积表示,即 。

  3. 令 为 中的基底 2-形式:

    设 中的四个 1-形式分别为

    且

    所以

    令

    即可满足要求,且:

    两式不保证相等,涵盖了 的场景。

  1. 曲面 常数 的面积公式。设 是由方程 常数 表示的曲面。
  • 证明 的单位法向量 为
  • 将 视为以单位速率穿过 流体的速度,证明 的面积 2-形式为
  1. 如果只是计算隐式函数曲面的法向量的话,考虑曲面 上任一点 的增量 常数,那么:

    说明向量 与任意方向的增量向量 近似垂直。而在增量趋近于 0 的情况下,增量向量最终成为曲面在点 处的切线,此时 就是曲面在点 处的法向量 。所以

  2. 首先根据事实 (34.12),流体以速度 穿过三维空间,那么它的通量 2-形式为 。也就是

    既然是将 看做以单位速率穿过 的流体,此流体就是垂直于曲面流入流出的,那么通量 2-形式和面积 2-形式应该相同,因为通量在各个坐标平面上的投影的分量和有向面积在坐标平面上的投影分量一致。

3-形式

  1. 在 内的因式分解。证明在 内的任何 3-形式都可以表示为三个 1-形式的楔积。
  1. 一般的 3-形式可以分解为如下分量:

    取 中的三个 1-形式:

    则

    于是可取

    按理说 12 个变量 4 个方程,是个超定方程组,有无穷多组解,应该可以任意取值……

微分

  1. 恰当的闭形式。在 中,令
  • 证明 是闭的,并通过验证它是恰当的,即 (其中 是它到原点的距离),解释这个结果的正确性。
  • 证明 是闭的,并通过验证它是恰当的,即 ,解释这个结果的正确性。
  1. 首先有

    所以 是闭的。对于 (好吧 0-形式也是形式):

    所以 也是恰当的。注意 的线性性质来自于 中的 。

  2. 首先有

    所以 是闭的。又

    所以 是恰当的。

  1. 恰当的闭形式。继续采用习题 11 中的形式,(A) 直接,或者 (B) 利用莱布尼兹乘积法则 (36.8),计算下列外导数。
  • 。
  • 。
  • 。
  • 。
  1. 对于 ,有

  2. 对于 ,有

  3. 对于 ,有

  4. 对于 ,有

  1. 恰当的闭形式。如果不能容易地看出事实,就手动证明:
  • 如果 和 是闭的,则 也是闭的。
  • 如果 是闭的,则对所有 , 是闭的。
  • 如果 是偶数,则 是闭的。提示:见式 (35.4)。
  1. 已知 ,,则根据形式的根据莱布尼兹法则有

  2. 已知 ,则根据形式的根据莱布尼兹法则,对于任意形式 ,有

  3. 根据形式的莱布尼兹法则,有

    由于 是偶数,那么 是奇数,则 。

  1. 用形式表示向量微积分的恒等式。用形式证明以下向量微积分的恒等式。
  1. 首先有向量外积

    那么原式等号左右两边分别有

    所以

  2. 同样的,

    所以

  1. 霍奇的星对偶算子()。[关于这个概念的完全一般的讨论,见 Schutz(1980)。Baez and Muniain(1994)或 Dray(2015)。特别是 Baez and Muniain(1994,第 1 章和第 5 章),其中关于霍奇对偶与麦克斯韦方程组之间的关系的讨论非常精彩。]
  • 在 维空间中,证明 -形式构成的空间与 形式构成的空间具有相同的维数。因此,这两个空间具有一一对应关系,而霍奇对偶是视线这种对应关系的一个特殊方法。

  • 在 中,设 是体积 3-形式。给定一个 -形式基 ,定义 为填充 “缺失部分”的线性算子: 证明 对称地,还有 因此,应用霍奇星算子两次就得到了恒等变换:。最后,为了完备性起见,要很自然地定义 且

  • 还是在 中,请回顾之前使用的记号: 是对应于()1-形式 的向量。证明霍奇对偶产生向量(叉)积的两个不同形式:

  • 仍然在 中,回顾每一个 2-形式 都可以被看做流速为 的流,由式 (34.10),有 如果 是对应于 的 1-形式,证明 和 互为霍奇对偶: 且

  • 现在考虑具有如下度量的闵可夫斯基时空: 注意:在这里及以后,度量系数 是在第二幕中使用的那些系数的相反数,因为这是今后将会提到的大多数更高级的物理学教科书采用的惯例。

    设体积 4-形式为 , 由下式定义:

    证明:

  • 仍然在闵可夫斯基时空中,2-形式基 的对偶 由下式定义: 其中,当 包含 时取负号(),否则取正号()。(注意前一部分的公式是这些公式的特例。)证明:

  • 事实证明对于闵可夫斯基时空中的 2-形式,。(对于 -形式,这个事实也成立。)

  • 回顾由式 (34.22) 定义的法拉第 2-形式: 法拉第形式 用前面的结果证明麦克斯韦 2-形式 (34.26) 的确是法拉第 2-形式的霍奇对偶: 麦克斯韦形式

  • 同样,证明时空电流 1-形式 的对偶的确是关于电流密度 3-形式的式 (36.18) 决定的: 的通量形式

  1. 首先确定形式构成的空间的维数。虽然原文没有明确说明(也可能是我没看到),但是根据书 432 页式 (34.16) 下的描述, 维空间中的 2-形式具有 个分量。如果是三维空间,则分量个数等于空间维数 。那么可以认为, 维空间中的 -形式构成的空间的维数为 ,而 -形式构成的线性空间的维数为 ,显然有 。

  2. 首先有 。则:

    并且

  3. 考虑三维空间中的 1-形式 和 :

    则

    考虑外积:

    按照第二小问的结论:

    所以

    考虑双对偶 ,显然有

  4. 因为 是对应于 的 1-形式,有

    那么根据第二问的定义,有

    所以 和 互为霍奇对偶, 且 。

  5. 对比 ,有

  6. 已知 4 维时空中的 2-形式具有 6 个分量,对应留六个基:

    那么

  7. 可以基于第 6 问的结果验证 2-形式的基底满足 ,那么基底 2-形式一定有 。

  8. 直接证明(方法来自 Baez and Muniain(1994),符号与题目给出的形式相反。按照题目给出的形式,计算 ,和第六问的定义式不符?): 第六问

  9. 类似第 8 问,有 的通量形式

  1. 电荷守恒定律。
  • 假设电荷是守恒的,即它既不会凭空产生,也不会消失。如果 是闭曲面 包围的内部区域,证明:
  • 利用高斯定理证明:电荷守恒可局部表示为
  • 通过求表示为 的第二对麦克斯韦方程组的外导数,证明电荷守恒定律是麦克斯韦方程组的逻辑结论,可表示为
  1. 参考 Wikipedia 上关于电荷守恒的介绍,对于空间的闭区域 ,电荷守恒意味着流入区域的电荷量等于流出区域的电荷量。在此物理背景下,定义体积 内总电荷量为

    此外,考虑经过体积 的边界 的电荷量,可以等效成垂直于边界表面的电流的净变化,即沿法线方向的分量(注意电流的方向为正电荷定向运动的方向。如果电流沿法向向外,表示区域 内电荷量减少;逆法向向内流入表示区域 内电荷量增加):

    其中 是电流 1-形式对应的电流密度向量。所以有

  2. 首先根据莱布尼兹律,有

    根据高斯定理 (37.14),三维空间中电流密度向量 的分量和 2-形式的分量相同,可以将其看做一个对应的 2-形式所对应的向量。此时就可以使用高斯定理:

    所以

  3. 考虑满足 的麦克斯韦 2-形式,则

    所以 的通量形式上一题

    所以电荷守恒定律是麦克斯韦方程组的逻辑推论。

  1. 自旋光子与自对偶性。在闵可夫斯基时空中,对于复 2-形式 ,如果 则称它为自对偶的。 是在习题 15 中介绍的霍奇对偶算子。
  • 证明法拉第 2-形式 (或任何 2-形式 )总是可以分解成自对偶部分 和反自对偶部分 ,使得 利用事实 ,从上面的公式证明 且
  • 事实证明,在量子力学中,这些复共轭分量 和 分别描述了右旋光子和左旋光子(电磁场的量子)。验证所有 4 个麦克斯韦方程可以合并成单一的复方程:
  1. 考虑题目给出的自对偶部分 和反自对偶部分 ,根据题目的描述,有性质

    则定义

    可满足

    根据事实 ,有

    有

  2. 尝试推导一下:

    蕴含了

    分别对应 456 页下方的麦克斯韦无源方程组表明的法拉第 2-形式是闭的,以及 458 页上方的麦克斯韦 2-形式服从的法则。

积分

  1. 恰当的闭 1-形式。在物理学的语言中, 对应于一个保守立场 ,其中 是势能。通过证明以下每个 1-形式都是闭的,即 ,就验证了以下每个 1-形式都是保守的。然后证明它们都是恰当的,即找出它们每一个所对应的势能函数 的具体表达式。
  • 。
  • 。
  • 。
  1. 首先验证 :

    其次,为了说明 是恰当的,需要找到 使得 ,可以考虑分量的积分,即取

    即可满足 。说明 是恰当的。

  2. 首先验证 :

    其次,为了说明 是恰当的,需要找到 使得 ,可以考虑分量的积分,即取

    即可满足 。说明 是恰当的。

  3. 首先验证 :

    其次,为了说明 是恰当的,需要找到 使得 ,可以考虑分量的积分,即取

    即可满足 。说明 是恰当的。

  1. 恰当的闭 2-形式。先证明以下每一个 2-形式都是闭的,即 。然后证明它们都是恰当的,即找出它们每一个都有一个对应的 1-形式,并写出其具体的表达式 ,使得 。
  • 。
  • 。
  1. 首先验证 :

    其次,为了说明 是恰当的,需要找到一个 1-形式 使得 ,可以考虑分量的积分,即取

    则

    取 ,,有 ,即可满足 。说明 是恰当的。

  2. 首先验证 :

    其次,为了说明 是恰当的,需要找到一个 1-形式 使得 ,可以考虑分量的积分,即取

    则

    求解

    解得

    取 ,,,有 ,即可满足 。说明 是恰当的。

  1. 恰当的闭 3-形式。在 中,每一个 3-形式 都与体积 3-形式 成正比,而且因为所有的 4-形式都为零,所以每一个 3-形式都是闭的,即 。因为每一个 都是恰当的,所以存在 2-形式 使得 ,写出其具体的表达式。
  • 。
  • 。

就考虑恰当性就行。

  1. 中的基底 2-形式为

    考虑分量的积分,有

    所以

    取 ,,有

    即可满足 。说明 是恰当的。

  2. 中的基底 2-形式为

    考虑分量的积分,有

    所以

    取 ,,有

    即可满足 。说明 是恰当的。

  1. 齐次函数。[摘自 do Carmo(1994)] 若函数 满足 ,则称之为 次齐次函数。
  • 证明这样的函数 满足欧拉方程: 提示:对定义式关于 求导。
  • 设 1-形式 中的 ,, 都是 次齐次函数,且 。证明存在 使得 。提示:写出 的分量表达式,再应用欧拉方程。
  • 考虑 的通量 2-形式: 证明如果 ,则存在 使得 。
  • 设 是 的内部且 ,利用形如式 (37.14) 的外微分基本定理,证明 提示:设 为 的单位法向量,证明欧拉方程可以写成 。
  1. 对于定义式 两边关于 求导,有 等式左边等式右边

    取 ,有

  2. 已知 , 和 都是 次齐次函数,则

    根据 ,有

    所以

    于是

    所以 是闭的,也是恰当的。

  3. 如果 ,即

    即

    所以

    所以 是闭的,即 。同时 是恰当的,存在 使得 。

  4. 对比 (37.14),注意到齐次函数 的梯度((32.14) 式):

    而 为

    于是根据式 (37.14),有

    由于 是单位球面,其上的点 满足

    且球面上的单位法向量为

    所以

用形式表达的微分几何

  1. 毛球定理。如图 19-8 中所讨论的,庞加莱-霍普夫定理 (19.6) 表明在 上不存在无奇点的向量场。这个结果通常称为毛球定理。再次使用 FTEC 给出另一个证明。假设存在一个这样的非零向量场 ,用它构造一个标准正交基 ,其中第一个向量为 。于是由高斯方程 (38.30) 得到 再用 FTEC 对这个方程的两边求积分,就会得到一个反例。
  1. 直接对高斯方程进行积分,得 页边界的边界是

    又

    所以 ,即 的表面积为 0,然而任意 并没有面积为 0 的要求,这就是题目要得到的反例。

  1. 共形曲率公式。设曲面的共形度量为 ,证明 通过简单的计算可以验证,对于双曲与平面的贝尔特拉米—庞加莱半平面模型,取 ,上面的公式仍然成立。
  1. 对于共性度量

    有 。根据 (38.35) 有

    代入 ,有

    即双曲与平面的贝尔特拉米—庞加莱半平面模型的高斯曲率为 -1,与伪球面相同。

  1. 零曲率是欧几里得几何的特征。本习题将确立以下结论: 二维曲面的高斯曲率为零,当且仅当这个曲面是局部欧几里得的。 这里“局部欧几里得”的意思是:在每一点的周围可以建立一个 坐标系,使得度量为 。
  • 在曲面的切平面上建立一个正交标架 。根据高斯方程 (38.30), 证明存在可以解释为角度的函数 ,使得 。
  • 将原来的标架 旋转角度 ,建立一个新的正交标架 。证明在新的标架下 。
  • 证明
  • 证明存在具有欧几里得度量的坐标系。
  1. 答案思路来自 devv.ai,多谢救命

  2. 在曲面某点处的切平面上构造正交标架后,根据高斯方程

    说明 在切平面上是闭的。那么在切平面内,根据 1-形式的庞加莱引理,存在某个0-形式 使得 。此 0-形式 可以认为是角度的函数,因为在切平面内,标架只能沿着垂直于曲面和切平面的法向量进行旋转。

  3. 将原来的标架旋转角度 得到构造新的标架 ,有

    感觉用结构性方程不太对。想了半天,新标架和旧标架的关系不就是柱坐标中标架和直角坐标标架的关系么。按理说 应该也适用于 才对……

    感觉证不出来:

    除非能说明在新标架下 。我是不是可以认为 在新标架下恒定不变?这样的话就能说明 。

  4. 假设 ,那么在新标架 下,有第一结构方程

    因为 ,显然有

  5. 再次使用庞加莱引理,切平面上的闭形式 和 一定是恰当的,存在 和 使得 和 。有了 和 就可以确定一个平面上的坐标系(参考图 32-9)。根据 (38.33) 可得 ,对应的度量公式正是 。

  1. 贝尔特拉米—庞加莱半平面的联络形式。从贝尔特拉米—庞加莱平面的度量 (5.8) 立即可以得到 1-形式基: 且
  • 计算 和 。
  • 利用嘉当第一结构方程,有 由此得到唯一的解
  • 计算 ,并将这个结果与高斯方程 作比较,证明双曲平面的曲率的确为 。
  1. 有

  2. 根据嘉当第一结构方程,有

    根据第二个方程可知 一定是函数乘 的形式。再根据第一个方程,可得

  3. 首先有

    又

    可得 。双曲平面的曲率的确为 -1。

  1. 二维曲面的曲率 2-形式。设 是一个二维曲面的切向量,它的正交基场 满足
  • 写出联络矩阵 ,并证明
  • 证明此时的曲率矩阵 (38.53) 为 所以,这个曲率矩阵完全可以用单一的曲率 2-形式 来表示,其中 由高斯方程 决定。
  1. 首先给出联络矩阵

    那么

  2. 根据式 (38.53),有曲率矩阵 为

    所以

    于是有 高斯方程

  1. 双曲 3-空间 的曲率。回顾由第 91 页图 6-6 描述的 的度量 (6.23),可得
  • 将原来的(奥尼尔的)记号 转换成更标准的新记号 ,导致了嘉当第一结构方程中正负号的变化,使它现在具有这样的形式[见 (38.54)]: 证明这时的联络矩阵是
  • 利用式 (38.53) 证明此时的曲率矩阵是
  • 证明 也可以写成 并利用式 (38.55) 证明黎曼张量的部分分量为
  • 将黎曼张量的这些分量解释为截面曲率。那么关于这个空间内最初以同一方向出发的相邻测地线的行为,截面雅可比方程 (29.21) 可以给出什么结论?结论是“ 有恒定的曲率 -1”。
  1. 根据更正后的嘉当第一结构方程,等号左边有:

    联络矩阵 满足:

    根据结果的系数,可知联络矩阵一定有系数 。根据等式可列三个方程:

    考虑到 同时为 1-形式,那么答案就很明显了:

    所以联络矩阵为

  2. 根据 (38.53),有

  3. 将 分别除到楔积的两端,代换为 即可。根据 (38.55),有

    果然当时跳过去了现在就看不懂了……按照 (29.18) 前后的描述,截面曲率的形式和黎曼曲率张量分量的关系只在于所取分量的不同……算了搞不懂,跳过。这个结论倒是熟知的。

    按照 340 页的描述,截面曲率 依赖于由 和 张成的平面,那么 指的就是由向量 和 张成的平面上,向量移动的和乐性。根据 ,可知在任意两个向量 和 张成的平面上,都有截面曲率为 -1,说明 的曲率为 -1。

  1. 宇宙曲率。[详细解决方案可在 Dray(2015,A.9 节)和 Sternberg(2012,6.7 节)中找到。]爱因斯坦场方程的弗里费曼—勒梅特—罗伯逊—沃克(FLRW)解现在被认为是不断膨胀的宇宙的大尺度几何的标准模型。该解最初是由亚历山大·弗里德曼于 1922 年发现的,1927 年被耶稣会牧师乔治·勒梅特重新发现。1935 年,罗伯逊和沃克共同证明了其唯一性,即宇宙在空间上有可能是均质、各向同性的几何形状。

    弗里德曼寻找并发现了原始爱因斯坦方程的接,而我们现在知道爱因斯坦关于宇宙常数 的宇宙方程 (30.25) 实际上是正确的。幸运的是,弗里德曼的发现与这个新的现实情况可能是相容的。

    FLRW 度规为 其中 表示的是宇宙在大爆炸后 时刻膨胀到的大小,而 是宇宙始终不变的空间曲率。彭罗斯在 Penrose(2005,27.11 节和 27.12 节)中对三种不同的情况 ,,(其中包括 的影响)的讨论非常精彩。

    按照我们计算施瓦西黑洞曲率的步骤,写出 1-形式基 ,求它们的外导数来建立联络 1-形式 ,然后计算 ,最后推导出这样一个宇宙的曲率 2-形式 。

疯求了忘记开根号了。

  1. 使用时空坐标标记每一个 1-形式基,首先度规可以写为

    那么有

    则

    检查方程并留下明确有贡献的项,并代换为对偶基,则有

    对于六个独立的曲率 2-形式,根据 (38.52),有

    于是

    并且根据对称性和反对称性有

    可以尝试计算一下黎曼张量的分量,根据 (38.55) 有

    所以

    但是计算得到的黎曼张量分量不满足里奇张量……?Dray(2015,106 页)提到根据 FLRW 度量,爱因斯坦张量具有完美流体的能动张量形式。

至此所有习题就都结束了,历时半年吧,总算是学完了。感谢感谢。