芬斯勒几何一个充满生机的数学领域精编版

芬斯勒几何一个充满生机的数学领域

公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N] 芬斯勒几何:一个充满生机的数学领域 标签： 2006-12-02 20:10阅读(40) 历史沿革1854年，黎曼着名演讲[1]发展了一类基于弧长元素ds=F(x1,…,xn,dx1，…，dxn)的度量几何（最初叫广义度量空间理论）.一个重要的特殊情形是F2(x,dx)=gij(x)dxidxj.由此确定的几何即是被后人命名的黎曼几何.黎曼在黎曼几何中引进了曲率概念，推广了高斯在二维曲面上的工作.对于一般的广义度量，黎曼给出了一个具体例子： F(x,y)={(y1)4+…+(yn)4}1/4,y=dx. 黎曼断言基于这种广义度量的微分几何能够像黎曼几何一样得到发展，但他认为计算将非常复杂，因此很难对微分不变量赋予恰当的几何意义.最终黎曼只研究了具有二次型限制的度量，即黎曼度量.1900年，Hilbert在巴黎发表了关于23个数学问题的着名演讲，一般情形的广义度量空间理论包含在第23个问题“变分法”中.在随后的几年中，一些数学家从变分法的几何处理出发研究了广义度量.其中的主要代表人物就是，他在1907年引入了后来被称为Landsberg曲率的几何量，这是芬斯勒几何中的第一个非黎曼几何量.

1918年，芬斯勒（Paul Finsler,1894-1970）在哥延根大学完成了他的博士论文.在论文中，芬斯勒研究了广义度量，引入了所谓的基 本张量gij(x,y)=(2F2/yiyi)/2,和C-张量（我们现在称为Cartan张量）

Cijk(x,y)=(gij/yk)/2.在黎曼几何情形，gij(x,y)正是基本张量gij(x).Cartan张量是非常重要的，因为它刻划了一个芬斯勒流形偏离黎曼流形的程度.事实上，一分芬斯勒度量是黎曼度量的充分必要条件是Cartan张量恒为零.1927年，将广义度量空间的几何称为芬斯勒几何（现在人们也称其为黎曼-芬斯勒几何）.

对芬斯勒几何真正作出重要贡献的第一位数学家应该是Ludwig Berwald（1883-1942），他是第一个在芬斯勒空间中引入联络并将黎曼几何中的黎曼曲率推广到芬斯勒几何中的数学家[2,3].Berwald联络满足无挠（torsionfree）条件但并不与度量相容.Berwald的贡献还在于：（1）利用Berwald联络刻划了Landsberg曲率，定义了Landsberg空间[3].（2）引入了一类重要的、他称之为仿射连通空间的芬斯勒空间（1925年）（1938年，命名这类空间为Berwald空间）.黎曼空间和局部Minkowski空间均是特殊的Berwald空间.1981年，Szabó证明了：除黎曼空间和Minkowski空间外，恰好存在54类不可约和整体对称非黎曼Berwald空间，使得所有其它单连通和完备的Berwald空间都能整体地分解为上述56种空间的笛卡尔积[4].（3）研究和发展了二维芬斯勒空间理论（1927年，1941年）.（4）在他身后发表的论文（1947年）中，他定义和讨论了具 有标量旗曲率和常数旗曲率的芬斯勒度量，开创了芬斯勒几何中的一个重要研究领域.

1933年，法国着名数学家Elie Cartan(1869-1951)发表了他的第一篇关于芬斯勒几何的论文，主题是关于芬斯勒度量的共形变换的若干注记，同时预告了他的确定一个芬斯勒空间联络的公理系统.1934年，Cartan发表了他关于芬斯勒几何的着名论文[5]，详细介绍了他的确定芬斯勒空间联络（我们称之为Cartan联络）的公理系统.Cartan引入了线性元（line element）空间（即射影化切丛PTM)概念，将他的欧氏联络理论推广到了芬斯勒空间.Cartan联络不满足无挠条件，但与芬斯勒度量是相容的.Cartan联络与Berwald联络及其相应的各类曲率张量对后来的芬斯勒几何研究产生了重要影响，并促进了芬斯勒几何在物理学、生物（态）学等领域中的应用研究.1941年，从广义相对论的研究中引出了一个形如F(x,y)=α(x,y)+β(x,y)的芬斯勒度量，其中α(x,y)为一个黎曼度量，代表引力场；β(x,y)=bi(x)yi为一个1-形式，代表电磁场.Randers度量在电子显微镜及统一场论等领域的研究中有重要应用，在芬斯勒几何的研究中也扮演了一个非常重要的角色. 对任意芬斯勒流形（M，F）在PTM上有一个整体定义的微分形式ω:=Fyidxi,称为Hilbert形式.（M，F）上曲线的长度恰由ω的积分给出.1943年，数学大师陈省身教授从Hilbert形式的外微分出发研究了芬斯勒空间中的欧氏联络，构造了我们现在称之为Chern 联络的一类重要联络[6].Chern联络满足无挠条件且与度量几乎相容，这也使得它在芬斯勒几何的研究中具有独到的优势.1948年，陈省身教授解决了芬斯勒流形的局部等价性问题：怎样才能确定两个已知的芬斯勒度量结构只差一个坐标变换这一问题的解决再次涉及到了芬斯勒空间中的欧氏联络及其曲率[7].利用Chern联络，人们已将黎曼几何中的许多重要定理推广到了芬斯勒空间，并从其结构方程出发得到了许多芬斯勒流形的非黎曼几何性质（如见[8]）.

在二十世纪五十年代至六十年代初，有两位数学家是值得一提的.一位是Herbert Busemann，他研究和讨论了芬斯勒空间的体积形式，为人们研究芬斯勒空间的体积比较定理、探讨芬斯勒流形的整体性质奠定了基础；他还强调了研究Minkowski何的重要性，扩展了人们对芬斯勒空间的认识.另一位是南非数学家Hanno Rund，他是这一时期在芬斯勒几何领域的一位代表人物.的着作[9]曾激励了许多年轻数学家开始研究芬斯勒几何.在这一时期还崛起了两个重要的芬斯勒几何研究群体：以Berwald的学生为代表的匈牙利研究群体和以及为代表的日本研究群体，他们的研究工作对后来芬斯勒几何的发展产生了深刻影响.

当我们在回顾芬斯勒几何的发展历程时，也应该注意到这样一个事实：自芬斯勒几何在1918年诞生之后的近七十年间，芬斯勒几何没有得到像黎曼几何那样的繁荣和普及，许多重要内容并未得到人们 的重视.一个主要原因是由于计算的相对复杂性，一个简单的公式往往会随着计算的深入很快变得非常复杂，客观上制约了芬斯勒几何的发展.另一个主要的原因是，当时的许多几何学家只是把芬斯勒空间片面地看作黎曼空间的推广而仅仅致力于将黎曼几何中的结果推广到芬斯勒几何，却对芬斯勒几何中的非黎曼几何量（即那些在黎曼流形上为零的几何量）认识不足，忽略了对芬斯勒几何中那些与黎曼几何不同的性质和结构的研究.幸运的是这种状况从上世纪九十年代初开始有了根本的变化.这首先要感谢数学大师陈省身先生的大力倡导和鼓励.凭着对芬斯勒几何的深刻理解和洞察力，陈先生与美籍华人数学家沈忠民及等人在这一时期发表了一系列重要成果（如见[8,10]），将芬斯勒几何带入了一个真正繁荣的时期.同时，我们已处在一个科技时代，运用计算机进行符号计算和大规模计算已成为现实，这极大地促进了对芬斯勒几何的研究.如人们已构造出大量具有重要曲率性质的芬斯勒度量，为对芬斯勒度量进行深入研究提供了重要启示和支撑.近年来，芬斯勒几何得到快速而长足的发展.芬斯勒几何中的各种曲率（黎曼几何量与非黎曼几何量）已得到广泛关注和研究，它们对芬斯勒空间结构的影响也越来越为人们所理解（如见[11]）.与此同时，芬斯勒几何的理论与方法在数学及其它众多自然科学领域中的应用价值也日益突出（如见[12,13]）.芬斯勒几何已显现出充满勃勃生机的发展势头.

2 芬斯勒几何的若干重要进展 芬斯勒几何中的旗曲率（flag curvature）是黎曼几何中截面曲率的自然拓广.给定流形M上的一个芬斯勒度量F，旗曲率是切平面P和P中方向y的函数K=K(P，y).如果旗曲率只是切丛TM\{0}上的标量函数K=K(x,y)，我们称F具有标量旗曲率（scalar flag curvagure）.特别地，若K=常数，我们称F具有常数旗曲率.芬斯勒几何中的一个重要问题是研究和刻划具有标量（常数）旗曲率的芬斯勒度量，这也是芬斯勒几何学家十分关注的一个热点问题.芬斯勒几何中与此相关的另一重要问题是研究和刻划射影平坦芬斯勒度量，这是正则情形下的Hilbert第四问题.一个重要的基本事实是：射影平坦芬斯勒度量必然具有标量旗曲率.在黎曼几何情形，Beltrami证明了：一个黎曼度量是射影平坦的充分必要条件是它具有常曲率.然而，我们可以找到无穷多个具有标量（常数）旗曲率的芬斯勒度量，它们是非射影平坦的.人们也已找到了许多具有标量旗曲率的芬斯勒度量，它们的旗曲率不是常数.这表明刻划和分类具有标量（常数）旗曲率的芬斯勒度量的工作远比黎曼几何情形复杂，其内容也比黎曼几何情形要丰富得多.由于计算的相对复杂性，对特殊情形的研究和例子在芬斯勒几何中是非常重要的.芬斯勒几何学家首先对Randers度量作了大量深入研究.2003年，美籍华人数学家沈忠民（）首先完成了对射影平坦且具有常数旗曲率的Randers度量的分类；然后，他又分别利用Taylor展开式和代数方程刻划了射影平坦且具有常数旗曲率的芬斯勒度量的局部度量结构；在此基础上，沈忠民与等人运用黎曼流形上的Zermelo导航术完成了对具有