问题

如何入门 Yamabe 问题?

回答
好的,我们来聊聊 Yamabe 问题。

要入门 Yamabe 问题,就像我们初次接触任何一个复杂的数学领域一样,需要循序渐进,建立扎实的基础,然后慢慢深入。这篇文章,我就尽量用一种自然、分享的方式,带你走进 Yamabe 的世界,看看它到底是怎么一回事,以及我们该如何去理解和研究它。

首先,我们得知道“Yamabe 问题”是关于什么的。

简单来说,Yamabe 问题是微分几何中的一个重要问题,它关注的是在给定的流形(可以想象成我们熟悉的曲面,但维度更高、形状更自由)上,是否存在一个与原度量(度量决定了流形上长度、角度、面积等概念)共轭(co।conformally equivalent,这个词稍后解释)的度量,使得这个新度量的数量曲率(scalar curvature)为常数。

别急,我知道这听起来有点绕。我们一步一步来分解:

1. 流形(Manifold)

想象一下,我们生活在一个二维平面上,这很简单。但如果我们在一个球面上,事情就变得复杂一点。我们不能用一个简单的坐标系(比如直角坐标)来描述整个球面。我们需要很多小块的局部坐标系,就像我们画世界地图时,需要很多国家的区域地图一样。

数学家们把这种“局部上看起来像欧几里得空间(就是我们熟悉的平直空间)”的空间,叫做流形。它可以是二维的(像球面),也可以是三维的(像我们所处的空间),甚至更高维。

2. 度量(Metric)

在流形上,我们怎么测量距离?怎么知道一个角是直角?这就需要度量。你可以把它想象成一个“尺子”或者“测量工具”,它告诉你在流形上任何一点,沿着哪个方向,走多远,它的长度是多少。

在二维平面上,我们用 $ds^2 = dx^2 + dy^2$ 来表示一个无穷小的距离。在流形上,度量会更复杂一些,通常用一个二次型(quadratic form)来表示,比如 $ds^2 = g_{ij} dx^i dx^j$,其中 $g_{ij}$ 就是度量张量(metric tensor),它告诉我们如何在各个方向上进行测量。

3. 共轭(Conformal Equivalence)

现在我们知道流形和度量了。Yamabe 问题关注的是一种特殊的“等价”关系,叫做共轭。

如果我们有两个度量 $g$ 和 $ ilde{g}$ 在同一个流形上,如果 $ ilde{g} = e^{2f} g$ 对于某个光滑函数 $f$ 成立,那么我们就说 $ ilde{g}$ 和 $g$ 是共轭的。这里的 $e^{2f}$ 就像一个“缩放因子”,它不是均匀地缩放整个流形,而是根据流形上每个点的位置(由函数 $f$ 决定)来调整度量。

这有点像你照镜子。镜子里的你是你,但你的大小可能被放大或缩小了。共轭变换就是这样一种“形状不变,但大小可能变化”的变换。它保留了流形上的角度信息(所以也叫“保角变换”),但不一定保留长度。

4. 数量曲率(Scalar Curvature)

曲率是描述空间弯曲程度的一个重要概念。在二维空间里,我们熟悉的是高斯曲率。在更高维的流形上,我们有更复杂的曲率张量(Riemann curvature tensor)。

数量曲率,通常记作 $S$,是曲率张量经过一定的“收缩”(contracting)得到的,它是一个光滑函数,描述了流形在每一点的总体的“弯曲”程度。

想象一下,你在一个碗的底部,你会感觉有点“凹”。你在一个马鞍的中间,你会感觉有点“翘”。数量曲率就是量化这种“凹”或“翘”的程度。

现在,我们把这些概念放在一起,重新审视 Yamabe 问题:

给定一个具有光滑度量 $g$ 的 $n$ 维黎曼流形 $(M, g)$(黎曼流形就是带有黎曼度量的流形,黎曼度量可以用来测量长度和角度)。

Yamabe 问题就是问:

是否存在一个与 $g$ 共轭的度量 $ ilde{g} = e^{2f} g$(其中 $f$ 是一个光滑函数),使得 $ ilde{g}$ 的数量曲率 $ ilde{S}$ 为一个常数?

为什么这个问题重要?

Yamabe 问题之所以受到数学家们的重视,有几个原因:

几何的普适性: 找到一个常数量曲率的度量,意味着我们可以用一种“标准”的、几何上很“干净”的方式来描述这个流形。这就像给一个形状不规则的物体找一个最“规整”的描述方法。
与几何分析的联系: 解决 Yamabe 问题需要用到很多强大的几何分析工具,比如偏微分方程(PDEs)的理论。它本质上是一个非线性椭圆型偏微分方程的可解性问题。
流形的分类: 很多流形的几何性质,比如它们的拓扑结构,都与它们上面是否存在一个常数量曲率的度量密切相关。

如何开始研究 Yamabe 问题?

好了,现在我们对问题有了初步的认识,接下来就是如何“入门”了。我会从几个方面来给你指路:

第一步:夯实基础

在深入 Yamabe 问题之前,你需要对以下几个数学领域有基本的了解:

1. 微分几何基础:
流形理论: 了解流形的定义,图册(atlas),坐标变换,切空间(tangent space),向量场(vector fields),张量(tensors)的概念。
黎曼几何: 学习黎曼度量,度量张量,联络(connection),曲率张量(Ricci curvature, scalar curvature),测地线(geodesics)等。
共轭变换: 理解共轭度量的定义,以及共轭变换对曲率的影响。这需要一些微积分和张量分析的知识。

推荐入门书籍:
《Introduction to Smooth Manifolds》 by John M. Lee (这本书是很多人的首选,写得很清晰,也包含了一些黎曼几何的初步内容)。
《Riemannian Geometry》 by Peter Petersen (更侧重黎曼几何,内容深入,但作为参考书很好)。
《Differential Geometry of Curves and Surfaces》 by Manfredo P. do Carmo (虽然是关于二维的,但很多概念的引入很直观,可以帮你建立感觉)。

2. 偏微分方程(PDEs)基础:
椭圆型方程: Yamabe 问题最终归结为一个特殊的非线性椭圆型 PDE。你需要了解椭圆型方程的一些基本性质,比如解的存在性,光滑性等。
变分法: 很多 PDE 的解的存在性证明会用到变分法,将问题转化为一个泛函(functional)的极小值问题。

推荐入门书籍:
《Partial Differential Equations: An Introduction》 by Walter A. Strauss (一本非常经典且易于入门的 PDE 教材)。
《Calculus of Variations》 by I. M. Gelfand and S. V. Fomin (如果想深入理解变分法,这本书是不错的选择)。

第二步:理解 Yamabe 问题的核心方程

Yamabe 问题本质上是在寻找一个函数 $f$,使得共轭度量 $ ilde{g} = e^{2f} g$ 的数量曲率 $ ilde{S}$ 为常数。

数量曲率 $S$ 的计算公式比较复杂,它涉及到度量张量 $g_{ij}$ 及其导数。当度量变成 $ ilde{g} = e^{2f} g$ 后,新的数量曲率 $ ilde{S}$ 与旧的数量曲率 $S$ 之间会有一个非常重要的关系:

$ ilde{S} = e^{2f} (S 2(n1) Delta f 2(n1) langle abla f, abla f angle)$

其中:
$n$ 是流形的维数。
$Delta = ext{div}( abla)$ 是 LaplaceBeltrami 算子(在共轭度量 $ ilde{g}$ 下)。
$langle cdot, cdot angle$ 是度量 $g$ 下的内积。

Yamabe 问题就是要找到一个函数 $f$,使得 $ ilde{S}$ 为常数。如果我们假设这个常数就是 $lambda$,那么我们就得到了一个 PDE:

$e^{2f} (S 2(n1) Delta f 2(n1) langle abla f, abla f angle) = lambda$

或者,我们可以将 $Delta$ 和 $langle cdot, cdot angle$ 视为在原度量 $g$ 下的量,并重新整理方程。这里的 $f$ 是在流形上的函数,$Delta f$ 实际上是 $Delta_g f$,而 $langle abla f, abla f angle$ 也是在 $g$ 下的内积。

方程可以写成:
$S 2(n1) Delta_g f 2(n1) g^{ij} (partial_i f)(partial_j f) = lambda e^{2f}$

这个方程被称为 Yamabe 方程。解决 Yamabe 问题,就是证明对于任意的黎曼流形 $(M, g)$,这个方程在合适的 $lambda$ 下总有光滑解 $f$。

第三步:了解 Yamabe 问题的历史和主要结果

Yamabe 问题并不是一个一开始就得到完全解决的问题。它的历史非常有意思,也体现了数学发展的曲折性。

Yamabe 的初步尝试: 1960年,Hidehiko Yamabe 首次提出了这个问题,并试图给出解决。他证明了在特定条件下(例如,如果存在一个数量曲率为负的共轭度量),Yamabe 问题是有解的。
MicallefMoore 的反例: 1980年,Micallef 和 Moore 构造了一个三维流形,其所有数量曲率为负的共轭度量都不能使数量曲率成为常数。这表明 Yamabe 的原始证明存在缺陷,问题没有那么简单。
Schoen 的关键突破: 1980年代中期,Richard Schoen 成功地解决了 Yamabe 问题。他通过对 MicallefMoore 的反例进行细致的分析,并利用变分法和非线性 PDE 理论,证明了对于任何 $n ge 3$ 的紧黎曼流形,Yamabe 问题总是有解的。他的证明非常深刻,而且是构造性的。他证明了存在一个常数 $lambda$(Yamabe 能量),使得 Yamabe 方程总有解。

Schoen 的工作是 Yamabe 问题领域最重要的成果。

第四步:学习 Schoen 的证明思路(进阶)

如果你想更深入地研究,可以尝试理解 Schoen 的证明思路。这需要更高级的数学知识,包括:

变分法与极小化序列(Minimizing Sequence): Schoen 的思路是考虑一个特定的泛函(通常与 Yamabe 能量有关),并证明这个泛函的存在一个极小值。通过证明极小化序列的存在性,然后分析这个序列在极限情况下的行为。
集中性(Concentration of Blowup): 在处理非线性 PDE 时,一个常见的困难是“集中性”问题。当解在某个点“爆炸”(blow up)时,能量会集中在该点。Schoen 的一个关键贡献是分析了这种集中性,并找到了克服它的方法。
De GiorgiNashMoser (DNMR) 理论: 这个理论是关于椭圆型方程解的光滑性和界限性的,对 Yamabe 问题的解决至关重要。

第五步:研究 Yamabe 的推广和相关问题

Yamabe 问题解决后,数学家们又开始研究它的推广和相关的其他问题:

非紧流形上的 Yamabe 问题: Schoen 的结果主要针对紧致流形。对于非紧流形,问题会更复杂,需要不同的技术。
Yamabe 常数(Yamabe Constant): 对于一个给定的流形,可以定义一个“Yamabe 常数”,它与流形上所有数量曲率为常数的共轭度量的数量曲率有关。
与其他几何问题的联系: Yamabe 问题与其他几何问题,如庞加莱猜想(Poincaré Conjecture)和高维斯氏猜想(Smale Conjecture)的解决,都有着深刻的联系。

学习路径建议:

1. 从基础开始: 确保你对流形、度量、曲率和基本 PDE 有扎实的理解。
2. 阅读 Yamabe 问题的陈述: 彻底理解问题的定义。
3. 学习共轭度量和曲率的关系: 这是核心的代数技巧。
4. 了解 Yamabe 问题的历史: 知道 Yamabe、MicallefMoore、Schoen 的工作,有助于把握问题的重要性。
5. 阅读关于 Yamabe 问题解决方案的综述文章: 很多文章会以一种更易懂的方式介绍 Schoen 的证明思路,例如:
《The Yamabe Problem》 by Peter Petersen: 这篇文章是很好的起点,清晰地介绍了问题的背景、结果和证明思路。
《The Yamabe Problem revisited》 by Cliff Taubes: Taubes 的这篇文章也提供了另一种角度的解读。
6. 深入学习 PDE 和变分法: 如果你想真正理解 Schoen 的证明,这是必不可少的。

一些给初学者的建议:

不要害怕复杂性: Yamabe 问题确实涉及很多高级概念,但把它分解开来,一步一步学习,你会发现它并非不可逾越。
多动手计算: 在低维流形(比如球面、环面)上,尝试自己计算曲率,理解共轭变换对曲率的影响。
寻找好的学习资源: 找到那些写得清晰、逻辑严谨的教材和论文,它们会让你少走弯路。
与他人交流: 如果有可能,和同学或老师讨论,共同学习,可以加速理解。

总而言之,入门 Yamabe 问题是一个循序渐进的过程。从理解基本概念开始,到掌握核心方程,再到了解历史和主要成果,最终深入到证明的细节。这是一个充满挑战但也极具回报的数学旅程。希望这篇文章能为你打开一扇门,让你对 Yamabe 问题产生浓厚的兴趣。祝你学习愉快!

网友意见

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原始的Yamabe问题是关于scalar curvature的,具体可以看之前答案里提到的Lee和Parker写的个那个The Yamabe Problem的综述性的文章。我一开始也是看的那篇文章,感觉写的还是蛮详细的,而且读起来也不是很困难,具体的话需要你有一定的PDE方面的知识和技巧,比如不等式放缩和估计什么的。


但是既然题主提到这篇文章里有Q-curvature,那就不只是原始的Yamabe问题这么简单的事情了。关于Q-curvature这个概念我也只是在刚开始的时候大概见过一两次,后来我跑去折腾Finsler几何里的东西了,就没再仔细看这方面的内容。所以只能简单说说看,不保证一定准确恰当,仅供参考。


Q-curvature是由Branson等人提出来的一个概念,它在二维的时候就是Gauss curvature,随着流形维度的增加形式会变得越来越复杂。它会保持某些与scalar curvature类似的性质,但是在共形意义下会有一些比较好的性质。比如Q-curvature在流形上的积分是一个共性不变量,而且对于共形平坦的2m维流形M,有下面这个式子。

而且Q-curvature在共形变换下的变化能够体现流形本身的某些几何和拓扑性质,它在共形变换下的方程本身也是一个完全非线性的偏微分方程,从分析的角度去研究那个方程也有它的价值。因此有人用Q-curvature去代替scalar curvature去做一些prescribing curvature problem.之类的问题。

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