科学空间|Scientific Spaces

曲率的独立分量

黎曼曲率张量是一个非常重要的张量，当且仅当它全部分量为0时，空间才是平直的。它也出现在爱因斯坦的场方程中。总而言之，只要涉及到黎曼几何，黎曼曲率张量就必然是核心内容。

已经看到，黎曼曲率张量有4个指标，这也意味着它有$n^4$个分量，$n$是空间的维数。那么在2、3、4维空间中，它就有16、81、256个分量了，可见，要计算它，是一件相当痛苦的事情。幸好，这个张量有很多的对称性质，使得独立分量的数目大大减少，我们来分析这一点。

首先我们来导出黎曼曲率张量的一些对称性质，这部分内容是跟经典教科书是一致的。定义
$$R_{\mu\alpha\beta\gamma}=g_{\mu\nu}R^{\nu}_{\alpha\beta\gamma} \tag{50} $$
定义这个量的原因，要谈及逆变张量和协变张量的区别，我们这里主要关心几何观，因此略过对张量的详细分析。这个量被称为完全协变的黎曼曲率张量，有时候也直接叫做黎曼曲率张量，只要不至于混淆，一般不做区分。通过略微冗长的代数运算（在一般的微分几何、黎曼几何或者广义相对论教材中都有），可以得到
$$\begin{aligned}&R_{\mu\alpha\beta\gamma}=-R_{\mu\alpha\gamma\beta}\\
&R_{\mu\alpha\beta\gamma}=-R_{\alpha\mu\beta\gamma}\\
&R_{\mu\alpha\beta\gamma}=R_{\beta\gamma\mu\alpha}\\
&R_{\mu\alpha\beta\gamma}+R_{\mu\beta\gamma\alpha}+R_{\mu\gamma\alpha\beta}=0
\end{aligned} \tag{51} $$

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令人兴奋的是，我们导出黎曼曲率的途径，还能够让我们一瞥高斯-博内公式（ Gauss–Bonnet formula）的风采，真正体验一番研究内蕴几何的味道。

高斯-博内公式是大范围微分几何学的一个经典的公式，它建立了空间的局部性质和整体性质之间的联系。而我们从一条几何的路径出发，结合一些矩阵变换和数学分析的内容，逐步导出了测地线、协变导数、曲率张量，现在可以还可以得到经典的高斯-博内公式，可见我们在这条路上已经走得足够远了。虽然过程不尽善尽美，然而并没有脱离这个系列的核心：几何直观。本文的目的，正是分享黎曼几何的一种直观思路，既然是思路，以思想交流为主，不以严格证明为目的。因此，对于大家来说，这个系列权当黎曼几何的补充材料吧。

形式改写

首先，我们可以将式$(48)$重写为更有几何意义的形式。从

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写在前面

在《理解黎曼几何》系列，笔者分享了一些黎曼几何的“几何”心得，同时遗留了一个问题：怎么真正地去算黎曼张量？MTW的《引力论》中提到了一种基于外微分的方法，可是我不熟悉外微分，遂学习了一番。确实，是《引力论》中快捷计算曲率张量的步骤让笔者决定深入了解外微分的。果然，可观的效益是第一推动力。

这系列文章主要分享一些外微分的学习心得，曾经过多次修改和完善，包含的内容很多，比如外积、活动标架、外微分及其在黎曼几何的一些应用等，最后包括一种计算曲率的有效方式。

符号说明：在本系列中，用粗体的字母表示向量、矩阵以及基底，用普通字母来表示标量，它有可能是一个标量函数，也有可能是向量的分量，如无说明，则用$n$表示空间（流形）的维度。本文中同样使用了爱因斯坦求和法则，即相同的上下指标表示$1\sim n$遍历求和，即$\alpha_{\mu}\beta^{\mu}=\sum_{\mu=1}^{n} \alpha_{\mu}\beta^{\mu}$，习惯上将下标写在前面，比如$\alpha_{\mu}\beta^{\mu}$事实上跟$\beta^{\mu}\alpha_{\mu}$等价，但习惯写成前者。常用的一些记号是：$\mu,\nu$表示分量指标，$x^{\mu}$表示点的坐标分量，$dx^{\mu}$表示切向量（微元）的分量，$\alpha,\beta,\omega$等希腊字母也常用来表示微分形式。符号的使用有重复的地方，但符号的意义基本都在符号出现的附近有说明，因此应该不至于混淆。

最后，就是笔者其实对外微分还不是特别有感觉，因此文章中可能出现谬误之处，请读者见谅并指出。本系列命名为“外微分浅谈”，不是谦虚，确实是很浅，认识得浅，说的也很浅～

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对于前面所述的外微分，包括后面还略微涉及到的微分形式的积分，都是纯粹代数定义的内容，本身不具有任何的几何意义。但是，我们可以将某些公式或者定义，与一些几何内容对应起来，使我们更深刻地理解它，并且更灵活运用它。但是，它仅仅是一种对应，而且取决于我们的诠释。比如，我们说外微分公式
$$\int_{\partial D} Pdx+Qdy = \int_{D} \left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)dx\land dy \tag{32} $$
对应于格林公式
$$\int_{\partial D} Pdx+Qdy = \int_{D} \left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)dxdy \tag{33} $$
。这是没问题的，但它们并不等价，它们仅仅是形式上刚好一样。因为格林公式是描述闭合曲线的积分跟面积分的联系，而外微分的公式是一种纯粹的代数运算。因为你完全可以将$dx\land dy$对应于$-dxdy$而不是$dxdy$，这样就得到另外一种几何的对应。

更深刻的问题是：为什么恰好有这个对应？也就是说，为什么经过一些调整和诠释后，就能够得到与积分公式的对应？首先要明确的是外积与普通的数的乘积，除了反对称性之外，是没有任何区别的，因此不少性质得以保留；其次，还应该要回到反对称本身来考虑，矩阵的行列式代表着矩阵所对应的向量组张成的$n$维立体的体积，然而行列式是反对称的，这就意味着反对称运算跟体积、积分等有着先天的联系。当然，更细致的认识，笔者也还没做到。

此外，我们说寻求微分形式的几何意义，通常只是针对不超过3维的空间来讨论的，更高维的几何图像我们很难想象出来，尤其是高维的曲面积分，一般只是类比，但类比是否成立，有时还需要进一步商榷。因此，这种情况下，倒不如干脆点，说微分形式描述的东西就是几何，而不再去寻找所谓的几何意义了。也就是说，反过来，将微分形式和外微分作为公理式的第一性原理来定义几何。

甚至，你可以只将外微分当作是一种记忆各种微分、积分公式的有效途径，比如现在我要大家默写三维空间中的斯托克斯公式，大家估计会乱，因为不一定记得是哪个减哪个。但是在外微分框架下，可以很快地将它推导一遍。好比式$(11)$，如果非要寻求几何解释，那就是开普勒第二定律：单位时间内扫过的面积相等；然而没有几何解释，你依旧可以把方程解下去。

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众所周知，要掌握黎曼几何，需要强烈的几何直观感。但除此之外，用分量语言描述的黎曼几何，也需要很好的分析能力才能梳理清楚，因为有$N$多的指标在表示着分量和求和，咋看上去处处皆指标。这种繁琐的分量语言并不总讨人喜欢，甚至在不少地方是声名狼籍的。

在分量的语言中，我们本质上可以在局部建立任意形式的坐标系，也就是采用任意形式的基底$\{\boldsymbol{e}_{\mu}\}$，或者说自然标架。但不可否认，在正交标架（标准正交基）之下，很多方程会简单不少，并且得益于我们对欧氏空间的熟练，我们对正交标架下的研究可能会更有感觉。因此，如果条件允许的话，我们应当使用正交标架$\{\hat{\boldsymbol{e}}_{\mu}\}$，哪怕是活动的，这里我们用$\hat{}$标记正交标架。

比如，我们有微元
$$d\boldsymbol{r} = \boldsymbol{e}_{\mu}dx^{\mu} \tag{12} $$
是在一般标架下测量的，那么就可以得到黎曼度量

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学过实变函数的朋友，总会知道有个叫勒贝格积分的东西，号称是黎曼积分的改进版。虽然“实变函数学十遍，泛函分析心泛寒”，在学习实变函数的时候，我们通常都是云里雾里的，不过到最后，在老师的“灌溉”之下，也就耳濡目染了知道了一些结论，比如“黎曼可积的函数（在有限区间），也是勒贝格可积的”，说白了，就是“勒贝格积分比黎曼积分强”。那么，问题来了，究竟强在哪儿？为什么会强？

黎曼

勒贝格

这个问题，笔者在学习实变函数的时候并没有弄懂，后来也一直搁着，直到最近认真看了《重温微积分》之后，才有了些感觉。顺便说，齐民友老师的《重温微积分》真的很赞，值得一看。

本是同根生，相煎何太急？

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这里我们将展示上面一节的方法对于计算黎曼曲率张量的计算是多少的有力！我们再次列出我们得到的所有公式。首先是概念式的
$$\begin{aligned}&\omega^{\mu}=h_{\alpha}^{\mu}dx^{\alpha}\\
&d\boldsymbol{r}=\hat{\boldsymbol{e}}_{\mu} \omega^{\mu}\\
&ds^2 = \eta_{\mu\nu} \omega^{\mu}\omega^{\nu}\\
&\langle \hat{\boldsymbol{e}}_{\mu}, \hat{\boldsymbol{e}}_{\nu}\rangle = \eta_{\mu\nu}\end{aligned} \tag{65} $$
然后是
$$\begin{aligned}&d\eta_{\mu\nu}=\omega_{\nu\mu}+\omega_{\mu\nu}=\eta_{\nu\alpha}\omega_{\mu}^{\alpha}+\eta_{\mu \alpha}\omega_{\nu}^{\alpha}\\
&d\omega^{\mu}+\omega_{\nu}^{\mu}\land \omega^{\nu}=0\end{aligned} \tag{66} $$
这两个可以帮助我们确定$\omega_{\nu}^{\mu}$；接着就是
$$\mathscr{R}_{\nu}^{\mu} = d\omega_{\nu}^{\mu}+\omega_{\alpha}^{\mu} \land \omega_{\nu}^{\alpha} \tag{67} $$
最后你要正交标架下的$\hat{R}^{\mu}_{\nu\beta\gamma}$，就要写出：
$$\mathscr{R}_{\nu}^{\mu}=\sum_{\beta < \gamma} \hat{R}^{\mu}_{\nu\beta\gamma}\omega^{\beta}\land \omega^{\gamma} \tag{68} $$
如果你要原始标架下的$R^{\mu}_{\nu\beta\gamma}$，就要写出
$$(h^{-1})_{\mu'}^{\mu}\mathscr{R}^{\mu'}_{\nu'}h_{\nu}^{\nu'} = \sum_{\beta < \gamma} R^{\mu}_{\nu\beta\gamma}dx^{\beta}\land dx^{\gamma} \tag{69} $$
然后依次读出$R^{\mu}_{\nu\beta\gamma}$，就像制表一样。

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赛题回顾

不得不说，2013年的全国数学建模竞赛中的B题真的算是数学建模竞赛中百年难得一遇的好题：题目简洁明了，含义丰富，做法多样，延伸性强，以至于我一直对它念念不忘。因为这个题目，我已经在科学空间写了两篇文章了，分别是《一个人的数学建模：碎纸复原》和《迟到一年的建模：再探碎纸复原》。以前做这道题的时候，还只有一点数学建模的知识，而自从学习了数据挖掘、尤其是深度学习之后，我一直想重做这道题，但一直偷懒。这几天终于把它实现了。

如果对题目还不清楚的读者，可以参考前面两篇文章。碎纸复原共有五个附件，分别代表了五种“碎纸片”，即五种不同粒度的碎片。其中附件1和2都不困难，难度主要集中在附件3、4、5，而3、4、5的实现难度基本是一样的。做这道题最容易想到的思路就是贪心算法，即随便选一张图片，然后找到与它最匹配的图片，然后继续匹配下一张。要想贪心算法有效，最关键是找到一个良好的距离函数，来判断两张碎片是否相邻（水平相邻，这里不考虑垂直相邻）。

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