طية ريمانية Riemannian manifold

يجب ألا يـُخلـَط بينها وبين Riemann surface.

The dot product of two vectors tangent to the sphere sitting inside 3-dimensional Euclidean space contains information about the lengths and angle between the vectors. The dot products on every tangent plane, packaged together into one mathematical object, are a Riemannian metric.

In differential geometry, a Riemannian manifold is a geometric space on which many geometric notions such as distance, angles, length, volume, and curvature are defined. Euclidean space, the خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n} -sphere, hyperbolic space, and smooth surfaces in three-dimensional space, such as ellipsoids and paraboloids, are all examples of Riemannian manifolds. Riemannian manifolds are named after German mathematician Bernhard Riemann, who first conceptualized them.

Formally, a Riemannian metric (or just a metric) on a smooth manifold is a smoothly varying choice of inner product for each tangent space of the manifold. A Riemannian manifold is a smooth manifold together with a Riemannian metric. The techniques of differential and integral calculus are used to pull geometric data out of the Riemannian metric. For example, integration leads to the Riemannian distance function, whereas differentiation is used to define curvature and parallel transport.

Any smooth surface in three-dimensional Euclidean space is a Riemannian manifold with a Riemannian metric coming from the way it sits inside the ambient space. The same is true for any submanifold of Euclidean space of any dimension. Although John Nash proved that every Riemannian manifold arises as a submanifold of Euclidean space, and although some Riemannian manifolds are naturally exhibited or defined in that way, the idea of a Riemannian manifold emphasizes the intrinsic point of view, which defines geometric notions directly on the abstract space itself without referencing an ambient space. In many instances, such as for hyperbolic space and projective space, Riemannian metrics are more naturally defined or constructed using the intrinsic point of view. Additionally, many metrics on Lie groups and homogeneous spaces are defined intrinsically by using group actions to transport an inner product on a single tangent space to the entire manifold, and many special metrics such as constant scalar curvature metrics and Kähler–Einstein metrics are constructed intrinsically using tools from partial differential equations.

Riemannian geometry, the study of Riemannian manifolds, has deep connections to other areas of math, including geometric topology, complex geometry, and algebraic geometry. Applications include physics (especially general relativity and gauge theory), computer graphics, machine learning, and cartography. Generalizations of Riemannian manifolds include pseudo-Riemannian manifolds, Finsler manifolds, and sub-Riemannian manifolds.

 التاريخ

Riemannian manifolds were first conceptualized by their namesake, German mathematician Bernhard Riemann.

In 1827, Carl Friedrich Gauss discovered that the Gaussian curvature of a surface embedded in 3-dimensional space only depends on local measurements made within the surface (the first fundamental form). This result is known as the Theorema Egregium ("remarkable theorem" in Latin).

A map that preserves the local measurements of a surface is called a local isometry. A property of a surface is called an intrinsic property if it is preserved by local isometries and it is called an extrinsic property if it is not. In this language, the Theorema Egregium says that the Gaussian curvature is an intrinsic property of surfaces.

Riemannian manifolds and their curvature were first introduced non-rigorously by Bernhard Riemann in 1854. However, they would not be formalized until much later. In fact, the more primitive concept of a smooth manifold was first explicitly defined only in 1913 in a book by Hermann Weyl.

Élie Cartan introduced the Cartan connection, one of the first concepts of a connection. Levi-Civita defined the Levi-Civita connection, a special connection on a Riemannian manifold.

Albert Einstein used the theory of pseudo-Riemannian manifolds (a generalization of Riemannian manifolds) to develop general relativity. Specifically, the Einstein field equations are constraints on the curvature of spacetime, which is a 4-dimensional pseudo-Riemannian manifold.

 تعريف

 Riemannian metrics and Riemannian manifolds

A tangent plane of the sphere with two vectors in it. A Riemannian metric allows one to take the inner product of these vectors.

Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} be a smooth manifold. For each point خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle p \in M} , there is an associated vector space خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T_pM} called the tangent space of $M$ at $p$. Vectors in $T_{p}M$ are thought of as the vectors tangent to $M$ at $p$.

However, $T_{p}M$ does not come equipped with an inner product, a "measuring stick" that gives tangent vectors a concept of length and angle. This is an important deficiency because calculus teaches that to calculate the length of a curve, the length of vectors tangent to the curve must be defined. A Riemannian metric puts such a "measuring stick" on every tangent space.

A Riemannian metric $g$ on $M$ assigns to each $p$ a positive-definite symmetric bilinear form (i.e. an inner product) $g_{p}:T_{p}M\times T_{p}M\to \mathbb {R}$ in a smooth way (see the section on regularity below). This induces a norm $\|\cdot \|_{p}:T_{p}M\to \mathbb {R}$ defined by $\|v\|_{p}={\sqrt {g_{p}(v,v)}}$. A smooth manifold $M$ endowed with a Riemannian metric $g$ is a Riemannian manifold, denoted $(M,g)$. A Riemannian metric is a special case of a metric tensor.

A Riemannian metric is not to be confused with the distance function of a metric space, which is also called a metric.

 The Riemannian metric in coordinates

If $(x^{1},\ldots ,x^{n}):U\to \mathbb {R} ^{n}$ are smooth local coordinates on $M$, the vectors

$\left\{{\frac {\partial }{\partial x^{1}}}{\Big |}_{p},\dotsc ,{\frac {\partial }{\partial x^{n}}}{\Big |}_{p}\right\}$

form a basis of the vector space $T_{p}M$ for any $p\in U$. Relative to this basis, one can define the Riemannian metric's components at each point $p$ by

$g_{ij}|_{p}:=g_{p}\left(\left.{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}\right|_{p},\left.{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right|_{p}\right)$.

These $n^{2}$ functions $g_{ij}:U\to \mathbb {R}$ can be put together into an $n\times n$ matrix-valued function on $U$. The requirement that $g_{p}$ is a positive-definite inner product then says exactly that this matrix-valued function is a symmetric positive-definite matrix at $p$.

In terms of the tensor algebra, the Riemannian metric can be written in terms of the dual basis $\{dx^{1},\ldots ,dx^{n}\}$ of the cotangent bundle as

$g=\sum _{i,j}g_{ij}\,dx^{i}\otimes dx^{j}.$

 Regularity of the Riemannian metric

The Riemannian metric $g$ is continuous if its components $g_{ij}:U\to \mathbb {R}$ are continuous in any smooth coordinate chart $(U,x).$ The Riemannian metric $g$ is smooth if its components $g_{ij}$ are smooth in any smooth coordinate chart. One can consider many other types of Riemannian metrics in this spirit, such as Lipschitz Riemannian metrics or measurable Riemannian metrics.

There are situations in geometric analysis in which one wants to consider non-smooth Riemannian metrics. See for instance (Gromov 1999) and (Shi and Tam 2002). However, in this article, $g$ is assumed to be smooth unless stated otherwise.

 Musical isomorphism

المقالة الرئيسية: Musical isomorphism

In analogy to how an inner product on a vector space induces an isomorphism between a vector space and its dual given by $v\mapsto \langle v,\cdot \rangle$, a Riemannian metric induces an isomorphism of bundles between the tangent bundle and the cotangent bundle. Namely, if $g$ is a Riemannian metric, then

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (p,v) \mapsto g_p(v,\cdot)}

is a isomorphism of smooth vector bundles from the tangent bundle $TM$ to the cotangent bundle $T^{*}M$.

 Isometries

An isometry is a function between Riemannian manifolds which preserves all of the structure of Riemannian manifolds. If two Riemannian manifolds have an isometry between them, they are called isometric, and they are considered to be the same manifold for the purpose of Riemannian geometry.

Specifically, if $(M,g)$ and $(N,h)$ are two Riemannian manifolds, a diffeomorphism $f:M\to N$ is called an isometry if $g=f^{\ast }h$, that is, if

$g_{p}(u,v)=h_{f(p)}(df_{p}(u),df_{p}(v))$

for all $p\in M$ and $u,v\in T_{p}M.$ For example, translations and rotations are both isometries from Euclidean space (to be defined soon) to itself.

One says that a smooth map $f:M\to N,$ not assumed to be a diffeomorphism, is a local isometry if every $p\in M$ has an open neighborhood $U$ such that $f:U\to f(U)$ is an isometry (and thus a diffeomorphism).

 Volume

An oriented $n$-dimensional Riemannian manifold $(M,g)$ has a unique $n$-form $dV_{g}$ called the Riemannian volume form. The Riemannian volume form is preserved by orientation-preserving isometries. The volume form gives rise to a measure on $M$ which allows measurable functions to be integrated. If $M$ is compact, the volume of $M$ is $\int _{M}dV_{g}$.

 Examples

 Euclidean space

Let $x^{1},\ldots ,x^{n}$ denote the standard coordinates on $\mathbb {R} ^{n}.$ The (canonical) Euclidean metric $g^{\text{can}}$ is given by

$g^{\text{can}}\left(\sum _{i}a_{i}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}},\sum _{j}b_{j}{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\right)=\sum _{i}a_{i}b_{i}$

or equivalently

$g^{\text{can}}=(dx^{1})^{2}+\cdots +(dx^{n})^{2}$

or equivalently by its coordinate functions

$g_{ij}^{\text{can}}=\delta _{ij}$ where $\delta _{ij}$ is the Kronecker delta

which together form the matrix

$(g_{ij}^{\text{can}})={\begin{pmatrix}1&0&\cdots &0\\0&1&\cdots &0\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\0&0&\cdots &1\end{pmatrix}}.$

The Riemannian manifold $(\mathbb {R} ^{n},g^{\text{can}})$ is called Euclidean space.

 Submanifolds

المقالة الرئيسية: Riemannian submanifold

The $n$-sphere $S^{n}$ with the round metric is an embedded Riemannian submanifold of $\mathbb {R} ^{n+1}$.

Let $(M,g)$ be a Riemannian manifold and let $i:N\to M$ be an immersed submanifold or an embedded submanifold of $M$. The pullback $i^{*}g$ of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} is a Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N} , and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (N, i^*g)} is said to be a Riemannian submanifold of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,g)} .

In the case where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N \subseteq M} , the map خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i : N \to M} is given by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i(x) = x} and the metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i^*g} is just the restriction of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} to vectors tangent along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N} . In general, the formula for خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i^*g} is

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i^*g_p(v,w) = g_{i(p)} \big( di_p(v), di_p(w) \big), }

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle di_p(v)} is the pushforward of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v} by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i.}

Examples:

• The خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n} -sphere

  خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S^n=\{x\in\mathbb{R}^{n+1}:(x^1)^2+\cdots+(x^{n+1})^2=1\}}

is a smooth embedded submanifold of Euclidean space خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^{n+1}} . The Riemannian metric this induces on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S^n} is called the round metric or standard metric.

• Fix real numbers خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a,b,c} . The ellipsoid

  خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \left\{(x,y,z) \in \mathbb R^3 : \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} = 1 \right\}}

is a smooth embedded submanifold of Euclidean space خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^3} .

• The graph of a smooth function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}} is a smooth embedded submanifold of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb{R}^{n+1}} with its standard metric.
• If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,g)} is not simply connected, there is a covering map خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \widetilde{M}\to M} , where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \widetilde M} is the universal cover of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} . This is an immersion (since it is locally a diffeomorphism), so خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \widetilde M} automatically inherits a Riemannian metric. By the same principle, any smooth covering space of a Riemannian manifold inherits a Riemannian metric.

On the other hand, if خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N} already has a Riemannian metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tilde g} , then the immersion (or embedding) خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i : N \to M} is called an isometric immersion (or isometric embedding) if خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tilde g = i^* g} . Hence isometric immersions and isometric embeddings are Riemannian submanifolds.

 Products

A torus naturally carries a Euclidean metric, obtained by identifying opposite sides of a square (left). The resulting Riemannian manifold, called a flat torus, cannot be isometrically embedded in 3-dimensional Euclidean space (right), because it is necessary to bend and stretch the sheet in doing so. Thus the intrinsic geometry of a flat torus is different from that of an embedded torus.

Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,g)} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (N,h)} be two Riemannian manifolds, and consider the product manifold خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M\times N} . The Riemannian metrics خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle h} naturally put a Riemannian metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \widetilde{g}} on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M\times N,} which can be described in a few ways.

• Considering the decomposition خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T_{(p,q)}(M\times N) \cong T_pM \oplus T_qN,} one may define

  خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \widetilde{g}_{p,q} ((u_1, u_2), (v_1, v_2)) = g_p(u_1, v_1) + h_q(u_2, v_2).}

• If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (U,x)} is a smooth coordinate chart on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (V,y)} is a smooth coordinate chart on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N} , then خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (U \times V, (x,y))} is a smooth coordinate chart on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M \times N.} Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g_U} be the representation of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} in the chart خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (U,x)} and let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle h_V} be the representation of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle h} in the chart خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (V,y)} . The representation of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \widetilde{g}} in the coordinates خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (U \times V,(x,y))} is

  خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \widetilde{g} = \sum_{ij} \widetilde{g}_{ij} \, dx^i \, dx^j} where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\widetilde{g}_{ij}) = \begin{pmatrix} g_U & 0 \\ 0 & h_V \end{pmatrix}.}

For example, consider the خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n} -torus خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T^n = S^1\times\cdots\times S^1} . If each copy of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S^1} is given the round metric, the product Riemannian manifold خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T^n} is called the flat torus. As another example, the Riemannian product خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R \times \cdots \times \mathbb R} , where each copy of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R} has the Euclidean metric, is isometric to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^n} with the Euclidean metric.

 Positive combinations of metrics

Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g_1, \ldots, g_k} be Riemannian metrics on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M.} If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f_1, \ldots, f_k} are any positive smooth functions on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} , then خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f_1 g_1 + \ldots + f_k g_k} is another Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M.}

 Every smooth manifold admits a Riemannian metric

Theorem: Every smooth manifold admits a (non-canonical) Riemannian metric.

This is a fundamental result. Although much of the basic theory of Riemannian metrics can be developed using only that a smooth manifold is a locally Euclidean topological space, for this result it is necessary to use that smooth manifolds are Hausdorff and paracompact. The reason is that the proof makes use of a partition of unity.

Proof that every smooth manifold admits a Riemannian metric

Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} be a smooth manifold and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\}_{\alpha \in A}} a locally finite atlas so that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_\alpha \subseteq M} are open subsets and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi_\alpha \colon U_\alpha\to \varphi_\alpha(U_\alpha)\subseteq\mathbf{R}^n} are diffeomorphisms. Such an atlas exists because the manifold is paracompact. Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \{\tau_\alpha\}_{\alpha \in A}} be a differentiable partition of unity subordinate to the given atlas, i.e. such that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \operatorname{supp}( \tau_\alpha) \subseteq U_\alpha} for all خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \alpha \in A} . Define a Riemannian metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g = \sum_{\alpha \in A} \tau_\alpha \cdot \tilde{g}_\alpha} where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tilde{g}_\alpha = \varphi_\alpha^* g^{\text{can}}.} Here خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g^\text{can}} is the Euclidean metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^n} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi_\alpha^*g^{\mathrm{can}}} is its pullback along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi_\alpha} . While خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tilde{g}_\alpha} is only defined on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_\alpha} , the product خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tau_\alpha \cdot \tilde{g}_\alpha} is defined and smooth on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} since خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \operatorname{supp}( \tau_\alpha) \subseteq U_\alpha} . It takes the value 0 outside of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_\alpha} . Because the atlas is locally finite, at every point the sum contains only finitely many nonzero terms, so the sum converges. It is straightforward to check that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} is a Riemannian metric.

An alternative proof uses the Whitney embedding theorem to embed خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} into Euclidean space and then pulls back the metric from Euclidean space to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} . On the other hand, the Nash embedding theorem states that, given any smooth Riemannian manifold خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,g),} there is an embedding خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle F:M\to\mathbb{R}^N} for some خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N} such that the pullback by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle F} of the standard Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb{R}^N} is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g.} That is, the entire structure of a smooth Riemannian manifold can be encoded by a diffeomorphism to a certain embedded submanifold of some Euclidean space. Therefore, one could argue that nothing can be gained from the consideration of abstract smooth manifolds and their Riemannian metrics. However, there are many natural smooth Riemannian manifolds, such as the set of rotations of three-dimensional space and hyperbolic space, of which any representation as a submanifold of Euclidean space will fail to represent their remarkable symmetries and properties as clearly as their abstract presentations do.

 Metric space structure

An admissible curve is a piecewise smooth curve خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : [0,1] \to M} whose velocity خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma'(t) \in T_{\gamma(t)}M} is nonzero everywhere it is defined. The nonnegative function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle t\mapsto\|\gamma'(t)\|_{\gamma(t)}} is defined on the interval خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [0,1]} except for at finitely many points. The length خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L(\gamma)} of an admissible curve خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : [0,1] \to M} is defined as

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L(\gamma)=\int_0^1 \|\gamma'(t)\|_{\gamma(t)} \, dt.}

The integrand is bounded and continuous except at finitely many points, so it is integrable. For خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,g)} a connected Riemannian manifold, define خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g:M\times M\to[0,\infty)} by

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g(p,q) = \inf \{ L(\gamma) : \gamma \text{ an admissible curve with } \gamma(0) = p, \gamma(1) = q \}.}

Theorem: خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is a metric space, and the metric topology on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} coincides with the topology on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} .

Proof sketch that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is a metric space, and the metric topology on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} agrees with the topology on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M}

In verifying that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} satisfies all of the axioms of a metric space, the most difficult part is checking that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle p\neq q} implies خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g(p,q)>0} . Verification of the other metric space axioms is omitted. There must be some precompact open set around p which every curve from p to q must escape. By selecting this open set to be contained in a coordinate chart, one can reduce the claim to the well-known fact that, in Euclidean geometry, the shortest curve between two points is a line. In particular, as seen by the Euclidean geometry of a coordinate chart around p, any curve from p to q must first pass though a certain "inner radius." The assumed continuity of the Riemannian metric g only allows this "coordinate chart geometry" to distort the "true geometry" by some bounded factor. To be precise, let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (U,x)} be a smooth coordinate chart with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x(p)=0} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle q\notin U.} Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle V\ni x} be an open subset of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U} with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \overline{V}\subset U.} By continuity of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} and compactness of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \overline{V},} there is a positive number خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): \lambda such that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g(X,X)\geq\lambda\|X\|^2} for any خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r\in V} and any خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X\in T_rM,} where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \|\cdot\|} denotes the Euclidean norm induced by the local coordinates. Let R denote خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sup\{r>0:B_r(0)\subset x(V)\}} . Now, given any admissible curve خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma:[0,1]\to M} from p to q, there must be some minimal خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \delta>0} such that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma(\delta)\notin V;} clearly خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma(\delta)\in\partial V.} The length of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} is at least as large as the restriction of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [0,\delta].} So خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L(\gamma)\geq\sqrt{\lambda}\int_0^\delta\|\gamma'(t)\|\,dt.} The integral which appears here represents the Euclidean length of a curve from 0 to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x(\partial V)\subset\mathbb{R}^n} , and so it is greater than or equal to R. So we conclude خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L(\gamma)\geq\sqrt{\lambda}R.} The observation about comparison between lengths measured by g and Euclidean lengths measured in a smooth coordinate chart, also verifies that the metric space topology of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} coincides with the original topological space structure of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} .

Although the length of a curve is given by an explicit formula, it is generally impossible to write out the distance function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g} by any explicit means. In fact, if خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} is compact, there always exist points where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g:M\times M\to\mathbb{R}} is non-differentiable, and it can be remarkably difficult to even determine the location or nature of these points, even in seemingly simple cases such as when خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,g)} is an ellipsoid.

If one works with Riemannian metrics that are merely continuous but possibly not smooth, the length of an admissible curve and the Riemannian distance function are defined exactly the same, and, as before, خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is a metric space and the metric topology on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} coincides with the topology on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} .

 Diameter

The diameter of the metric space خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \operatorname{diam}(M,d_g)=\sup\{d_g(p,q):p,q\in M\}.}

The Hopf–Rinow theorem shows that if خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is complete and has finite diameter, it is compact. Conversely, if خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is compact, then the function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g:M\times M\to\mathbb{R}} has a maximum, since it is a continuous function on a compact metric space. This proves the following.

If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is complete, then it is compact if and only if it has finite diameter.

This is not the case without the completeness assumption; for counterexamples one could consider any open bounded subset of a Euclidean space with the standard Riemannian metric. It is also not true that any complete metric space of finite diameter must be compact; it matters that the metric space came from a Riemannian manifold.

 Connections, geodesics, and curvature

 Connections

المقالة الرئيسية: Affine connection

An (affine) connection is an additional structure on a Riemannian manifold that defines differentiation of one vector field with respect to another. Connections contain geometric data, and two Riemannian manifolds with different connections have different geometry.

Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathfrak X(M)} denote the space of vector fields on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} . An (affine) connection

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla : \mathfrak X(M) \times \mathfrak X(M) \to \mathfrak X(M)}

on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} is a bilinear map خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (X,Y) \mapsto \nabla_X Y} such that

1. For every function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f \in C^\infty(M)} , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla_{f_1 X_1 + f_2 X_2} Y = f_1 \,\nabla_{X_1} Y + f_2 \, \nabla_{X_2} Y, }
2. The product rule خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla_X fY=X(f)Y+ f\,\nabla_X Y} holds.

The expression خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla_X Y} is called the covariant derivative of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Y} with respect to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X} .

 Levi-Civita connection

المقالة الرئيسية: Levi-Civita connection

Two Riemannian manifolds with different connections have different geometry. Thankfully, there is a natural connection associated to a Riemannian manifold called the Levi-Civita connection.

A connection خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla} is said to preserve the metric if

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X\bigl(g(Y,Z)\bigr) = g(\nabla_X Y, Z) + g(Y, \nabla_X Z)}

A connection خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla} is torsion-free if

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla_X Y - \nabla_Y X = [X,Y], }

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [\cdot,\cdot]} is the Lie bracket.

A Levi-Civita connection is a torsion-free connection that preserves the metric. Once a Riemannian metric is fixed, there exists a unique Levi-Civita connection. Note that the definition of preserving the metric uses the regularity of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} .

 Covariant derivative along a curve

If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : [0,1] \to M} is a smooth curve, a smooth vector field along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} is a smooth map خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X : [0,1] \to TM} such that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X(t) \in T_{\gamma(t)}M} for all خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle t \in [0,1]} . The set خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathfrak X(\gamma)} of smooth vector fields along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} is a vector space under pointwise vector addition and scalar multiplication. One can also pointwise multiply a smooth vector field along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} by a smooth function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f : [0,1] \to \mathbb R} :

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (fX)(t) = f(t)X(t)} for خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X \in \mathfrak X(\gamma).}

Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X} be a smooth vector field along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} . If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tilde X} is a smooth vector field on a neighborhood of the image of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} such that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X(t) = \tilde X_{\gamma(t)}} , then خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tilde X} is called an extension of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X} .

Given a fixed connection خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla} on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} and a smooth curve خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : [0,1] \to M} , there is a unique operator خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_t : \mathfrak X(\gamma) \to \mathfrak X(\gamma)} , called the covariant derivative along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} , such that:

1. خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_t(aX+bY) = a\,D_tX + b\,D_tY,}
2. خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_t(fX) = f'X + f\,D_tX,}
3. If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tilde X} is an extension of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle X} , then خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_tX(t) = \nabla_{\gamma'(t)} \tilde X} .

 Geodesics

المقالة الرئيسية: Geodesic

In Euclidean space خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^n} (left), the maximal geodesics are straight lines. In the round sphere خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S^n} (right), the maximal geodesics are great circles.

Geodesics are curves with no intrinsic acceleration. Equivalently, geodesics are curves that locally take the shortest path between two points. They are the generalization of straight lines in Euclidean space to arbitrary Riemannian manifolds. An ant living in a Riemannian manifold walking straight ahead without making any effort to accelerate or turn would trace out a geodesic.

Fix a connection خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla} on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} . Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : [0,1] \to M} be a smooth curve. The acceleration of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} is the vector field خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_t\gamma'} along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} . If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_t\gamma' = 0} for all خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle t} , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} is called a geodesic.

For every خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle p \in M} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v \in T_pM} , there exists a geodesic خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : I \to M} defined on some open interval خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle I} containing 0 such that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma(0) = p} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma'(0) = v} . Any two such geodesics agree on their common domain. Taking the union over all open intervals خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle I} containing 0 on which a geodesic satisfying خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma(0) = p} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma'(0) = v} exists, one obtains a geodesic called a maximal geodesic of which every geodesic satisfying خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma(0) = p} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma'(0) = v} is a restriction.

Every curve خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : [0,1] \to M} that has the shortest length of any admissible curve with the same endpoints as خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} is a geodesic (in a unit-speed reparameterization).

 Examples

• The nonconstant maximal geodesics of the Euclidean plane خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^2} are exactly the straight lines. This agrees with the fact from Euclidean geometry that the shortest path between two points is a straight line segment.
• The nonconstant maximal geodesics of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S^2} with the round metric are exactly the great circles. Since the Earth is approximately a sphere, this means that the shortest path a plane can fly between two locations on Earth is a segment of a great circle.

 Hopf–Rinow theorem

المقالة الرئيسية: Hopf–Rinow theorem

The punctured plane خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^2 \backslash \{(0,0)\}} is not geodesically complete because the maximal geodesic with initial conditions خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle p = (1,1)} , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v = (1,1)} does not have domain خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R} .

The Riemannian manifold خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} with its Levi-Civita connection is geodesically complete if the domain of every maximal geodesic is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (-\infty,\infty)} . The plane خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^2} is geodesically complete. On the other hand, the punctured plane خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb{R}^2\smallsetminus\{(0,0)\}} with the restriction of the Riemannian metric from خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^2} is not geodesically complete as the maximal geodesic with initial conditions خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle p = (1,1)} , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v = (1,1)} does not have domain خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R} .

The Hopf–Rinow theorem characterizes geodesically complete manifolds.

Theorem: Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,g)} be a connected Riemannian manifold. The following are equivalent:

• The metric space خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M,d_g)} is complete (every خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g} -Cauchy sequence converges),
• All closed and bounded subsets of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} are compact,
• خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} is geodesically complete.

 Parallel transport

المقالة الرئيسية: Parallel transport

Parallel transport of a tangent vector along a curve in the sphere.

In Euclidean space, all tangent spaces are canonically identified with each other via translation, so it is easy to move vectors from one tangent space to another. Parallel transport is a way of moving vectors from one tangent space to another along a curve in the setting of a general Riemannian manifold. Given a fixed connection, there is a unique way to do parallel transport.

Specifically, call a smooth vector field خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle V} along a smooth curve خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} parallel along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} if خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_t V = 0} identically. Fix a curve خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma : [0,1] \to M} with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma(0) = p} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma(1) = q} . to parallel transport a vector خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v \in T_pM} to a vector in خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T_qM} along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} , first extend خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v} to a vector field parallel along خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma} , and then take the value of this vector field at خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle q} .

The images below show parallel transport induced by the Levi-Civita connection associated to two different Riemannian metrics on the punctured plane خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb R^2 \smallsetminus \{0,0\}} . The curve the parallel transport is done along is the unit circle. In polar coordinates, the metric on the left is the standard Euclidean metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dx^2 + dy^2 = dr^2 + r^2 \, d\theta^2} , while the metric on the right is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dr^2 + d\theta^2} . This second metric has a singularity at the origin, so it does not extend past the puncture, but the first metric extends to the entire plane.

Parallel transports on the punctured plane under Levi-Civita connections

This transport is given by the metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dr^2 + r^2 d\theta^2} .

This transport is given by the metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dr^2 + d\theta^2} .

Warning: This is parallel transport on the punctured plane along the unit circle, not parallel transport on the unit circle. Indeed, in the first image, the vectors fall outside of the tangent space to the unit circle.

 Riemann curvature tensor

المقالة الرئيسية: Riemann curvature tensor

The Riemann curvature tensor measures precisely the extent to which parallel transporting vectors around a small rectangle is not the identity map. The Riemann curvature tensor is 0 at every point if and only if the manifold is locally isometric to Euclidean space.

Fix a connection خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla} on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} . The Riemann curvature tensor is the map خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle R : \mathfrak X(M) \times \mathfrak X(M) \times \mathfrak X(M) \to \mathfrak X(M)} defined by

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle R(X, Y)Z = \nabla_X\nabla_Y Z - \nabla_Y \nabla_X Z - \nabla_{[X, Y]} Z}

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [X, Y]} is the Lie bracket of vector fields. The Riemann curvature tensor is a خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (1,3)} -tensor field.

 Ricci curvature tensor

المقالة الرئيسية: Ricci curvature

Fix a connection خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla} on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} . The Ricci curvature tensor is

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Ric(X,Y) = \operatorname{tr}(Z \mapsto R(Z,X)Y)}

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \operatorname{tr}} is the trace. The Ricci curvature tensor is a covariant 2-tensor field.

 Einstein manifolds

المقالة الرئيسية: Einstein manifold

The Ricci curvature tensor خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Ric} plays a defining role in the theory of Einstein manifolds, which has applications to the study of gravity. A (pseudo-)Riemannian metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} is called an Einstein metric if Einstein's equation

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Ric = \lambda g} for some constant خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): \lambda

holds, and a (pseudo-)Riemannian manifold whose metric is Einstein is called an Einstein manifold. Examples of Einstein manifolds include Euclidean space, the خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n} -sphere, hyperbolic space, and complex projective space with the Fubini-Study metric.

 Scalar curvature

المقالة الرئيسية: Scalar curvature

 Constant curvature and space forms

A Riemannian manifold is said to have constant curvature κ if every sectional curvature equals the number κ. This is equivalent to the condition that, relative to any coordinate chart, the Riemann curvature tensor can be expressed in terms of the metric tensor as

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle R_{ijkl}=\kappa(g_{il}g_{jk}-g_{ik}g_{jl}).}

This implies that the Ricci curvature is given by R_jk = (n − 1)κg_jk and the scalar curvature is n(n − 1)κ, where n is the dimension of the manifold. In particular, every Riemannian manifold of constant curvature is an Einstein manifold, thereby having constant scalar curvature. As found by Bernhard Riemann in his 1854 lecture introducing Riemannian geometry, the locally defined Riemannian metric

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{dx_1^2+\cdots+dx_n^2}{(1+\frac{\kappa}{4}(x_1^2+\cdots+x_n^2))^2}}

has constant curvature κ. Any two Riemannian manifolds of the same constant curvature are locally isometric, and so it follows that any Riemannian manifold of constant curvature κ can be covered by coordinate charts relative to which the metric has the above form.

A Riemannian space form is a Riemannian manifold with constant curvature which is additionally connected and geodesically complete. A Riemannian space form is said to be a spherical space form if the curvature is positive, a Euclidean space form if the curvature is zero, and a hyperbolic space form or hyperbolic manifold if the curvature is negative. In any dimension, the sphere with its standard Riemannian metric, Euclidean space, and hyperbolic space are Riemannian space forms of constant curvature 1, 0, and −1 respectively. Furthermore, the Killing–Hopf theorem says that any simply connected spherical space form is homothetic to the sphere, any simply connected Euclidean space form is homothetic to Euclidean space, and any simply connected hyperbolic space form is homothetic to hyperbolic space.

Using the covering manifold construction, any Riemannian space form is isometric to the quotient manifold of a simply connected Riemannian space form, modulo a certain group action of isometries. For example, the isometry group of the n-sphere is the orthogonal group O(n + 1). Given any finite subgroup G thereof in which only the identity matrix possesses 1 as an eigenvalue, the natural group action of the orthogonal group on the n-sphere restricts to a group action of G, with the quotient manifold Sⁿ / G inheriting a geodesically complete Riemannian metric of constant curvature 1. Up to homothety, every spherical space form arises in this way; this largely reduces the study of spherical space forms to problems in group theory. For instance, this can be used to show directly that every even-dimensional spherical space form is homothetic to the standard metric on either the sphere or real projective space. There are many more odd-dimensional spherical space forms, although there are known algorithms for their classification. The list of three-dimensional spherical space forms is infinite but explicitly known, and includes the lens spaces and the Poincaré dodecahedral space.

The case of Euclidean and hyperbolic space forms can likewise be reduced to group theory, based on study of the isometry group of Euclidean space and hyperbolic space. For example, the class of two-dimensional Euclidean space forms includes Riemannian metrics on the Klein bottle, the Möbius strip, the torus, the cylinder S¹ × ℝ, along with the Euclidean plane. Unlike the case of two-dimensional spherical space forms, in some cases two space form structures on the same manifold are not homothetic. The case of two-dimensional hyperbolic space forms is even more complicated, having to do with Teichmüller space. In three dimensions, the Euclidean space forms are known, while the geometry of hyperbolic space forms in three and higher dimensions remains an area of active research known as hyperbolic geometry.

 Riemannian metrics on Lie groups

 Left-invariant metrics on Lie groups

Let G be a Lie group, such as the group of rotations in three-dimensional space. Using the group structure, any inner product on the tangent space at the identity (or any other particular tangent space) can be transported to all other tangent spaces to define a Riemannian metric. Formally, given an inner product g_e on the tangent space at the identity, the inner product on the tangent space at an arbitrary point p is defined by

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g_p(u,v)=g_e(dL_{p^{-1}}(u),dL_{p^{-1}}(v)),}

where for arbitrary x, L_x is the left multiplication map G → G sending a point y to xy. Riemannian metrics constructed this way are left-invariant; right-invariant Riemannian metrics could be constructed likewise using the right multiplication map instead.

The Levi-Civita connection and curvature of a general left-invariant Riemannian metric can be computed explicitly in terms of g_e, the adjoint representation of G, and the Lie algebra associated to G. These formulas simplify considerably in the special case of a Riemannian metric which is bi-invariant (that is, simultaneously left- and right-invariant). All left-invariant metrics have constant scalar curvature.

Left- and bi-invariant metrics on Lie groups are an important source of examples of Riemannian manifolds. Berger spheres, constructed as left-invariant metrics on the special unitary group SU(2), are among the simplest examples of the collapsing phenomena, in which a simply connected Riemannian manifold can have small volume without having large curvature. They also give an example of a Riemannian metric which has constant scalar curvature but which is not Einstein, or even of parallel Ricci curvature. Hyperbolic space can be given a Lie group structure relative to which the metric is left-invariant. Any bi-invariant Riemannian metric on a Lie group has nonnegative sectional curvature, giving a variety of such metrics: a Lie group can be given a bi-invariant Riemannian metric if and only if it is the product of a compact Lie group with an abelian Lie group.

 Homogeneous spaces

A Riemannian manifold (M, g) is said to be homogeneous if for every pair of points x and y in M, there is some isometry f of the Riemannian manifold sending x to y. This can be rephrased in the language of group actions as the requirement that the natural action of the isometry group is transitive. Every homogeneous Riemannian manifold is geodesically complete and has constant scalar curvature.

Up to isometry, all homogeneous Riemannian manifolds arise by the following construction. Given a Lie group G with compact subgroup K which does not contain any nontrivial normal subgroup of G, fix any complemented subspace W of the Lie algebra of K within the Lie algebra of G. If this subspace is invariant under the linear map ad_G(k): W → W for any element k of K, then G-invariant Riemannian metrics on the coset space G/K are in one-to-one correspondence with those inner products on W which are invariant under ad_G(k): W → W for every element k of K. Each such Riemannian metric is homogeneous, with G naturally viewed as a subgroup of the full isometry group.

The above example of Lie groups with left-invariant Riemannian metrics arises as a very special case of this construction, namely when K is the trivial subgroup containing only the identity element. The calculations of the Levi-Civita connection and the curvature referenced there can be generalized to this context, where now the computations are formulated in terms of the inner product on W, the Lie algebra of G, and the direct sum decomposition of the Lie algebra of G into the Lie algebra of K and W. This reduces the study of the curvature of homogeneous Riemannian manifolds largely to algebraic problems. This reduction, together with the flexibility of the above construction, makes the class of homogeneous Riemannian manifolds very useful for constructing examples.

 Symmetric spaces

المقالة الرئيسية: Symmetric space

A connected Riemannian manifold (M, g) is said to be symmetric if for every point p of M there exists some isometry of the manifold with p as a fixed point and for which the negation of the differential at p is the identity map. Every Riemannian symmetric space is homogeneous, and consequently is geodesically complete and has constant scalar curvature. However, Riemannian symmetric spaces also have a much stronger curvature property not possessed by most homogeneous Riemannian manifolds, namely that the Riemann curvature tensor and Ricci curvature are parallel. Riemannian manifolds with this curvature property, which could loosely be phrased as "constant Riemann curvature tensor" (not to be confused with constant curvature), are said to be locally symmetric. This property nearly characterizes symmetric spaces; Élie Cartan proved in the 1920s that a locally symmetric Riemannian manifold which is geodesically complete and simply-connected must in fact be symmetric.

Many of the fundamental examples of Riemannian manifolds are symmetric. The most basic include the sphere and real projective spaces with their standard metrics, along with hyperbolic space. The complex projective space, quaternionic projective space, and Cayley plane are analogues of the real projective space which are also symmetric, as are complex hyperbolic space, quaternionic hyperbolic space, and Cayley hyperbolic space, which are instead analogues of hyperbolic space. Grassmannian manifolds also carry natural Riemannian metrics making them into symmetric spaces. Among the Lie groups with left-invariant Riemannian metrics, those which are bi-invariant are symmetric.

Based on their algebraic formulation as special kinds of homogeneous spaces, Cartan achieved an explicit classification of symmetric spaces which are irreducible, referring to those which cannot be locally decomposed as product spaces. Every such space is an example of an Einstein manifold; among them only the one-dimensional manifolds have zero scalar curvature. These spaces are important from the perspective of Riemannian holonomy. As found in the 1950s by Marcel Berger, any Riemannian manifold which is simply connected and irreducible is either a symmetric space or has Riemannian holonomy belonging to a list of only seven possibilities. Six of the seven exceptions to symmetric spaces in Berger's classification fall into the fields of Kähler geometry, quaternion-Kähler geometry, G₂ geometry, and Spin(7) geometry, each of which study Riemannian manifolds equipped with certain extra structures and symmetries. The seventh exception is the study of 'generic' Riemannian manifolds with no particular symmetry, as reflected by the maximal possible holonomy group.

 Infinite-dimensional manifolds

The statements and theorems above are for finite-dimensional manifolds—manifolds whose charts map to open subsets of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \R^n.} These can be extended, to a certain degree, to infinite-dimensional manifolds; that is, manifolds that are modeled after a topological vector space; for example, Fréchet, Banach, and Hilbert manifolds.

 Definitions

Riemannian metrics are defined in a way similar to the finite-dimensional case. However, there is a distinction between two types of Riemannian metrics:

• A weak Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} is a smooth function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g : TM \times TM \to \R,} such that for any خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x \in M} the restriction خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g_x : T_xM \times T_xM \to \R} is an inner product on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T_xM.}
• A strong Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} is a weak Riemannian metric such that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g_x} induces the topology on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T_xM} . If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} is a strong Riemannian metric, then خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} must be a Hilbert manifold.

 Examples

• If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (H, \langle \,\cdot, \cdot\, \rangle)} is a Hilbert space, then for any خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x \in H,} one can identify خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H} with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T_xH.} The metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g_x(u,v) = \langle u, v \rangle} for all خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x, u, v \in H} is a strong Riemannian metric.
• Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M, g)} be a compact Riemannian manifold and denote by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \operatorname{Diff}(M)} its diffeomorphism group. The latter is a smooth manifold (see here) and in fact, a Lie group. Its tangent bundle at the identity is the set of smooth vector fields on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M.} Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mu} be a volume form on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M.} The خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L^2} weak Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \operatorname{Diff}(M)} , denoted خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle G} , is defined as follows. Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f\in \operatorname{Diff}(M),} خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u, v \in T_f\operatorname{Diff}(M).} Then for خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x \in M, u(x) \in T_{f(x)}M} ,

  خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle G_f(u,v) = \int _M g_{f(x)} (u(x),v(x)) \, d\mu (x)} .

 Metric space structure

Length of curves and the Riemannian distance function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g : M \times M \to [0,\infty)} are defined in a way similar to the finite-dimensional case. The distance function خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g} , called the geodesic distance, is always a pseudometric (a metric that does not separate points), but it may not be a metric. In the finite-dimensional case, the proof that the Riemannian distance function separates points uses the existence of a pre-compact open set around any point. In the infinite case, open sets are no longer pre-compact, so the proof fails.

• If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} is a strong Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M} , then خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g} separates points (hence is a metric) and induces the original topology.
• If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} is a weak Riemannian metric, خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g} may fail to separate points. In fact, it may even be identically 0. For example, if خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M, g)} is a compact Riemannian manifold, then the خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L^2} weak Riemannian metric on خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \operatorname{Diff}(M)} induces vanishing geodesic distance.

 Hopf–Rinow theorem

In the case of strong Riemannian metrics, one part of the finite-dimensional Hopf–Rinow still holds.

Theorem: Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (M, g)} be a strong Riemannian manifold. Then metric completeness (in the metric خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d_g} ) implies geodesic completeness.

However, a geodesically complete strong Riemannian manifold might not be metrically complete and it might have closed and bounded subsets that are not compact. Further, a strong Riemannian manifold for which all closed and bounded subsets are compact might not be geodesically complete.

If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} is a weak Riemannian metric, then no notion of completeness implies the other in general.

 See also

• Smooth manifold
• Riemannian geometry
• Finsler manifold
• Sub-Riemannian manifold
• Pseudo-Riemannian manifold
• Metric tensor
• Hermitian manifold
• Symplectic manifold
• Kahler manifold
• Einstein manifold

 References

 Sources

• Besse, Arthur L. (1987). Einstein manifolds. Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete (3). Vol. 10. Berlin: Springer-Verlag. doi:10.1007/978-3-540-74311-8. ISBN 3-540-15279-2. MR 0867684. Zbl 0613.53001.
• Cheeger, Jeff; Ebin, David G. (2008). Comparison theorems in Riemannian geometry (Revised reprint of the 1975 original ed.). Providence, RI: AMS Chelsea Publishing. doi:10.1090/chel/365. ISBN 978-0-8218-4417-5. MR 2394158. Zbl 1142.53003.
• do Carmo, Manfredo Perdigão (1992). Riemannian geometry. Mathematics: Theory & Applications (Translated from the second Portuguese edition of 1979 original ed.). Boston, MA: Birkhäuser Boston. ISBN 978-0-8176-3490-2. MR 1138207. Zbl 0752.53001.
• Gromov, Misha (1999). Metric structures for Riemannian and non-Riemannian spaces. Progress in Mathematics. Vol. 152. Translated by Bates, Sean Michael. With appendices by M. Katz, P. Pansu, and S. Semmes. (Based on the 1981 French original ed.). Boston, MA: Birkhäuser Boston, Inc. doi:10.1007/978-0-8176-4583-0. ISBN 0-8176-3898-9. MR 1699320. Zbl 0953.53002.
• Kobayashi, Shoshichi; Nomizu, Katsumi (1963). Foundations of differential geometry. Volume I. New York–London: John Wiley & Sons, Inc. MR 0152974. Zbl 0119.37502.
• Lee, John M. (2018). Introduction to Riemannian Manifolds. Springer-Verlag. ISBN 978-3-319-91754-2.
• Petersen, Peter (2016). Riemannian geometry. Graduate Texts in Mathematics. Vol. 171 (Third edition of 1998 original ed.). Springer, Cham. doi:10.1007/978-3-319-26654-1. ISBN 978-3-319-26652-7. MR 3469435. Zbl 1417.53001.
• Wolf, Joseph A. (2011). Spaces of constant curvature (Sixth edition of 1967 original ed.). Providence, RI: AMS Chelsea Publishing. doi:10.1090/chel/372. ISBN 978-0-8218-5282-8. MR 2742530. Zbl 1216.53003.
• Burtscher, Annegret (2015). "Length structures on manifolds with continuous Riemannian metrics". New York Journal of Mathematics. 21: 273–296. ISSN 1076-9803.
• Magnani, Valentino; Tiberio, Daniele (2020). "A remark on vanishing geodesic distances in infinite dimensions". Proc. Amer. Math. Soc. 148 (1): 3653–3656. arXiv:1910.06430. doi:10.1090/proc/14986. S2CID 204578276.
• Michor, Peter W.; Mumford, David (2005). "Vanishing geodesic distance on spaces of submanifolds and diffeomorphisms". Documenta Mathematica. 10: 217–245. arXiv:math/0409303. doi:10.4171/dm/187. S2CID 69260.
• Milnor, John (1976). "Curvatures of left invariant metrics on Lie groups". Advances in Mathematics. 21 (3): 293–329. doi:10.1016/S0001-8708(76)80002-3. MR 0425012. Zbl 0341.53030.

 External links

• L.A. Sidorov (2001), "Riemannian metric", in Hazewinkel, Michiel, Encyclopaedia of Mathematics, Kluwer Academic Publishers, ISBN 978-1556080104