黎曼流形*（Riemannian Manifold）是微分几何中的一个核心概念，指一个配备了黎曼度量（Riemannian Metric）的微分流形。它允许在流形上定义长度、角度、曲率等几何性质，是现代几何学、物理学（如广义相对论）和机器学习的基础工具之一。
核心定义
-
微分流形（Manifold）
一个局部类似于欧几里得空间（如 (\mathbb{R}^n)）的拓扑空间，例如球面、环面或更复杂的曲面。 -
黎曼度量（Riemannian Metric）
在流形的每一点 (p) 的切空间 (T_p M) 上，定义一个正定对称双线性形式 (g_p)，即对任意切向量 (X, Y \in T_p M)，满足：- 对称性：(g_p(X, Y) = g_p(Y, X))
- 正定性：(g_p(X, X) \geq 0)，且等号仅在 (X=0) 时成立。
这个度量允许计算切向量的长度、两向量的夹角以及曲线的弧长。
关键性质
-
曲线长度
流形上一条曲线 (\gamma(t)) 的弧长为： [ L = \int_a^b \sqrt{g_{\gamma(t)}(\dot{\gamma}(t), \dot{\gamma}(t))} , dt ] 其中 (\dot{\gamma}(t)) 是曲线的切向量。 -
曲率
黎曼流形的曲率（如截面曲率、里奇曲率）由度量张量 (g) 的导数决定，描述了流形的“弯曲程度”。 -
测地线
流形上局部最短路径称为测地线（类似欧氏空间中的直线），由度量 (g) 决定的微分方程描述。
经典例子
-
欧氏空间 (\mathbb{R}^n)
配备标准内积 (g_{ij} = \delta_{ij})（即单位矩阵），此时长度、角度与经典几何一致。 -
球面 (S^2)
作为二维黎曼流形，其度量由三维欧氏空间中的诱导度量给出，曲率为正。 -
双曲平面 (\mathbb{H}^2)
负曲率流形的代表，常用于非欧几何和相对论模型。
物理与科学中的应用
-
广义相对论
时空被建模为四维伪黎曼流形（洛伦兹流形），其度量张量满足爱因斯坦场方程。 -
机器学习
- 流形学习（Manifold Learning）：通过黎曼几何降维（如Isomap、拉普拉斯特征映射）。
- 优化算法：在非欧空间（如对称正定矩阵流形）设计梯度下降。
-
计算机视觉
处理3D形状、动作识别时，利用黎曼流形表示姿态或形变。
与伪黎曼流形的区别
- 黎曼流形：度量正定（所有方向长度为正），适用于空间几何。
- 伪黎曼流形：度量非正定（如时空中的洛伦兹度量 ((-,+,+,+))），用于相对论。
数学意义
黎曼流形将微积分推广到弯曲空间，统一了局部线性性质与全局拓扑结构，是研究几何、拓扑与物理的核心框架。例如：
- 高斯-博内定理：连接曲率与欧拉示性数。
- 爱因斯坦方程：物质分布决定时空曲率。
总结：黎曼流形是“弯曲空间”的严格数学描述，通过度量张量赋予其几何结构，为物理学、几何分析和数据科学提供了普适的语言。