这与前面的结果相同,故,最终的弧长也和前面完全一样。
实际上,对于任何光滑流形 M 中的任何光滑曲线f: ℝ→M 的弧长s的计算,都可以 推导 出公式 :
所以,问题的关键是:
- 求空间 TM 中向量 df|ₓ(1) 的长度 ǁdf|ₓ(1)ǁ。
这样就将,流形中任意两点间的任意弧长的度量问题,转变为,对于切空间中切向量长度的度量问题。也即是说,我们只需要在切空间中定义切向量h的度量ǁhǁ,就可以通过 ⑴,在流形中诱导出弧长度量。而根据《矢量分析》的知识知道:
因此,最终的关键是,要给M的每个点x对应的切空间TMₓ 定义一个内积 <⋅, ⋅>,更具体地说,我们需要定义一个从M到全体内积的光滑映射g,对于每个 x∈M,有 g(x) = <⋅, ⋅>:TMₓ×TMₓ→ℝ,而由《高等代数》的知识知道,<⋅, ⋅> 是TMₓ 上的二重线性函数,并且必须满足:
- 对称性:<u, v> = <v, u>;
- 正定型:<u, u> ≥ 0 且 <u, u> = 0 ⇔ u=0;
这个映射g就是大名鼎鼎的黎曼度量(riemannian metric),定义了黎曼度量的光滑流形称为黎曼流形(riemannian manifold)。
图2:黎曼度量
我们知道线代空间加入内积就变成了内积空间,实际上所谓加入黎曼度量,就是以光滑的逐点方式,让流形上的每个切空间变成内积空间的过程。
内积可以很多,我们熟悉的的向量点乘: