雙曲度量(hyperbolic metric)
度量不過是測量長度與距離的一套規則。雙曲度量是一套不同於普通歐氏的規則——在這套規則下,單位圓盤成為一整個非歐世界,即雙曲平面。在此度量下,你越靠近圓盤的邊緣,每一步就越「昂貴」:一條在邊界附近看似很短的路徑,以雙曲眼光看其實長得驚人,而邊界圓本身位於無窮遠處。拿這把尺住在圓盤裡,感覺就像住在一個無限的平面上,只不過它恰好被畫成朝一個有限的邊緣縮小。
具體地說,雙曲度量把點 z 處一個歐氏長度為 |dz| 的微小一步,賦予雙曲長度 2 |dz| / (1 - |z|^2)。密度因子 1/(1 - |z|^2) 在中心為 1,並在 |z| -> 1 時無界地增大,這正是它在邊緣附近拉伸距離的原因。要求一條曲線的雙曲長度,就沿著它對這密度積分;兩點間的雙曲距離則是所有連接曲線中長度的最小值。此度量具有常負曲率(連同因子 2 為曲率 -1;約定不一),這是雙曲空間的幾何標記。關鍵在於,圓盤的共形自同構恰恰就是它的等距映射——它們完美保持雙曲長度——這正是圓盤為何是雙曲幾何的齊性(處處相同)模型。
雙曲度量是隱藏在施瓦茨-皮克引理內的幾何意義:該引理不過是說,圓盤的解析自映射永不增加雙曲距離。它是雙曲幾何、模群、負曲率黎曼曲面與大部分複動力系統的天然舞台。一個值得指出的提醒:圓盤與上半平面承載相同的雙曲幾何——它們透過凱萊變換等距——只是密度的公式看起來不同(在半平面上是 |dz|/y,用虛部 y)。而「雙曲距離」確實是一種距離(滿足三角不等式),但它不是你眼睛看到的歐氏距離;圖像會騙人,度量不會。
在中心附近兩把尺幾乎一致:在 z = 0 處密度為 1/(1 - 0) = 1,故那裡一個微小步驟的代價約等於它的歐氏長度(乘以因子 2)。但在 z = 0.99 處密度為 1/(1 - 0.9801) 約為 50——每一歐氏吋約算作 100 雙曲吋(連同因子 2)。朝邊緣走,代價趨於無窮,這正是為何你在有限雙曲距離內永遠無法真正抵達邊界。
密度 1/(1 - |z|^2):在中心溫和,在邊緣爆炸——邊界位於無窮遠處。
各家約定相差一個常數因子(有人寫 2|dz|/(1 - |z|^2),有人寫 |dz|/(1 - |z|^2)),這會把所有距離重新放縮,並把曲率在 -1 與 -4 之間移動。幾何完全相同;改變的只是測量單位。閱讀時務必確認來源所用的歸一化。