韋恩斯坦定理
/ WINE-stine /
在正曲率空間上,一個剛體運動(等距)不能太自由地遊蕩:若它保持定向且維數恰當,它便被迫至少讓一點恰好留在原處。韋恩斯坦定理正是這個不動點保證。它是辛格定理的相伴結果,誕生於同一套能量第二變分機制,並顯示正曲率不僅約束流形的形狀,還約束流形所能承載的每個對稱之行為。
確切地說:設 M 是緊、可定向、具正截面曲率 K > 0 的黎曼流形,f : M -> M 為等距。若 M 偶維且 f 保定向,則 f 有不動點;若 M 奇維且 f 反定向,則 f 有不動點。其證明是驅動辛格的同一塊瑰寶。設 f 無不動點;則位移函數 p -> d(p, f(p)) 在某點 q 達到正的最小值,而從 q 到 f(q) 的測地線 gamma 是最短連線。沿 gamma 的平行移動與 f 的微分複合後是切空間的一個等距,其定向行為(在偶維+保定向或奇維+反定向情形)迫使存在一個固定的單位向量;gamma 沿該方向的能量第二變分因 K > 0 而嚴格為負,從而在附近產生嚴格更短的位移、與最小性矛盾。故不動點必存在。
韋恩斯坦定理乾淨地說明了曲率如何掌控動力學與對稱,歷史上它與辛格定理並列,構成「正曲率是剛性的」這套組合的另一半。誠實的注意。其一,每個假設都精確,且奇偶配對不可或缺——奇維正曲率流形上保定向的等距未必有不動點(標準球面 S^3 上無不動點的旋轉是保定向的),同樣偶維反定向情形也可能無不動點(S^2 上的對徑映射反定向且無不動點)。其二,需要 K > 0(截面);較弱的曲率界並不足夠。其三,它是緊流形的陳述——在非緊空間上位移的最小值可能達不到,論證便崩潰。
標準二維球面 S^2(偶維、K > 0)上任何保定向的等距都必固定一點——球面繞軸的旋轉固定兩極,正如所預測。奇偶之精確性由 S^2 上的對徑映射 x -> -x 顯示:它確是正曲率偶維流形的等距,但它反定向(偶維時對徑映射反定向),故落在偶維+保定向假設之外——它確實無不動點。在 S^3(奇維)上,一個無不動點的保定向旋轉同樣逃出定理、無不動點。
偶維+保定向+K>0 迫使不動點;對徑映射(反定向)逃出且無不動點。
奇偶與定向的配對不可互換:偶維需要「保」定向、奇維需要「反」定向。對調便不成立,球面的無不動點旋轉即為證。