共軛點
站在北極,朝各個方向射出測地線。它們起初全都散開——但在球面上它們全都重新聚焦,在南極再度相會。這個相會之處,即一點出發的無窮多條測地線重新會合之處,就是起點的共軛點。它是彎曲空間「追上」散開射線並把它們拉回的時刻,也精確標示出測地線在何處不再是最短路線。
確切地說:給定從 p = gamma(0) 出發的測地線 gamma,若存在非平凡的雅可比場 J 滿足 J(0) = 0 與 J(t*) = 0,則點 q = gamma(t*)(t* > 0)沿 gamma 與 p 共軛。由變分圖像,這意味著存在一族離開 p 的單參數測地線,在一階近似下全都回到 q——p 出發的鄰近測地線在該處聚焦。等價地,指數映射的微分 d(exp_p) 在向量 t* gamma'(0) 處奇異:exp_p 在該處不是局部微分同胚,故 p 出發的測地「射線」在此堆積。獨立的歸零雅可比場個數即為重數(二維球面的對徑點為 1,標準 S^n 為 n-1)。
共軛點是最短性的局部障礙。關鍵定理:測地線 gamma 越過它的第一個共軛點後便不再極小化長度——嚴格越過 t* 後,你總能找到一條更短的鄰近曲線。這是雅可比判據,藉由能量的第二變分證明:在第一個共軛點之前指標形式正定(測地線是能量的嚴格局部極小);在第一個共軛點處變為退化;之後出現負方向。莫爾斯指標定理藉由計數共軛點把這件事量化。誠實的注意:越過共軛點不再最短是單向陳述——測地線也可能更早就停止最短,即在截軌跡處、在抵達任何共軛點之前,當另一條從 p 出發的測地線在長度上與它打平時。
在半徑為 1 的標準球面 S^n 上,南極沿每條子午線與北極共軛,距離為 pi,重數為 n-1(所有雅可比場 |J| = sin t 在該處同時歸零)。在平坦的 R^n 上根本沒有共軛點——雅可比方程為 J'' = 0,故在 0 處歸零的場線性增長、永不回到零——這是「R^n 中直線永遠最短」這一事實的解析投影。在雙曲空間(K = -1)上,|J| = sinh t 同樣永不返回:負曲率徹底消除了共軛點。
正曲率產生共軛點(球面:在距離 pi 處);零曲率與負曲率則沒有共軛點。
勿將共軛點與截點混淆。測地線在截點處停止最短,截點出現在第一個共軛點之處或之前——絕不在其後。越過共軛點後它必然不再最短,但它可能更早就已失去最短性。