流形與黎曼幾何

截面曲率(sectional curvature)

高維的完整黎曼張量是個龐大的對象,分量眾多,難以一次想像。截面曲率是把它讀成人類尺度的辦法:選一個點,選一片通過該點的平直二維方向切片,問空間沿這片特定切片有多彎。答案是單一一個數——而它恰恰是由那兩個方向上的測地線掃出的小曲面的高斯曲率。

精確地說,在點 p 選切空間裡一個由兩個獨立切向量 u、v 張成的二維平面 P。截面曲率 K(P) 是由黎曼張量造出的一個特定比值:K(P) = g(R(u, v)v, u) 除以 (g(u, u) g(v, v) - g(u, v)^2),其中分母是 u、v 所張平行四邊形的面積平方,使答案與你選哪組 u、v 來張 P 無關。幾何上,K(P) 就是把測地線朝 P 中所有方向發射出去所形成的曲面,在 p 處的高斯曲率。知道每個點每個二維平面 P 的 K(P),就能還原整個黎曼張量,所以截面曲率是完整的資訊,只是逐平面重新包裝。

截面曲率是各種曲率觀念中最具幾何感的,因為每個值都是熟悉的高斯曲率。它的正負號意義鮮明:正截面曲率使鄰近測地線收斂(如球面上經線在兩極相會),零使它們保持平行(平直平面),負則使它們指數般地散開(雙曲空間)。許多定理依截面曲率的正負或夾擠來分類流形。一點提醒:在三維或更高維,同一點不同平面的截面曲率可能變化劇烈,所以單一的「空間曲率」鮮少存在——你必須說清楚是哪個二維平面。

在半徑為 a 的球面上,每個點的每個二維平面都給出相同的截面曲率 K = 1/a^2——空間在所有方向上彎曲程度相同,這正是它是常曲率模型的原因。相對地,在鞍形曲面上,沿谷地方向與沿脊線方向的曲率正負相反,給出負的高斯曲率。

截面曲率是一個二維方向切片的高斯曲率;在球面上,每個切片都相同。

截面曲率附在一片二維方向平面上,而非單獨附在一點上。在二維以上,它通常逐平面不同,所以在你指明平面之前,「這裡的曲率」是模稜兩可的。

又称
K(P)the curvature of a 2-plane二維截面曲率