Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта

Доведено, що нормальні кривини гіперсфер, кривини Рунда і Фінслера кола геометрії Гільберта прямують до 1, коли радіус прямує до нескінченності. We prove that the normal curvatures of hyperspheres, Rund curvature, and Finsler curvature of a circle in the Hilbert geometry tend to 1, as radii tend to...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Доповіді НАН України
Date:2011
Main Authors: Борисенко, А.А., Олин, Е.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2011
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37365
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта / А.А. Борисенко, Е.А. Олин // Доп. НАН України. — 2011. — № 4. — С. 15-19. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859718807959896064
author Борисенко, А.А.
Олин, Е.А.
author_facet Борисенко, А.А.
Олин, Е.А.
citation_txt Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта / А.А. Борисенко, Е.А. Олин // Доп. НАН України. — 2011. — № 4. — С. 15-19. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Доповіді НАН України
description Доведено, що нормальні кривини гіперсфер, кривини Рунда і Фінслера кола геометрії Гільберта прямують до 1, коли радіус прямує до нескінченності. We prove that the normal curvatures of hyperspheres, Rund curvature, and Finsler curvature of a circle in the Hilbert geometry tend to 1, as radii tend to infinity.
first_indexed 2025-12-01T09:00:37Z
format Article
fulltext УДК 514.774.4 © 2011 Член-корреспондент НАН Украины А.А. Борисенко, Е.А. Олин Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта Доведено, що нормальнi кривини гiперсфер, кривини Рунда i Фiнслера кола геометрiї Гiльберта прямують до 1, коли радiус прямує до нескiнченностi. Связное гладкое многообразие Mn называется финслеровым [1], если задана гладкая поло- жительно однородная по координатам в касательных пространствах функция F : TMn → → [0,∞) такая, что билинейная симметричная форма gy(u, v) = gij(x, y)u ivj : TxM n × × TxM n → R положительно определена для любой пары (x, y) ∈ TMn, где gij(x, y) = = (1/2) · [F 2(x, y)]yiyj . Геометрии Гильберта являются обобщением модели Кели–Клейна пространства Лоба- чевского. В ней эллипсоид, играющий роль абсолюта, заменяется произвольной выпуклой гиперповерхностью. Геометрии Гильберта являются также финслеровыми пространствами постоянной отрицательной флаговой кривизны [1]. Пусть U — это ограниченное открытое выпуклое множество с границей класса C∞ с по- ложительными нормальными кривизнами в R n с евклидовой нормой ‖ · ‖. Для точки x ∈ U и касательного вектора y ∈ TxU = R n пусть x− и x+ — это точки пересечения соответст- венно лучей x + R−y и x + R+y с абсолютом ∂U . Тогда метрика Гильберта определяется таким образом: F (x, y) = 1 2 (Θ(x, y) + Θ(x,−y)), (1) где Θ(x, y) = ‖y‖ · (1/‖x − x−‖) называется метрикой Функа на U . Метрика Гильберта инвариантна относительно проективных преобразований, оставляю- щих U ограниченным множеством, а геодезическими являются афинные отрезки. В работе [2] доказано, что единичная сфера касательного пространства метрики Гиль- берта стремится в C0 топологии к эллипсоиду, когда точка стремится к абсолюту, т. е. мет- рика Гильберта “стремится” к римановой метрике пространства Лобачевского. В отличие от римановой геометрии, в финслеровом пространстве кривизну кривой мож- но определить несколькими способами. Нормальная кривизна гиперповерхности в финслеровом пространстве определяется сле- дующим образом [1]. Пусть ϕ : N → Mn — гиперповерхность в финслеровом многообра- зии Mn. Вектор n ∈ Tϕ(x)M n называется вектором нормали к N в точке x ∈ N , если gn(y,n) = 0 для всех y ∈ TxN . Тогда нормальная кривизна kn в точке x ∈ N в направлении y ∈ TxN определяется как kn = gn(∇ċ(s)ċ(s)|s=0,n), (2) где ċ(0) = y, и c(s) является геодезической в индуцированной связности в N , n — выбранная единичная нормаль. Для кривой c(s), параметризированной натуральным параметром в финслеровом мно- гообразии Mn, возможно определить еще две кривизны. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №4 15 Кривизна Финслера кривой [3, 4] определяется таким образом: kF (c(s)) = √ gċ(s)(∇ċ(s)ċ(s),∇ċ(s)ċ(s)). (3) Кривизна Рунда кривой c(s) [3] равна kR(c(s)) = √ g∇ċ(s)ċ(s)(∇ċ(s)ċ(s),∇ċ(s)ċ(s)). (4) Известно, что нормальные кривизны гиперсфер в пространстве Лобачевского H n рав- ны coth(r) и стремятся к 1, при стремлении к бесконечности радиуса r. Мы доказываем такое же свойство геометрий Гильберта. Теорема 1. Рассмотрим 2-мерную геометрию Гильберта, построенную на множестве U ∈ R 2, ограниченном открытом выпуклом множестве с границей класса C∞ с положи- тельной кривизной. Рассмотрим точку o внутри множества U . Обозначим через ρr(u) радиальную функцию гиперсферы геометрии Гильберта радиуса r. Пусть kR(ϕ, r) — кри- визна Рунда, kF (ϕ, r) — кривизна Финслера окружности радиуса r с центром в точке o, вычисленные в точке окружности ρr(u)u, соответствующей направлению u=(cosϕ, sinϕ) из o. Тогда lim r→∞ kR(ϕ, r) = lim r→∞ kF (ϕ, r) = 1 равномерно по ϕ. Теорема 2. Рассмотрим n-мерную геометрию Гильберта, построенную на множест- ве U ∈ R n, ограниченном открытом выпуклом множестве с границей класса C∞ с по- ложительными нормальными кривизнами. Рассмотрим точку o внутри множества U . Обозначим через ρr(u) радиальную функцию гиперсферы геометрии Гильберта радиуса r. Зафиксируем ненулевой вектор y. Пусть kn(u, r, y) — нормальная кривизна в направлении касательного вектора w ∈ span{u, y} гиперсферы радиуса r с центром в точке o, вычислен- ная в точке гиперсферы ρr(u)u, соответствующей единичному направлению u из o. Тогда lim r→∞ kn(u, r, y) = 1 равномерно по u и y. Рассмотрим вначале двумерную геометрию Гильберта. Рассмотрим точку o внутри области U . Пусть ω(ϕ) — полярное задание абсолюта из точки o. Зафиксируем единичный вектор u, в котором будем вычислять кривизну окруж- ностей. Перепараметризуем ω(ϕ) так, чтобы ϕ = 0 соответствовал направлению u. Можно выполнить такое проективное преобразование, чтобы направление u стало пер- пендикулярно касательной к абсолюту в точке ω(0), касательная в точке ω(π) параллельна касательной в точке ω(0), и ∂U можно представить в виде графика функции x2 = f(x1) такой, что f(0) = 0, f ′(0) = 0, f ′′(0) = 1/2 в окрестности точки ω(0). С помощью оценки на угол между радиальным и нормальным направлением выпук- лой гиперповерхности, полученной А.А. Борисенко в работе [5], доказано, что при таком проективном преобразовании кривизна ∂U и все производные f остаются равномерно огра- ниченными. В работе [6] получено, что полярное задание гиперсферы радиуса r имеет вид ρr(u) = ω(−u)ω(u)(e2r − 1) ω(u) + ω(−u)e2r (5) 16 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №4 и, при r → ∞ ω(u)− ρr(u) = ω(u) ( ω(u) ω(−u) + 1 ) e−2r + o(e−2r). (6) Из формулы (5) получаем, что окружность радиуса r имеет параметризацию c(ϕ) = ( ω(π − ϕ)ω(ϕ)(e2r − 1) ω(ϕ) + ω(π − ϕ)e2r sinϕ, ω(π − ϕ)ω(ϕ)(e2r − 1) ω(ϕ) + ω(π − ϕ)e2r cosϕ ) , где ω(ϕ) — полярное задание абсолюта. С учетом предположений относительно U верно ω′(0) = 0, ω(0) = 1, ω′′(0) = 1/2, ω′(π) = = 0. Обозначим C = (1 + ω(π))/ω(π). Тогда c′(0) = ω(π)(e2r − 1) 1 + ω(π)e2r (1, 0) = (1− Ce−2r +O(e−3r), 0), r → ∞. (7) И вторая производная c′′(0) = (e2rω(π)2(ω′′(0)− 1)− ω(π) + ω′′(π))(e2r − 1) (1 + e2rω(π))2 (0, 1), c′′(0) = ( 0,−1 2 +O(e−2r) ) , r → ∞. (8) Далее из (6) следует, что в точке данной окружности x2 = ω(0) − ω(π)ω(0)(e2r − 1) ω(0) + ω(π)e2r = Ce−2r +O(e−3r). (9) Ковариантная производная Черна–Рунда вдоль пути c(t) в финслеровом пространстве с метрикой Гильберта F вычисляетcя по формуле [1] ∇c′(t)c ′(t) = {c′′(t)i + (Θ(c(t), c′(t))−Θ(c(t), c′(t))c′(t)i} ∂ ∂xi . (10) Если перейти к натуральной параметризации, то верна следующая формула: ∇ċ(s)ċ(s) = c′′(t) + c′(t) ( Θ(c(t), c′(t))−Θ(c(t),−c′(t))− gc′(t)(∇c′(t)c ′(t), c′(t)) F(c(t), c′(t))2 ) F(c(t), c′(t))2 . (11) Теперь нужно получить асимптотические разложения для метрических коэффициентов gij(x, y) геометрии Гильберта, когда точка x близка к абсолюту. В выражение для метрических коэффициентов gij(x, y) входят производные метричес- кой функции F по координатам в касательном пространстве. Используя лемму Окада, мож- но записать выражение для метрических коэффициентов метрики Гильберта через прои- зводные метрики Функа по координатам на U : gij(x, y) = 1 2 F(x, y) Θxixj (x, y)Θ(x, y)− 2Θxi (x, y)Θxj (x, y) Θ(x, y)3 + + 1 2 F(x, y) Θxixj (x,−y)Θ(x,−y)− 2Θxi (x,−y)Θxj (x,−y) Θ(x,−y)3 + + 1 4 ( Θxi(x, y) Θ(x, y) − Θxi(x,−y) Θ(x,−y) )( Θxj(x, y) Θ(x, y) − Θxj(x,−y) Θ(x,−y) ) . (12) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №4 17 Для удобства мы будем использовать нижние индексы для координат xi. Пусть теперь F(x1, x2, y1, y2) — это некоторая двумерная метрика Гильберта. Получены такие оценки: F(0, x2, 1, 0) = 1 2 √ x2 + 2f ′′′(0)2 9 √ x2 +O(x 3/2 2 ), (13) F ( 0, x2, l, 1 2 ) = 1 4x2 + 1 2L +O(x2). (14) Здесь L > 0 — длина хорды U в направлении (l,−1/2). Θ(0, x2, 1, 0) −Θ(0, x2,−1, 0) = 2 3 f ′′′(0) +O(x2), (15) g11(0, x2, 1, 0) = 1 4x2 +O(1), g12(0, x2, 1, 0) = f ′′′(0) 6x2 +O(1), g22(0, x2, 1, 0) = 1 4x22 + 2f ′′′(0)2 + 9f (4)(0) 18x2 +O(1), (16) g12(0, x2, 0, 1) = 0, g22(0, x2, 0, 1) = 1 4x22 +O ( 1 x2 ) . (17) Оценим вектор ∇ċ(0)ċ(0) по формуле (11). Из формул (9), (10), (13), (15), (16) следует ∇ċ(0)ċ(0) = ( f ′′′(0),−1 2 ) + (1, 1)O(e−2r) F(c(0), c′(0))2 . (18) С учетом значения (13) ∇ċ(0)ċ(0) = (4f ′′′(0),−2)e−2r + (1, 1)O(e−3r). Используя формулы (9), (18), вычислим кривизну Рунда (4): kR(r) 2 = F(c(0),∇ċ(0) ċ(0)) = F ( 0, Ce−2r +O(e−3r),−f ′′′(0) +O(e−2r), 1 2 +O(e−2r) ) F(0, Ce−2r +O(e−3r), 1 −Ce−2r +O(e−3r), 0)2 . Подставив значения из (13), (14), получим kR(r) 2 = 1 + C ( 2 L − 8f ′′′(0)2 9 ) e−2r +O(e−3r). (19) Здесь L > 0 — длина хорды U в направлении (f ′′′(0),−1/2). Теперь кривизна Финслера (3). Применив формулы (9), (18), получим kF (r) 2 = gċ(0)(∇ċ(0)ċ(0),∇ċ(0)ċ(0)) = f ′′′(0)2g11 − f ′′′(0)g12 + 1 4 g22 F(0, Ce−2r +O(e−3r), 1− Ce−2r +O(e−3r), 0)4 , 18 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №4 где коэффициенты gij вычисляются в точке (0, Ce−2r+O(e−3r), 1+O(e−2r), 0). Окончатель- но, из (13), (16) вытекает, что kF (r) 2 = 1 + C ( −8 9 f ′′′(0)2 + 4f (4)(0) ) e−2r +O(e−3r). (20) Заметим, что нормальная кривизна гиперповерхности не зависит от кривой на гиперпо- верхности [1]. Таким образом, мы можем взять нормальное сечение гиперсферы геометрии Гильберта, и нормальная кривизна этого сечения совпадает с нормальной кривизной ги- персферы в направлении сечения. Так как нормальное направление гиперсферы совпадает с радиальным, то в нормальном сечении гиперсферы получается двумерная окружность. Вычислим нормальную кривизну окружности радиуса r геометрии Гильберта. Из (11) сле- дует, что kn(r) = gn(∇ċ(0)ċ(0),n) = gn(c ′′(0),n) F(c(0), c′(0))2 . (21) Заметим, что в силу того, что g12(0, x2, 0, 1) = 0 (формулы (17)), единичный вектор нормали n окружности в точке (0, x2) имеет координаты 1 F(0, x2, 0, 1) (0,−1). Итого, подставляя (13), (9), (8), (17) в формулу для нормальной кривизны, имеем kn(r) = 1 2 g22(0, Ce−2r +O(e−3r), 0, 1) F(0, Ce−2r+O(e−3r), 1− Ce−2r+O(e−3r), 0)2F(0, Ce−2r+O(e−3r), 0, 1) = = 1 + C ( 1 H − 8f ′′′(0)2 9 ) e−2r +O(e−3r). (22) Таким образом, теоремы 1 и 2 доказаны полностью. Тем самым получено, что геометрия Гильберта “стремится” к римановой метрике пространства Лобачевского уже в C2-тополо- гии. 1. Shen Z. Lectures on Finsler geometry. – Singapore: World Scientific, 2001. – 306 p. 2. Colbois B., Verovic P. Rigidity of Hilbert metrics // Bull. Austral. Math. Soc. – 2002. – No 65. – P. 23–34. 3. Рунд Х. Дифференциальная геометрия финслеровых пространств: Пер. с англ. – Москва: Наука, 1981. – 504 с. 4. Finsler P. Über Kurven und Flächen in allgemeinen Räumen. – Basel: Birkhäuser, 1951. – 251 p. 5. Borisenko A.A., Gallego E., Reventos A. Relation between area and volume for convex sets in Hadamard manifolds // Different. Geom. and Its Appl. – 2001. – 14. – P. 267–280. 6. Borisenko A.A., Olin E.A. Asymptotic properties of Hilbert geometry // Журн. мат. физики, анализа, геометрии. – 2008. – 4, No 3. – С. 327–345. Поступило в редакцию 17.06.2011Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина Corresponding Member of the NAS of Ukraine A.A. Borisenko, E.A. Olin Curvatures of hyperspheres in the Hilbert geometry We prove that the normal curvatures of hyperspheres, Rund curvature, and Finsler curvature of a circle in the Hilbert geometry tend to 1, as radii tend to infinity. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №4 19
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-37365
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-01T09:00:37Z
publishDate 2011
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Борисенко, А.А.
Олин, Е.А.
2012-10-09T16:20:15Z
2012-10-09T16:20:15Z
2011
Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта / А.А. Борисенко, Е.А. Олин // Доп. НАН України. — 2011. — № 4. — С. 15-19. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37365
514.774.4
Доведено, що нормальні кривини гіперсфер, кривини Рунда і Фінслера кола геометрії Гільберта прямують до 1, коли радіус прямує до нескінченності.
We prove that the normal curvatures of hyperspheres, Rund curvature, and Finsler curvature of a circle in the Hilbert geometry tend to 1, as radii tend to infinity.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Математика
Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта
Curvatures of hyperspheres in the Hilbert geometry
Article
published earlier
spellingShingle Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта
Борисенко, А.А.
Олин, Е.А.
Математика
title Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта
title_alt Curvatures of hyperspheres in the Hilbert geometry
title_full Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта
title_fullStr Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта
title_full_unstemmed Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта
title_short Кривизны гиперсфер геометрии Гильберта
title_sort кривизны гиперсфер геометрии гильберта
topic Математика
topic_facet Математика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37365
work_keys_str_mv AT borisenkoaa kriviznygipersfergeometriigilʹberta
AT olinea kriviznygipersfergeometriigilʹberta
AT borisenkoaa curvaturesofhyperspheresinthehilbertgeometry
AT olinea curvaturesofhyperspheresinthehilbertgeometry