Геодезическая линия

геодезиче-ская,- геометрическое понятие, обобщающее понятие прямой (или отрезка прямой) евклидовой геометрии на случай пространств более общего вида. Определения Г. л. в различных пространствах зависят от того, какая из структур (метрика, линейный элемент, линейная связность) лежит в основе геометрии рассматриваемого пространства. В геометрии тех пространств, где метрика считается заданной априори, Г. л. определяют как локально кратчайшие. В пространствах со связностью Г. л. определяют как кривые, у к-рых касательный вектор остается касательным при параллельном перенесении вдоль кривой. В римановой и финслеровой геометриях, где первоначально задается линейный элемент (иначе говоря,- метрика в касательном пространстве в каждой точке рассматриваемого многообразия), а длины кривых получаются последующим интегрированием, Г. л. определяют как экстремали функционала длины кривой. Впервые Г. л. изучались И. Бернулли (J. Bernoulli) и Л. Эйлером (L. Euler) при отыскании кратчайших на регулярных поверхностях в евклидовом пространстве. На таких линиях обращается в нуль геодезическая кривизна;главная нормаль этих кривых параллельна нормали к поверхности. При изгибаниях Г. л. сохраняются. Движение консервативной механич. системы с конечным числом степеней свободы описывается Г. л. в соответственно подобранном римановом пространстве. В римановых пространствах Г. л. изучены наиболее полно. Пусть Mn есть n-мерное риманово пространство с метрич. тензором [img: http://localhost:8080/file/010410-57.jpg] класса [img: http://localhost:8080/file/010410-58.jpg]. Определение Г. л. как экстремали позволяет написать ее дифференциальные уравнения в произвольных локальных координатах [img: http://localhost:8080/file/010410-60.jpg], [img: http://localhost:8080/file/010410-61.jpg] при любой параметризации [img: http://localhost:8080/file/010410-59.jpg]: [img: http://localhost:8080/file/010410-62.jpg] где [img: http://localhost:8080/file/010410-63.jpg] Другая эквивалентная форма уравнений Г. л. выводится из требования параллельности переноса вдоль [img: http://localhost:8080/file/010410-64.jpg] касательного вектора [img: http://localhost:8080/file/010410-65.jpg] Если t есть длина s дуги вдоль Г. л. или линейная функция от s, то [img: http://localhost:8080/file/010410-66.jpg] Определение Г. л. уравнением (1) включает и канонич. выбор параметра. При таком определении через каждую точку [img: http://localhost:8080/file/010410-67.jpg] проходит Г. л. [img: http://localhost:8080/file/010410-68.jpg] с начальным касательным вектором [img: http://localhost:8080/file/010410-69.jpg] Отображение [img: http://localhost:8080/file/010410-70.jpg] касательного пространства в точке [img: http://localhost:8080/file/010410-71.jpg] в изучаемое пространство есть экспоненциальное отображение с полюсом [img: http://localhost:8080/file/010410-72.jpg]. Вблизи начальной точки х 0 - диффеоморфизм, вводящий в изучаемом пространстве римановы координаты. Ряд свойств Г. л. сохраняется у кривых, определяемых уравнениями 2-го порядка [img: http://localhost:8080/file/010410-73.jpg] если, подобно (1), функция F - однородная 2-й степени по [img: http://localhost:8080/file/010410-74.jpg] Определение таких уравнений в терминах касательных расслоений приводит к понятиям пульверизации и их интегральных кривых. Частным случаем последних являются Г. л. (см. [2]). Поведение Г. л. в малом похоже на поведение прямых в евклидовом пространстве. Достаточно малая дуга Г. л. является кратчайшей среди всех спрямляемых кривых с теми же концами. Через любую точку в любом направлении проходит единственная Г. л. У каждой точки есть окрестность U, в к-рой любые две точки соединимы единственной Г. д., не выходящей из U(см. [3]). Вопрос о том, как далеко можно продолжить из точки х 0 дугу Г. л., чтобы она оставалась кратчайшей по сравнению с близкими к ней кривыми, составляет одну из задач вариационного исчисления. Сравнение Г. л. с близкими кривыми основано на изучении второй вариации длины, к-рая исследуется путем рассмотрения поля скоростей (Якоба поле).в точках Г. л. [img: http://localhost:8080/file/010410-75.jpg] при варьировании [img: http://localhost:8080/file/010410-76.jpg]. При любом фиксированном tкривая [img: http://localhost:8080/file/010410-77.jpg] остается геодезической, а параметр s на ней - каноническим. Если в начале кривой [img: http://localhost:8080/file/010410-78.jpg] скорость равна нулю, то те точки кривой [img: http://localhost:8080/file/010410-79.jpg], где эта скорость при каком-либо ненулевом поле Якоби оказывается нулем, наз. сопряженными точками. Г. л. остается кратчайшей по сравнению с близкими кривыми до первой сопряженной точки. Для дуги Г. л., продолженной за сопряженную точку, существует сколь угодно близкая более короткая кривая с теми же концами. Поле Якоби [img: http://localhost:8080/file/010410-80.jpg] удовлетворяет уравнению [img: http://localhost:8080/file/010410-81.jpg] где [img: http://localhost:8080/file/010410-82.jpg] - касательный вектор геодезической [img: http://localhost:8080/file/010410-83.jpg], а [img: http://localhost:8080/file/010410-84.jpg] - кривизны преобразование, или, в координатах Ферми [img: http://localhost:8080/file/010410-85.jpg] [img: http://localhost:8080/file/010410-86.jpg] где [img: http://localhost:8080/file/010410-87.jpg] - тензор кривизны. Связь поля Якоби с кривизной обусловливает зависимость свойств геодезических от кривизны пространства. Напр., в пространствах отрицательной кривизны сопряженных точек нет; если пространство еще и односвязно, то любая дуга Г. л.- кратчайшая, а выходящие из точки Г. л. экспоненциально расходятся. Эти свойства играют роль в теории динамич. систем (см. Геодезический поток). Монотонность влияния кривизны является предметом ряда так наз. теорем сравнения. В частности, расстояние до первой сопряженной точки и длины векторов поля Якоби на этом участке (нормированных требованием [img: http://localhost:8080/file/010410-88.jpg]) убывают с ростом кривизны пространства. Здесь подразумевается сравнение двух Г. л., в соответствующих по длине точках к-рых все кривизны второго пространства мажорируют любую из кривизн первого пространства [4]. В общей теории относительности уравнение (2) служит источником физического истолкования кривизны пространства-времени через поведение Г. л. (см. [5]). При отказе от сравнения только с близкими кривыми дуга Г. л. может перестать быть кратчайшей раньше, чем пройдет сопряженную точку. Это возможно даже в односвязном пространстве, т. е. причины этого могут быть топологическими и метрическими. Вопрос о том, как влияет кривизна на протяженность дуги, на к-рой Г. л. остается кратчайшей, играет существенную роль в изучении связей кривизны с то-пологич. строением пространства. Зависимость количества замкнутых Г. л. или количества разных Г. л., соединяющих две точки, от топологич. строения пространства составляет предмет вариационного исчисления в целом (СМ. [6], [4], [7]). Семейства Г. л., рассматриваемые как возможные траектории движения, являются предметом теории динамич. систем и эргодич. теории. В пространствах аффинной связности Г. л. определяются уравнением (1). Для них сохраняются локальные теоремы существования и единственности Г. л., соединяющих две точки, и существования выпуклой окрестности. Г. л. с аналогичными свойствами определяются и в пространствах проективной связности, а также в случае более общих связностей на многообразиях. Геометризацня задач вариационного исчисления для функционалов, отличных от длины кривой, привела к понятию финслерова пространства и Г. л. в нем. Выделение основных геометрических свойств подобных пространств привело к понятию геодезических геометрии, которое определяется наличием и продолжаемостью Г. л. Из метрич. пространств с нерегулярной метрикой наиболее изучены Г. л. на выпуклых поверхностях и в двумерных многообразиях ограниченной кривизны. Здесь Г. л. не обязательно гладкая кривая; Г. л. может не иметь продолжения, а в двумерном многообразии ограниченной кривизны может также иметь неединственное продолжение. Г. л. на выпуклой поверхности всегда имеют полукасательную; если продолжается, то только единственным образом; из точки Г. л. исходят почти во всех направлениях. В таких пространствах более естественным, чем Г. л., оказался класс квазигеодезических линий, к-рые служат замыканием класса геодезических (см. [8]).