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关于「如何从欧拉-拉格朗日方程得到测地线方程?」

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掌握方法

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测地线方程是通过对拉格朗日量 L=gijx˙ix˙j\mathscr{L} = g_{ij}\dot{x}^i\dot{x}^j 应用欧拉-拉格朗日方程得到的。得到的曲线分量的微分方程是 d2xkdλ2+Γijkdxidλdxjdλ=0\frac{d^2x^k}{d\lambda^2} + \Gamma^k_{ij}\frac{dx^i}{d\lambda}\frac{dx^j}{d\lambda} = 0,其中 Γijk\Gamma^k_{ij} 是联络系数。

适用条件:λ\lambda 是仿射参数。;Γijk\Gamma^k_{ij} 是联络系数。;该方程被呈现为 F 的欧拉-拉格朗日步骤的通解。

理解原因

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最小化长度泛函 LL 被描述为很棘手。当 λ\lambda 是仿射参数时,最小化更简单的泛函 F=∫ABgijx˙ix˙j dλF = \int_A^B g_{ij}\dot{x}^i\dot{x}^j\,d\lambda 等价于最小化 LL,而且要容易得多。

适用条件:λ\lambda 必须是仿射参数。;在该条件下,FF 被用作 LL 的更简单的替代品。

认识概念

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仿射参数是曲线参数 λ\lambda 的特殊选择,使得切向量演化方程中的标量比例函数 f(λ)f(\lambda) 恒等于零。具体来说,切向量 T~\tilde{T} 满足 dT~dλ=f(λ)T~\frac{d\tilde{T}}{d\lambda} = f(\lambda)\tilde{T},如果对于所有 λ\lambda 都有 f(λ)=0f(\lambda)=0,则该参数是仿射的。

适用条件:T~\tilde{T} 是测地线的切向量。;f(λ)f(\lambda) 是参数的标量函数。;仿射情况是对于所有 λ\lambda 都有 f(λ)=0f(\lambda)=0 的子情况。

认识概念

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用于通过欧拉-拉格朗日方程最小化积分 FF 的拉格朗日量 L\mathscr{L} 是 L=gijx˙ix˙j\mathscr{L} = g_{ij}\dot{x}^i\dot{x}^j。这是泛函 FF 的被积函数。

适用条件:应用于积分 FF。;x˙i\dot{x}^i 和 x˙j\dot{x}^j 是关于 λ\lambda 的导数。;gijg_{ij} 是度规分量。

掌握方法

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端点 AA 和 BB 之间的长度泛函 LL 定义为切向量平方范数的平方根关于参数 λ\lambda 的积分:L=∫ABgijx˙ix˙j dλL = \int_A^B \sqrt{g_{ij}\dot{x}^i\dot{x}^j}\,d\lambda。最小化这个泛函即可得到测地线曲线。

适用条件:端点是 AA 和 BB。;x˙i\dot{x}^i 和 x˙j\dot{x}^j 表示关于 λ\lambda 的导数。;gijg_{ij} 是度规分量。