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几何 / 英语

黎曼几何_Part 2_黎曼度量_John Lee_Introduction to Riemannian Manifolds p01 11_Riemannian度量

Fraljimetry的数学工厂 · 哔哩哔哩 · 6:58

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本视频片段介绍了两个内积空间之间的线性等距映射的定义。主讲人指出:此类映射必须是向量空间同构(即保持向量加法与标量乘法),且必须保持内积。片段最后指出,该概念将通过切空间推广到流形上,以研究黎曼度量。 本视频片段介绍了光滑流形上黎曼度量的概念。首先回顾了内积空间之间线性等距映射的定义——该映射保持内积不变;随后,主讲人将这一几何思想推广至抽象的光滑流形,将黎曼度量定义为一个光滑的协变2-阶张量场。该张量场为流形上每一点处的切空间赋予一个内积,从而保证该度量具有对称性与正定性。 本视频片段给出了光滑流形上黎曼度量的形式化定义。主讲人解释道:黎曼度量是一个光滑的、对称的、协变的2-阶张量场,它为每个切空间赋予一个正定内积。关键性质包括:对光滑函数的线性性(允许将系数函数提取出来),以及光滑性的局部性。此外,还引入了切丛的概念——即所有切空间的不交并——作为该度量的自然定义域。 本58段时长约两秒的白板讲解将光滑流形 M 上的黎曼度量 g 定义为一个光滑的协变2阶张量场,其在每一点 p 处的取值 gpg_p 是切空间 T_pM 上的一个内积。讲者解释了黑板上标出的两个推论:对称性(用语言表述为 g(x,y)=g(y,x)g(x,y) = g(y,x))和正定性(表述为 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0,且等号成立当且仅当0 iff v=0v=0。随后,将 (M,g) 称为黎曼流形。在最后几秒,画面滚动至一个命题:每个光滑流形都存在一个黎曼度量,并展示了证明思路的开头部分——使用单位分解、图册 𝒜 以及局部张量 δα=∑iδ_α = \sum _i du_α^i ⊗ du_α^i。

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章节

0:00先修知识回顾0:28线性等距映射的定义0:49内积保持性1:13向量空间同构条件1:36向流形的推广2:00线性等距映射的定义2:15黎曼度量简介2:22在光滑流形上定义黎曼度量4:00黎曼度量的定义4:35张量场的性质与线性性5:02局部光滑性5:23切空间与切丛6:00黎曼度量的定义6:12由内积条件导出的对称性6:20gpg_p 的正定性6:33黎曼流形的定义6:50存在性命题及证明框架

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

视频开头滚动展示手写笔记,回顾基础线性代数概念:内积、范数、极化恒等式、正交补、标准正交基以及格拉姆-施密特正交化算法。

焦点转向线性等距映射的定义。设VV与WW为内积空间。映射F:V→WF: V \to W被称为线性等距映射,当且仅当它满足两个主要条件。

第一,FF必须保持内积。这意味着:对任意向量a,b∈Va, b \in V,其在定义域空间中的内积等于它们在陪域空间中像的内积:⟨a,b⟩V=⟨F(a),F(b)⟩W\langle a, b \rangle_V = \langle F(a), F(b) \rangle_W。

第二,FF必须是向量空间同构。这要求其保持向量加法与标量乘法:F(a+b)=F(a)+F(b)F(a+b) = F(a) + F(b)与F(ka)=kF(a)F(ka) = kF(a),其中kk为任意标量。

最后,主讲人指出,向量空间之间的线性等距映射概念将被推广至抽象流形。由于流形不具备全局内积空间,流形间的等距映射将借助其切空间与微分映射来定义,这对研究黎曼度量至关重要。

该片段首先回顾线性等距映射的定义。一个映射 F:V→WF: V \to W 在内积空间 VV 与 WW 之间称为线性等距映射,若它是一个保持内积的向量空间同构。这种内积的保持性确保了所有由内积导出的几何性质均被维持。

随后,焦点转向将这些概念推广至抽象光滑流形。由于流形没有单一的全局向量空间,因此采用的方法是在每一点处为其切空间赋予一个内积,且该赋值需在流形上光滑变化。

这引出了黎曼度量的形式化定义。设 MM 是一个光滑流形。其上的黎曼度量 gg 被定义为一个光滑的协变 MM-张量场。对任意一点 2,其取值 p∈Mp \in M 是切空间 gpg_p 上的一个内积。因此,TpMT_pM. Consequently, gg 是一个对称的 2-阶张量场,且是正定的,即 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0 对所有 v∈TpMv \in T_pM 成立,且 gp(v,v)=0g_p(v,v) = 0 当且仅当 v=0v = 0。

‘协变’一词在此意指该张量场以向量为输入,并输出一个标量数。这一性质是度量在流形各切空间上运作方式的根本特征。

视频以黎曼度量的形式化定义开始 gg 在光滑流形上 MM。屏幕上的文字指出 gg 是一个光滑的协变 2-阶张量场,记为属于 T2(M)\mathcal{T}^2(M)。

主讲人进一步阐释了该张量场的输入。他用C∞(M)C^\infty(M)表示光滑函数的空间。他解释道:若XX是一个向量场,而ff是一个光滑函数,则fXfX也是一个向量场。

讨论了张量场的一个关键性质:对光滑函数环的线性性。主讲人写出了方程g(fX,hY)=fhg(X,Y)g(fX, hY) = fh g(X,Y),表明光滑系数函数ff和hh可在张量取值时被‘提取出来’。

定义中‘光滑’一词的含义得到澄清。讲师解释道:这意味着在局部坐标图中,度量的各个分量作为欧氏意义下的函数是光滑的。

重点转向向量的定义域。讲师纠正口误,强调这些向量 vv 属于切空间 TpMT_pM 在某一点 pp 处,而非张量场本身。度量 gpg_p 为此特定切空间提供一个内积。

最后引入切丛TMTM的概念。讲师写出TM=⨆p∈MTpMTM = \bigsqcup_{p \in M} T_pM,将其定义为流形MM上所有切空间的不交并,它自然继承了一个光滑流形结构。

该片段以手写定义开场:设MM 是一个光滑流形,且是一个黎曼度量gg 在 MM 上是一个光滑的协变2-张量场,其在每点处的取值gpg_p 在每点 p∈Mp \in M 处是定义在 TpMT_pM 上的一个内积。讲者立即逐点解释该定义的含义。

由于每个gpg_p都是一个内积,该形式具有对称性。在口头讲解中,这被写作g(x,y)=g(y,x)g(x,y)=g(y,x)(其中xx与yy为两个向量),因此黑板上称gg为一个对称的2-张量场。

第二个必要性质是正定性。黑板上将其精确表述为gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0和gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0,即该二次型表达式永不取负值,且仅在零切向量处为零。

在满足这两个条件之后,讲者给出所得几何对象的名称:当光滑流形MM配备了一个黎曼度量gg时,二元组(M,g)(M,g)被称为黎曼流形。这被明确标识为本课程的主要研究对象。

画面随后向下滚动至下一主题:每个光滑流形均存在黎曼度量这一命题。可见的证明部分首先指出需使用单位分解法,选取一个图册A={Fα:Uα→Qα⊆Rn}\mathcal{A}=\{F_\alpha: U_\alpha \to Q_\alpha \subseteq \mathbb{R}^n\},取一组从属于它的函数ρα:Uα→[0,1]\rho_\alpha: U_\alpha \to [0,1],并定义局部张量δα=∑iduαi⊗duαi\delta_\alpha = \sum_i du_\alpha^i \otimes du_\alpha^i。

知识卡片

01

线性等距映射的定义

两个内积空间之间的映射F:V→WF: V \to W称为线性等距映射,当且仅当它是一个保持内积的向量空间同构。

⟨a,b⟩V=⟨F(a),F(b)⟩W\langle a, b \rangle_V = \langle F(a), F(b) \rangle_W
02

向量空间同构的条件

要使FF成为向量空间同构,它必须保持加法和数乘运算。

F(a+b)=F(a)+F(b),F(ka)=kF(a)F(a+b) = F(a) + F(b), \quad F(ka) = kF(a)
03

推广到流形

通过将线性等距映射应用于切空间(借助微分映射),该概念被推广至流形,并构成黎曼度量的基础。

04

线性等距映射

映射 F:V→WF: V \to W 是内积空间 VV 与 WW 之间的线性等距映射,若它是保持内积的向量空间同构。这意味着它保持由内积所定义的几何结构。

F:V→WF: V \to W
05

黎曼度量

在光滑流形MM上,黎曼度量gg是一个光滑的协变2阶张量场;在每一点p∈Mp \in M处,gpg_p是切空间TpMT_pM上的一个内积;它具有对称性与正定性:gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0且gp(v,v)=0  ⟺  v=0g_p(v,v) = 0 \iff v = 0。

g∈T2(M)g \in T^2(M)
06

协变张量场

协变张量场以向量为输入,并输出一个标量数;在黎曼度量的语境中,它作用于给定点处切空间中的向量对。

07

黎曼度量的定义

黎曼度量 gg 在光滑流形 MM 上是一个光滑的协变 2-阶张量场。在每一点 p∈Mp \in M 处,其取值 gpg_p 是切空间上的一个内积 TpMT_pM。这意味着 gg 是对称且正定的: gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0,且等号成立当且仅当 v=0v=0。

gp(v,v)≥0,gp(v,v)=0  ⟺  v=0g_p(v,v) \ge 0, \quad g_p(v,v)=0 \iff v=0
08

张量场的线性性

作为协变张量场,黎曼度量对光滑函数具有线性性。若X,YX, Y是向量场,f,hf, h是光滑函数,则该度量满足如下性质:标量函数可从其参数中提取出来。

g(fX,hY)=fhg(X,Y)g(fX, hY) = f h g(X,Y)
09

局部光滑性条件

要求度量gg‘光滑’,是指在流形的任意局部坐标图下,度量张量的分量函数作为欧氏空间上的函数是无穷次可微的(即光滑的)。

10

切丛的构造

切丛 TMTM 是流形所有切空间的集合 MM。它在集合论意义上被定义为对所有点 TpMT_pM 的 pp 的不交并 MM。黎曼度量为此丛的每个纤维赋予一个内积。

TM=⨆p∈MTpMTM = \bigsqcup_{p \in M} T_pM
11

黎曼度量

光滑流形MM上的黎曼度量是一个光滑的协变2-张量场gg,使得对每一点p∈Mp \in M,其取值gpg_p是切空间TpMT_pM上的一个内积。讲者通过在黑板上圈出gpg_p和TpMT_pM,强调该定义的逐点性质。

gp is an inner product on TpMg_p \text{ is an inner product on } T_pM
12

度量的对称性

由于每个 gpg_p 都是一个内积,该张量场是对称的。口头讲解给出了关系式 g(x,y)=g(y,x)g(x,y)=g(y,x),其中 xx 和 yy 是向量,与黑板上所写的“对称”一词相呼应2-张量场"。

g(x,y)=g(y,x)g(x,y)=g(y,x)
13

正定性

该度量在逐点意义上是正定的:将它作用于一个切向量与其自身所得结果为非负数,且该值为零当且仅当该切向量为零向量。这是黑板上所划线强调的条件。

gp(v,v)≥0,gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v) \ge 0, \quad g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0
14

黎曼流形

一旦光滑流形MM配备了黎曼度量gg,则二元组(M,g)(M,g)被称为黎曼流形。主讲人指出,这是本课程所研究的核心对象。

(M,g)(M,g)
15

存在性命题

黑板上接下来宣布的结果是:每个光滑流形都容许一个黎曼度量。该片段展示了该命题的陈述及其证明的开头部分,但未展示完整论证。

Every smooth manifold admits a Riemannian metric.\text{Every smooth manifold admits a Riemannian metric.}
16

利用单位分解构造证明

可见的证明策略首先选择一个图册 A={Fα:Uα→Qα⊆Rn}\mathcal{A}=\{F_\alpha: U_\alpha \to Q_\alpha \subseteq \mathbb{R}^n\} of MM取一个从属于该图册的单位分解 {ρα:Uα→[0,1]}\{\rho_\alpha: U_\alpha \to [0,1]\},并在坐标卡上定义局部张量 δα=∑iduαi⊗duαi\delta_\alpha = \sum_i du_\alpha^i \otimes du_\alpha^i on the coordinate charts.

δα=∑iduαi⊗duαi\delta_\alpha = \sum_i du_\alpha^i \otimes du_\alpha^i

详细学习笔记

按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。

符号定义 · 42

V

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在线性等距定义中记作 V。

符号

V

含义

一个内积空间。

适用范围

内积空间

W

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在线性等距定义中记作 W。

符号

W

含义

另一个内积空间。

适用范围

内积空间

F

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    记作 F: V→WV \to W。

符号

F

含义

两个内积空间之间的映射。

适用范围

从 V 到 W 的映射

a, b

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在内积保持方程中记作 a, b。

符号

a, b

含义

V 中的任意向量。

适用范围

V 中的向量

k

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在线性条件 F(ka) = kF(a) 中写作 k。

符号

k

含义

底域中的一个标量。

适用范围

域

V

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字为:“设 V、W 为内积空间。”

符号

V

含义

一个内积空间。

适用范围

内积空间

W

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字为:“设 V、W 为内积空间。”

符号

W

含义

一个内积空间。

适用范围

内积空间

F

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字为:“映射 F: V→WV \to W 称为线性等距……”

符号

F

含义

内积空间之间的映射。

适用范围

从 V 到 W 的映射

M

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字为:“设 M 为光滑流形。”

符号

M

含义

一个光滑流形。

适用范围

光滑流形

g

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字为:“M 上的一个黎曼度量 g 是一个光滑的协变2阶张量场……”

符号

g

含义

M 上的一个黎曼度量。

适用范围

M 上的一个光滑协变2阶张量场

T2(M)T^2(M)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字为:“(在 T2(M)T^2(M) 中)”。

符号

T2(M)T^2(M)

含义

M 上协变2阶张量场的空间。

适用范围

张量场的空间

p

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字为:“其在 p∈Mp \in M 处的取值 gpg_p……”

符号

p

含义

光滑流形 M 上的一个点。

适用范围

M 中的一个点

知识点 · 11

线性等距的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    屏幕文字:「设 V、W 为内积空间。映射 F: V→WV \to W 称为线性等距,若它是一个保持内积的向量空间同构。」

  2. 声音
    观察依据

    主讲人朗读该定义并解释各项条件。

定义
解释

线性等距是两个内积空间之间的映射,它既是向量空间同构,又保持内积。

公式
⟨a,b⟩V=⟨F(a),F(b)⟩W\langle a, b \rangle_V = \langle F(a), F(b) \rangle_W
适用条件
  1. V 和 W 是内积空间。

  2. F 是一个向量空间同构。

  3. F 对所有 a, b∈Vb \in V 保持内积。

向量空间同构的条件

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    写出的等式:F(a+b)=F(a)+F(b)F(a+b) = F(a) + F(b) 与 F(ka) = kF(a)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人指出,这些是成为向量空间同构所需的条件。

方法
解释

要成为向量空间同构映射,该映射必须保持向量加法与标量乘法。

公式
F(a+b)=F(a)+F(b),F(ka)=kF(a)F(a+b) = F(a) + F(b), \quad F(ka) = kF(a)
适用条件
  1. a、b 属于 V

  2. k 是数域中的一个标量

线性等距映射

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字定义了线性等距映射:“设 V、W 为内积空间。映射 F: V→WV \to W 称为线性等距映射,若它是一个保持内积的向量空间同构。”

定义
解释

线性等距映射被定义为两个内积空间之间的映射,该映射既是向量空间同构,又保持内积。

公式
F:V→WF: V \to W
适用条件
  1. V 和 W 是内积空间。

  2. F 是一个向量空间同构。

  3. F 保持内积。

黎曼度量

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字定义了黎曼度量:“设 M 是一个光滑流形。M 上的一个黎曼度量 g 是一个光滑的协变2阶张量场(属于 T2(M)T^2(M)),其在每点 p∈Mp \in M 处的取值 gpg_p 是切空间 T_pM 上的一个内积。因此,g 是一个对称的2阶张量场,且是正定的,即对所有 v∈Tv \in T_pM,有 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0;并且 gp(v,v)=0g_p(v,v)=0 当且仅当 v=0v=0。”

  2. 声音
    观察依据

    讲话者解释道:黎曼度量是一个光滑的协变2阶张量场,并进一步阐释了‘协变’与‘张量’的含义。

定义
解释

光滑流形上的黎曼度量是一个光滑的协变2阶张量场,它在每一点处的取值是该点切空间上的一个内积。该张量场是对称的且正定的。

公式
g∈T2(M)g \in T^2(M)
适用条件
  1. M 是一个光滑流形。

  2. g 是一个光滑的协变2阶张量场。

  3. 对每个 p∈Mp \in M,gpg_p 是切空间 T_pM 上的一个内积。

  4. 对所有 v∈Tv \in T_pM,有 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0。

  5. gp(v,v)=0g_p(v,v) = 0 当且仅当 v=0v = 0。

先修条目
  1. 线性等距映射

黎曼度量的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写的黎曼度量定义在整段视频中始终可见。

定义
解释

流形 M 上的一个黎曼度量 g 是指一个光滑的协变2-张量场,它在每一点 p 处的取值是切空间 T_pM 上的一个内积;该内积必须是对称且正定的。

公式
gp(v,v)≥0,gp(v,v)=0  ⟺  v=0g_p(v,v) \ge 0, \quad g_p(v,v)=0 \iff v=0
适用条件
  1. M 是一个光滑流形

  2. g 是一个光滑的协变2-张量场

  3. 对所有 p∈Mp \in M,gpg_p 是 T_pM 上的一个内积

张量场的线性性质

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者说明,张量场允许将系数函数提取出来。

  2. 公式
    观察依据

    讲解者写出等式 g(fX, hY) = fh g(X,Y)g(X,Y)。

方法
解释

对于一个协变2-张量场 g,它在光滑函数环上是线性的;这意味着,若将输入的向量场乘以光滑函数,则这些函数可在张量求值时被提取出来。

公式
g(fX,hY)=fhg(X,Y)g(fX, hY) = f h g(X,Y)
适用条件
  1. g 是一个协变2-张量场

  2. X、Y 是向量场

  3. f、h 是光滑函数

先修条目
  1. 黎曼度量的定义

张量场光滑性的含义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人指出,“光滑”是指在某个坐标图中,它作为欧几里得空间上的函数是光滑的。

定义
解释

诸如黎曼度量之类的张量场的光滑性是在局部定义的:在任意局部坐标图中,该张量的分量函数必须是欧几里得空间上的光滑函数(即无穷次可微)。

公式
适用条件
  1. 适用于局部坐标

先修条目
  1. 黎曼度量的定义

切丛的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    主讲人写出 TM = ⨆p∈MT\bigsqcup_{p \in M} T_pM。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人将切丛定义为所有切空间的不交并。

定义
解释

流形 M 的切丛 TM 是其上每一点 p 处的切空间 T_pM 的不交并。它自然地从 M 继承了一个光滑流形结构。

公式
TM=⨆p∈MTpMTM = \bigsqcup_{p \in M} T_pM
适用条件
  1. M 是一个光滑流形

先修条目
  1. 黎曼度量的定义

黎曼度量的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写道:“设 M 是一个光滑流形。M 上的一个黎曼度量 g 是一个光滑的协变2阶张量场(属于 T2(M)\mathcal{T}^2(M)),其在每点 p∈Mp \in M 处的取值 gpg_p 是切空间 T_pM 上的一个内积。因此 g 是一个对称的2阶张量场,且是正定的,即满足 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0,且 gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0。”

  2. 声音
    观察依据

    主讲人解释:g 具有对称性,是因为它在每一点 p 处对切空间的限制是一个内积;并进一步指出,g 是正定的,因为 gp(v,v)g_p(v,v) 非负,且等于零当且仅当 v=0v=0。

定义
解释

光滑流形 M 上的一个黎曼度量被定义为一个光滑的协变2阶张量场 g,使得对每一点 p∈Mp \in M,其取值 gpg_p 是切空间 T_pM 上的一个内积。主讲人进一步阐释:这意味着 g 必须逐点对称且逐点正定。

公式
gp(v,v)≥0,gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v) \ge 0, \quad g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0
适用条件
  1. M 是一个光滑流形。

  2. g 是一个光滑的协变2阶张量场。

  3. 对每个 p∈Mp \in M,gpg_p 是 T_pM 上的一个内积。

  4. 对称性以口头形式表述为 g(x,y)=g(y,x)g(x,y)=g(y,x)。

  5. 正定性是在切向量 v∈Tv \in T_pM 上逐点表述的。

黎曼流形的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写着:“赋予黎曼度量后,(M,g) 称为黎曼流形。”

  2. 声音
    观察依据

    讲师指出,当光滑流形 M 被赋予一个黎曼度量时,就称其为黎曼流形;这正是本课程所研究的对象。

定义
解释

一旦光滑流形 M 被赋予黎曼度量 g,该二元组 (M,g) 就称为黎曼流形。这是本片段中引入的主要研究对象。

公式
(M,g)(M,g)
适用条件
  1. M 是一个光滑流形。

  2. g 是 M 上的一个黎曼度量。

先修条目
  1. 黎曼度量的定义

存在性命题及证明准备

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板显示标题“〔Prop, Existence of Riemannian metric〕”,以及陈述:“每个光滑流形都容许一个黎曼度量。”

  2. 声音
    观察依据

    讲师说:“接下来我们将研究黎曼度量的存在性。”

  3. 公式
    观察依据

    下页以‘注:使用单位分解’开头展开证明,随后给出一个图册及一个从属于它的单位分解。

待核验内容
  1. 在片段结束前仅可见证明的起始部分;完整论证并未包含在此片段中。

方法
解释

该片段引入命题:每个光滑流形都容许一个黎曼度量,并通过提及使用单位分解来开启证明思路。可见的设定是选取流形 M 的一个图册 𝒜 和一个从属于该图册的单位分解 {ραρ_α},然后在每个坐标卡上定义局部张量 δα=∑δ_α = \sum ᵢ du_αⁱ ⊗ du_αⁱ。

公式
δα=∑iduαi⊗duαi\delta_\alpha = \sum_i du_\alpha^i \otimes du_\alpha^i
适用条件
  1. M 是一个光滑流形。

  2. 该证明使用了一个图册 A\mathcal{A}=\{FαF_\alpha: Uα→Qα⊆RnU_\alpha \to Q_\alpha \subseteq \mathbb{R}^n\}。

  3. 它还使用了一个从属于 A\mathcal{A} 的单位分解 \{这条公式需要核验,请通过页面反馈入口报告。alpha: Uα→[0,1]U_\alpha \to [0,1]\}。

先修条目
  1. 黎曼度量的定义
定理与条件 · 3

黎曼度量的正定性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字明确列出了正定性的条件。

命题
命题

黎曼度量 g 是正定的,即对任一切向量 v,有 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0,且 gp(v,v)=0g_p(v,v) = 0 当且仅当 v=0v = 0。

前提
  1. g 是流形 M 上的一个黎曼度量

  2. v 属于 T_pM

量词

对任意 p∈Mp \in M,任意 v∈Tv \in T_pM

黎曼度量的对称性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    手写文字将 g 描述为一个‘对称的2-张量场’。

命题
命题

黎曼度量 g 是一个对称的2-张量场,这意味着对任意向量场 X 和 Y,都有 g(X,Y)=g(Y,X)g(X,Y) = g(Y,X)。

前提
  1. g 是流形 M 上的一个黎曼度量

  2. X、Y 是流形 M 上的向量场

量词

对任意 X、Y ∈ 𝔛(M)

光滑流形上黎曼度量的存在性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上明确写出:“每个光滑流形都容许一个黎曼度量。”

  2. 声音
    观察依据

    讲师宣布,接下来的部分将研究黎曼度量的存在性。

待核验内容
  1. 该证明仅在此片段中开始,并未在所提供的时长内完成。

定理
命题

每个光滑流形都容许一个黎曼度量。

前提
  1. M 是一个光滑流形。

量词

对每个光滑流形 M,都存在一个定义在 M 上的黎曼度量 g。

推导与证明 · 5

内积保持条件的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    写出的等式:⟨a\langle a, b⟩V=⟨F(a)b \rangle_V = \langle F(a), F(b)⟩WF(b) \rangle_W。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说明:在 V 中任取两个向量 a 和 b,计算它们在 V 中的内积,等于计算它们在 W 中的像 F(a)F(a) 与 F(b)F(b) 的内积。

直观解释
步骤
  1. 公式
    ⟨a,b⟩V\langle a, b \rangle_V
    解释

    对定义域空间 V 中任意两个向量 a 和 b,取它们的内积。

    步骤依据

    内积空间的定义。

    视频直接表达
  2. 公式
    ⟨F(a),F(b)⟩W\langle F(a), F(b) \rangle_W
    解释

    对陪域空间 W 中它们的像 F(a)F(a) 和 F(b)F(b),取它们的内积。

    步骤依据

    内积空间的定义。

    视频直接表达
  3. 公式
    ⟨a,b⟩V=⟨F(a),F(b)⟩W\langle a, b \rangle_V = \langle F(a), F(b) \rangle_W
    解释

    令这两个内积相等,从而定义内积保持性质。

    步骤依据

    线性等距映射的条件。

    视频直接表达
结论

映射 F 保持由内积所度量的几何结构。

张量场线性性质的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话者通过解释系数如何被提取出来,推导出该性质。

  2. 公式
    观察依据

    说话者写出最终等式 g(fX, hY) = fh g(X,Y)g(X,Y)。

直观解释
步骤
  1. 公式
    g(fX,hY)g(fX, hY)
    解释

    从张量 g 作用在缩放后的向量场 fX 和 hY 上开始。

    步骤依据

    张量场输入的定义。

    视频直接表达
  2. 公式
    =fhg(X,Y)= f h g(X,Y)
    解释

    将标量函数 f 和 h 分别从其对应参数中提取出来。

    步骤依据

    作为协变张量场所具有的性质(对函数具有线性性)。

    视频直接表达
结论

一个协变2-张量场对光滑函数环是线性的,允许将系数函数提取出来。

为何度量具有对称性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师指出:由于 g 在每一点 p 处的限制是切空间上的一个内积,因此对任意向量 x 和 y,都有 g(x,y)=g(y,x)g(x,y)=g(y,x),即 g 具有对称性。

  2. 公式
    观察依据

    黑板上单独指出:g 是一个对称的2-张量场。

待核验内容
  1. 口述公式使用 g(x,y)g(x,y),不带下标 p;而黑板上的形式定义在切空间 T_pM 上使用 gpg_p;从上下文可明确看出这是逐点解读。

直观解释
步骤
  1. 公式
    gp is an inner product on TpMg_p \text{ is an inner product on } T_pM
    解释

    从度量在每一点的取值是切空间上的内积这一定义性质出发。

    步骤依据

    黑板上在黎曼度量的定义中直接写出。

    视频直接表达
  2. 公式
    g(x,y)=g(y,x)g(x,y)=g(y,x)
    解释

    由于内积具有对称性,讲者写出两个向量 x 和 y 的对称关系式。

    步骤依据

    音频中的口述解释。

    视频直接表达
  3. 公式
    g is a symmetric 2-tensor fieldg \text{ is a symmetric 2-tensor field}
    解释

    因此张量场 g 是对称的。

    步骤依据

    结论既口头陈述,也写在黑板上。

    视频直接表达
结论

g 的对称性源于每个 gpg_p 都是切空间 T_pM 上的内积。

度量的逐点正定性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写着“正定,即 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0,gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0”。

  2. 声音
    观察依据

    讲者说明它也是正定的,因为对每一点,gp(v,v)g_p(v,v) 非负,且当且仅当向量 v 本身为零向量时等于零。

直观解释
步骤
  1. 公式
    gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0
    解释

    在每一点 p 处,将度量作用于一个切向量与其自身所得结果是一个非负数。

    步骤依据

    写在黑板上,并在音频中重复。

    视频直接表达
  2. 公式
    gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0
    解释

    该二次表达式恰好在零切向量处消失。

    步骤依据

    写在黑板上,并通过口头方式解释。

    视频直接表达
结论

这两个条件表明 gpg_p 在 T_pM 上是正定的。

通过单位分解构造存在性的起始部分

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    下页显示“注:使用单位分解。”,随后是一个图册 A\mathcal{A}、一个从属于它的单位分解 \{这条公式需要核验,请通过页面反馈入口报告。alpha\},以及“现在记 这条公式需要核验,请通过页面反馈入口报告。alpha = ∑i\sum_i du_\alpha^i⊗i \otimes du_\alpha^i”。

  2. 声音
    观察依据

    讲师表示接下来的部分将研究黎曼度量的存在性。

待核验内容
  1. 本片段在利用 这条公式需要核验,请通过页面反馈入口报告。alpha 和 这条公式需要核验,请通过页面反馈入口报告。alpha 构造全局度量之前即已结束。

  2. 证明的最终组装步骤在此片段中不可见。

严格证明
步骤
  1. 公式
    Use a partition of unity.\text{Use a partition of unity.}
    解释

    证明策略被宣布为使用单位分解。

    步骤依据

    写在命题标题下方的黑板上。

    视频直接表达
  2. 公式
    A={Fα:Uα→Qα⊆Rn}\mathcal{A}=\{F_\alpha: U_\alpha \to Q_\alpha \subseteq \mathbb{R}^n\}
    解释

    选取流形 M 的一个图册。

    步骤依据

    写在下方页面上。

    视频直接表达
  3. 公式
    {ρα:Uα→[0,1]}\{\rho_\alpha: U_\alpha \to [0,1]\}
    解释

    取一个从属于该图册的单位分解。

    步骤依据

    写在下方页面上。

    视频直接表达
  4. 公式
    δα=∑iduαi⊗duαi\delta_\alpha = \sum_i du_\alpha^i \otimes du_\alpha^i
    解释

    在每个坐标卡上,利用坐标微分定义一个局部协变的2-阶张量。

    步骤依据

    写在下方页面上。

    视频直接表达
结论

本片段仅展示标准单位分解证明的初始设置——该证明用于说明每个光滑流形都可赋予黎曼度量;后续构造不在本片段范围内。

例题详解 · 1

向量场缩放的例子

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人给出一个将向量场与函数相乘的例子。

  2. 公式
    观察依据

    主讲人写下“fX”。

题目

说明向量场如何与光滑函数相乘。

已知条件
  1. X 是一个向量场

  2. f 是一个光滑函数

目标

展示 f 乘以 X 的结果。

步骤
  1. 公式
    fXfX
    解释

    用光滑函数 f 乘以向量场 X。

    步骤依据

    光滑函数环上的模结构定义。

    视频直接表达
结果

fX 是另一个向量场。

检验

这是微分几何中的标准构造,其中向量场构成光滑函数环上的一个模。

图示与动画 · 8

通过滚动回顾先前概念

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    数字白板滚动显示此前关于内积、范数、极化恒等式、正交补、标准正交基以及格拉姆-施密特算法的笔记。

图中对象
  1. 数字白板笔记

变化过程
  1. 向下滚动至2.1定义部分

不变量
  1. 手写文本格式

数学含义

在引入新定义前,对先修线性代数概念进行视觉化回顾。

书写数学条件

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    主讲人将保持内积与向量空间同构性质的方程写在该定义旁。

图中对象
  1. 方程

  2. 紫色墨水

变化过程
  1. 出现〈a, b〉_V = 〈F(a)F(a), F(b)F(b)〉_W

  2. 出现F(a+b)=F(a)+F(b)F(a+b) = F(a) + F(b)与F(ka) = kF(a)

不变量
  1. 定义文字持续可见

数学含义

将口头定义明确拆解为形式化的数学等式。

滚动至黎曼度量定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    数字白板向下滚动,展示黎曼度量的定义。

图中对象
  1. 数字白板

  2. 手写文字

变化过程
  1. 画面向下滚动。

不变量
  1. 白板上的内容保持不变。

数学含义

滚动操作将焦点从先前的线性等距主题自然过渡到新的黎曼度量主题。

突出显示关键词

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    主讲人使用紫色笔圈出或下划定义中的关键词,例如“内积”、“光滑流形”、“黎曼度量 g”、“光滑协变2阶张量场”以及“张量”。

图中对象
  1. 手写文字

  2. 紫色笔迹

变化过程
  1. 特定词语和短语被圈出或下划。

不变量
  1. 底层文字保持不变。

数学含义

这种高亮强调了当前所讨论定义中的关键组成部分。

书写并高亮定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    视频显示一块数字白板,上面写有并高亮标出黎曼度量的定义。

图中对象
  1. 手写文字

  2. 数字笔

变化过程
  1. 讲话人写下额外的符号,例如 C∞(M)C^\infty(M)、g、X、f、h、Y 和 TM。

  2. 讲话人对预先写好的定义中部分文字加下划线并画圈。

不变量
  1. 核心定义文字保留在屏幕上。

数学含义

视觉呈现与讲解者的口头解释同步,将形式化定义逐步拆解为其构成部分和性质。

突出显示逐点定义的度量及切空间

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    在定义行中,先用紫色圆圈标出 gpg_p,再标出 T_pM。

  2. 声音
    观察依据

    在此时间段内,讲者正在解释:对每个点 p 的限制,是切空间上的一个内积。

图中对象
  1. g 下标 p

  2. M 在点 p 处的切空间

  3. 紫色注释圆圈

变化过程
  1. 首先圈出 gpg_p。

  2. 接着圈出 T_pM。

不变量
  1. 底层定义文字保持不变。

  2. 所强调的关系是:gpg_p 定义在 T_pM 上。

数学含义

视觉强调与口头讲解一致,即度量是逐点定义的:对每个 p,gpg_p 是切空间 T_pM 上的一个内积。

对正定性进行下划线强调

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    在“正定”一词下方画一条紫色下划线,随后在涉及 gp(v,v)g_p(v,v) 的不等式行下方也画一条紫色下划线。

  2. 声音
    观察依据

    讲师指出该度量还具有正定性,并解释了非负性及零等价条件。

图中对象
  1. 短语“正定”

  2. 公式 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0, gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0

  3. 紫色下划线

变化过程
  1. “正定”一词首先被加下划线。

  2. 随后,所显示的不等式被加下划线。

不变量
  1. 定义文本本身不发生变化。

  2. 焦点始终集中在逐点二次型 gp(v,v)g_p(v,v) 上。

数学含义

批注引导读者关注定义中正定性的精确代数含义。

从定义滚动至存在性命题

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    页面从定义区块向下滚动,先到达命题标题,再继续向下滚动至证明准备部分的行。

  2. 公式
    观察依据

    新呈现的文本包括“〔Prop, Existence of Riemannian metric〕”、“〔Every smooth manifold admits a Riemannian metric.〕”、“〔Rmk: Use a partition of unity.〕”、图册定义,以及 〔这条公式需要核验,请通过页面反馈入口报告。alpha = ∑i\sum_i du_\alpha^i⊗i \otimes du_\alpha^i〕。

图中对象
  1. 定义段落

  2. 命题标题

  3. 证明准备部分的行

变化过程
  1. 视图从黎曼流形的定义移至命题陈述。

  2. 随后,它展示了利用图册与单位分解的证明开头几行。

不变量
  1. 此前写下的定义在上方保持不变。

  2. 数学主题仍聚焦于黎曼度量。

数学含义

滚动画面标志着从定义核心对象转向陈述并开始证明该对象在任意光滑流形上的存在性。

易错点 · 3

混淆切空间与张量场

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者纠正自己先前说的‘张量场’,改为‘切空间’。

误区

误以为定义中提到的向量 v 和 w 直接属于某个张量场。

说明

向量 v 和 w 属于特定点 p 处的切空间 T_pM。而度量 g 本身才是那个为这些切空间赋予内积的张量场。

黎曼度量不仅仅是一个单一的标量函数。

依据清楚
依据视频推导
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板将 g 定义为一个光滑的协变2-张量场,其在每一点 p 处的取值是切空间 T_pM 上的一个内积。

  2. 声音
    观察依据

    讲者强调了逐点限制到每个 p 的要点。

误区

人们可能误以为度量是流形上的一个单一数值函数,而非随点变化的张量场。

说明

该片段将 g 定义为一个光滑的协变2-张量场,关键在于:在每一点 p 处,gpg_p 是切空间 T_pM 上的一个内积。

正定性意味着的不只是非负性。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板写出“gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0, gp(v,v)=0⇔v=0g_p(v,v)=0 \Leftrightarrow v=0”。

  2. 声音
    观察依据

    讲者明确指出:等于零当且仅当该向量自身为零。

误区

人们可能会将半正定性与正定性混淆。

说明

在此定义中,gp(v,v)g_p(v,v)不仅非负,而且当且仅当v=0v=0时为零,这一额外条件使得该形式成为正定的。

概念关系 · 7

线性等距的定义 → 线性等距的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人提到,可通过切空间与微分映射,将这一概念推广至抽象流形,以研究黎曼度量。

  2. 公式
    观察依据

    黑板上显示2.2黎曼度量这一节。

应用
解释

线性等距的概念从内积空间推广至流形之间:借助其切空间来定义流形间的等距,这是研究黎曼度量的关键。

线性等距映射 → 黎曼度量

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说道:“我们将上述几何概念推广至抽象光滑流形——即在每个切空间上光滑地选取一个内积。”

推广
解释

黎曼度量的概念将保持内积(如线性等距映射中)的思想推广到光滑流形上,其方法是为每个切空间赋予一个内积。

黎曼度量的定义 → 张量场的线性性质

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    定义表述为:‘黎曼度量 g …… 是一个光滑的协变2阶张量场’。

包含
解释

黎曼度量的定义中包含了‘它是一个张量场’这一概念,而这隐含了前述所讨论的线性性质。

黎曼度量的定义 → 切丛的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    讲解者通过流形 M 上各点的切空间 T_pM 来定义切丛 TM。

应用
解释

黎曼度量的概念适用于切丛,因为它在该丛的每个纤维(即每个切空间)上定义了一个内积。

黎曼度量的定义 → 黎曼流形的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板首先定义了一个黎曼度量g,然后写道:“赋予黎曼度量后,(M,g)称为黎曼流形。”

先修
解释

黎曼流形的概念直接建立于此前在M上定义的黎曼度量概念之上。

黎曼度量的定义 → 存在性命题及证明准备

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在定义了度量与流形之后,黑板引入了“[命题:黎曼度量的存在性]”以及“每个光滑流形都容许一个黎曼度量”的陈述。

  2. 声音
    观察依据

    讲师表示,接下来的部分将研究黎曼度量的存在性。

应用
解释

该存在性命题将刚刚定义的黎曼度量概念应用于所有光滑流形。

黎曼度量的定义 → 为何度量具有对称性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师从g在每一点p上的限制是一个内积这一事实出发,推导出g的对称性。

证明依赖
解释

对称性的推导依赖于gpg_p是T_pM上的内积这一定义要求。

问题定位 · 12

两个内积空间之间的线性等距的定义是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人定义线性等距。

涉及知识点
  1. 线性等距的定义

一个映射成为向量空间同构所需的代数条件有哪些?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    写出向量空间同构的方程。

涉及知识点
  1. 向量空间同构的条件

光滑流形上黎曼度量的形式化定义是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黎曼度量的定义写在黑板上。

涉及知识点
  1. 黎曼度量

张量场具有协变性意味着什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人解释道:“协变仅表示它是一个关于向量的函数:你输入若干向量,输出是一个数。”

涉及知识点
  1. 黎曼度量

光滑流形上的黎曼度量的形式化定义是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    完整定义显示在屏幕上。

涉及知识点
  1. 黎曼度量的定义
  2. 黎曼度量的正定性
  3. 黎曼度量的对称性

当协变张量场的向量参数被光滑函数缩放时,该张量场如何变化?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    方程 g(fX, hY) = fh g(X,Y)g(X,Y) 被写出。

涉及知识点
  1. 张量场的线性性质
  2. 张量场线性性质的推导

流形的切丛在集合论意义上是如何定义的?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    方程 TM = ⨆p∈MT\bigsqcup_{p \in M} T_pM 被写出。

涉及知识点
  1. 切丛的定义

光滑流形上的黎曼度量的精确定义是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黎曼度量的完整定义被写在黑板上。

涉及知识点
  1. 黎曼度量的定义

为什么黎曼度量被描述为一个对称的2阶张量场?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师通过g(x,y)=g(y,x)g(x,y)=g(y,x)来解释对称性,因为每个gpg_p都是一个内积。

涉及知识点
  1. 黎曼度量的定义
  2. 为何度量具有对称性

在黎曼度量的定义中,gp(v,v)g_p(v,v) 的正定性意味着什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上显示 gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0,且 gp(v,v)=0g_p(v,v) = 0 当且仅当 v=0v = 0。

涉及知识点
  1. 黎曼度量的定义
  2. 度量的逐点正定性

何时称一对 (M,g) 为黎曼流形?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板指出:配备黎曼度量 g 的流形 M,即 (M,g),称为黎曼流形。

涉及知识点
  1. 黎曼流形的定义

关于每个光滑流形都可赋予黎曼度量的证明,其开端是怎样的?

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    下方页面展示了该命题及其证明的开头部分,证明中使用了单位分解和 δαδ_α。

待核验内容
  1. 本片段仅呈现了证明的起始部分。

涉及知识点
  1. 存在性命题及证明准备
  2. 光滑流形上黎曼度量的存在性
  3. 通过单位分解构造存在性的起始部分
覆盖情况与待核验内容

已覆盖 · 通过滚动笔记回顾先前概念(内积、范数等);此时间段内未引入任何新的数学定义。

已覆盖 · 线性等距映射的定义与解析,包括内积保持性与向量空间同构条件。

已覆盖 · 线性等距映射的定义。

已覆盖 · 过渡并滚动至下一节。

已覆盖 · 黎曼度量的定义与讲解。

已覆盖 · 整个片段涵盖了黎曼度量的定义、其作为张量场的性质、光滑性的含义,以及相关的切丛概念。

已覆盖 · 黑板上黎曼度量的定义被逐字朗读并加以解释,包括对称性与逐点正定性。

已覆盖 · 主讲人指出:配备黎曼度量的光滑流形称为黎曼流形。

已覆盖 · 页面滚动至存在性命题及其证明的开头部分,该证明使用了图册、从属于图册的单位分解,以及局部张量 δαδ_α。

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  • 黎曼度量 讲解定位 2:22
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    已审核中文素材 v1:card「黎曼度量」出现在 2:22——在光滑流形MM上,黎曼度量gg是一个光滑的协变2阶张量场;在每一点p∈Mp \in M处,gpg_p是切空间TpMT_pM上的一个内积;它具有对称性与正定性:gp(v,v)≥0g_p(v,v) \ge 0且gp(v,v)=0  ⟺  v=0g_p(v,v) = 0 \iff v = 0。