المسار الجيوديسي

رباعي كلاين مع 28 خطًا جيوديسيًا (مميزة بـ 7 ألوان و 4 أنماط)

في الهندسة ، يُعرَّف الخط الجيوديسي ( يُلفظ /ˌdʒiː.əˈdɛsɪk , -oʊ- , -ˈdiːsɪk , -zɪk / ) [ 1 ] [ 2 ] بأنه منحنى يُمثل ، بمعنى ما ، أقصر مسار محليًا ( قوس ) بين نقطتين على سطح ، أو بشكل أعم، على مشعب ريماني . ويُستخدم المصطلح أيضًا في أي مشعب قابل للتفاضل مع اتصال . وهو تعميم لمفهوم " الخط المستقيم " .

يُشتق الاسم "جيوديسي" والصفة "جيوديسي" من علم الجيوديسيا ، وهو علم قياس حجم وشكل الأرض ، مع أن العديد من المبادئ الأساسية قابلة للتطبيق على أي شكل هندسي بيضاوي . في الأصل، كان الجيوديسي أقصر مسار بين نقطتين على سطح الأرض . بالنسبة للأرض الكروية ، فهو جزء من دائرة عظمى (انظر أيضًا مسافة الدائرة العظمى ). وقد عُمِّم المصطلح لاحقًا ليشمل فضاءات رياضية أكثر تجريدًا؛ على سبيل المثال، في نظرية المخططات ، يمكن اعتبار الجيوديسي بين رأسين /عقدتين في مخطط .

في فضاء ريماني أو فضاء فرعي ريماني، تتميز الخطوط الجيوديسية بخاصية انعدام انحنائها . وبشكل أعم، في وجود اتصال أفيني ، يُعرَّف الخط الجيوديسي بأنه منحنى تبقى متجهاته المماسية متوازية إذا نُقلت على طوله. بتطبيق هذا على اتصال ليفي-تشيفيتا لمقياس ريماني، يُستعاد المفهوم السابق.

تُعدّ الخطوط الجيوديسية ذات أهمية خاصة في النسبية العامة . وتصف الخطوط الجيوديسية الزمنية في النسبية العامة حركة جسيمات الاختبار الساقطة سقوطاً حراً .

مقدمة

يمكن تعريف أقصر مسار محلي بين نقطتين معطيتين في فضاء منحني، بافتراض أنه متعدد شعب ريماني، باستخدام معادلة طول المنحنى ( دالة f من فترة مفتوحة من R إلى الفضاء ) ، ثم تقليل هذا الطول بين النقطتين باستخدام حساب التفاضل والتكامل . يُعاني هذا من بعض المشاكل التقنية البسيطة نظرًا لوجود فضاء لانهائي الأبعاد من الطرق المختلفة لتمثيل أقصر مسار. من الأسهل حصر مجموعة المنحنيات بتلك التي تُمثل "بسرعة ثابتة" 1، أي أن المسافة من f ( s ) إلى f ( t ) على طول المنحنى تساوي | s - t |. وبالمثل، يمكن استخدام كمية مختلفة تُسمى طاقة المنحنى؛ يؤدي تقليل الطاقة إلى نفس المعادلات للمسار الجيوديسي (حيث "السرعة الثابتة" هي نتيجة للتقليل). يمكن فهم هذه الصيغة الثانية بشكل بديهي من خلال ملاحظة أن الشريط المطاطي المشدود بين نقطتين سيتقلص عرضه، وبالتالي سيقلل من طاقته. والشكل الناتج للشريط هو خط جيوديسي.

من الممكن أن تُقلل عدة منحنيات مختلفة المسافة بين نقطتين، كما هو الحال بالنسبة لنقطتين متقابلتين قطريًا على سطح الكرة. في هذه الحالة، يُعد أي من هذه المنحنيات خطًا جيوديسيًا.

الجزء المتصل من الخط الجيوديسي هو أيضاً خط جيوديسي.

بشكل عام، لا تُعدّ الخطوط الجيوديسية هي نفسها "أقصر المنحنيات" بين نقطتين، على الرغم من ترابط المفهومين. يكمن الفرق في أن الخطوط الجيوديسية تمثل أقصر مسافة بين النقاط محليًا فقط ، وتُحدد بمعامل "سرعة ثابتة". أما السير "في أطول مسار" على دائرة عظمى بين نقطتين على سطح الكرة فهو خط جيوديسي، ولكنه ليس أقصر مسار بين النقطتين. الخريطةتت2{\displaystyle t\to t^{2}}إن الانتقال من الفترة 1 على خط الأعداد الحقيقية إلى نفسها يعطي أقصر مسار بين 0 و 1، ولكنه ليس مسارًا جيوديسيًا لأن سرعة الحركة المقابلة لنقطة ما ليست ثابتة.

تُستخدم الخطوط الجيوديسية بكثرة في دراسة الهندسة الريمانية ، وبشكل أعم في الهندسة المترية . في النسبية العامة ، تصف الخطوط الجيوديسية في الزمكان حركة الجسيمات النقطية تحت تأثير الجاذبية فقط. على وجه الخصوص، يُعد مسار صخرة ساقطة، أو قمر صناعي يدور في مدار ، أو شكل مدار كوكب ، جميعها خطوطًا جيوديسية في الزمكان المنحني. وبشكل أعم، يتناول موضوع الهندسة شبه الريمانية المسارات التي قد تسلكها الأجسام عندما لا تكون حرة الحركة، وتكون حركتها مقيدة بطرق مختلفة.

تُقدّم هذه المقالة الصياغة الرياضية المستخدمة في تعريف وإيجاد وإثبات وجود الخطوط الجيوديسية، في حالة المشعبات الريمانية. وتناقش مقالة " علاقة ليفي-تشيفيتا" الحالة الأكثر عمومية للمشعب الريماني الزائف والخط الجيوديسي (النسبية العامة) بتفصيل أكبر الحالة الخاصة للنسبية العامة.

أمثلة

خط جيوديسي على سطح بيضاوي ثلاثي المحاور .
إذا وُضعت حشرة على سطح ما وسارت باستمرار "إلى الأمام"، فإنها سترسم، بحكم التعريف، مسارًا جيوديسيًا.

من أكثر الأمثلة شيوعًا الخطوط المستقيمة في الهندسة الإقليدية . على سطح الكرة ، تُمثل الدوائر العظمى الخطوط الجيوديسية . أقصر مسار من النقطة أ إلى النقطة ب على سطح الكرة هو القوس الأقصر من الدائرة العظمى المار بالنقطتين أ و ب . إذا كانت أ و ب نقطتين متقابلتين ، فإنه يوجد عدد لا نهائي من أقصر المسارات بينهما. أما الخطوط الجيوديسية على سطح القطع الناقص فتتصرف بطريقة أكثر تعقيدًا من نظيرتها على سطح الكرة؛ فهي ليست مغلقة بشكل عام (انظر الشكل).

المثلثات

مثلث جيوديسي على الكرة الأرضية.

يتشكل المثلث الجيوديسي من خلال الخطوط الجيوديسية التي تربط كل زوج من النقاط الثلاث على سطح معين. أما على الكرة، فتكون الخطوط الجيوديسية عبارة عن أقواس دوائر عظمى ، لتشكل مثلثًا كرويًا .

المثلثات الجيوديسية في فضاءات ذات انحناء موجب (أعلى)، وسالب (وسط)، وصفر (أسفل).

الهندسة المترية

في الهندسة المترية ، يُعرَّف الخط الجيوديسي بأنه منحنى يُصغِّر المسافة محليًا في كل مكان . بتعبير أدق، يكون المنحنى γ  : IM من فترة I من الأعداد الحقيقية إلى الفضاء المتري M خطًا جيوديسيًا إذا وُجد ثابت v ≥ 0 بحيث أنه لأي tI توجد جوار J لـ t في I بحيث أنه لأي t 1 , t 2J لدينا

د(γ(ت1)،γ(ت2))=v|ت1-ت2|.{\displaystyle d(\gamma (t_{1}),\gamma (t_{2}))=v\left|t_{1}-t_{2}\right|.}

هذا يعمم مفهوم الجيوديسية للمشعبات الريمانية. مع ذلك، في الهندسة المترية، غالبًا ما تكون الجيوديسية المدروسة مزودة بمعاملات طبيعية ، أي في المتطابقة أعلاه v  =  1 و

د(γ(ت1)،γ(ت2))=|ت1-ت2|.{\displaystyle d(\gamma (t_{1}),\gamma (t_{2}))=\left|t_{1}-t_{2}\right|.}

إذا تحققت المساواة الأخيرة لجميع t 1 ، t 2I ، فإن المسار الجيوديسي يسمى المسار الجيوديسي الأدنى أو أقصر مسار .

بشكل عام، قد لا يحتوي الفضاء المتري على أي خطوط جيوديسية، باستثناء المنحنيات الثابتة. وعلى النقيض من ذلك، فإن أي نقطتين في فضاء متري طولي تتصلان بسلسلة متناقصة من المسارات القابلة للتصحيح ، مع العلم أن هذه السلسلة المتناقصة لا تتقارب بالضرورة إلى خط جيوديسي. وتُبين نظرية هوبف-رينو المترية حالات يكون فيها الفضاء الطولي تلقائيًا فضاءً جيوديسيًا.

تشمل الأمثلة الشائعة للفضاءات المترية الجيوديسية التي غالباً ما لا تكون متعددة الشعب الرسوم البيانية المترية ، والمجمعات متعددة السطوح المترية (المدمجة محلياً) ، وفضاءات ما قبل هيلبرت اللانهائية الأبعاد ، والأشجار الحقيقية .

الهندسة الريمانية

في فضاء ريماني متعدد الشعبم{\displaystyle M}مع موتر متريز{\displaystyle g}الطولل{\displaystyle L}لمنحنى قابل للتفاضل باستمرارγ:[أ،ب]م{\displaystyle \gamma يتم تعريف {[a,b]\to M} بواسطة

ل(γ)=أبزγ(ت)(γ˙(ت)،γ˙(ت))دت.{\displaystyle L(\gamma )=\int _{a}^{b}{\sqrt {g_{\gamma (t)}({\dot {\gamma }}(t),{\dot {\gamma }}(t))}}\,dt.}

المسافةد(ص،q){\displaystyle d(p,q)}بين نقطتينص{\displaystyle p}وq{\displaystyle q}لم{\displaystyle M}يُعرَّف بأنه الحد الأدنى للطول المأخوذ على جميع المنحنيات المتصلة والقابلة للتفاضل بشكل مستمر جزئيًاγ:[أ،ب]م{\displaystyle \gamma :[a,b]\to M} بحيثγ(أ)=ص{\displaystyle \gamma (a)=p}وγ(ب)=q{\displaystyle \gamma (b)=q}في الهندسة الريمانية، جميع الخطوط الجيوديسية هي مسارات تُقلل المسافة محليًا، ولكن العكس ليس صحيحًا. في الواقع، المسارات التي تُقلل المسافة محليًا وتُحدد معلماتها بما يتناسب مع طول القوس هي فقط خطوط جيوديسية.

ثمة طريقة أخرى مكافئة لتعريف الخطوط الجيوديسية على مشعب ريماني، وهي تعريفها على أنها الحد الأدنى للدالة الوظيفية للفعل أو الطاقة التالية

هـ(γ)=12أبزγ(ت)(γ˙(ت)،γ˙(ت))دت.{\displaystyle E(\gamma )={\frac {1}{2}}\int _{a}^{b}g_{\gamma (t)}({\dot {\gamma }}(t),{\dot {\gamma }}(t))\,dt.}

جميع الحد الأدنى منهـ{\displaystyle E}وهي أيضًا الحد الأدنى منل{\displaystyle L}، لكنل{\displaystyle L}هي مجموعة أكبر لأن المسارات التي تمثل الحد الأدنى منل{\displaystyle L}يمكن إعادة تحديد معلمات هذه الدوال بشكل تعسفي (دون تغيير طولها)، بينما تظل القيم الدنيا لـهـ{\displaystyle E}لا يمكن. بالنسبة لـ...ج1{\displaystyle C^{1}}منحنى (بشكل عام، أ)دبليو1،2{\displaystyle W^{1,2}}(المنحنى)، تعطي متباينة كوشي-شفارتز

ل(γ)22(ب-أ)هـ(γ){\displaystyle L(\gamma )^{2}\leq 2(ba)E(\gamma )}

مع المساواة إذا وفقط إذاز(γ،γ){\displaystyle g(\gamma ',\gamma ')}يساوي ثابتًا ae؛ يجب السير في المسار بسرعة ثابتة. يحدث أن القيم الدنيا لـهـ(γ){\displaystyle E(\gamma )}كما يجب تقليلل(γ){\displaystyle L(\gamma )}لأنها تُصبح ذات معلمات خطية، والمتباينة هي مساواة. تكمن فائدة هذا النهج في أن مشكلة البحث عن القيم الصغرى لـهـ{\displaystyle E}إنها مسألة حسابية تباينية أكثر قوة. في الواقع،هـ(γ){\displaystyle E(\gamma )}هي "دالة محدبة" لـγ{\displaystyle \gamma }وبالتالي، فإنه ضمن كل فئة تماثلية من "الدوال المعقولة"، ينبغي توقع وجود قيم صغرى، وتفردها، وانتظامها. في المقابل، فإن "القيم الصغرى" للدالةل(γ){\displaystyle L(\gamma )}لا تكون منتظمة بشكل عام، لأن إعادة تحديد المعلمات بشكل عشوائي مسموح بها.

معادلات أويلر -لاغرانج للحركة الوظيفيةهـ{\displaystyle E}ثم يتم تحديدها في الإحداثيات المحلية بواسطة

د2xλدت2+Γμνλدxμدتدxνدت=0،{\displaystyle {\frac {d^{2}x^{\lambda }}{dt^{2}}}+\Gamma _{\mu \nu }^{\lambda }{\frac {dx^{\mu }}{dt}}{\frac {dx^{\nu }}{dt}}=0,}

أينΓμνλ{\displaystyle \Gamma _{\mu \nu }^{\lambda }}هي رموز كريستوفيل للقياس المتري. هذه هي معادلة الخط الجيوديسي ، التي سيتم شرحها أدناه .

حساب التفاضل والتكامل

يمكن تطبيق تقنيات حساب التفاضل والتكامل الكلاسيكي لدراسة دالة الطاقةهـ{\displaystyle E}يُعرَّف التغير الأول للطاقة في الإحداثيات المحلية بواسطة

دلتاهـ(γ)(φ)=ت|ت=0هـ(γ+تφ).{\displaystyle \delta E(\gamma )(\varphi )=\left.{\frac {\partial }{\partial t}}\right|_{t=0}E(\gamma +t\varphi ).}

تتمثل النقاط الحرجة في التباين الأول تحديدًا في الخطوط الجيوديسية. أما التباين الثاني فيُعرَّف بواسطة

دلتا2هـ(γ)(φ،ψ)=2sت|s=ت=0هـ(γ+تφ+sψ).{\displaystyle \delta ^{2}E(\gamma )(\varphi ,\psi )=\left.{\frac {\partial ^{2}}{\partial s\,\partial t}}\right|_{s=t=0}E(\gamma +t\varphi +s\psi ).}

بمعنى مناسب، أصفار التغير الثاني على طول خط جيوديسيγ{\displaystyle \gamma }تنشأ على طول حقول جاكوبي . وبالتالي، تُعتبر حقول جاكوبي بمثابة اختلافات عبر الخطوط الجيوديسية.

بتطبيق تقنيات حساب التفاضل والتكامل من الميكانيكا الكلاسيكية ، يمكن اعتبار الخطوط الجيوديسية بمثابة تدفقات هاميلتونية . وهي حلول لمعادلات هاميلتون المرتبطة بها ، مع اعتبار المقياس الريماني (الزائف) هو المقياس الهاميلتوني .

الخطوط الجيوديسية الأفينية

خط جيوديسي على سطح مستوٍ أملسم{\displaystyle M}مع اتصال أفيني{\displaystyle \nabla }يُعرَّف بأنه منحنىγ(ت){\displaystyle \gamma (t)}بحيث يحافظ النقل الموازي على طول المنحنى على متجه المماس للمنحنى، لذلك

عند كل نقطة على طول المنحنى، حيثγ˙{\displaystyle {\dot {\gamma }}}هي المشتقة بالنسبة إلىت{\displaystyle t}وبشكل أدق، من أجل تعريف المشتقة المتغيرة لـγ˙{\displaystyle {\dot {\gamma }}}من الضروري أولاً التمديدγ˙{\displaystyle {\dot {\gamma }}}إلى حقل متجه قابل للتفاضل باستمرار في مجموعة مفتوحة . ومع ذلك، فإن القيمة الناتجة لـ ( 1 ) مستقلة عن اختيار التمديد.

استخدام الإحداثيات المحلية علىم{\displaystyle M}يمكننا كتابة معادلة الخط الجيوديسي (باستخدام اصطلاح الجمع ) على النحو التالي:

د2γλدت2+Γμνλدγμدتدγνدت=0 ،{\displaystyle {\frac {d^{2}\gamma ^{\lambda }}{dt^{2}}}+\Gamma _{\mu \nu }^{\lambda }{\frac {d\gamma ^{\mu }}{dt}}{\frac {d\gamma ^{\nu }}{dt}}=0\ ,}

أينγμ=xμγ(ت){\displaystyle \gamma ^{\mu }=x^{\mu }\circ \gamma (t)}هي إحداثيات المنحنىγ(ت){\displaystyle \gamma (t)}وΓμνλ{\displaystyle \Gamma _{\mu \nu }^{\lambda }}تُمثل رموز كريستوفيل الصلة{\displaystyle \nabla }هذه معادلة تفاضلية عادية للإحداثيات. ولها حل وحيد، بمعلومية الموضع الابتدائي والسرعة الابتدائية. لذلك، من وجهة نظر الميكانيكا الكلاسيكية ، يمكن اعتبار الخطوط الجيوديسية مسارات لجزيئات حرة في فضاء متعدد الأبعاد. في الواقع، المعادلةγ˙γ˙=0{\displaystyle \nabla _{\dot {\gamma }}{\dot {\gamma }}=0}يعني هذا أن متجه تسارع المنحنى لا يحتوي على مركبات في اتجاه السطح (وبالتالي يكون عموديًا على المستوى المماس للسطح عند كل نقطة من المنحنى). لذا، فإن الحركة تتحدد كليًا بانحناء السطح. وهذه هي أيضًا فكرة النسبية العامة، حيث تتحرك الجسيمات على مسارات جيوديسية، ويكون الانحناء ناتجًا عن الجاذبية.

الوجود والتفرد

تنص نظرية الوجود المحلي والتفرد للخطوط الجيوديسية على أن الخطوط الجيوديسية على مشعب أملس ذي اتصال تآلفي موجودة، وهي فريدة. بتعبير أدق:

لكل نقطة p في M ولكل متجه V في T p M ( الفضاء المماسي لـ M عند p ) يوجد خط جيوديسي وحيدγ{\displaystyle \gamma \,} : أنا م بحيث
γ(0)=ص{\displaystyle \gamma (0)=p\,}و
γ˙(0)=V،{\displaystyle {\dot {\gamma }}(0)=V,}
حيث I هي فترة مفتوحة قصوى في R تحتوي على 0.

يُستنتج برهان هذه النظرية من نظرية المعادلات التفاضلية العادية ، بملاحظة أن معادلة الجيوديسية هي معادلة تفاضلية عادية من الرتبة الثانية. ومن ثم، يُستنتج وجود الحل ووحدانيته من نظرية بيكارد-ليندلوف لحلول المعادلات التفاضلية العادية ذات الشروط الابتدائية المحددة. وتعتمد قيمة γ بسلاسة على كل من p و V. 

بشكل عام، قد لا يكون I هو كل R كما هو الحال مثلاً بالنسبة لقرص مفتوح في R 2. أي γ يمتد إلى كل إذا وفقط إذا كانت M كاملة جيوديسياً .

التدفق الجيوديسي

التدفق الجيوديسي هو تأثير R محلي على الحزمة المماسية TM لمتشعب M مُعرَّف بالطريقة التالية

جيت(V)=γ˙V(ت){\displaystyle G^{t}(V)={\dot {\gamma }}_{V}(t)}

حيث t R و VTM و   γV{\displaystyle \gamma _{V}}يشير إلى المسار الجيوديسي الذي يحتوي على البيانات الأوليةγ˙V(0)=V{\displaystyle {\dot {\gamma}} _ {V}(0)=V}. هكذا، جيت(V)=خبرة(تV){\displaystyle G^{t}(V)=\exp(tV)}هي الخريطة الأسية للمتجه tV . يتوافق المدار المغلق للتدفق الجيوديسي مع مسار جيوديسي مغلق على M. 

على مشعب (شبه) ريماني، يُعرَّف التدفق الجيوديسي بتدفق هاميلتوني على حزمة الظل المشترك. ويُعطى الهاميلتوني حينها بمعكوس المقياس (شبه) الريماني، مُقَيَّمًا مقابل الشكل التفاضلي الأحادي المتعارف عليه . وعلى وجه الخصوص، يحافظ التدفق على المقياس (شبه) الريماني.ز{\displaystyle g}، أي

ز(جيت(V)،جيت(V))=ز(V،V).{\displaystyle g(G^{t}(V),G^{t}(V))=g(V,V).\,}

على وجه الخصوص، عندما يكون V متجه وحدة،γV{\displaystyle \gamma _{V}}تبقى السرعة ثابتة طوال العملية، لذا فإن التدفق الجيوديسي يكون مماساً لحزمة المماس الوحدوية . تنص نظرية ليوفيل على ثبات المقياس الحركي على حزمة المماس الوحدوية.

رذاذ جيوديسي

يُعرّف التدفق الجيوديسي مجموعة من المنحنيات في الحزمة المماسية . وتُعرّف مشتقات هذه المنحنيات حقلاً متجهياً على الفضاء الكلي للحزمة المماسية، يُعرف باسم الرذاذ الجيوديسي .

وبشكل أدق، يؤدي الاتصال الأفيني إلى انقسام حزمة المماس المزدوج TT M إلى حزم أفقية ورأسية :

تيتيم=حV.{\displaystyle TTM=H\oplus V.}

يمكن تصور حزمة المماس المزدوج على أنها مساحة للتغيرات المتزامنة لكل من نقطة الأساس والسرعة، دون الالتزام بأي طريقة لنقل السرعة عبر نقاط الأساس.

لأيxم،vتيxم{\displaystyle x\in M,\;v\in T_{x}M}الألياف العموديةV(x،v){\displaystyle V_{(x,v)}}يتم تحديده بواسطة خريطة الإسقاطπ:تيمم{\displaystyle \pi :TM\to M}وهي تتضمن جميع الطرق لتغيير السرعة.v{\displaystyle v}أثناء تثبيت نقطة الأساسx{\displaystyle x}وهي في الأساس نسخة منتيxم{\displaystyle T_{x}M}مترجم من(x،0){\displaystyle (x,0)}ل(x،v){\displaystyle (x,v)}ثم يحدد الاتصال الأفيني المكان(x،v){\displaystyle (x,v)}سيهبط عند تغيير نقطة الأساس مع "تثبيت" السرعة، التي تمتد عبر الألياف الأفقيةح(x،v){\displaystyle H_{(x,v)}}. وعلى العكس من ذلك، بالنظر إلى الانقسام، فإن نقل متجهv{\displaystyle v}على طول مسارγ{\displaystyle \gamma }ببساطة يعني ذلك سحب المتجه على طول الحزمة الأفقية، أي رفع المسار مرتين، منγ(ت){\displaystyle \gamma (t)}فيم{\displaystyle M}ل(γ(ت)،γ˙(ت)){\displaystyle (\gamma (t),{\dot {\gamma }}(t))}فيتيم{\displaystyle TM}ل(γ(ت)،v(ت)،أ(ت)){\displaystyle (\gamma (t),v(t),a(t))}فيح{\displaystyle H}، بشرط أندπ(γ(ت)،v،أ(ت))=(γ(ت)،γ˙(ت)){\displaystyle d\pi (\gamma (t),v,a(t))=(\gamma (t),{\dot {\gamma }}(t))}.

الرذاذ الجيوديسي هو حقل متجه أفقي فريد W يحقق

دπدبليو(x،v)=(x،v){\displaystyle d\pi W_{(x,v)}=(x,v)}

عند كل نقطةxم،vتيxم{\displaystyle x\in M,\;v\in T_{x}M}، هنادπ:تيتيمتيم{\displaystyle d\pi :TTM\to TM}يشير إلى الدفع الأمامي (التفاضلي) على طول الإسقاطπ:تيمم{\displaystyle \pi :TM\to M}بشكل بديهي،دπ{\displaystyle d\pi }يتجاهل التغيير في السرعة ويحافظ على التغيير في نقطة الأساس.

بشكل أعم، يسمح نفس البناء بإنشاء حقل متجهي لأي اتصال إهرسمان على الحزمة المماسية. ولكي يكون الحقل المتجهي الناتج عبارة عن رذاذ (على الحزمة المماسية المحذوفة T M  \  {0})، يكفي أن يكون الاتصال متغيرًا تحت عمليات إعادة التحجيم الموجبة، أي يكفي أن يكون، إذاwتيxم{\displaystyle w\in T_{x}M}يتم نقلها بواسطةγ{\displaystyle \gamma }لwتيxم{\displaystyle w'\in T_{x'}M}، ثمكw{\displaystyle kw}يجب نقلها إلىكw{\displaystyle kw'}لأيك>0{\displaystyle k>0}ليس بالضرورة أن يكون كذلك، إذاuتيxم{\displaystyle u\in T_{x}M}كما يتم نقلها إلىuتيxم{\displaystyle u'\in T_{x'}M}، ثمw+u{\displaystyle w+u}يجب نقلهاw+u{\displaystyle w'+u'}.

أي (انظر: اتصال إهرسمان# حزم المتجهات والمشتقات المتغيرة ) يكفي أن يحقق التوزيع الأفقي

حλX=د(Sλ)XحX{\displaystyle H_{\lambda X}=d(S_{\lambda })_{X}H_{X}\,}

لكل X  T M  \  {0} و λ  >  0. هنا d ( S λ ) هو الدفع الأمامي على طول التماثل القياسيSλ:XλX.{\displaystyle S_{\lambda }:X\mapsto \lambda X.} ومن الحالات الخاصة للاتصال غير الخطي الذي ينشأ بهذه الطريقة هو ذلك المرتبط بمتشعب فينسلر .

يُعدّ التباين في ظل عمليات إعادة التحجيم الموجبة ضروريًا لضمان أن يكون نقل المتجهات مُعرّفًا جيدًا على طول المسارات الموجهة، أي بالنظر إلى أي معلمات.γ:أنام{\displaystyle \gamma :I\to M}من المنحنى، وأي "تغيير في التوقيت" متزايد بشكل رتيب تمامًاو:RR{\displaystyle f:\mathbb {R} \to \mathbb {R} }، المعايرة الجديدةγو{\displaystyle \gamma \circ f}لا يزال ينتج نفس نقل المتجهات. وبدون التكافؤ تحت عمليات إعادة التحجيم الموجبة، يعتمد نقل المتجهات على طول مسار موجه على المعلمات المحددة.

الخطوط الجيوديسية الأفينية والإسقاطية

المعادلة ( 1 ) ثابتة تحت إعادة التحديدات الخطية؛ أي، التحديدات من الشكل

تأت+ب{\displaystyle t\mapsto at+b}

حيث a و b عددان حقيقيان ثابتان. وبالتالي، فإنه بالإضافة إلى تحديد فئة معينة من المنحنيات المضمنة، تحدد معادلة الجيوديسية أيضًا فئة مفضلة من المعاملات على كل منحنى. وبناءً على ذلك، تُسمى حلول المعادلة ( 1 ) بالجيوديسيات ذات المعامل الأفيني .

يُحدد الاتصال الأفيني بمجموعة خطوطه الجيوديسية ذات المعاملات الأفينية، حتى الالتواء ( سبيفاك 1999 ، الفصل 6، الملحق الأول) . في الواقع، لا يؤثر الالتواء نفسه على مجموعة الخطوط الجيوديسية، لأن معادلة الخط الجيوديسي تعتمد فقط على الجزء المتناظر من الاتصال. بتعبير أدق، إذا،¯{\displaystyle \nabla ,{\bar {\nabla }}}يوجد اتصالان بحيث يكون موتر الفرق

د(X،Y)=XY-¯XY{\displaystyle D(X,Y)=\nabla _{X}Y-{\bar {\nabla }}_{X}Y}

إذا كان متماثلًا معكوسًا ،{\displaystyle \nabla }و¯{\displaystyle {\bar {\nabla }}}لها نفس المسارات الجيوديسية، بنفس المعاملات الخطية. علاوة على ذلك، هناك اتصال فريد يجمعها بنفس المسارات الجيوديسية مثل {\displaystyle \nabla }ولكن مع التواء متلاشٍ.

يتم وصف المسارات الجيوديسية التي لا تخضع لمعاملات محددة بواسطة اتصال إسقاطي .

الأساليب الحسابية

تتضمن الحلول الفعالة لمشكلة الجيوديسية الدنيا على الأسطح عدة مناهج متميزة، بما في ذلك انتشار الجبهة الموجية التوافقية، والحل العددي المباشر لمعادلة الإيكونال ، والأساليب القائمة على انتشار الحرارة؛ والأساليب الثلاثة أدناه هي تمثيلية وليست شاملة.

خوارزمية ميتشل-ماونت-باباديمتريو

تناول ميتشل ، وماونت ، وباباديميتريو مسألة الجيوديسية المنفصلة : إيجاد أقصر مسار بين نقطتين على سطح متعدد السطوح مثلثي. [ 3 ] تستخدم خوارزميتهم، التي غالبًا ما تُختصر إلى MMP، نهج "دايجسترا المتصل"، حيث تنشر جبهة موجة المسافة عبر الشبكة بطريقة مماثلة لخوارزمية دايجسترا على مجال متصل؛ وغالبًا ما تُوصف حالة جبهة الموجة هذه على كل حافة باستخدام مصطلح "النافذة". [ 4 ] تحسب MMP المسافة الجيوديسية والمسار بدقة في زمن O ( log n ) ومساحة O ( ) ، حيث n هو عدد حواف السطح.

أسلوب المسير السريع

تُكيّف طريقة كيميل وسيثيان للتقدم السريع مع الأسطح المثلثية خوارزمية حل معادلة إيكونال، التي صِيغت في الأصل على شبكات منتظمة: حيث تقوم خوارزمية الفروق المحدودة الرتيبة ذات الاتجاه المعاكس ببناء دالة المسافة عن طريق المسح الخارجي من المصدر بترتيب تزايد المسافة - وهي علاقة سببية مماثلة لخوارزمية ديكسترا على مجال متصل. [ 5 ] تعمل هذه الطريقة في زمن O ( n log n ) ، حيث n هو عدد نقاط الشبكة، وذلك بتكلفة تقريب المسافة الجيوديسية الحقيقية فقط. وقد وسّعت أعمال لاحقة إطار عمل التقدم السريع ليشمل الأسطح الضمنية وسحب النقاط. [ 6 ] [ 7 ]

طريقة التسخين

تقسم طريقة الحرارة لكرين، وويشيدل، ووردتزكي حساب المسافة إلى مرحلتين: أولاً، تحديد اتجاه تزايد المسافة، ثم حساب المسافة نفسها. [ 8 ] يستند هذا النهج إلى صيغة فارادان ، التي تربط سلوك نواة الحرارة على المدى القصير بمربع المسافة الجيوديسية؛ إلا أن تطبيق هذه الصيغة على تقريب عددي لنواة الحرارة يُعطي نتائج غير دقيقة، لذا تستخدم الطريقة بدلاً من ذلك اتجاه تدرج الحرارة المنتشرة فقط، مع تطبيعه للحصول على حقل متجه وحدة على طول الخطوط الجيوديسية. ثم تُستعاد دالة المسافة بحل معادلة بواسون مقابل هذا الحقل. ولأن كلتا المرحلتين تُختزلان إلى أنظمة خطية متفرقة يمكن تحليلها مسبقًا مرة واحدة، فإن هذه الطريقة مناسبة تمامًا لاستعلامات المسافة المتكررة من مصادر مختلفة على شبكة ثابتة.

اختبار الشريط

يُعد اختبار الشريط طريقةً لإيجاد خط جيوديسي على سطح مادي. [ 9 ] وتتلخص الفكرة في وضع قطعة من الورق حول خط مستقيم (شريط) على سطح منحني بأقرب ما يمكن دون شد الشريط أو ضغطه (دون تغيير شكله الهندسي الداخلي).

على سبيل المثال، عندما يُلف شريط على شكل حلقة حول مخروط، فإن الشريط لن يلامس سطح المخروط بل سيبرز منه، وبالتالي فإن الدائرة ليست خطًا جيوديسيًا على المخروط. أما إذا تم تعديل الشريط بحيث تلامس جميع أجزائه سطح المخروط، فإنه سيعطي تقريبًا خطًا جيوديسيًا.

رياضياً، يمكن صياغة اختبار الشريط على أنه إيجاد دالةو:شمال()S{\displaystyle f:N(\ell )\to S}في حيشمال{\displaystyle N}من خط{\displaystyle \ell }في مستوى داخل سطحS{\displaystyle S}بحيث يكون التخطيطو{\displaystyle f}"لا يغير المسافات حول{\displaystyle \ell }"بشكل كبير"؛ أي على مسافةε{\displaystyle \varepsilon }منل{\displaystyle l}لدينازشمال-و*(زS)=يا(ε2){\displaystyle g_{N}-f^{*}(g_{S})=O(\varepsilon ^{2})}أينزشمال{\displaystyle g_{N}}وزS{\displaystyle g_{S}}هي مقاييس علىشمال{\displaystyle N}وS{\displaystyle S}.

أمثلة على التطبيقات

على الرغم من طبيعتها الهندسية، فإن فكرة أقصر مسار عامة لدرجة أنها تجد استخدامًا واسع النطاق في جميع العلوم تقريبًا، وفي بعض التخصصات الأخرى أيضًا.

الطوبولوجيا ونظرية الزمر الهندسية

الاحتمالات والإحصاء والتعلم الآلي

الفيزياء

كيمياء

علم الأحياء

هندسة

تُستخدم الخطوط الجيوديسية كأساس لحساب ما يلي:

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. بالنسبة لنقطتين على الكرة ليستا متقابلتين، يوجد قوسان دائريان عظيمان بأطوال مختلفة يربطان بينهما، وكلاهما جيوديسي.
  2. 1 2 بالنسبة للمتشعب شبه الريماني ، على سبيل المثال، المتشعب اللورنتزي ، يكون التعريف أكثر تعقيدًا.
  3. المسار هو قيمة عظمى محلية للفترة k بدلاً من قيمة صغرى محلية.

مراجع

  1. "جيوديسي" . قاموس ليكسيكو الإنجليزي البريطاني . مطبعة جامعة أكسفورد . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16-03-2020.
  2. "جيوديسي" . قاموس Merriam-Webster.com . Merriam-Webster. OCLC 1032680871 . 
  3. ميتشل، ج.؛ ماونت، د.؛ باباديميتريو، س. (1987). "مسألة الجيوديسية المنفصلة" . مجلة SIAM للحوسبة . 16 (4): 647-668 . doi : 10.1137/0216045 .
  4. شين، س.-ك.؛ وانغ، ج.-ج. (2009). "تحسين خوارزمية تشين وهان في مسألة الجيوديسية المنفصلة". معاملات ACM في الرسومات . 28 (4): 104:1–104:8. doi : 10.1145/1559755.1559761 .
  5. كيميل، ر.؛ سيثيان، ج. أ. (1998). "حساب المسارات الجيوديسية على المشعبات" (ملف PDF) . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 95 (15): 8431-8435 . رمز Bibcode : 1998PNAS...95.8431K . doi : 10.1073/pnas.95.15.8431 . PMC 21092. PMID 9671694. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2022-10-09 .  
  6. ميمولي، ف.؛ سابيرو، ج. (2001). "الحساب السريع لدوال المسافة الموزونة والجيوديسيات على الأسطح الفائقة الضمنية". مجلة الفيزياء الحاسوبية . 173 (2): 730-764 . doi : 10.1006/jcph.2001.6910 .
  7. ميمولي، ف.؛ سابيرو، ج. (2005). "دوال المسافة والجيوديسيات على الفضاءات الفرعية من R d والسحب النقطية". مجلة SIAM للرياضيات التطبيقية . 65 (4): 1227-1260 . doi : 10.1137/S003613990342877X .
  8. كرين، ك.؛ فايشيدل، س.؛ واردتزكي، م. (2017). "طريقة الحرارة لحساب المسافة" . اتصالات رابطة مكائن ​​الحوسبة . 60 (11): 90-99 . doi : 10.1145/3131280 . S2CID 7078650 . 
  9. Vsauce (2017-11-02). أي اتجاه هو الأسفل؟ . تم الاسترجاع في 2025-03-26 عبر يوتيوب.
  10. أغيلار-موغاس، أنطوني؛ خيمينيز، خافيير؛ بوفيل، جوزيب ماريا (14 مارس 2008). "إيجاد مسارات التفاعل باستخدام طاقة الوضع كإحداثية للتفاعل". مجلة الفيزياء الكيميائية . 128 (10): 104102. doi : 10.1063/1.2834930 . ISSN 0021-9606 . PMID 18345872 .  
  11. هايت، ديبتاركا؛ إسترادا بابون، جان د.؛ ستور، مارتن؛ مارتينيز، تود ج. (25-11-2025). "تحديد حالات الانتقال الأولية عبر بناء جيوديسي على أسطح طاقة كامنة مُتعلمة آليًا". مجلة نظرية الحساب الكيميائي . 21 (22): 11632-11644 . arXiv : 2507.17968 . doi : 10.1021/acs.jctc.5c01221 . ISSN 1549-9626 . PMID 41190940 .  
  12. ديبيفين، ويليم؛ إستيف-ياغوي، كارلوس؛ ليلمان، يان؛ أوكتيم، أوزان؛ شونليب، كارولا-بيبيان (13 أغسطس 2024). " الهندسة الريمانية لتحليل بيانات ديناميكيات البروتين بكفاءة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 121 (33) e2318951121. doi : 10.1073/pnas.2318951121 . ISSN 1091-6490 . PMC 11331106. PMID 39121160 .   
  13. نيلسون، بيتر د.؛ نيلسون، ميغان د.؛ باي، روبن ت. (2015-12-01). "نظرية هندسية ريمانية لحركة الإنسان: فرضية التآزر الجيوديسي" . علم حركة الإنسان . 44 : 42-72 . doi : 10.1016/j.humov.2015.08.010 . ISSN 0167-9457 . PMID 26302481 .  
  14. بيشكوف، كوسيو؛ تيسينغا، بول (2022-02-01). "المسافة القائمة على الجيوديسية تكشف عن خصائص طوبولوجية غير خطية في النشاط العصبي من القشرة البصرية للفأر" . علم التحكم الآلي البيولوجي . 116 (1): 53-68 . doi : 10.1007/s00422-021-00906-5 . ISSN 1432-0770 . PMID 34816322 .  
  15. زانوتي، جوزيبي؛ غيرا، كونشيتينا (16 يناير 2003). "هل يُعدّ مفهوم التنسيغريتي مفهومًا موحدًا لطيات البروتين؟" . رسائل FEBS . 534 (1): 7-10 . Bibcode : 2003FEBSL.534....7Z . doi : 10.1016/S0014-5793(02)03853-X . ISSN 0014-5793 . PMID 12527354 .  
  16. ^ كلاسين، فيليز؛ كروننبرج ، روبرت (10 مارس 2006). البيئات القابلة للنقل 3 . تايلور وفرانسيس. ص. 175. ردمك  978-1-134-28879-3.
  • سبيفاك، مايكل (1999)، مقدمة شاملة في الهندسة التفاضلية (المجلد 2) ، هيوستن، تكساس: دار النشر Publish or Perish، رقم ISBN 978-0-914098-71-3

للمزيد من القراءة