MathLabs

解法: ペレルマンの手術付きリッチ流(2002–2003年)・要約版

ステップ 1/9: ハミルトンのリッチ流プログラム
ざっくり言うと

奇妙な形の金属板を熱すると、時間とともに温度が均されていく。1982年、Richard Hamilton はこれと同じことを空間そのものの形に対して行うことを提案した:計量 gijg_{ij} を熱方程式型の式 ∂tgij=−2Rij\partial_t g_{ij} = -2R_{ij} に従って発展させ、正の曲率を持つ隆起を縮小させる。

Hamilton は、閉じた3次元の形が最初からいたるところ正の曲率を持つならば、この流れがそれを完全な丸い球面まで滑らかにしていくことを証明した。彼が望んだのは、任意の初期形状に同じ方程式を走らせれば、Thurston がすべての3次元多様体はそこへ分解されると予想した幾何学的な構成要素が最終的に明らかになることだった。

∂tgij=−2Rij,∂tR=ΔR+2∣Ric⁡∣2\partial_t g_{ij} = -2R_{ij}, \qquad \partial_t R = \Delta R + 2|\operatorname{Ric}|^2
詳しい解説

Hamilton(1982年)は任意のリーマン計量 gijg_{ij} を3次元閉多様体 M3M^3 上で方程式 ∂tgij=−2Rij\partial_t g_{ij} = -2R_{ij} に従って発展させることを提案した。ここで RijR_{ij} はリッチ曲率テンソルである。この流れのもとでスカラー曲率 RR は反応拡散方程式 ∂tR=ΔR+2∣Ric⁡∣2\partial_t R = \Delta R + 2|\operatorname{Ric}|^2 を満たすため、最大値原理によりその最小値は時間に関して非減少である。

テンソルに対する最大値原理を用いて、Hamilton はこの流れが次元3でリッチテンソルの正値性を保つこと、そして Ric⁡>0\operatorname{Ric} > 0 が初期時刻で成り立つならば、(体積正規化した)流れは全時間存在して定正曲率の計量に滑らかに収束すること、したがって M3M^3 が丸い球面 S3S^3 の商であることを Hamilton は証明した。

Hamilton のプログラムは、この収束結果を任意の閉3次元多様体上の任意の初期計量に拡張することであり、それに得られうる結果の位相的分類を組み合わせれば、Thurston の幾何化予想、および単連結という特別な場合であるポアンカレ予想が証明されるはずだった。次のステップから扱う障害は、一般の計量に対しては、流れがそのような良い極限に達する前に有限時間で特異点を生じうるという点である。

このステップの用語
リッチ流
計量をそれ自身のリッチ曲率の方向に変形させる発展方程式 ∂tgij=−2Rij\partial_t g_{ij} = -2R_{ij}。正の曲率が高い領域を、熱流が温度を均すのと同じように収縮させる。
リッチ曲率(Ric⁡\operatorname{Ric})
リーマン多様体の曲率から作られる対称テンソルで、大まかに言えば小さな球の体積がユークリッド的な値からどれだけずれるかを測る。そのトレースがスカラー曲率 RR である。
このステップで使う知識