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解法:佩雷尔曼的带手术里奇流(2002–2003年),概要版

第 1/9 步:汉密尔顿的里奇流纲领
通俗地说

给形状古怪的金属板加热,温度会随时间趋于均匀。1982年,Richard Hamilton 提出对空间本身的形状做类似的事:让度量 gijg_{ij} 按类热方程 ∂tgij=−2Rij\partial_t g_{ij} = -2R_{ij} 演化,使正曲率的凸起收缩。

Hamilton 证明,若一个闭三维形状一开始处处具有正曲率,这个流会将其一路磨光成一个完美的圆球面。他所希望的是,对任意初始形状运行同一方程,最终都会显现出 Thurston 猜想每个三维流形都能分解成的那些几何构件。

∂tgij=−2Rij,∂tR=ΔR+2∣Ric⁡∣2\partial_t g_{ij} = -2R_{ij}, \qquad \partial_t R = \Delta R + 2|\operatorname{Ric}|^2
详细分析

Hamilton(1982)提议按 ∂tgij=−2Rij\partial_t g_{ij} = -2R_{ij} 演化闭流形上的黎曼度量 gijg_{ij}。在用调和映射热方程的解所生成的时变微分同胚拉回之后(de Turck 技巧),方程组变为严格抛物的——其主部是粗糙拉普拉斯算子 Δgij\Delta g_{ij}——从而在闭流形上给出短时间存在唯一性。曲率量按反应–扩散方程演化;对标量曲率有 ∂tR=ΔR+2∣Ric⁡∣2\partial_t R = \Delta R + 2|\operatorname{Ric}|^2,因此最大值原理使 min⁡MR\min_M R 沿流不减。

在三维情形,Hamilton 将张量最大值原理应用于 Rm\mathrm{Rm} 的演化,证明了 Ricci 张量的正性被保持,而且其无迹部分相对于 RR 受到夹挤:对某个 δ>0\delta>0 有 ∣Ric⁡˚∣≤CR1−δ|\mathring{\operatorname{Ric}}| \le C R^{1-\delta}。因此标量曲率大的区域渐近地变圆,再结合 Myers 的直径界,Ric⁡>0\operatorname{Ric}>0 的三维流形上的体积规范化流对所有时间存在,并光滑收敛到常正截面曲率度量——于是 M3M^3 是圆 S3S^3 的商。

Hamilton 纲领要对任意闭三维流形上的任意度量施加同一流,并从其长时间行为读出 Thurston 的几何分解,庞加莱猜想是单连通的特例。障碍在于对一般初始度量,∣Rm∣|\mathrm{Rm}| 可能在达到任何良好极限之前就爆破;因此要弄清流收敛到什么,依次需要爆破分析(下一步)、排除退化极限的机制,以及让流越过奇异时刻继续下去的办法。

本步骤中的术语
里奇流
沿自身里奇曲率方向形变度量的演化方程 ∂tgij=−2Rij\partial_t g_{ij} = -2R_{ij}。它使高正曲率区域收缩,如同热流使温度趋于均匀。
里奇曲率(Ric⁡\operatorname{Ric})
由黎曼流形曲率构造出的对称张量,大致衡量小球体积偏离欧氏值的程度;其迹为标量曲率 RR。
本步骤用到的知识