Теорема сравнения Топоногова — классическая теорема римановой геометрии в целом.

В двумерном случае теорема была доказана Паоло Пиццетти . Однако его работа оставалась незамеченной целый век. Теорема была независимо передоказана Александром Даниловичем Александровым и обобщена Виктором Андреевичем Топоноговым на старшие размерности. Она послужила отправной точкой в развитии Александровской геометрии ограниченной снизу кривизны .

Вводные определения

Пусть ${\displaystyle M}$ — полное риманово многообразие размерности хотя бы 2 и с секционной кривизной не меньше некоторой константы ${\displaystyle \kappa }$ .

Обозначим через ${\displaystyle \mathbb {M} _{\kappa }}$ модельную плоскость кривизны ${\displaystyle \kappa }$ . При ${\displaystyle \kappa =0}$ это евклидова плоскость, при ${\displaystyle \kappa >0}$ , ${\displaystyle \mathbb {M} _{\kappa }}$ изометрично поверхности сферы радиуса ${\displaystyle {\tfrac {1}{\sqrt {\kappa }}}}$ и при ${\displaystyle \kappa <0}$ , ${\displaystyle \mathbb {M} _{\kappa }}$ есть плоскость Лобачевского кривизны ${\displaystyle \kappa }$ .

Треугольником в ${\displaystyle M}$ называется тройка кратчайших соединяющие попарно три точки. При этом каждая из трёх точек называется вершиной треугольнка, а величина угла между парой исходящих из вершины кратчайших называется углом при этой вершине.

Пусть ${\displaystyle \triangle }$ есть треугольник в ${\displaystyle M}$ . Предположим в ${\displaystyle \mathbb {M} _{\kappa }}$ существует треугольник ${\displaystyle {\tilde {\triangle }}_{\kappa }}$ , с равными соответствующими сторонами и при этом такой треугольник ${\displaystyle {\tilde {\triangle }}_{\kappa }}$ является единственным с точностью до конгруэнтности. В этом случае треугольник ${\displaystyle {\tilde {\triangle }}_{\kappa }}$ называется модельным треугольником треугольника ${\displaystyle \triangle }$ в ${\displaystyle M}$ .

Заметим, что модельный треугольник ${\displaystyle {\tilde {\triangle }}_{\kappa }}$ всегда определён в случае если ${\displaystyle \kappa \leqslant 0}$ . В случае если ${\displaystyle \kappa >0}$ , это верно если периметр ${\displaystyle \triangle }$ строго меньше ${\displaystyle 2\cdot \pi /{\sqrt {\kappa }}}$ .

Пусть ${\displaystyle \triangle {\tilde {x}}{\tilde {y}}{\tilde {z}}}$ в ${\displaystyle \mathbb {M} _{\kappa }}$ есть модельный треугольник ${\displaystyle \triangle xyz}$ в ${\displaystyle M}$ . Определим модельный угол ${\displaystyle {\tilde {\measuredangle }}_{\kappa }xyz}$ как угловую меру ${\displaystyle \measuredangle {\tilde {x}}{\tilde {y}}{\tilde {z}}}$ .

Формулировка

Теорема. Пусть ${\displaystyle M}$ — полное риманово многообразие размерности хотя бы 2 и с секционной кривизной не меньше некоторой константы ${\displaystyle \kappa }$ . Тогда углы любого треугольника ${\displaystyle \triangle }$ в M не меньше соответствующих углов его модельного треугольника ${\displaystyle {\tilde {\triangle }}_{\kappa }}$ . Иначе говоря

${\displaystyle {\tilde {\measuredangle }}_{\kappa }xyz\leqslant \measuredangle xyz}$

для любого треугольника ${\displaystyle \triangle xyz}$ .

Следствия

• Предположим ${\displaystyle M}$ — полное риманово многообразие с неотрицательной секционной кривизной. Тогда для любой точки ${\displaystyle p\in M}$ , функция ${\displaystyle f(x)=|p-x|_{M}^{2}}$ является 2-вогнутой; то есть, для любой нормальной геодезической ${\displaystyle \gamma }$ функция ${\displaystyle t\mapsto f\circ \gamma (t)-t^{2}}$ является вогнутой.

Вариации и обобщения

• Обратная теорема также верна, то есть если сравнение углов верно для любого треугольника в римановом многообразии ${\displaystyle M}$ то ${\displaystyle M}$ имеет кривизну хотя бы ${\displaystyle \kappa }$ .

• Для каждой точки ${\displaystyle x}$ на стороне треугольника ${\displaystyle \triangle }$ , обозначим через ${\displaystyle {\tilde {x}}}$ соответственную точку на стороне ${\displaystyle {\tilde {\triangle }}\kappa }$ . Тогда утверждение теоремы эквивалентно выполнению следующего неравенства

  ${\displaystyle |{\tilde {x}}-{\tilde {y}}|_{\mathbb {M} _{\kappa }}\leqslant |x-y|_{M}}$

где ${\displaystyle |x-y|_{M}}$ обозначает расстояние между точками ${\displaystyle x}$ и ${\displaystyle y}$ в римановом многообразии ${\displaystyle M}$ .

• Утверждение теоремы эквивалентно выполнению следующего неравенства

  ${\displaystyle {\tilde {\measuredangle }}_{\kappa }xpy+{\tilde {\measuredangle }}_{\kappa }ypz+{\tilde {\measuredangle }}_{\kappa }zpx\leqslant 2\cdot \pi }$

для произвольной четвёрки точек ${\displaystyle p,x,y,z\in M}$

• Теорема Топоногова даёт полное описание метрических пространств, которые изометричны четырёточечным подмножествам полного риманова многообразия с неотрицательной кривизной.
  • Известно аналогичное описание пятиточечных подмножеств.

См. также

• Теорема сравнения Рауха

Литература

• Громол Д., Клингенберг В., Мейер В., Риманова геометрия в целом, Мир, 1971, с. 343.
• Бураго Ю.Д., Залгаллер В.А. Введение в риманову геометрию. — Санкт-Петербург: Наука, 1994. — ISBN 5-02-024606-9 .

Ссылки