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Riemannsche Geometrie

1854
  • Bernhard Riemann
Studium der Riemannschen Geometrie mit antikem Schreibtisch und Pergamentpapier.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Die Riemannsche Geometrie ist der Zweig der Differentialgeometrie, der sich mit Riemannschen Mannigfaltigkeiten befasst – glatten Mannigfaltigkeiten mit einer Riemannschen Metrik. Diese Metrik ist eine Sammlung von inneren Produkten auf den Tangentialräumen, die von Punkt zu Punkt gleichmäßig variieren. Sie ermöglicht die Definition lokaler geometrischer Begriffe wie Winkel, Kurvenlänge, Oberfläche und Volumen, was zu einem verallgemeinerten Krümmungsbegriff führt.

Die Riemannsche Geometrie, eingeführt in Bernhard Riemanns Vorlesung „Über die Hypothesen, die den Grundlagen der Geometrie zugrunde liegen“ von 1854, verallgemeinert Gauß’ Flächentheorie auf beliebige Dimensionen. Das zentrale Objekt ist eine Riemannsche Mannigfaltigkeit, die eine differenzierbare Mannigfaltigkeit Dabei ist jeder Tangentialraum [latex]T_p M[/latex] an einem Punkt [latex]p[/latex] mit einem Skalarprodukt [latex]g_p[/latex], der sogenannten Riemannschen Metrik, ausgestattet. Diese Metrik muss sich stetig ändern, wenn [latex]p[/latex] sich über die Mannigfaltigkeit ändert.

Der metrische Tensor g ermöglicht die Messung der Länge von Tangentenvektoren und des Winkels zwischen ihnen. Folglich lässt sich die Länge einer Kurve durch Integration ihres Geschwindigkeitsvektors bestimmen. Der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten wird als Geodäte bezeichnet; er verallgemeinert den Begriff der „Geraden“ auf gekrümmte Räume. Die Abweichung der Geodäten voneinander gibt die Krümmung der Mannigfaltigkeit an.

Die vollständige Beschreibung der Krümmung in der Riemannschen Geometrie wird durch den Riemannschen Krümmungstensor [latex]R(u, v)w[/latex] erfasst. Dieser Tensor ist eine multilineare Abbildung, die quantifiziert, inwieweit die kovariante Ableitung nicht kommutiert. Er enthält alle intrinsischen geometrischen Informationen der Mannigfaltigkeit und verallgemeinert den einzelnen Wert der Gaußschen Krümmung für Flächen. Kontraktionen des Riemannschen Tensors liefern weitere wichtige Krümmungsmaße wie den Ricci-Tensor und die Skalarkrümmung, die für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie von zentraler Bedeutung sind.

UNESCO Nomenclature: 1204
- Geometrie

Typ

Abstraktes System

Störung

Revolutionär

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Gaußsche Oberflächentheorie (Disquisitiones generales circa superficies curvas)
  • Nichteuklidische Geometrien von Lobatschewski und Bolyai
  • Entwicklung der Tensorrechnung durch Ricci-Curbastro und Levi-Civita
  • Konzept einer Mannigfaltigkeit

Anwendungen

  • Allgemeine Relativitätstheorie (Raumzeit ist eine pseudo-riemannsche Mannigfaltigkeit)
  • Datenwissenschaft (Manifold-Learning-Techniken)
  • Robotik (Bewegungsplanung in Konfigurationsräumen)
  • Geodäsie (Modellierung der Erdform)
  • Computer Vision (Formanalyse)

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • designing ai algorithms that learn the “shape” of data to improve classification and regression tasks
  • Entwicklung fortschrittlicher Navigationssysteme für autonome Fahrzeuge, die in komplexen, dynamischen Umgebungen operieren
  • Entwicklung neuer kosmologischer Modelle zur Erklärung von Dunkler Materie und Dunkler Energie durch Veränderung der Raumzeitgeometrie
  • Entwicklung neuartiger Metamaterialien mit maßgeschneiderten Brechungsindizes basierend auf Riemannschen Prinzipien
  • Entwicklung realistischerer Physik-Engines für Simulationen und Videospiele, die gekrümmte Räume verarbeiten
  • Analyse von Daten zur Gehirnkonnektivität (Konnektomik) durch Modellierung des Gehirns als komplexe Mannigfaltigkeit
  • improving statistical methods for shape analysis in medizinische Bildgebung and computational anatomy
  • creating quantum computing algorithms that leverage the geometry of the state space (Hilbert space)
Verwandt mit: Riemannscher Mannigfaltigkeit, metrischem Tensor, Tangentialraum, Krümmung, Geodäte, allgemeiner Relativitätstheorie, Riemann, Skalarprodukt.

Historischer Kontext

Riemannsche Geometrie

1828
1848
1850
1854
1884
1896
1900
1827
1829
1850
1854
1854
1895
1899
1900

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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