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Geometria Riemanniana

1854
  • Bernhard Riemann
Studio della geometria riemanniana con antica scrivania e carta pergamena.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

La geometria riemanniana è la branca della geometria differenziale che studia le varietà riemanniane, ovvero varietà lisce dotate di una metrica riemanniana. Questa metrica è un insieme di prodotti scalari sugli spazi tangenti, che variano in modo uniforme da punto a punto. Permette la definizione di nozioni geometriche locali come angolo, lunghezza delle curve, area superficiale e volume, portando a una nozione generalizzata di curvatura.

La geometria riemanniana, introdotta nella conferenza del 1854 di Bernhard Riemann "Sulle ipotesi che sono alla base della geometria", generalizza la teoria delle superfici di Gauss a un numero qualsiasi di dimensioni. L'oggetto chiave è una varietà riemanniana, che è una varietà differenziabile dove ogni spazio tangente [latex]T_p M[/latex] in un punto [latex]p[/latex] è dotato di un prodotto scalare [latex]g_p[/latex], chiamato metrica riemanniana. Questa metrica deve variare in modo continuo al variare di [latex]p[/latex] sulla varietà.

Il tensore metrico g permette di misurare la lunghezza dei vettori tangenti e l'angolo tra di essi. Di conseguenza, è possibile definire la lunghezza di una curva integrando la lunghezza del suo vettore velocità. Il percorso più breve tra due punti è chiamato geodetica, che generalizza il concetto di "linea retta" agli spazi curvi. La deviazione delle geodetiche l'una dall'altra rivela la curvatura della varietà.

La descrizione completa della curvatura nella geometria riemanniana è catturata dal tensore di curvatura di Riemann, [latex]R(u, v)w[/latex]. Questo tensore è una mappa multilineare che quantifica la misura in cui la derivata covariante non commuta. Contiene tutte le informazioni geometriche intrinseche della varietà e generalizza il singolo valore della curvatura gaussiana per le superfici. Le contrazioni del tensore di Riemann producono altre importanti misure di curvatura come il tensore di Ricci e la curvatura scalare, che sono centrali nella teoria della relatività generale di Einstein.

UNESCO Nomenclature: 1204
- Geometria

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Teoria delle superfici di Gauss (Disquisitiones generales circa superficies curvas)
  • Geometrie non euclidee di Lobachevsky e Bolyai
  • Sviluppo del calcolo tensoriale di Ricci-Curbastro e Levi-Civita
  • Concetto di varietà

Applicazioni

  • teoria generale della relatività (lo spaziotempo è una varietà pseudo-riemanniana)
  • scienza dei dati (tecniche di apprendimento multiple)
  • robotica (pianificazione del movimento in spazi di configurazione)
  • geodesia (modellazione della forma della Terra)
  • visione artificiale (analisi della forma)

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • designing ai algorithms that learn the “shape” of data to improve classification and regression tasks
  • creazione di sistemi di navigazione avanzati per veicoli autonomi che operano in ambienti complessi e dinamici
  • sviluppare nuovi modelli cosmologici per spiegare la materia oscura e l'energia oscura modificando la geometria dello spaziotempo
  • progettazione di nuovi metamateriali con indici di rifrazione personalizzati basati sui principi riemanniani
  • costruire motori fisici più realistici per simulazioni e videogiochi che gestiscono spazi curvi
  • analisi dei dati sulla connettività cerebrale (connettomica) modellando il cervello come una varietà complessa
  • improving statistical methods for shape analysis in diagnostica per immagini and computational anatomy
  • creating quantum computing algorithms that leverage the geometry of the state space (hilbert space)
Argomenti correlati: varietà riemanniana, tensore metrico, spazio tangente, curvatura, geodetica, relatività generale, riemann, prodotto scalare.

Contesto storico

Geometria Riemanniana

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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