import Mathlib namespace OAI /-! # Smooth metrics, Jacobi fields, and the three-manifold existence statement. -/ noncomputable section open Set Manifold Bundle open scoped ContDiff namespace ThreeManifold abbrev E3 := Fin 3 โ†’ โ„ abbrev I3 := ๐“˜(โ„, E3) variable {M : Type} [TopologicalSpace M] [ChartedSpace E3 M] def OrientedAtlas : Prop := โˆ€ (c d : OpenPartialHomeomorph M E3), c โˆˆ atlas E3 M โ†’ d โˆˆ atlas E3 M โ†’ โˆ€ x โˆˆ c.target, c.symm x โˆˆ d.source โ†’ 0 < LinearMap.det (fderiv โ„ (d โˆ˜ c.symm) x).toLinearMap variable [IsManifold I3 โˆž M] abbrev SmoothMetric (M : Type) [TopologicalSpace M] [ChartedSpace E3 M] [IsManifold I3 โˆž M] := ContMDiffRiemannianMetric I3 โˆž E3 (fun x : M => TangentSpace I3 x) def basisVector (i : Fin 3) : E3 := Pi.single i 1 def metricMatrix (g : SmoothMetric M) (c : OpenPartialHomeomorph M E3) (x : E3) : Matrix (Fin 3) (Fin 3) โ„ := fun i j => g.inner (c.symm x) (mfderiv I3 I3 c.symm x (basisVector i)) (mfderiv I3 I3 c.symm x (basisVector j)) def coordPartial (f : E3 โ†’ โ„) (x : E3) (i : Fin 3) : โ„ := fderiv โ„ f x (basisVector i) def christoffel (g : SmoothMetric M) (c : OpenPartialHomeomorph M E3) (x : E3) (i j k : Fin 3) : โ„ := (1 / 2 : โ„) * โˆ‘ l : Fin 3, (metricMatrix g c x)โปยน i l * (coordPartial (fun y => metricMatrix g c y l k) x j + coordPartial (fun y => metricMatrix g c y l j) x k - coordPartial (fun y => metricMatrix g c y j k) x l) def connectionTerm (g : SmoothMetric M) (c : OpenPartialHomeomorph M E3) (x u v : E3) : E3 := fun i => โˆ‘ j : Fin 3, โˆ‘ k : Fin 3, christoffel g c x i j k * u j * v k def curvatureCoefficient (g : SmoothMetric M) (c : OpenPartialHomeomorph M E3) (x : E3) (l k i j : Fin 3) : โ„ := coordPartial (fun y => christoffel g c y l j k) x i - coordPartial (fun y => christoffel g c y l i k) x j + โˆ‘ a : Fin 3, (christoffel g c x l i a * christoffel g c x a j k - christoffel g c x l j a * christoffel g c x a i k) def curvatureTerm (g : SmoothMetric M) (c : OpenPartialHomeomorph M E3) (x u v w : E3) : E3 := fun l => โˆ‘ k : Fin 3, โˆ‘ i : Fin 3, โˆ‘ j : Fin 3, curvatureCoefficient g c x l k i j * w k * u i * v j def NonpositiveSectionalCurvature (g : SmoothMetric M) : Prop := โˆ€ (c : OpenPartialHomeomorph M E3), c โˆˆ atlas E3 M โ†’ โˆ€ x โˆˆ c.target, โˆ€ u v : E3, (โˆ‘ i : Fin 3, โˆ‘ j : Fin 3, metricMatrix g c x i j * curvatureTerm g c x u v v i * u j) โ‰ค 0 def alongDerivative (g : SmoothMetric M) (c : OpenPartialHomeomorph M E3) (x w : โ„ โ†’ E3) (s : โ„) : E3 := deriv w s + connectionTerm g c (x s) (deriv x s) (w s) def IsGeodesicOn (g : SmoothMetric M) (ฮณ : โ„ โ†’ M) (U : Set โ„) : Prop := ContMDiffOn ๐“˜(โ„, โ„) I3 โˆž ฮณ U โˆง โˆ€ (c : OpenPartialHomeomorph M E3), c โˆˆ atlas E3 M โ†’ โˆ€ s โˆˆ U, ฮณ s โˆˆ c.source โ†’ alongDerivative g c (c โˆ˜ ฮณ) (deriv (c โˆ˜ ฮณ)) s = 0 def fieldCoordinates (ฮณ : โ„ โ†’ M) (J : โˆ€ s, TangentSpace I3 (ฮณ s)) (c : OpenPartialHomeomorph M E3) (s : โ„) : E3 := mfderiv I3 I3 c (ฮณ s) (J s) def IsJacobiFieldOn (g : SmoothMetric M) (ฮณ : โ„ โ†’ M) (J : โˆ€ s, TangentSpace I3 (ฮณ s)) (U : Set โ„) : Prop := โˆ€ (c : OpenPartialHomeomorph M E3), c โˆˆ atlas E3 M โ†’ ContDiffOn โ„ โˆž (fieldCoordinates ฮณ J c) (U โˆฉ ฮณ โปยน' c.source) โˆง โˆ€ s โˆˆ U, ฮณ s โˆˆ c.source โ†’ alongDerivative g c (c โˆ˜ ฮณ) (alongDerivative g c (c โˆ˜ ฮณ) (fieldCoordinates ฮณ J c)) s + curvatureTerm g c (c (ฮณ s)) (fieldCoordinates ฮณ J c s) (deriv (c โˆ˜ ฮณ) s) (deriv (c โˆ˜ ฮณ) s) = 0 def NoConjugatePoints (g : SmoothMetric M) : Prop := โˆ€ (U : Set โ„), IsOpen U โ†’ OrdConnected U โ†’ โˆ€ (ฮณ : โ„ โ†’ M), IsGeodesicOn g ฮณ U โ†’ โˆ€ (J : โˆ€ s, TangentSpace I3 (ฮณ s)), IsJacobiFieldOn g ฮณ J U โ†’ โˆ€ a โˆˆ U, โˆ€ b โˆˆ U, a โ‰  b โ†’ J a = 0 โ†’ J b = 0 โ†’ โˆ€ s โˆˆ U, J s = 0 def MainStatement : Prop := โˆƒ (M : Type) (top : TopologicalSpace M), letI := top โˆƒ (_ : T2Space M) (_ : SecondCountableTopology M) (_ : CompactSpace M) (_ : ConnectedSpace M) (charts : ChartedSpace E3 M), letI := charts โˆƒ (smooth : IsManifold I3 โˆž M), letI := smooth OrientedAtlas (M := M) โˆง (โˆƒ g : SmoothMetric M, NoConjugatePoints g) โˆง ยฌ โˆƒ g : SmoothMetric M, NonpositiveSectionalCurvature g end ThreeManifold end end OAI