流形构造

作者&投稿:房卸 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
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流形的构造方法多样,每个方法都侧重于揭示流形的不同特性。首先,考虑最基础的构造——通过图册在R2中的子集来构建流形,如圆面。我们选取R3的一个子集——球面,作为二维流形的例子。


①带图册的球面

球面可以用类似圆面的方法处理,作为R3的一部分,每个二维坐标图映射球面的一部分到R2的开子集。例如,北半球(带正z坐标)通过函数χ(x,y,z) = (x,y)投影到单位圆盘。这样的构造可以扩展到高维球面,通过将碎片以兼容方式粘合,形成一个覆盖整个球面的图册,如6个坐标图的组合。


流形还可以通过贴补构造,即把碎片(如球面的碎片)通过相容的方式粘合起来,形成一个整体,这样的构造强调的是流形本身的内在结构,而不涉及外部空间。这种内在的观点在微分和黎曼流形中尤其重要,因为它们关注的是坐标图所提供的贴片,而非外部维度。


在流形构造中,每个点被视为一组通过变换映射映射到同一点的坐标点的等价类。例如,通过t = 1/s的变换,两个拷贝的直线被粘合在一起,形成一个圆圈,展示了流形如何通过变换映射来定义。


①内在和外在观点
流形的构造方式有两种,外在和内在。外在构造是将流形嵌入欧氏空间,如球面视为R3的一部分,这提供直观的结构,如切向量的定义。然而,内在构造(如贴补构造)则不依赖于嵌入,更关注流形本身的拓扑结构,虽然直观性较差,但更直接揭示了流形的本质。


以n维球面为例,Sn通过Rn的两个拷贝粘合而成,通过光滑函数定义变换,形成光滑流形。n维球面还可以通过函数零点集来构造,这使得流形自然嵌入欧氏空间,但并非所有流形都能如此表示。


②作为函数零点的n维球面
n维球面通过函数如x→‖x‖-1的零点定义,其雅戈比矩阵证明了它是微分流形。通过流形上的认同过程,不同点可以视为同一,有时会形成非流形,但特定条件下仍为流形,如通过群作用或边界粘合。


最后,流形的构造还包括直积和边界粘合,如有限圆柱面和克莱因瓶的形成,它们通过适当的微分同胚将不同的部分粘合在一起,形成具有特定拓扑和微分结构的流形。


扩展资料

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