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[微分流形与微分形式]

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数学中的微分拓扑学原理

数学中的微分拓扑学原理

数学中的微分拓扑学原理微分拓扑学是数学中一个重要的分支领域，它研究的是数学对象在微小变动下的连续性和变化规律。

微分拓扑学的原理广泛应用于多个领域，如物理学、工程学和经济学等。

本文将介绍微分拓扑学的基本原理及其应用。

一、微分拓扑学的基本概念和定义微分拓扑学是通过微分结构来研究拓扑空间上的性质。

在微分拓扑学中，我们关注的是拓扑空间中点的局部性质，而不是全局性质。

微分拓扑学引入了微分结构，使得我们可以通过微分运算来研究空间本身的性质。

微分拓扑学中的一个重要概念是流形，它是一种局部与欧几里德空间同胚的拓扑空间。

流形具有光滑的结构，可以通过微分运算来研究其性质。

微分拓扑学还包括微分形式、切向量场等概念，它们用于描述流形上的微分结构和变换规律。

二、微分拓扑学的基本原理1.微分同胚：微分拓扑学研究的一个重要问题是：如何判断两个流形是否有同样的微分结构？微分同胚是指两个流形之间存在一个双射，并且该双射及其逆映射都是光滑的。

微分同胚的存在与否决定了两个流形是否可以通过光滑映射相互转化。

微分拓扑学研究的另一个核心问题是：如何在流形上定义微分结构？微分结构包括切空间和切丛等概念，它们用于描述流形上的局部性质和变换规律。

切空间是流形上每个点的切向量所构成的空间，切丛则是切向量场所构成的丛空间。

3.微分流形上的微分形式：微分形式是微分拓扑学中的一个重要工具，它用于描述流形上的局部结构和变换规律。

微分形式通过外微分运算来定义，可以进行积分和微分运算。

微分形式在微分方程、黎曼几何等领域有广泛的应用。

三、微分拓扑学的应用领域微分拓扑学的原理和方法在多个领域有重要的应用，下面介绍其中几个典型的应用领域。

1.物理学中的微分拓扑学：微分拓扑学在物理学中有广泛的应用。

例如，在场论中，微分拓扑学可以用于描述场的演化规律和平滑性质。

在量子力学中，微分拓扑学可以研究量子态的结构和变换规律。

2.工程学中的微分拓扑学：微分拓扑学在工程学中也有重要的应用。

微分流形课程简介

微分流形课程简介

★★★★★《微分流形》课程简介06191040 微分流形 3Calculus on Manifolds 3-0预修课程：点集拓扑初步，数学分析，线性代数面向对象: 三、四年级本科生内容简介：本课程主要包括流形，切问题，张量与外微分形式等概念和一些主要定理，以及流形上的积分和Stokes定理。

通过对本课程的学习，可使学生掌握必要的现代数学基础知识，为学生进一步学习现代数学和近代理论物理，阅读科学论文，进行科学研究打下必要的基础。

选用教材或参考书：教材：白正国，沈一兵等编《黎曼几何初步》（前二章），高等教育出版社，1992-4.参考书：1.徐森林等编《流形》，高等教育出版社.2.米尔诺(Milnor,J.W.) 《从微分观点看拓扑》.3．斯皮瓦克(Spivak,M.) 《流形上的微积分》，科学出版社.4．James R. Munkres, 《Analysis on Manifolds》，Addison-Wesley PublishingCompany, 1991.《微分流形》教学大纲06191040 微分流形 3Calculus on Manifolds 3-0预修课程：点集拓扑初步，数学分析，线性代数面向对象: 三、四年级本科生一、教学目的和基本要求：随着近代科学的飞速发展，有关流形，张量及外微分形式，Stokes定理等较现代的知识不仅业已成为数学本身的最基本，最重要且最活跃的研究领域，而且在数学的其他分支中，在力学及物理学（特别是爱因斯坦的广义相对论及规范场论）中，已获得越来越广泛，深刻而富有成效的应用。

今天，流形理论象分析和代数学一样，已不只是某些大学数学系的必修课，而且业已成为其他有关学科的入门学科。

本课程属于大范围分析与几何范畴。

主要论述与流形有关的最重要，最基本的知识，包括流形，切向量，张量与外微分形式等概念和一些主要定理，以及流形上的积分和Stokes定理。

通过对本课程的学习，使学生掌握必要的现代数学基础知识，为学生进一步学习现代数学和近代理论物理，阅读科学论文，进行科学研究打下必要的基础。

微分拓扑学中的流形与微分结构

微分拓扑学中的流形与微分结构

微分拓扑学中的流形与微分结构微分拓扑学是数学中的一个重要分支，研究的是空间的连续变形性质。

而在微分拓扑学中，流形和微分结构是两个核心概念。

本文将介绍流形和微分结构的基本概念，并探讨它们在微分拓扑学中的重要性和应用。

一、流形的概念流形是微分拓扑学的基石，它描述了具有局部欧几里德空间性质的空间。

简单来说，流形就是局部上看起来像欧几里德空间的空间。

流形可以是有限维的，也可以是无限维的。

在数学中，流形可以用拓扑学的语言来定义。

一个n维流形是一个拓扑空间，满足以下两个条件：1. 第一可数公理：每个点都有一个可数的邻域基;2. 每个点的邻域与欧几里德空间中的开集同胚。

简单来说，一个流形是一个具有拓扑结构的空间，使得每个点都有一个与欧几里德空间同胚的邻域。

常见的流形包括球面、环面、多面体以及曲面等。

流形的研究使得我们能够更好地理解空间的性质，并且能够将许多问题归结为欧几里德空间中的问题。

二、微分结构的概念在流形上定义微分结构，即给流形上的每个点引入一个切空间。

切空间描述了流形上点的局部线性性质。

给定一个n维流形M上的点p，切空间TpM是一个与欧几里德空间R^n同构的向量空间。

切空间中的向量可以看作是流形上某点处的切向量。

切向量给出了该点上曲线的切线方向。

微分结构具有以下两个重要性质：1. 可微性：流形上的切向量是可微的，即在流形上定义的可微函数能够在切向量上取导数;2. 全局性：切向量的定义是相容的，即在流形上任意两个坐标系之间进行坐标变换时，切向量要满足一定的变换关系。

微分结构的引入使得我们能够在流形上引入微积分的概念，从而进行微分方程的研究。

微分结构对于描述流形上的曲线、曲面等几何对象的性质十分重要。

三、流形与微分结构的应用流形和微分结构在微分拓扑学中有着广泛的应用。

以下是一些具体的应用领域：1. 同伦论：同伦论研究的是空间的连续变形性质。

流形和微分结构提供了同伦论的基础，使得我们能够在流形上定义同伦等价关系，并研究其性质。

微分流形-微分形式和外微分

微分流形-微分形式和外微分

定义 4
p x
(
M
) 中的元素 p
i1
ai1
ip
ip dxi1
dxip ，称为 M 在 x 处的一个 p
次（外）微分形式（
p
-形式），
p x
(M
)
称为
p
-形式空间，又令
p
(M
)
p x
(M
)
，
xM
称为 p -形式丛.
微分形式与外微分
定义 5 设对每点 x M 给定一个 p -形式 p (x) ，称映射 p : M p (M ) ，为流 形上的 p -形式场.
微分形式与外微分
n f (x)
函数 f (x) 可视为流形 M 上的 0-形式，微分后有 df (x)
i 1
xi
dxi ，若流形 M 上
的 p -形式
ai1 ip dxi1 dxip ，则定义其外微分如下：
i1 ip
d
dai1 ip dxi1
i1 ip
dxip
i1
ip
n j 1
线性空间上的张量和张量积
定义 2 设向量空间V ，基底是{ei ,i 1, 2, , n} ，V * 是V 的对偶空间，它有对偶基
{ei*, i 1, 2, , n}，构建双线性映射Vsr V * V * V V ，Vsr 里面的元素称为
r
s
r 阶 逆 变 ， s 阶 协 变 张 量 ， 简 称 (r, s) 型 张 量 ， 基 底 是 {ei1
为是反对称的，其中偶数个対换取正号，奇数个対换取负号.
协变张量的张量积、外积
例 设 V 是一个二维线性空间，取 M 的一个基底 {e1, e2} ，使得 e1e2 0 ，对于

数学中的流形与微分几何学

数学中的流形与微分几何学

数学中的流形与微分几何学数学中的流形和微分几何学是现代数学中非常重要的一个领域，它们不仅在纯数学研究中起着关键作用，也在物理学、工程学等应用科学领域有着广泛的应用。

本文将介绍流形和微分几何学的基本概念、发展历史以及一些应用，并探讨它们在数学和其他领域中的重要性。

1. 流形的基本概念流形是现代微分几何学的重要概念，它是指一个局部上同胚于欧几里德空间的拓扑空间。

换句话说，流形是一个具有局部欧几里德空间结构的空间。

流形可以是有限维的，也可以是无限维的，其中最著名的就是黎曼流形。

在数学中，流形通常用拓扑空间和微分结构来定义。

拓扑空间可以描述流形的一般性质，而微分结构则赋予流形更多几何性质。

通过这种方式，我们可以将抽象的流形与我们熟悉的欧几里德空间联系起来，从而更好地理解其性质和结构。

2. 微分几何学的基本概念微分几何学是研究流形上切丛、度量以及曲率等性质的数学分支。

它通过微积分和代数拓扑等方法研究流形上的函数、曲线、曲面等对象，并探讨它们之间的关系。

微分几何学主要关注流形上的切空间、黎曼度量、测地线以及李群等概念。

微分几何学在数学中有着广泛的应用，例如在爱因斯坦相对论中描述时空结构、在地图投影中处理地球表面的曲率以及在最优控制理论中最小路径规划等方面都有着重要作用。

它不仅帮助我们更好地理解现实世界中复杂的几何问题，也推动了数学理论的发展。

3. 流形与微分几何学的发展历史流形和微分几何学作为数学领域中重要的研究方向，其发展历史可以追溯到19世纪。

黎曼创立了黎曼几何，奠定了现代微分几何学的基础。

后来爱因斯坦运用了黎曼几何建立了广义相对论，开辟了时空几何研究新领域。

20世纪以来，微分几何学经历了长足发展，取得了许多重要成果。

例如庞加莱猜想、李群理论、仿射几何等都是微分几何学家们努力研究得出的成果，这些成果深刻影响了整个现代数学领域。

4. 数学中的应用和未来发展流形和微分几何学不仅在数学领域有着广泛应用，也在物理学、计算机科学、工程学等其他领域有着重要影响。

微分流形(下)

微分流形(下)
2 2 2 3
h
h
2 维叶状结构。这些球面在各点处的切平面产生 M 中的一个 2 维切子空间场。
8.1.B Frobenius 条件 流形 M 的每一个 h 维叶状结构，产生一个 h 维切子空间场 L 。反问题是，给定 M 上 一个 h 维切子空间场 L ，是否存在 M 的一个 h 维叶状结构，使得相应的 h 维切子空间场恰 巧就是 L ？若存在，称切子空间场 L 完全可积，称过 p 点的 h 维子流形为一个积分流形。 切子空间场 L 不一定完全可积。Frobenius 发现一组充分条件，保证 L 完全可积，即保证叶 状结构的存在性。 定义 设 L 为 m 维微分流形 M 上的一个 h 维切子空间场。称 L 满足 Frobenius 条件
h h
是 m 维向量空间 Tp M 的子空间。 当 p 取遍 M ， 它在 p 处的切空间 L p 是一个 h 维向量空间， 我们有 M 上一个 h 维切子空间场 L 。有的作者称此切子空间场为一个 h 维分布 ，见 Chevalley， 《Theory of Lie Groups》 。 例 同心球面族 f ( x, y, z ) x y z const. 填满 M {0} ，给出 M 的一个
, , X h 1 , X h 满足 Frobenius 条件 ( F ) ，因而有展式 故 X1
1 h 1 , X ] (a 1 ) a X h , [X X 1 a Xh
1 , h 1.
(1)
u 0 ， 往证 a 0 。事实上，当 1 , h 1 ，显然 X
h
h h h , X ] [ X 1 1[ f X , f X ] h h 1 1 f X ( f X ) f X ( f X ) h h 1 1 f f [ X , X ] f X ( f ) X f X ( f ) X .

周建伟微分几何讲义

周建伟微分几何讲义一、微分几何概述1.1 什么是微分几何微分几何是研究曲线、曲面及高维空间中的几何性质的数学分支。

它通过引入微分、积分和向量等工具，研究切向量、曲率、曲率线等概念，揭示了几何对象与微分方程之间的密切关系。

1.2 微分几何的应用领域微分几何在很多领域有广泛的应用，例如物理学中的广义相对论、机器学习中的降维算法、计算机图形学中的曲面建模等。

它为解决实际问题提供了数学工具和理论基础。

二、微分流形2.1 流形的定义流形是具有良好局部欧几里德结构的空间。

它可以用参数化局部坐标系来刻画，并且能够通过坐标变换进行衔接。

2.2 流形的分类根据维度的不同，流形可以分为一维曲线、二维曲面和高维流形。

高维流形的研究对于理解现实世界中的复杂结构具有重要意义。

2.3 流形上的切空间切空间是流形上每一点处切向量的集合，它与流形的局部变换相联系。

切空间的研究是微分几何的重要内容之一，可以用来描述曲线的切线、曲面的切平面等。

2.4 流形上的度量度量是流形上定义的一种距离概念，用于测量流形上两点之间的距离。

在微分几何中，度量可以用来定义曲线的长度、曲率等重要概念。

三、微分几何的基本概念3.1 曲率曲率是刻画流形弯曲程度的量度。

在一维曲线上，曲率即为曲线的弯曲程度；在二维曲面上，曲率包括高斯曲率和平均曲率等。

3.2 平行性平行性是流形上切向量平行的概念。

通过引入仿射联络，可以在流形上定义平行性的概念，从而研究平行移动、测地线等重要概念。

3.3 高斯-博内定理高斯-博内定理是微分几何中的重要定理之一。

它描述了曲面上的曲率和曲面内外几何关系之间的联系，对于研究曲面的性质具有重要意义。

3.4 微分形式微分形式是微分几何中的关键工具，用于描述切向量场和流形局部性质。

微分形式的引入使得微分几何与微分方程能够建立起联系。

四、微分几何的应用案例4.1 物理学中的应用微分几何在物理学中有广泛的应用，例如广义相对论中的时空曲率、黑洞的几何性质等。

微分流形的几何结构

微分流形的几何结构微分流形是数学中一个重要的概念，它在几何学、物理学、拓扑学等领域中有着广泛的应用。

本文将探讨微分流形的几何结构，从定义、性质和应用三个方面进行论述。

一、微分流形的定义微分流形是一种在局部上与欧几里德空间同胚的拓扑空间，具有光滑的结构。

在定义微分流形时，我们需要考虑流形的维度、光滑性和局部同胚等要素。

一个n维的微分流形可以用一个n维的参数方程来表示，在局部上可以与欧几里德空间同胚。

二、微分流形的性质1. 切空间：微分流形上的每一点都有一个与之对应的切空间，切空间是流形上切向量的集合。

切空间的维度与流形的维度相同，它描述了流形上点的局部几何性质。

2. 流形上的度量：微分流形上可以定义度量，用于测量流形上点之间的距离。

度量可以通过切空间上的内积来定义，从而引出度量张量和度量矩阵的概念。

3. 流形上的曲线：在微分流形上可以定义曲线，曲线是流形上的一条可微路径。

曲线可以通过单参数映射表示，它反映了流形上的局部几何性质。

三、微分流形的应用微分流形在数学和物理学中有广泛的应用。

以下是一些常见的应用领域：1. 几何学：微分流形为研究曲线、曲面和高维流形提供了有力的工具。

它的理论框架为研究流形的拓扑性质提供了便利。

2. 物理学：微分流形在相对论和场论中起到重要的作用。

它提供了描述时空结构和物理现象的数学语言，为物理学家研究宇宙和粒子交互等问题提供了便利。

3. 机器学习：微分流形在机器学习和模式识别中有着广泛的应用。

通过将数据嵌入到流形空间中，可以降低数据的维度并提取出更有效的特征。

4. 计算机图形学：微分流形在计算机图形学中用于表达和处理复杂的几何形状。

通过对流形的离散化和参数化，可以实现对曲面和形状的建模和渲染。

综上所述，微分流形是一个重要的数学概念，它在几何学、物理学和计算机科学等领域中都有广泛的应用。

微分流形的几何结构包括切空间、度量和曲线等，这些性质描述了流形上的局部几何性质。

通过研究微分流形的几何结构，我们可以更好地理解和应用这一概念。

微分流形,第1章

V 上全体线性函数,配上线性运算，成为一个新的向量空间，称为V 的对偶空间，记为V ∗ 。 V ∗ 的元素α ，即V 上的线性函数，称为余向量 (covector)。引进配对符号：< v,α >= α (v) ，
则上述两组线性关系可以写为对称形式：
< λu + μv,α >= λ < u,α > +μ < v,α >; < v, λα + μβ >= λ < v,α > +μ < v, β > .
由此得一双线性函数：
< ⋅,⋅ >: V ×V ∗ → , < v,α >= α (v) 。
1.1.B 基与对偶基。设V 为 m 维向量空间，{δi} 是它的一组基。则每一向量 v 可展为： v = v1δ1 + ... + vmδm = viδi ；
最后一式中用了 Einstein 求和约定：出现重复的上下指标时，对指标的定义域求和。今后将
定理：设V 是 m 维向量空间，{δ1,L,δm}是一组基。则对偶空间V ∗ 也是 m 维向量空 间，相应的坐标函数{δ 1,L,δ m}是它的一组基，称为{δ1,L,δm}的对偶基。
证明：δ 1,L,δ m 线性无关。事实上，设 c1δ 1 +L + cmδ m = 0 ；作用于 δi ，由双正交关 系，得 ci = 0 。现证完备性。取V ∗ 中任一余向量α ，作用于任意一个向量 v ：
L(α ) = L1α1 +L + Lmαm 。 构造V 中的向量 v = L1δ1 +L + Lmδm 。我们有
f (v)(α ) =< v,α >= L1α1 +L + Lmαm = L(α ) 。 因此 f (v) = L 。线性映射 f 既单且满，故为线性同构。

[微分流形与微分形式]

T 称为 X 的一个拓扑结构, 这时可以将拓扑空间 X 记为{X ,T}. 显
然一个集合上可以有各种不同的拓扑结构.
对于一个拓扑空间 X , 我们将 X 中开集的余集称为闭集. 由开 集满足的性质不难得到闭集满足 1). X 和空集φ 都是闭集; 2). 任意
有限个多个闭集的并是闭集; 3). 任意多个闭集的交是闭集.
M 称为光滑流形.
142
设 M 是 n -维微分流形, {Uα }α∈A 和ϕα :Uα → Oα 分别是上面定
义中给出的覆盖和映射, 设 p ∈Uα ,ϕα ( p) = (xα1 ( p), , xαn ( p)) , 则
称{Uα }α∈A 为 M 的坐标覆盖, 称 (xα1 ( p), , xαn ( p)) 为 p 点的局部坐
开集 O1 , 使得 f (O1) ⊂ O2 . 称映射 f 在 X1 上连续, 如果 f 在 X1 的
每一点都是连续的. 不难验证 f : X1 → X 2 连续的充分必要条件是对
于 X 2 中 的任 意开 集 O2 , f −1(O2 ) 都 是 X1 中 的 开集 . 例 如, 如 果
{S,T (S)} 是拓扑空间 X 的子空间, 则映射 I : S → X , I ( p) = p 是连
n=1,2,
有可数基.
显然, 如果拓扑空间 X 具有可数基, 则 X 的任意子空间也有可
数基, 因而特别的, Rn 中的子空间都有可数基.
例 5: 令 X 为[0,1]中所有点构成的集合, 并按上面例 1, 将其所有 子集都作为开集, 这时, X 的每一个点都是 X 的开集, 而 X 的点是 不可数集, 因而 X 无可数基.
在实数的极限理论中, 序列{xn} 趋于 x0 可以表示为对于包含 x0
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第七章 微分流形
这一章我们将讨论怎样将微积分的理论推广到更一般的空间上, 我们将给出微分流形的定义，讨论外代数, 微分形式和外微分, 并在微 分流形上定义积分，研究推广的 Stokes 定理. 我们的目的一方面是对 微积分的理论进行一些总结, 使读者能够更好的理解前面学过的定理 及定理所需的条件, 另一方面也为读者介绍一些现代数学的基本概念, 研究对象和研究方法. 需要说明的是下面讨论中我们并不追求定义和 定理的广泛性, 但我们希望用到的概念和定理在本书中都能找到.
定了一个拓扑同胚
ϕα :Uα → Oα ,
使得 Oα ⊂ Rn 是 Rn 中区域, 满足当Uα ∩Uβ ≠ φ 时, 映射
ϕα ϕβ−1 :ϕβ (Uα ∩Uβ ) → ϕα (Uα ∩Uβ )
是 Rn 中区域ϕβ (Uα ∩Uβ ) 到ϕα (Uα ∩Uβ ) 的 C r 的微分同胚. 在上面定义中, 如果 r = 0 , 则 M 称为拓扑流形; 如果 r = ∞ , 则
证明留给读者作为练习. 为了推广连续函数的介值定理, 我们需要对空间加上连通的条件.
定义 拓扑空间 X 称为连通的, 如果不存在 X 的两个非空开集 O1, O2 , 使得 X = O1 ∪ O2 ,而 O1 ∩ O2 = φ . X 的子集合 S ⊂ X 称为
连通的, 如果不存在 X 的两个非空开集 O1, O2 , 使得
证明: 反证法. 设 f (S) 在 X2 中不连通, 则存在 X2 的非空开集 O1, O2 , 使得
f (S) = {O1 ∩ f (S)}∪{O2 ∩ f (S)}, , 而 O1 ∩ f (S) ≠ φ,O2 ∩ f (S) ≠ φ
{O1 ∩ f (S)}∩{O2 ∩ f (S)} = φ . 由 f 的 连 续 性 得 f −1(O1) 和 f −1(O2 ) 都 是 X1 的 开 集 , 且 f −1(O1) ∩ S ≠ φ, f −1(O2 ) ∩ S ≠ φ, 而
在实数的极限理论中, 序列{xn} 趋于 x0 可以表示为对于包含 x0
的任意开集U , 存在 N , 使得只要 n > N , 就有 xn ∈U . 在这一定义
中, 我们将开集看作是其所包含的所有点的邻域, 利用开集来描述接
近(取极限)的过程. 同样的, 设 f ( p) 是区域U ⊂ Rn 上的函数, 不难
开集 O1 , 使得 f (O1) ⊂ O2 . 称映射 f 在 X1 上连续, 如果 f 在 X1 的
每一点都是连续的. 不难验证 f : X1 → X 2 连续的充分必要条件是对
于 X 2 中 的任 意开 集 O2 , f −1(O2 ) 都 是 X1 中 的 开集 . 例 如, 如 果
{S,T (S)} 是拓扑空间 X 的子空间, 则映射 I : S → X , I ( p) = p 是连
续的.
设 f : X1 → X2 是 连 续 映 射 , 如 果 f 有 连 续 的 逆 映 射
f −1 : X 2 → X1 , 则称 f 为拓扑同胚, 称 X1, X 2 是拓扑同胚的空间.
这时 X1 中的子集 O1 是开集的充分必要条件是 f (O1) 是 X 2 中的开集.
这时我们称 X1, X 2 的拓扑结构相同.
定义 集合 X 称为拓扑空间, 如果指定了 X 的某些子集作为 X
中的开集, 并且这些开集满足
137
1). X 本身和空集φ 都是开集; 2). X 中任意有限个多个开集的交是开集; 3). X 中任意多个开集的并仍然是开集. 我们将拓扑空间 X 的所有开集组成的集合记为 T . 即
T = {O ⊂ X | O是开集}.
其不含别的点.
例 2: 设 X 是任意集合, 令 T = {X ,φ} , 则 T 满足上面定义, 因 而也构成 X 的一个拓扑结构.
138
例 3: 设 X = {1, 2,3, 4} , 令T = {X ,φ,{1, 2}}, 则T 构成 X 的一
个拓扑结构.
设{X ,T}是一给定的拓扑空间, 称 X 中的序列{xn} 趋于 x0 , 如
果对于包含 x0 的任意开集 U , 都存在 N , 使得只要 n > N , 就有
xn ∈U
,
记为
lim
n→+∞
xn
=
x0 .
设 X1, X 2 都是拓扑空间, 映射 f : X1 → X 2 称为在点 x0 ∈ X1 连
续, 如果对于 X 2 中任意包含 f (x0 ) 的开集 O2 , 存在 X1 中包含 x0 的
为了在拓扑空间的讨论中能够应用归纳法, 通常我们还要对所讨 论的拓扑空间加上可分的条件.
定义 称拓扑空间 X 具有可数基, 如果存在 X 的一列开集
141
{On}n=1,2, , 使得 X 的任意开集都可表示为{On}n=1,2, 中元素的并.
例 4: 将 Rn 中所有坐标分量都是有理数的点排成一列{q1, q2 , },
而对每一个 qi ,
令
B
(qi
,
1 n
)
为以
qi
为球心,
1 为半径的球. 则可将所 n
有
⎧ ⎨ ⎩
B(qi
,
1 n
)
⎫ ⎬ ⎭i
=1,2,
排成一列. 这时不难看出 Rn 中所有的开集都可表
n=1,2,
示为集合
⎧ ⎨ ⎩
B(qi
,
1 n
)⎫⎬ ⎭i=1,2,
中有限或者无穷多个元素的并. 因而 Rn 具
§7.1 微分流形
前面我们讨论了极限, 微分和积分, 给出了微积分的各种定理. 我们的讨论对象都是 n-维欧氏空间中的区域及区域上的函数. 而如果 将平面看作曲面的特殊情况, n-维欧氏空间看作 n-维曲面的特殊情况, 假定我们就置身于曲面之中, 我们的问题是怎样将前面讨论过的微积 分的各种理论推广到曲面上. 对此我们先从极限理论的推广开始.
如果 S ⊂ X 是拓扑空间 X 的任意子集, 令 T (S) = {O ∩ S | O是X的开集}.
则{S,T (S )} 也是一拓扑空间, 其称为 X 的子空间. 特别的欧氏空间
中任意子集U ⊂ Rn , U 作为子空间, 其在 Rn 中的拓扑称为 Rn 的相
对拓扑, 其开集和闭集分别称为U 在 Rn 中的相对开集和相对闭集. 另一方面, 如果 S ⊂ X 是拓扑空间 X 的任意子集, 令 S = ∩B,{B ⊃ S是X的闭集} .
定义 拓扑空间{X ,T}称为 Hausdorff 空间, 如果对于任意两个
不同的点 p1, p2 ∈ X , 都存在包含 p1, p2 的开集 O1, O2 ,使得 p1 ∈ O1,
p2 ∈ O2 , 而 O1 ∩ O2 = φ .
在 Hausdorff 空间上, 极限有唯一性, 其中每一个点都是闭集. 另一方面, 如果我们进一步希望将有界闭区间上连续函数的性质 推广到拓扑空间上, 则我们需要对空间加上紧致性的条件.
如果 X1 是上面例 1 中定义的离散拓扑空间, 则对于任意拓扑空
间 X 2 以及任意的映射 f : X1 → X 2 , f 都是连续的. 而如果 X1 是上
面例 2 中定义的拓扑空间, 则对于任意 X1 上的函数 f : X1 → R , f
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是连续的充分必要条件是 f 是常值函数.
如果令 X = {1, 2,3, 4} 是例 3 中给出的拓扑空间, f : R → X 是
M 称为光滑流形.
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设 M 是 n -维微分流形, {Uα }α∈A 和ϕα :Uα → Oα 分别是上面定
义中给出的覆盖和映射, 设 p ∈Uα ,ϕα ( p) = (xα1 ( p), , xαn ( p)) , 则
称{Uα }α∈A 为 M 的坐标覆盖, 称 (xα1 ( p), , xαn ( p)) 为 p 点的局部坐
上面我们将微积分中极限和连续等慨念利用开集推广到了拓扑空 间上, 然而我们如果进一步希望推广函数的微分和积分, 则仅有开集 就不够了, 我们还需要对空间加上坐标的条件.
定义: 连通且具有可数基的 Hausdorff 空间 M 称为 C r 的 n -维微
分流形, 如果存在 M 的一个开覆盖{Uα }α∈A , 以及对每一个Uα , 给
{ f −1(O1) ∩ S}∩{ f −1(O2 ) ∩ S} = φ . 与 S 的连通性矛盾, 得 f (S ) 在 X 2 中连通.
推论: 如果 f : X → R 是 X 上的连续函数, S ⊂ X 是 X 中的连
通子集, 则 f (S ) 是实轴 R 中的区间, 因而 f 在 S 上满足介值定理.
实轴到 X 的映射, 满足 f (x) ≡ 1 . 这时当 R 中的任意序列{xn} 趋于
任意 x0 时, 显然 f (xn ) → 1. 但由于在 X 中, 1 和 2 总是在同一邻域内,
因而同样也有 f (xn ) → 2 , 这时极限并不唯一. 因而要得到极限的唯
一性, 我们还需在上面定义中加上新的条件.
f ϕα−1 :ϕ(U ∩Uα ) → f (U ∩Uα ) 也是微分同胚, 则我们将 (U , f ) 也称为流形的局部坐标, 在下面的使
用时与{Uα }α∈A 中的元素没有区别. 例 6: 设 F (x, y, z) 是 R3 上的 C∞ 函数, 令
S = {O1 ∩ S}∪{O2 ∩ S}, ,
140Βιβλιοθήκη 而O1 ∩ S ≠ φ,O2 ∩ S ≠ φ ,
但
{O1 ∩ S}∩{O2 ∩ S} = φ . 例如实轴 R 中的子集 S 是连通的, 当且仅当 S 是一开的, 或者闭
的, 或者半开半闭的区间.
定理 2: 设 X1, X 2 都是拓扑空间, f : X1 → X 2 是连续映射, 则 对于 X1 的任意连通子集 S , f (S ) 在 X 2 中连通.