微分流形

天地有正气,杂然赋流形。

如果说“流数”是历史上牛顿所指的数的微积分,那么“流形”自然应该指形的微积分。微分流形正是现代数学中几何学的基本研究对象,不仅在几何、拓扑等纯数领域中非常重要,在应用数学和理论物理中也有十分广泛的应用。事实上,我自己学习流形理论的动机就是出于物理上的原因。

古典微分几何研究的是Euclid空间中的曲线和曲面,大致指Cartan之前的微分几何,但到现在已经完全淘汰了。古典理论中,曲线和曲面用传统的外蕴(extrinsic)方法进行研究,例如说,曲面是放在三维空间里的一个几何对象。现代方法则更多是用内蕴(intrinsic)方法研究,直接研究抽象的流形本身,不再需要周围的空间。例如在相对论中,时空是用一个四维流形来描述的,如果考虑将其放到更大的空间,既难以自然地解释,也不必要地将理论复杂化了。

粗略地说,流形就是可以在局部用Euclid空间描述的几何对象,这样在局部我们可以用坐标来认识流形。这正如在地球球面上的人,可以在每个局部都用一张小地图,这样整个地球面都能了然于胸。但值得注意的是,“坐标”这一事物本身只是一种辅助性描述的工具,引入坐标尤其让对手上问题大有简化的坐标,能方便我们进行计算,但流形本身是不配备坐标的。这样我们讨论流形上的对象,就需要它们独立于坐标的选择。一种方案是在局部坐标下定义对象,然后额外证明切换坐标系总会给出相同结果;另一种方案是采取一个本身独立于坐标的定义,我们绝大多数时候都采用这个方案。


主要内容

初入微分几何,应该划定哪些内容?微分流形理论比较全面细致的入门应该看John M. Lee的Introduction to Smooth Manifolds一书,也就是GTM218。但GTM218在内容极为丰富的同时,也给读者的阅读学习带来了不小的负担。因此这里的选材就主要聚焦于在应用上最为基本而重要的概念。

首先,明确了最基础的研究对象,光滑流形。在此基础上,可以定义流形上的光滑函数,以及流形间的光滑映射。

然后,在流形上的每一点都定义可供讨论的向量,也即切向量;切向量构成切空间,在切空间上我们可以定义流形间映射的微分。利用微分,就可以研究映射的局部性态,例如局部微分同胚、嵌入映射。进而可以考察一些(嵌入)子流形理论。

用切向量,我们可以构造向量场,然后考察可积曲线和流。如果考虑切空间的对偶空间,还可以有余切向量,进而有余切场。

余切场的推广是微分形式,同时也是函数的推广。函数的微分是余切场,那么推广到微分形式,就是微分形式的一种重要运算:外导数。外导数统一了向量分析里梯度、散度、旋度的概念。

利用微分形式,可以构建流形上的积分理论。我们对流形进行定向,然后考虑推广的流形——带边流形。这样就可以定义微分形式的积分。除了一些通用的常见积分性质,流形上的积分有一个极为重要的核心定理,Stokes定理,是微积分基本定理的高维推广。这里叙述的内容也到此为止。

一些说明

一般来说,流形理论的预备知识除了要求微积分和线性代数之外,还要求一些拓扑的知识(甚至一些讨论还会有抽象代数和微分方程),因此很多入门材料都会在前面回顾一点拓扑学。遗憾的是,(时间所限)行文没有对拓扑进行任何回顾,而将最基本的拓扑作为默认具备的前置;这或许是不太恰当的做法。但同时,与拓扑相关的讨论也会被刻意淡化,例如,流形的定义直接省略了在拓扑上的要求,只是作为额外说明被提及;不讨论流形的拓扑性质;证明一般的单位分解定理时要用到这些性质,自然也不作详细讨论了。

微分流形作为课程时,一般还会包含Lie群、Lie代数,甚至还可以包括一些De Rham理论、Riemann几何等。为了从简都没有讨论。

最后值得一提的是,既然是“几何”,可视化当然是有莫大裨益的。在论证时有个图示,更是让思路无比清晰。遗憾的是为求省事,没有画什么图。当然这是不恰当的做法。建议阅读时“胸中有丘壑”。