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光滑同痕

Smooth isotopy · Isotopy of embeddings

在整个参数过程中每个时间切片都保持为光滑嵌入的光滑变形。

条目类型
定义

形式陈述

M,N 为光滑流形,I=[0,1]。映射

F:M×IN

称为从 F0F1 的光滑同痕,若 F 光滑,并且每个时间切片 Ft(x)=F(x,t) 都是光滑嵌入。因此同痕首先是一个同伦,但额外要求所有中间映射保持单射、微分单射且与像的子空间拓扑相容。

若存在光滑族 Ht:NN,每个 Ht 都是微分同胚且 H0=idN,则称 H 为环境同痕。它作用在某个初始嵌入 i 上得到 Ft=Hti。环境同痕自动给嵌入同痕;反方向需要同痕延拓定理的紧致性、适当性或支撑条件,不能写进定义。

同痕可逆:用 t1t 反向播放即可。两段同痕可先重参数化,使它们在拼接端附近静止,再光滑拼接,因而在固定的 M,N 上给嵌入定义等价关系。若不处理拼接点,只用分段线性时间参数,所得族通常仅分段光滑。

本条不强迫 Ft 保持定向、体积、辛形式或边界层次;这些都是问题特有的附加限制。对带边界流形研究整齐嵌入时,应要求每个切片都整齐,并在边界上保持相应横截条件。

直觉

同伦允许橡皮膜压扁、穿透自身再展开;同痕则像一段不能撕裂、粘合或自穿的连续电影。每一帧都必须仍是嵌入,所以局部维数和全局点的身份始终保留。参数方向本身不要求成为环境中的新空间方向,它只记录嵌入怎样随时间变化。

环境同痕更强:不是只移动子流形,还同时拖动整个环境。对紧子流形,延拓定理常把两种观点连接起来,这正说明纽结类型为何在嵌入同痕中保持不变。若源非紧且运动在无穷远处失控,这种延拓可能不完整,二者差别便不可忽略。

同痕与刚性运动也不同。弯曲、伸缩和局部扭转都允许,只要每一帧仍为嵌入;长度、曲率等几何量可以改变,而结型、补空间的基本拓扑不会经环境同痕突然改变。

例子与边界

单位圆到椭圆的变形可写为

Ft(θ)=((1+t)cosθ,(112t)sinθ),0t1.

两个半轴在整个区间都为正。若 Ft(θ)=Ft(ϕ),分别除以非零半轴便得相同正弦与余弦,故 θ=ϕ2π;导数

((1+t)sinθ,(112t)cosθ)

也从不为零。因此每帧都是圆周嵌入,这是一条可直接核验的同痕。

若改成 Gt(θ)=((1t)cosθ,(1t)sinθ),在 t=1 全圆塌成一点。它是从圆周包含到常值映射的连续同伦,却不是同痕。失败不在时间连续性,而在终帧既不单射、微分也为零。

更深的边界来自纽结。任意两个映射 S1R3 都可同伦,因为 R3 可缩;但三叶结嵌入不能同痕到标准圆周嵌入,否则紧致源的同痕延拓会给出环境微分同胚,把两个纽结补空间对应起来,与其基本群等不变量矛盾。

对非紧源,逐帧良好不等于运动有统一紧支撑。例如直线整体平移当然由环境平移实现,却不可能由一个固定紧集内支撑的环境同痕实现;若定理版本要求紧支撑,就必须把这一限制写明。

推论与应用

同痕保持嵌入像的微分拓扑类型,并在可延拓时保持补空间、法丛及结型。对一族闭曲线,它允许用电影方式研究交点为何不能凭空穿越;对高维子流形,它是定义稳定嵌入分类、手术与配边中变形步骤的基本关系。

给定同痕 Ft,沿移动像定义速度

Vt(Ft(x))=Ft(x,t).

由于 Ft 嵌入,这确实是像上的单值向量场。若能把 Vt 延伸为环境中的完整时间依赖向量场,积分其流就得到环境同痕;管状邻域与紧支撑截断函数正是完成延伸与完整性的工具。

同痕还可附加“相对某子集固定”的条件。若 Ft|A 不随 t 变化,延拓可相应固定 F0(A) 上的点;若要求环境同痕在 F0(A) 的整个邻域恒等,则必须更强地假设原同痕已在 A 的某个邻域静止,再在较小邻域作相对延拓。点态固定与邻域固定不可混为同一条件,这一区分对保持边界、基点或既有结构尤其重要。

参考资料
  • Morris W. Hirsch, Differential Topology, Springer, 1976, Ch. 8, isotopies and isotopy extension.
  • John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Springer, 2013, Ch. 9, time-dependent vector fields and flows.
  • Victor Guillemin and Alan Pollack, Differential Topology, Prentice-Hall, 1974, Chs. 1–2, embeddings, isotopies, and general position.
关系图谱11 个相邻概念 · 1 类关系

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