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法丛

Normal bundle

嵌入子流形沿每一点的环境切方向模去自身切方向所得的向量丛。

条目类型
定义

形式陈述

i:MmNn光滑嵌入。微分把 TM 识别为拉回丛 iTN 的秩 m 子丛,法丛内在地定义为商丛

ν(M)=iTN/di(TM).

它是 M 上秩 nm光滑向量丛;纤维

νp(M)=Ti(p)N/dip(TpM)

记录环境方向在忽略切向滑动后的等价类。该商定义只依赖嵌入和光滑结构,不依赖距离或角度。

若在 N 上选定Riemann 度量 g,可把同一个抽象商丛具体实现为正交补

νg(M)p=dip(TpM)gTi(p)N,

并由正交投影得到 νg(M)ν(M)。不同度量通常给出不同的正交子空间,却都代表同构的商丛;把某个“单位法向量”写进定义,会错误地让法丛依赖度量。

M,N 均定向,可按

or(TM)or(ν(M))=or(iTN)

诱导法丛定向。若缺少任一全局定向,法丛仍存在,只是未必可定向或可平凡化。

直觉

子流形内的切向量只会沿着子流形挪动,不会把点推出它;真正描述“离开子流形”的是环境切向量模掉所有切向分量后的剩余。商空间做的正是这件事。选择度量以后,每个等价类有唯一的正交代表,于是抽象的“模切向”变成可以画出的法向箭头。

法丛局部总像 U×Rnm,但整体可能扭转。每一根纤维都同构于 Euclidean 空间并不保证能连续选出全局法向标架;这种扭转决定邻域如何围绕子流形粘合,也是自交数、Euler 类和管状邻域的几何来源。

法丛以定义域 M 为底。即使对浸入也能逐点取商 FTN/dF(TM),若像有自交,同一个环境点会对应多根来自不同参数点的法纤维,不能把它们直接当成像子集的单一邻域坐标;嵌入条件在后续管状定理中不可替代。

例子与边界

标准圆周 S1R2 的切向由

τ(θ)=(sinθ,cosθ)

张成,法向由

n(θ)=(cosθ,sinθ)

张成。n(θ) 是处处非零的全局法截面,因此

ν(S1)S1×R.

同理,单位球面 SmRm+1 由位置向量 p 平凡化其秩一法丛。这里平凡性来自全局可选的外法向,并非所有余维一嵌入都自动如此。

把 Möbius 带看成非平凡实线丛的单位圆盘丛,其零截面是一条嵌入圆周;等价地,也可把带的开内部识别为该线丛的总空间。沿中心圈走一周,横向纤维坐标反号,所以零截面的法线丛正是非平凡 Möbius 线丛;不存在处处非零的连续法截面。这个例子说明“余维一”只保证每根纤维是一维,不保证有全局左右两侧。

对八字形浸入 S1R2,参数圆周上的法线丛仍可定义,但自交点处有两条不同切线与两条法线。把两根纤维都指数推出会在任意小尺度重叠,因此没有以像集为零截面的普通管状邻域。

M 有边界而嵌入不整齐,边界附近的环境邻域还包含沿切向越过端点的点,单靠普通法纤维无法覆盖。此时需同时使用边界 collar、半法丛或整齐嵌入版本。

推论与应用

法丛给出嵌入的一阶邻域模型。选环境度量后,法向指数映射把零截面附近的短法向量送到 N;管状邻域定理说明缩小到合适开邻域后它是微分同胚。于是子流形附近的问题可改写为向量丛零截面附近的问题,并用纤维缩放构造形变收缩。

法丛的特征类测量其扭转。当闭流形 M 与法丛都已定向时,横截截面的零点集代表 Euler 类的 Poincaré 对偶;在 rankν(M)=dimM 时,零截面的自交数由法丛 Euler 数控制。若 MRN,总有

TMν(M)M×RN,

但这本身不表示 M 稳定平行化,因为 ν(M) 可能非平凡。稳定平行化的定义是存在某个平凡丛 εk 使 TMεk 平凡;在 Euclidean 嵌入下,这等价于法丛稳定平凡。这里必须区分“与某个互补丛的直和为平凡丛”和“与平凡丛的直和为平凡丛”。

余维一时,法丛可平凡化等价于存在全局不消失法向场;在定向环境中,这又与子流形的双侧性紧密相关。但“可定向子流形必双侧”需要环境定向及适当的余维假设,不能脱离条件泛化。

参考资料
  • John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Springer, 2013, Chs. 6 and 10, normal/tubular neighborhoods and vector bundles.
  • Morris W. Hirsch, Differential Topology, Springer, 1976, Ch. 4, vector bundles and tubular neighborhoods.
  • Dale Husemöller, Fibre Bundles, 3rd ed., Springer, 1994, Chs. 1–3, quotient bundles and bundle complements.
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