形式陈述
设 是光滑流形公理库光滑流形Smooth manifold坐标图之间转移映射光滑的拓扑流形。。光滑映射 称为光滑嵌入,若它满足两项条件:第一, 是单射浸入;第二, 是同胚,其中 采用 的子空间拓扑公理库子空间拓扑Subspace topology用环境开集与子集相交,使子集继承母空间局部结构的拓扑。。因此光滑嵌入严格地是光滑浸入公理库光滑浸入Smooth immersion · Immersion微分在每一点都单射、因而局部把定义域拉直为坐标子空间的光滑映射。的一类特殊情形,额外条件负责排除自交与参数在像中的异常回返。
嵌入把 实现为 的嵌入子流形。对每个 ,存在 附近的陪域坐标,使 在该邻域中由
给出,并且 在定义域的相应片上就是坐标包含。反过来,若一个子集能局部如此描述,它携带唯一的光滑结构,使包含映射成为嵌入。这里 。
若 紧致且 Hausdorff,则任意单射浸入都是嵌入;因为连续单射 自动是到其像的同胚。若 非紧,常用替代条件是 适当,即紧集的原像仍紧;适当单射浸入同样是嵌入。两项都是便于验证的充分条件,不属于嵌入定义本身。
直觉
浸入只检查显微镜下的切向信息,嵌入还要求缩回全景时,像中的邻近关系与原流形完全一致。单射阻止两个点真正重合,子空间同胚条件则阻止相距越来越远的参数点在陪域里反复贴近,以至于像上的收敛无法拉回定义域。
所以嵌入不是“公式里没有自交”这么简单。它把局部光滑结构和全局拓扑同时保存下来:定义域中的开集恰与像的相对开集对应,微分又把切空间无退化地放进环境切空间。环境仍可能把子流形弯曲、打结;嵌入不要求它能通过刚体运动或线性变换拉直,只要求每点附近可拉直。
当流形带边界时,还需区分一般嵌入与整齐嵌入。后者通常要求 并让子流形在边界处横截环境边界,才能拥有兼容的半空间坐标和管状邻域。
例子与边界
标准圆周包含
是嵌入。速度 从不为零,且 紧、 Hausdorff,所以连续单射自动给出到像的同胚。其像虽不能由一个全局图坐标成直线,但每个点附近都能旋转和平移为坐标轴。
与此相反,八字曲线的正则参数化在交点处有两个原像,失败在单射。更隐蔽的失败来自无理绕线:取无理数 ,
若 ,则 且 ;无理性迫使 ,故 单射,微分也从不为零。然而其像在 稠密,存在 而 ;像中的收敛不能拉回实线中的收敛。因此它是单射浸入,却不是嵌入。
“像是闭集”也不是定义的同义词。非闭的开区间自然包含 仍是嵌入;闭像常由适当性保证,但局部嵌入子流形可以不是闭子集。
推论与应用
嵌入允许把抽象 与具体子集 识别,继而谈环境中的切空间、法向方向、交点和邻域。沿 有精确短正合列
最后的商丛是内在定义的法丛;选环境 Riemann 度量后可把它实现为正交补。管状邻域定理再把零截面附近的法向量变成子流形附近的环境点。
对 ,Whitney 强嵌入定理保证每个第二可数光滑 维流形都能嵌入 ,并不要求流形紧致; 时第二可数流形是可数离散集,可另行嵌入 。这说明抽象流形可以外在实现,但最低所需维数、嵌入的结类型与是否能进一步降维是额外问题,不能从定义中的局部正规形直接读出。
在同痕理论中,一族嵌入要求整个变形过程都保持上述两层控制;普通同伦允许中途折叠或自交,因而远弱于嵌入之间的同痕。
参考资料
- John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Springer, 2013, Chs. 4–5, embeddings and embedded submanifolds.
- Morris W. Hirsch, Differential Topology, Springer, 1976, Ch. 1, embeddings and proper maps.
- Hassler Whitney, “The Self-Intersections of a Smooth -Manifold in -Space,” Annals of Mathematics 45 (1944), 220–246.