“正则不要求单射。光滑浸入页的八字曲线每次经过交点都有非零速度;它不是嵌入。$t\mapsto(\cos t,\sin t)$ 在 $[0,4\pi]$ 上走两圈,长度为 $4\pi$,尽管像…”
形式陈述
设
都是单射,就称
由常秩定理,对每个
所以浸入在足够小的定义域片上确实是嵌入;自交只能来自不同局部片被送到同一处。反过来,若映射在每一点附近都能写成这个标准形,其微分显然单射,故局部标准形也刻画浸入。
本条默认定义域和陪域无边界。对带边界流形,逐点微分单射仍有意义,但若希望得到尊重半空间坐标、边界层次或“整齐嵌入”的正规形,还必须另列边界相容条件,不能直接照搬无边界结论。
直觉
浸入要求任何非零切向速度经过
这正是浸入与光滑淹没的镜像式差别:浸入要求微分单射,保护输入方向;淹没要求微分满射,保证所有输出方向都能由输入产生。当
局部可拉直也不意味着像集在交点附近是一张单独的子流形。若两个相距很远的参数片落在同一点,它们各自都有良好切线,却可能以不同切向穿过;浸入的定义不会替参数点做全局去重。
例子与边界
考虑周期参数映射
其中
若第二分量为零,则
正则平面曲线就是一维浸入;标准圆周
浸入还可能全局单射却不是嵌入。取无理数
是单射浸入,但像在二维环面中稠密;参数趋向无穷时可以回到像中任一点附近,像的子空间拓扑无法恢复实线拓扑。因此“单射浸入”缺少的正是全局拓扑控制。
推论与应用
浸入局部像坐标子空间,使
若
浸入还能把抽象流形的张量拉回定义域,例如环境度量经
低维计算可从正则曲线与弧长参数及正则参数曲面进入。前者证明弧长不变性与单位速构造,后者用非零二阶子式和逆函数定理把参数小片化为图形;这些计算保留本页的区分:局部正则不排除全局自交,也不保证像整体是一张嵌入曲面。
参考资料
- John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Springer, 2013, Ch. 4, immersions and the rank theorem.
- Morris W. Hirsch, Differential Topology, Springer, 1976, Ch. 1, immersions, embeddings, and submanifolds.
- Victor Guillemin and Alan Pollack, Differential Topology, Prentice-Hall, 1974, Ch. 1, immersions and local normal forms.