“若尚未熟悉边界项,测地曲率的计算入口先从空间加速度作正交分解,再对球面余纬 $\theta 0\in(0,\pi)$ 的正向纬线算得 $k g=\cot\theta 0/R$。边界积分 $2…”
形式陈述
令
边界点是在某个半空间图中满足
边界点的切空间
若
直觉
在纸面中央能向四周迈步,在纸边沿只能向一侧迈入纸内。不过为了做线性运算,仍把“向外”的方向保留在切空间中:向量可以相减,切空间不能只剩一个半平面。边界定向则是一条排序规则,用来决定沿纸边走哪一个方向算正。
边界不是坐标制造出来的
假设一点既有内部开球图,又被另一个图送到半空间边界。两图间转移和逆均有光滑延拓,链式法则说明转移的导数可逆。逆函数定理于是把该点附近的开球送到包含像点的 Euclidean 开集。但像被限制在半空间内,边界点没有这样的 Euclidean 开邻域,矛盾。这证明光滑图册中的边界不变性。
限制半空间图到
完整切空间如何定义
在半空间图中,把向量
不能照搬“所有定义在双向开区间内的曲线速度”来定义边界点的完整切空间。若
为什么外向量的具体选择不影响符号
若
例子与边界
圆环的两条边界
取平面区域
外圈的朝外向量为
取
如果把两圈都取逆时针,就错误地把洞的面积加上了。
环境边界与流形边界不同
球面在
闭正方形配通常嵌入光滑结构有角点,其角附近模型是正象限,不是普通光滑半空间图。这不否定它在拓扑上可同胚于圆盘;只是光滑边界问题必须说明是否允许角点、是否更换结构或圆滑处理。紧致无边界流形通常称闭流形,“闭”不是仅指某环境里的闭子集。
推论与应用
Stokes定理在定向带边界流形上把外微分积分化为诱导定向的边界积分,紧支撑允许接触边界。反转整个流形的定向,会同时反转诱导边界;只反转某一条边界则改变公式。
本页提供半空间与边界方向的共同接口。嵌入页已有带边界定义域到无边界环境的局部半切片;当陪域也有边界时,一般映射未必保边界,要讨论整齐嵌入须增加边界相容及横截条件。拓扑单元中的附着、同调和基本类可复用此处的边界对象,但它们不要求读者先学习曲率。
参考资料
- John M. Lee,Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Chapter 1,Springer,2013,pp. 24–29,半空间定义、光滑延拓、Theorem 1.46(边界不变性)。边界导数不依赖延拓见 p. 27;本页据此显式构造切向量。
- University of Toronto,Differential Geometry Notes, Chapter 6,§6.11:光滑区域的外向量优先定向和Stokes公式。该节的区域版本不代替前一来源的一般抽象流形定义。