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光滑淹没

Smooth submersion · Submersion

微分在每一点都满射、因而局部等价于遗忘若干坐标的光滑映射。

条目类型
定义

形式陈述

Mm,Nn 是无边界光滑流形,F:MN 光滑。若对每个 pM,微分

dFp:TpMTF(p)N

都是满射,则称 F 为光滑淹没。由于定义涉及切空间的线性满射,必有 mn;等价地,rankdFp=n 在全域成立。

常秩定理给出淹没的局部投影形:每个 p 附近存在坐标,使

yFx1(u1,,um)=(u1,,un).

因此每个充分小的陪域邻域都有光滑局部截面,例如在这些坐标中令后 mn 个坐标为零;同时 F 是开映射,因为坐标投影把开集送到开集。局部截面的存在不保证能在整个 N 上选出一个彼此相容的全局截面,也不保证 MN 与某个固定纤维的全局乘积。

本页采用无边界版本。若定义域有边界,仅要求 dFp 满射可能不足以得到开映射或半空间中的投影正规形;还需控制 F|M、要求边界横截,或在“带边界淹没”的选定定义下逐项核对。

直觉

淹没表示陪域的每个无穷小方向都能由定义域中的某个速度实现。定义域可以有额外方向,但这些方向落入 kerdFp,沿着它们移动在一阶上不改变输出。局部坐标把有效的 n 个方向放在前面,把其余方向解释为纤维内部自由度,于是映射只需“忘掉后几项”。

它与光滑浸入容易因同一个秩字眼混淆。浸入要求秩等于定义域维数,因而不能压扁输入;淹没要求秩等于陪域维数,因而不会漏掉输出。当维数相等,两项条件都等于 Jacobian 可逆,局部行为升级为微分同胚。

淹没是局部陈述。纤维可以随基点以非平凡方式缠绕,局部截面也可能绕一圈后无法闭合;只有再加适当性等全局条件,才会得到局部平凡纤维丛之类更强结论。

例子与边界

坐标投影

π:R3R2,π(x,y,z)=(x,y)

的 Jacobian 为

Dπ=(100010),

秩恒为 2,所以它是淹没;纤维 π1(a,b)={(a,b,z):zR} 有维数 32=1。这正是局部标准形本身。

圆柱到圆周的投影 S1×RS1 也是淹没,且有全局截面 z(z,0)。与之相比,Hopf 映射 S3S2 同样处处淹没、纤维为圆周,却不是全局乘积投影;局部投影形没有抹去整体拓扑扭结。

函数 f:R2Rf(x,y)=x2+y2 在原点有 df(0,0)=0,所以不是全局淹没,尽管删去原点后它成为到 (0,) 的淹没。再看带边界反例 F:[0,)RF(x)=x:端点处导数是线性同构,但半开邻域的像不是 R 中开集,说明无边界定理不能只凭导数满射机械延伸。

推论与应用

淹没的每个纤维在局部坐标中由 u1,,un 固定得到,故是维数 mn 的嵌入子流形,并且

TpF1(F(p))=kerdFp.

这一本地事实是正则水平集定理的核心。若只要求某个指定纤维上的点满足满射,就得到正则值语言,而无需把 F 在全域都假设为淹没。

F 还是适当满射,Ehresmann 纤维化定理说明它是光滑局部平凡纤维丛;“适当”在这里不可删除。非适当淹没的纤维拓扑可能在无穷远处改变,局部投影仍成立却没有统一的全局纤维模型。

在约束问题中,满秩约束映射使可行集的切空间等于 Jacobian 的核;在商空间与群作用中,轨道投影若为淹没,则陪域获得可控的光滑结构。这些应用共同利用的是输出方向可提升,而不是映射本身可逆。

参考资料
  • John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Springer, 2013, Ch. 4, submersions and local sections.
  • Loring W. Tu, An Introduction to Manifolds, 2nd ed., Springer, 2011, Ch. 11, rank theorem and submersions.
  • Morris W. Hirsch, Differential Topology, Springer, 1976, Ch. 1, submersions and fiber structure.
关系图谱10 个相邻概念 · 3 类关系

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