形式陈述
设 F : M m → N n 光滑,Z q ⊆ N 是由光滑嵌入 公理库 光滑嵌入 Smooth embedding · Embedding 同时是浸入且把定义域同胚到其像的光滑映射。 给出的嵌入子流形。若对每个满足 F ( p ) ∈ Z 的点 p 都有
d F p ( T p M ) + T F ( p ) Z = T F ( p ) N , 则称 F 横截于 Z ,记作 F ⋔ Z 。若 F − 1 ( Z ) = ∅ ,条件真空成立。等价地,把微分复合到法商空间后,
T p M → d F p T F ( p ) N ⟶ T F ( p ) N / T F ( p ) Z 必须满射。由此若交集非空,必有 m ≥ n − q = codim Z 。
横截逆像定理断言:若 F ⋔ Z ,则 F − 1 ( Z ) 是 M 中余维 n − q 、维数 m + q − n 的嵌入子流形,且
T p F − 1 ( Z ) = ( d F p ) − 1 ( T F ( p ) Z ) . 证明在 Z 附近选局部定义函数 G : N → R n − q ,使 Z = G − 1 ( 0 ) ;横截性恰说明 G ∘ F 在原像处满秩,再应用正则水平集定理 公理库 正则水平集定理 Regular level set theorem · Regular value theorem · Preimage theorem for a point 正则值的非空原像是余维等于陪域维数的嵌入子流形,其切空间等于微分之核。 。若 Z = { y } ,其切空间为零,上式退化为 d F p 满射,正好恢复正则值 公理库 正则值 Regular value · Regular and critical values 光滑映射在某一纤维的每个原像点处微分都满射时,该陪域点所具有的性质。 。
直觉
横截表示映射到达 Z 时没有只沿着 Z 擦过。T F ( p ) Z 已提供沿目标子流形的方向,d F p ( T p M ) 必须补齐所有缺失的法向方向;因此它不要求 d F p 覆盖整个 T F ( p ) N ,只要求覆盖模掉 T Z 后的法空间。
这使横截性同时容纳“两个子流形相交”和“方程组取正则值”。若 A ⊆ N 的包含映射横截 Z ,条件就是 T x A + T x Z = T x N 。交点附近可以把两者同时坐标化为线性坐标子空间,交集的实际维数等于预期维数 dim A + dim Z − dim N 。
横截是稳定的一阶条件:在紧致控制下,小的 C 1 扰动通常仍横截。相切则需要某个行列式恰好为零,轻微移动常会把它打破。这里的“通常”须由参数横截或函数空间横截定理精确化,不能当作无条件概率口号。
例子与边界
令 Z = { ( x , 0 ) : x ∈ R } ⊂ R 2 。曲线
F ( t ) = ( t , t 2 ) 只在 t = 0 落到 Z ,而 d F 0 ( 1 ) = ( 1 , 0 ) ∈ T ( 0 , 0 ) Z ,所以
d F 0 ( T 0 R ) + T ( 0 , 0 ) Z = T ( 0 , 0 ) Z ≠ R 2 ; 它与 x 轴相切而不横截。改为 G ( t ) = ( t , t ) 后,d G 0 ( 1 ) = ( 1 , 1 ) 与 ( 1 , 0 ) 张成 R 2 ,故交点横截,预期维数为 1 + 1 − 2 = 0 ,实际也只有孤立点。
若 m + q < n ,非空横截交集不可能存在。例如两条曲线在 R 3 中若真的相遇,它们两条一维切线至多张成二维,不能横截;一般位置下它们应当错开,而不是产生“负一维交集”。
横截性只在原像点检查。一个映射远离 Z 的地方可以有任意严重的秩退化而不影响 F ⋔ Z 。反过来,集合交点看起来孤立也不保证横截:抛物线与 x 轴的切点就是维数为零但非横截的交集,微小扰动后交点数可从零变成二。
对带边界流形,若希望 F − 1 ( Z ) 的边界恰为 F − 1 ( Z ) ∩ ∂ M ,通常要同时要求 F ⋔ Z 与 F | ∂ M ⋔ Z 。只核对内部切空间会漏掉边界上的切触。
推论与应用
两个嵌入子流形 A , B ⊆ N 横截时,A ∩ B 自动是维数 dim A + dim B − n 的子流形。若再有定向且零维交集紧致,可给各交点赋局部符号并形成交数;在交集始终保持于紧集、且没有边界穿越的同痕中,交点只能成对创造或消灭相反符号的点。没有这种适当性控制时,单个交点可以逃向无穷远,代数计数不再自动不变。
对截面 s : M → E 与零截面 0 M ⊂ E ,s ⋔ 0 M 意味着零点具有预期余维。向量场的非退化零点、Morse 函数的非退化临界点,以及特征类的几何代表都能用这种“截面横截零截面”统一描述。
横截逆像还能稳定地产生纽结、纤维与切割子流形。若要证明任意给定映射可轻微扰动为横截映射,需要参数族或 Thom 横截定理;当前定义和逆像结论本身不提供扰动,也不保证保持边界值、对称性或适当性。
参考资料
Victor Guillemin and Alan Pollack, Differential Topology , Prentice-Hall, 1974, Ch. 2, transversality and intersection.
Morris W. Hirsch, Differential Topology , Springer, 1976, Ch. 3, transversality theorems.
John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds , 2nd ed., Springer, 2013, Ch. 6, transverse maps and the preimage theorem.