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光滑映射的横截性

Transversality of smooth maps · Transverse map

映射到达目标子流形时,其微分像与目标切空间共同张成整个环境切空间的条件。

条目类型
定义

形式陈述 ​

设 F:Mm→Nn 光滑,Zq⊆N 是由光滑嵌入给出的嵌入子流形。若对每个满足 F(p)∈Z 的点 p 都有

dFp(TpM)+TF(p)Z=TF(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,

TpM→dFpTF(p)N⟶TF(p)N/TF(p)Z

必须满射。由此若交集非空,必有 m≥n−q=codimZ。

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

TpF−1(Z)=(dFp)−1(TF(p)Z).

证明在 Z 附近选局部定义函数 G:N→Rn−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。若 Z={y},其切空间为零,上式退化为 dFp 满射,正好恢复正则值。

直觉

横截表示映射到达 Z 时没有只沿着 Z 擦过。TF(p)Z 已提供沿目标子流形的方向,dFp(TpM) 必须补齐所有缺失的法向方向;因此它不要求 dFp 覆盖整个 TF(p)N,只要求覆盖模掉 TZ 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 TxA+TxZ=TxN。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 C1 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。

光滑映射的横截性示意图
例子与边界

令 Z={(x,0):x∈R}⊂R2。曲线

F(t)=(t,t2)

只在 t=0 落到 Z,而 dF0(1)=(1,0)∈T(0,0)Z,所以

dF0(T0R)+T(0,0)Z=T(0,0)Z≠R2;

它与 x 轴相切而不横截。改为 G(t)=(t,t) 后,dG0(1)=(1,1) 与 (1,0) 张成 R2,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 R3 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 0M⊂E,s⋔0M 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.
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