流形

簡介

流形可以視為近看起來象歐幾里得空間或其他相對簡單的空間的物體。例如，人們曾經以為地球是平的。這是因為相對於地球來說人類實在太小，平常看到的地面是地球表面微小的一部分。所以，儘管知道地球實際上差不多是一個圓球，如果只需要考慮其中微小的一部分上發生的事情，比如測量操場跑道的長度或進行房地產交易時，仍然把地面看成一個平面。一個理想的數學上的球面在足夠小的區域上的特性就像一個平面，這表明它是一個流形。但是球面和平面的整體結構是完全不同的：如果在球面上沿一個固定方向走，最終會回到起點，而在一個平面上，可以一直走下去。
回到地球的例子。像旅行的時候，會用平面的地圖來指示方位。如果將整個地球的各個地區的地圖合訂成一本地圖集，那麼在觀看各個地區的地圖後，就可以在腦海中「拼接」出整個地球的景貌。為了能讓閱讀者順利從一張地圖接到下一張，相鄰的地圖之間會有重疊的部分，以便在腦海里「粘合」兩張圖。類似地，在數學中，也可以用一系列「地圖」（稱為坐標圖或坐標卡）組成的「地圖集」（atlas, 亦稱為圖冊）來描述一個流形。而「地圖」之間重疊的部分在不同的地圖裡如何變換，則描述了不同「地圖」的相互關係。
描述一個流形往往需要不止一個「地圖」，因為一般來說流形並不是真正的歐幾里得空間。舉例來說，地球就沒法用一張平面的地圖來合適地描繪。
流形要求局部「看起來像」簡單的空間，這不是一個簡單的要求。例如，在球上吊一根線，這個整體就不是一個流形。包含了線和球連接的那一點的附近區域一定不是簡單的：既不是線也不是面，無論這個區域有多小。
流形有很多種。最簡單的是拓撲流形，它們局部看來像歐幾里得空間。其他的種類包含了它們在使用中所需要的額外的結構。例如，一個微分流形不僅支持拓撲，而且要支持微積分。黎曼流形的思想導致了廣義相對論的數學基礎，使得人們能夠用曲率來描述時空。

其他曲線

流形不必連通（整個只有一片）；一對分離的圓可以是一個流形。它們不必是閉的，所以不帶兩個端點的線段也是流形。它們也不必有限，這樣拋物線也是一個流形。

坐標卡

一個流形的一個坐標映射（coordinate map），坐標卡（coordinate chart），或簡稱卡是一個在流形的一個開子集和一個簡單空間之間的雙射，使得該映射及其逆都保持所要的結構。對於拓撲流形，該簡單空間是某個歐幾里得空間Rⁿ（或Rⁿ的某個開子集）而一般感興趣的是其拓撲結構。這個結構被同胚（homeomorphism）保持，也就是可逆的在兩個方向都連續的映射。例如上節提到的映射是圓圈的一個卡。卡對於計算極其重要，因為它使得計算可以在簡單空間進行，再把結果傳回流形。

圖冊

多數流形的表述需要多於一個的卡（只有最簡單的流形只用一個卡）。覆蓋流形的一個特定的卡的集合稱為一個圖冊（atlas）。圖冊不是唯一的，因為所有流形可以被不同的卡的組合用很多方式覆蓋。
包含所有和給定圖冊相一致的卡的圖冊稱為極大圖冊(maximal atlas)。不像普通的圖冊，極大圖冊是唯一的。雖然可能在定義中有用，這個對象非常抽象，通常不直接使用（例如，在計算中）。

坐標變換映射

圖冊中的卡通常會互相重疊，而流形中的一個點可能會被好幾個圖所表示。如果兩個圖重疊，它們的部分會表示流形的同一個區域。這些部分之間的關聯代表流形上同一點的坐標點的映射，譬如上面圓圈例子中的映射T，稱為坐標變換，變換函數，或者轉換映射。

附加結構

圖冊也可用於定義流形上的附加結構。結構首先在每個卡上分別定義。如果所有變換映射和這個結構相容，該結構就可以轉到流形上。
這是微分流形的標準定義方式。如果圖冊的變換映射對於一個拓撲流形保持Rⁿ自然的微分結構（也就是說，如果它們是微分同胚），該微分結構就傳到了流形上並把它變成微分流形。
通常，流形的結構依賴於圖冊，但有時不同的圖冊給出相同的結構。這樣的圖冊稱為相容的。

構造

一個流形可以以不同方式構造，每個方式強調了流形的一個方面，因而導致了不同的觀點。

圖冊構造

構造一個流形的一個簡單方法是在上面的例子中的圓圈的構造方法。首先，確認R²的一個子集，然後覆蓋這個子集的圖冊被構造出來。流形的概念歷史上就是從這樣的構造發展出來的。這裡有另一個例子，把這個方法應用在球面的構造上:

貼補

流形可以通過把碎片以一種相容的方式粘合來構造，使得碎片成為互相覆蓋的坐標圖。這種構造對於任何流形都是可行的，所以經常作為流形的表述，特別是微分和黎曼流形。它集中於圖冊的構造，把流形作為坐標圖所自然的提供的貼片，因為不涉及外部的空間，這導致了流形的內在的觀點。
這裡，流形通過給定圖冊來構造，圖冊通過定義轉換映射來得到。流形的一個點因而是指通過變換映射映到同一個點的坐標點的等價類。坐標圖把等價類映射到一個貼片上的點。通常會對變換映射有很強的一致性要求。對於拓撲流形，它們被要求為同胚；如果它們也是微分同胚，最後得到的流形就是微分流形。
這可以通過變換映射圓圈例子的第二部分中的t = ¹⁄ₛ來解釋。從直線的兩個拷貝開始。第一個拷貝用坐標s，第二個拷貝用t。現在，通過把第二個拷貝上的點t和第一個拷貝上的點¹⁄ₛ作為同一個點來粘合起來(點t = 0不和任何第一個拷貝上的點認同)。這就給出了一個圓圈。

內在和外在的觀點

第一種構造和這種構造非常相似，但是他們代表了相當不同的觀點。在第一種構造中，流形被視為嵌入到某個歐幾里得空間中。這是外在的觀點。當一個流形用這種方式來看的時候，它很容易通過直覺從歐幾里得空間得到附加的結構。例如，在歐幾里得空間，很明顯某個點的一個向量是否和穿過該點的曲面
相切或者垂直。
貼補構造不用任何嵌入，只是簡單把流形看作拓撲空間本身。這個抽象的觀點稱為內在的觀點。這使得什麼是切向量更難以想像。但是它表達了流形的本質，在計算上來講，這可以避免使用更高的維數，例如只要二維而不是三維就可以作球面上的計算。

函數的零點

很多流形可以定義為某個函數的零點集。這個構造自然的把流形嵌入一個歐幾里得空間，因而導向一個外在的觀點。這很形象，但不幸的是不是每個流形都可以這樣表示。
如果一個可微函數的雅可比矩陣在函數為0的每一點是滿秩的，則根據隱函數定理，每個這樣的點周圍存在一個為0的鄰域微分同胚於一個歐幾里得空間。因此零點集是一個流形。

黏合一個流形上的不同點

可以把流形上的不同點定義為相同。這可以視為把不同的點粘合為同一個點。這構造出的結果不保證是流形，但在有些情況下會是流形。
這些情況下，黏合過程是用群來完成的，這是作用在流形上的群。兩個點被視為同一個如果一個能被該群的一個元素移動到另一個上面。如果M是該流形而G是該群，結果空間稱為商空間，並記為M/G。可以通過黏合點來構造的流形包括環面和實射影空間（分別從一個平面和一個球面開始）。舉例來說，假設 ， 則二維實射影空間 。

直積

流形的直積也是流形。但不是每個流形都是一個積。
積流形的維數是其因子的維數之和。其拓撲是乘積拓撲，而坐標圖的直積是積流形的坐標圖。這樣，積流形的圖冊可以用其因子的圖冊構造。如果這些圖冊定義了因子上的微分結構，相應的積圖冊定義了積流形上的一個微分結構。因子上定義的其他結構也可以同樣處理。如果一個因子有一個邊界，積流形也有邊界。直積可以用來構造環面和有限圓柱面，例如，分別定義它們為S¹ × S¹和S¹ × [0, 1]。

沿邊界粘合

兩個帶邊界的流形可以沿著邊界粘合。如果用正確的方式完成，結果也是流形。類似的，一個流形的兩個邊界也可以粘合起來。
形式化的，粘合可以定義為兩個邊界的一個雙射。兩個點被認同為一個，如果它們互相映射到對方。對於一個拓撲流形，這個雙射必須是同胚，否則結果就不是拓撲流形。類似的，對於一個微分流形，它必須是微分同胚。對於其它流形，其他的結構必須被這個雙射所保持。
有限的圓柱面可以作為一個流形構造，先從一個長條R × [0, 1]開始，然後把對邊通過適當的微分同胚粘合起來。克萊因瓶可以由一個帶孔的球面和一個莫比烏斯帶沿著各自的圓形邊界粘合起來得到。

拓撲流形

最容易定義的流形是拓撲流形，它局部看起來象一些「普通」的歐幾里得空間Rⁿ。形式化地講，一個拓撲流形是一個局部同胚於一個歐幾里得空間的拓撲空間。這表示每個點有一個鄰域，它有一個同胚（連續雙射其逆也連續）將它映射到Rⁿ。這些同胚是流形的坐標圖。
通常附加的技術性假設被加在該拓撲空間上，以排除病態的情形。可以根據需要要求空間是豪斯多夫的並且第二可數。這表示下面所述的有兩個原點的直線不是拓撲流形，因為它不是豪斯朵夫的。
流形在某一點的維數就是該點映射到的歐幾里得空間圖的維數（定義中的數字n）。連通流形中的所有點有相同的維數。有些作者要求拓撲流形的所有的圖映射到同一歐幾里得空間。這種情況下，拓撲空間有一個拓撲不變量，也就是它的維數。其他作者允許拓撲流形的不交並有不同的維數。

微分流形

很容易定義拓撲流形，但是很難在它們上面工作。對於多數應用，拓撲流形的一種，微分流形比較好用。如果流形上的局部坐標圖以某種形式相容，就可以在該流形上討論方向，切空間，和可微函數。特別是，可以在微分流形上應用「微積分」。

可定向性

考慮一個拓撲流形，其坐標圖映射到Rⁿ。給定一個Rⁿ的有序基，坐標圖就給它所覆蓋的流形的一片引入了一個方向，可以視為或者右手或者左手的。重疊的坐標圖不要求在方向上一致，這給了流形一個重要的自由度。對於某些流形，譬如球面，可以選取一些坐標圖使得重疊區域在"手性"上一致；這些流形稱為"可定向"的。對於其它的流形，這不可能做到。後面這種可能性容易被忽視，因為任何在三維空間中（不自交的）嵌入的閉曲面都是可定向的。
考慮三個例子: (1)莫比烏斯帶，它是有邊界的流形，（2）克萊因瓶，它在三維空間必須自交，以及（3）實射影平面，它很自然的出現在幾何學中。

莫比烏斯帶

從一個豎著的無限圓柱面開始，這是一個無邊界的流形。在高和低的地方各剪一刀，產生兩個圓形邊界，和它們之間的一個圓形的帶子。這是一個帶邊界的可定向流形，若在它上面動一個小"手術"。把帶子剪開，使得它能展開成一個矩形，但把兩頭捏住。把其中一頭轉180°，把內面翻倒朝外，然後把兩頭無縫的粘回來。現在有了一個永久半翻轉的帶子，就是莫比烏斯帶。它的邊界不再是一對圓圈，而是（拓撲上）單個圓圈；曾經是"內面"的現在和"外面"並了起來，使得它只有"單"面。（在印表機的色帶中有這種左扭帶的應用。）

克萊因瓶

取兩個莫比烏斯帶；每個都以一個圈為邊界。把每個圈拉成一個圓圈，並把帶子變成交叉帽（cross-cap）。（注意這在三維空間物理上是不可能的；克萊因瓶不能放到三維空間中，就像莫比烏斯帶（或者球面）不能放在平面上一樣。實際建造一個克萊因瓶必須在至少四維的空間進行）把圓圈粘合起來會產生一個新的閉合流形，沒有邊界的克萊因瓶。把曲面閉合起來並不能改變不可定向性，它只是移除了邊界。這樣克萊因瓶就成了一個不能分辨內外的閉合曲面。

實射影平面

從圓心為原點的球面開始。穿過原點的每條直線在兩個相對的點穿透球面。雖然在物理上不能這麼做，但在數學上可以把相對點黏合為同一點。這樣產生的閉合曲面是實射影平面，為一個不可定向曲面。它有一些等價的表述和構造，但是這個方法揭示了它的名字:所有給定的穿過原點的直線射影到該"平面"的一個"點"。

歷史

第一個清楚地把曲線和曲面本身構想為空間的可能是高斯，他以他的「絕妙定理」（Theorema egregium）建立了內在的微分幾何。
黎曼是第一個廣泛的展開真正需要把流形推廣到高維的工作的人。流形的名字來自黎曼原來的德語術語Mannigfaltigkeit，William Kingdon Clifford把它翻譯為"manifoldness"（多層）。在他的哥廷根就職演說中，黎曼表明一個屬性可以取的所有值組成一個Mannigfaltigkeit。他根據值的變化連續與否對stetige Mannigfaltigkeit和離散 [sic] Mannigfaltigkeit（連續流形 和不連續流形）作了區分。作為stetige Mannigfaltikeiten的例子，他提到了物體顏色和在空間中的位置，以及一個空間形體的可能形狀。他把一個n fach ausgedehnte Mannigfaltigkeit（n次擴展的或n-維流形）構造為一個連續的（n-1）fach ausgedehnte Mannigfaltigkeiten堆。黎曼直覺上的Mannigfaltigkeit概念發展為今天形式化的流形。黎曼流形和黎曼曲面就是以他的名字命名的。
交換簇的概念在黎曼的時代已經被隱含地作為複流形使用。從幾何方面考慮，拉格朗日力學和哈密爾頓力學的本質也是流形理論。
龐加萊研究了三維流形，並提出著名的龐加萊猜想：所有閉簡單連通的三維流形同胚於3維球嗎？這個猜想已被Grigori Perelman解決。
赫爾曼·外爾於1912年給出了微分流形的一個內在的定義。1930年代，該課題基礎性方面的工作被Hassler Whitney等人釐清，使得從19世紀下半葉起開始發展起來的相關的直覺知識變得更精確，並通過微分幾何和李群使微分流形的理論得到進一步的發展。