Погружение (математика)

О закрытом погружении в алгебраической геометрии см. Закрытое погружение .

Бутылка Клейна , погруженная в трехмерное пространство.

В математике погружение , — это дифференцируемая функция между дифференцируемыми многообразиями которых дифференциальное выталкивание всюду инъективно . Явно, f : M → N является погружением, если

$D_{p}f:T_{p}M\to T_{f(p)}N\,$

является инъективной функцией в каждой точке p из M (где T _p X обозначает касательное пространство многообразия X в точке p в X ). Эквивалентно, f является погружением, если его производная имеет постоянный ранг, равный размерности M :

$\operatorname {rank} \,D_{p}f=\dim M.$

Сама функция f не обязательно должна быть инъективной, инъективной должна быть только ее производная.

Связанная с этим концепция — это встраивание . Гладкое вложение — это инъективное погружение f : M → N также является топологическим вложением , так что M диффеоморфно , своему образу в N. которое Погружение - это в точности локальное вложение , то есть для любой точки x ∈ M существует окрестность U является вложением, и наоборот , ⊆ M точки x такая, что f : U → N локальное вложение является погружением. Для бесконечномерных многообразий это иногда считается определением погружения.

Инъективно погруженное подмногообразие , не являющееся вложением.

Если M компактно ; , инъективное погружение является вложением, но если M не компактно, то инъективные погружения не обязательно должны быть вложениями сравните с непрерывными биекциями и гомеоморфизмами .

Регулярная гомотопия

Регулярная гомотопия между двумя погружениями f и g из многообразия M в многообразие N определяется как дифференцируемая функция H : M × [0,1] → N такая, что для всех t в [0, 1] функция H _t : M → N , определенный формулой H _t ( x ) = H ( x , t ) для всех x ∈ M, является погружением, причем H ₀ = f , H ₁ = g . Таким образом, регулярная гомотопия является гомотопией посредством погружений.

Классификация

Хасслер Уитни инициировал систематическое изучение погружений и регулярных гомотопий в 1940-х годах, доказав, что для 2 m < n + 1 каждое отображение f : M ^м → Н ^н -мерного многообразия m в n -мерное многообразие гомотопно погружению и, фактически, вложению при 2 m < n ; это теорема погружения Уитни и теорема вложения Уитни .

Стивен Смейл выразил регулярные гомотопические классы погружений ⁠ $f:M^{m}\to \mathbb {R} ^{n}$⁠ как гомотопические группы некоторого многообразия Штифеля . был Выворот сферы особенно поразительным последствием.

Моррис Хирш обобщил выражение Смейла на гомотопическое описание регулярных гомотопических классов погружений любого m -мерного многообразия M. ^м в любом n -мерном многообразии N ^н .

Классификацию погружений Хирша-Смейла обобщил Михаил Громов .

Существование

Лента Мёбиуса не погружается в коразмерность 0, поскольку ее касательное расслоение нетривиально.

Основное препятствие существованию погружения ⁠ $i:M^{m}\to \mathbb {R} ^{n}$⁠ — стабильное нормальное расслоение M , определяемое его характеристическими классами , в частности классами Стифеля-Уитни . То есть, поскольку ⁠ $\mathbb {R} ^{n}$⁠ распараллеливаема ; , возврат ее касательного расслоения к M тривиален поскольку этот обратный образ является прямой суммой (внутренне определенного) касательного расслоения на M , TM , которое имеет размерность m , и нормального расслоения ν погружения i , которое имеет размерность n − m , для того, чтобы существовала коразмерность k погружения M , должно существовать векторное расслоение размерности k , ξ ^к , заменяющий нормальное расслоение ν , такой, что ⁠ $TM\oplus \zeta ^{k}$⁠ тривиально. И наоборот, для такого расслоения погружение M в это нормальное расслоение эквивалентно погружению коразмерности 0 всего пространства этого расслоения, которое является открытым многообразием.

Стабильное нормальное расслоение — это класс нормальных расслоений плюс тривиальные расслоения, и, таким образом, если стабильное нормальное расслоение имеет когомологическую размерность k , оно не может происходить из (нестабильного) нормального расслоения размерности меньше k . Таким образом, когомологическая размерность стабильного нормального расслоения, определяемая его высшим неисчезающим характеристическим классом, является препятствием для погружений.

Поскольку характеристические классы умножаются относительно прямой суммы векторных расслоений, это препятствие можно сформулировать внутренне в терминах пространства M , его касательного расслоения и алгебры когомологий. Это препятствие было сформулировано (в терминах касательного расслоения, а не устойчивого нормального расслоения) Уитни.

Например, лента Мёбиуса имеет нетривиальное касательное расслоение, поэтому она не может погружаться в коразмерность 0 (в ⁠ $\mathbb {R} ^{2}$⁠ ), хотя он вкладывается в коразмерность 1 (в ⁠ $\mathbb {R} ^{3}$⁠ ).

Уильям С. Мэсси ( 1960 ) показал, что эти характеристические классы (классы Стифеля-Уитни стабильного нормального расслоения) исчезают выше степени n - α ( n ) , где α ( n ) — количество цифр «1», когда n равно записан в двоичном формате; эта граница является точной, как это реализуется в реальном проективном пространстве . Это дало подтверждение гипотезе погружения , а именно, что каждое n -многообразие может быть погружено в коразмерность n − α ( n ) , т. е. в ⁠ $\mathbb {R} ^{2n-\alpha (n)}.$⁠ Эту гипотезу доказал Ральф Коэн ( 1985 ).

Коразмерность 0

Погружения в коразмерности 0 в равной степени являются относительными в размерности 0 погружениями , и их лучше рассматривать как погружения. коразмерности 0 Погружение замкнутого многообразия — это в точности накрывающее отображение , т. е. расслоение с 0-мерным (дискретным) слоем. Согласно теореме Эресмана и теореме Филлипса о субмерсии, правильная субмерсия многообразий представляет собой расслоение, следовательно, погружения/субмерсии коразмерности/относительной размерности 0 ведут себя как субмерсии.

Кроме того, погружения коразмерности 0 ведут себя не так, как другие погружения, которые в значительной степени определяются стабильным нормальным расслоением: в коразмерности 0 возникают проблемы с фундаментальными классами и пространствами покрытий. Например, не существует погружения коразмерности 0 ⁠ $\mathbb {S} ^{1}\to \mathbb {R} ^{1},$⁠ несмотря на то, что окружность параллелизуема, что можно доказать, поскольку линия не имеет фундаментального класса, поэтому требуемое отображение верхних когомологий невозможно получить. Альтернативно, это связано с инвариантностью домена . Аналогично, хотя ⁠ $\mathbb {S} ^{3}$⁠ и 3-тор ⁠ $\mathbb {T} ^{3}$⁠ оба распараллеливаемы, погружения нет ⁠ $\mathbb {T} ^{3}\to \mathbb {S} ^{3}$⁠ – любое такое покрытие должно было бы быть в некоторых точках разветвленным, поскольку сфера односвязна.

Другой способ понять это состоит в том, что погружение многообразия коразмерности k соответствует погружению коразмерности 0 k -мерного векторного расслоения, которое является открытым многообразием , если коразмерность больше 0, но замкнутым многообразием коразмерности 0 ( если исходное многообразие закрыто).

Несколько точек

k , ... -кратная точка (двойная, тройная и т. д.) погружения f : M → N — это неупорядоченное множество { x ₁ , x _k } различных точек x _i ∈ M с одинаковым образом f ( x _я ) ∈ N . Если M — m -мерное многообразие, а N — n -мерное многообразие, то для погружения f : M → N в общее положение множество k -кортежных точек представляет собой ( n − k ( n − m )) -мерное многообразие. . Каждое вложение — это погружение без кратных точек (где k > 1 ). Однако заметим, что обратное неверно: существуют инъективные погружения, которые не являются вложениями.

Природа множества точек классифицирует погружения; например, погружения окружности в плоскость классифицируются с точностью до регулярной гомотопии по числу двойных точек.

В ключевой момент теории хирургии необходимо решить, является ли погружение ⁠ $f:\mathbb {S} ^{m}\to N^{2m}$⁠ -сферы m в 2 m -мерном многообразии регулярно гомотопна вложению, и в этом случае ее можно убить хирургическим путем. Уолл связал с f инвариант µ ( f ) в факторе фундаментального группового кольца ⁠ $\mathbb {Z} [\pi _{1}(N)]$⁠ подсчитывает двойные точки f в универсальном покрытии N который . Для m > 2 функция f является регулярной гомотопной вложению тогда и только тогда, когда µ ( f ) = 0 по трюку Уитни .

Вложения можно изучать как «погружения без кратных точек», поскольку погружения легче классифицировать. Таким образом, можно начать с погружений и попытаться исключить несколько точек, проверив, можно ли сделать это без введения других особенностей – изучая «множественные дизъюнкции». Впервые это было сделано Андре Хефлигером , и этот подход плодотворен в коразмерности 3 или более — с точки зрения теории хирургии это «высокое (ко)размерность», в отличие от коразмерности 2, которая является измерением завязывания узлов, как в узле. теория . Его категорически изучают с помощью « исчисления функторов » Томаса Гудвилли , Джона Кляйна и Майкла С. Вайса .

Примеры и свойства

Quadrifolium , четырехлепестковая роза.

• Математическая роза с k лепестками — это погружение круга в плоскость с единственной k -кратной точкой; k может быть любым нечетным числом, но если четное должно быть кратно 4, то цифра 8 при k = 2 не является розой.
• Бутылка Клейна и все другие неориентируемые закрытые поверхности могут быть погружены в трехмерное пространство, но не вложены.
• По теореме Уитни-Граустейна регулярные гомотопические классы погружений окружности в плоскость классифицируются по числу обмотки , которое также является числом двойных точек, подсчитанных алгебраически (т.е. со знаками).
• Сферу можно вывернуть наизнанку : стандартная вставка ⁠ $f_{0}:\mathbb {S} ^{2}\to \mathbb {R} ^{3}$⁠ связано с $f_{1}=-f_{0}:\mathbb {S} ^{2}\to \mathbb {R} ^{3}$ регулярной гомотопией погружений ⁠ $f_{t}:\mathbb {S} ^{2}\to \mathbb {R} ^{3}.$⁠
• Поверхность Боя представляет собой погружение реальной проективной плоскости в трехмерное пространство; таким образом, также происходит погружение сферы 2 к 1.
• Поверхность Морена представляет собой погружение сферы; и она, и поверхность Боя возникают как промежуточные модели в вывороте сферы.

• 
  Поверхность мальчика
• 
  Поверхность Морена

Погруженные плоские кривые

Основные статьи: теорема Уитни – Граустейна , полная кривизна и число поворота.

Эта кривая имеет общую кривизну 6 π и число поворотов у нее только 3, хотя число витков 2 вокруг p .

Погруженные плоские кривые имеют четко определенное число поворота , которое можно определить как общую кривизну, деленную на 2 π . Это инвариантно относительно регулярной гомотопии согласно теореме Уитни-Граустейна - топологически это степень отображения Гаусса или, что то же самое, число обмотки единичного касательного (который не обращается в нуль) относительно начала координат. Далее, это полный набор инвариантов : любые две плоские кривые с одинаковым числом поворота являются регулярными гомотопными.

Каждая погруженная плоская кривая поднимается до встроенной пространственной кривой за счет разделения точек пересечения, что неверно в более высоких измерениях. С добавлением данных (какая нить находится сверху) погруженные плоские кривые дают диаграммы узлов , которые представляют центральный интерес в теории узлов . Если погруженные плоские кривые с точностью до регулярной гомотопии определяются числом их поворотов, то узлы имеют очень богатую и сложную структуру.

Погруженные поверхности в трехмерном пространстве

Исследование погруженных поверхностей в 3-пространстве тесно связано с изучением завязанных (вложенных) поверхностей в 4-пространстве по аналогии с теорией диаграмм узлов (погруженных плоских кривых (2-пространства) как проекций завязанных кривых в 3-мерном пространстве). -пространство): учитывая узловатую поверхность в 4-мерном пространстве, можно спроецировать ее на погруженную поверхность в 3-мерном пространстве, и наоборот, учитывая погруженную поверхность в 3-мерном пространстве, можно спросить, поднимается ли она в 4-мерное пространство - это проекция узловатой поверхности в 4-мерном пространстве? Это позволяет связать вопросы об этих объектах.

Основной результат, в отличие от случая плоских кривых, состоит в том, что не каждая погруженная поверхность поднимается до узловатой поверхности. В некоторых случаях препятствие является 2-торсионным, например, в примере Кошорке , которая представляет собой погруженную поверхность (образованную из трех лент Мёбиуса с тройной точкой ), которая не поднимается до узловатой поверхности, но имеет двойную крышку, которая поднимается. Подробный анализ представлен в Carter & Saito (1998a) , а более поздний обзор представлен в Carter, Kamada & Saito (2004) .

Обобщения

Основная статья: Принцип гомотопии

Далеко идущим обобщением теории погружения является принцип гомотопии :можно рассматривать условие погружения (ранг производной всегда k ) как отношение в частных производных (PDR), поскольку его можно сформулировать через частные производные функции. Тогда теория погружения Смейла-Хирша является результатом того, что это сводится к теории гомотопии, а принцип гомотопии дает общие условия и причины, по которым PDR сводятся к теории гомотопии.

См. также

• Погруженное подмногообразие
• Изометрическое погружение
• Погружение

Ссылки

• Адачи, Масахиса (1993), Вложения и погружения , перевод Кики Хадсон, ISBN  978-0-8218-4612-4
• Арнольд, VI ; Варченко А.Н.; Гусейн-Заде, С.М. (1985), Особенности дифференцируемых отображений: Том 1 , Биркхойзер, ISBN  0-8176-3187-9
• Бишоп, Ричард Лоуренс ; Криттенден, Ричард Дж. (1964), Геометрия многообразий , Нью-Йорк: Academic Press, ISBN  978-0-8218-2923-3
• Бишоп, РЛ ; Гольдберг, С.И. (1968), Тензорный анализ многообразий (первое изд. Дувра, 1980 г.), The Macmillan Company, ISBN  0-486-64039-6
• Брюс, JW; Гиблин, П.Дж. (1984), Кривые и особенности , издательство Кембриджского университета, ISBN  0-521-42999-4
• Картер, Дж. Скотт; Сайто, Масахико (1998a), «Поверхности в трехмерном пространстве, которые не поднимаются до вложений в четырехмерном пространстве», Теория узлов (Варшава, 1995) , Banach Center Publ., vol. 42, польский акад. Sci., Варшава, стр. 29–47, CiteSeerX   10.1.1.44.1505 , MR   1634445 .
• Картер, Дж. Скотт; Сайто, Масахико (1998), Узловатые поверхности и их диаграммы , Математические обзоры и монографии, том. 55, с. 258, ISBN  978-0-8218-0593-0
• Картер, Скотт; Камада, Сейичи; Сайто, Масахико (2004), Поверхности в 4-мерном пространстве , Энциклопедия математических наук, том. 142, Берлин: Springer-Verlag, номер номера : 10.1007/978-3-662-10162-9 , ISBN.  3-540-21040-7 , МР   2060067 .
• Коэн, Ральф Л. (1985), «Гипотеза о погружении для дифференцируемых многообразий», Annals of Mathematics , Second Series, 122 (2): 237–328, doi : 10.2307/1971304 , JSTOR   1971304 , MR   0808220 .
• Крампин, Майкл; Пирани, Феликс Арнольд Эдвард (1994), Прикладная дифференциальная геометрия , Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета, ISBN  978-0-521-23190-9
• Дарлинг, Ричард Уильям Рамзи (1994), Дифференциальные формы и связи , Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета, Бибкод : 1994dfc..book.....D , ISBN  978-0-521-46800-8 .
• ду Карму, Манфредо Пердигао (1994), Риманова геометрия , ISBN  978-0-8176-3490-2
• Франкель, Теодор (1997), Геометрия физики , Кембридж: Издательство Кембриджского университета, ISBN  0-521-38753-1
• Галло, Сильвестр; Хулин, Доминик ; Лафонтен, Жак (2004), Риманова геометрия (3-е изд.), Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag , ISBN  978-3-540-20493-0
• Громов, М. (1986), Частные дифференциальные отношения , Springer, ISBN  3-540-12177-3
• Хирш, Моррис В. (1959), «Погружения многообразий», Труды Американского математического общества , 93 (2): 242–276, doi : 10.2307/1993453 , JSTOR   1993453 , MR   0119214 .
• Кобаяши, Шошичи; Номидзу, Кацуми (1963), Основы дифференциальной геометрии, Том 1 , Нью-Йорк: Wiley-Interscience
• Кошорке, Ульрих (1979), «Множественные точки погружения и теорема Кана-Придди», Mathematical Journal , 169 (3): 223–236, doi : 10.1007/BF01214837 , MR   0554526 , S2CID   121273182 .
• Косински, Антони Альберт (2007) [1993], Дифференциальные многообразия , Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, ISBN  978-0-486-46244-8
• Ланг, Серж (1999), Основы дифференциальной геометрии , Тексты для аспирантов по математике, Нью-Йорк: Springer, ISBN  978-0-387-98593-0
• Мэсси, WS (1960), «О классах Стифеля-Уитни многообразия», American Journal of Mathematics , 82 (1): 92–102, doi : 10.2307/2372878 , JSTOR   2372878 , MR   0111053 .
• Смейл, Стивен (1958), «Классификация погружений двух сфер», Труды Американского математического общества , 90 (2): 281–290, doi : 10.2307/1993205 , JSTOR   1993205 , MR   0104227 .
• Смейл, Стивен (1959), «Классификация погружений сфер в евклидовы пространства», Annals of Mathematics , Second Series, 69 (2): 327–344, doi : 10.2307/1970186 , JSTOR   1970186 , MR   0105117 .
• Спивак, Майкл (1999) [1970], Всестороннее введение в дифференциальную геометрию (Том 1) , Опубликуй или погибни, ISBN  0-914098-70-5
• Спринг, Дэвид (2005), «Золотой век теории погружения в топологии: 1959–1973: математический обзор с исторической точки зрения», Бюллетень Американского математического общества , новая серия, 42 (2): 163–180, CiteSeerX   10.1.1.363.913 , doi : 10.1090/S0273-0979-05-01048-7 , MR   2133309 , S2CID   9237068 .
• Секерес, Питер (2004), Курс современной математической физики: группы, гильбертово пространство и дифференциальная геометрия , Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press, ISBN  978-0-521-82960-1
• Уолл, CTC (1999), Хирургия на компактных многообразиях (PDF) , Математические обзоры и монографии, том. 69 (второе изд.), Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество, номер документа : 10.1090/surv/069 , ISBN.  0-8218-0942-3 , МР   1687388 .

Внешние ссылки

• Погружение в Атлас многообразия
• Погружение многообразия в Математической энциклопедии