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可微流形(geom)

1854
  • Bernhard Riemann
历史研究室中,一幅描绘可区分流形的羊皮纸卷轴。

(图片仅供参考)

可微流形是 拓扑空间 它局部类似于欧几里得空间,因此可以应用微积分。每个点都有一个邻域,该邻域同胚于 [latex]mathbb{R}^n[/latex] 的一个开子集。这些局部坐标系,称为图,通过光滑的过渡函数相互关联,形成一个图谱,定义了流形的可微结构。

可微流形是微分几何的核心研究对象。它形式化了任意维度“弯曲空间”的概念。虽然流形整体上可以是复数(例如球面或环面),但在局部,围绕任意一点,它看起来就像欧几里得空间中的一块平坦区域。这种局部“平坦性”至关重要,因为它使我们能够运用多元微积分的工具。

正式定义涉及点集 M、M 上的拓扑以及图集。图集是图表的集合,其中每个图表都是一个二元组 (U, φ),U 是 M 的一个开子集,φ 是 M 的一个顶点。 同胚 从 U 到 [latex]mathbb{R}^n[/latex] 的一个开子集。对于任意两个重叠的坐标系 (U, φ) 和 (V, ψ),从 [latex]phi(U cap V)[/latex] 到 [latex]psi(U cap V)[/latex] 的转换映射 [latex]psi circ phi^{-1}[/latex] 必须是微分同胚(无穷可微且逆可微)。此相容性条件确保在一个坐标系中进行的微积分与在另一个坐标系中进行的微积分相一致。

这种结构允许在流形上定义切空间、矢量场和微分形式,而不受任何特定坐标系的限制。它提供了一个从本质上研究几何的框架,而无需将空间嵌入到更高维度的环境空间中。

UNESCO Nomenclature: 1204
- 几何学

类型

抽象系统

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 欧几里得几何
  • 非欧几里得几何(罗巴切夫斯基、博雅伊)
  • 卡尔·弗里德里希·高斯的曲面理论
  • 勒内·笛卡尔的坐标系
  • 拓扑学的早期概念

应用程序

  • 广义相对论(时空被建模为 4d 洛伦兹流形)
  • 机器人技术(机器人的配置空间是流形)
  • 计算机图形学(表示复杂表面)
  • 弦理论
  • 经典力学(相空间是辛流形)

专利:

NA

潜在创新理念

  • 开发更有效的算法来处理机器学习中复杂的高维数据环境
  • 为软机器人创造具有可编程拓扑特性的新型材料
  • designing control systems for swarms of autonomous drones that treat the swarm’s collective state as a point on a manifold
  • modeling the “shape” of financial markets to identify systemic risks
  • 使用非欧几里得几何创建虚拟现实环境,用于游戏和训练模拟
  • 通过将网络状态空间视为流形来优化网络路由协议
  • 通过建模构象空间开发蛋白质折叠分析的新方法
  • 基于高维流形几何设计先进的密码系统
相关领域:流形、拓扑学、可微结构、图谱、图表、欧几里得空间、微积分、几何学。

历史背景

可微流形(geom)

1827
1829
1850
1854
1854
1895
1899
1822
1828
1848
1850
1854
1884
1896
1900

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

第十年 周年纪念日

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