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可微流形(geom)

1854
  • Bernhard Riemann
在一间历史悠久的书房里,羊皮纸卷轴详细描述了可微分流形。

A differentiable manifold is a topological space that is locally similar to Euclidean space, allowing calculus to be applied. Each point has a neighborhood that is homeomorphic to an open subset of [乳胶]\mathbb{R}^n[/latex]. These local coordinate systems, called charts, are related by smooth transition functions, forming an atlas that defines the manifold’s differentiable structure.

A differentiable manifold is the central object of study in differential geometry. The concept formalizes the idea of a “curved space” of any dimension. While globally a manifold can be complex (like a sphere or a torus), locally, around any point, it looks like a flat piece of Euclidean space. This local “flatness” is key, as it allows us to use the tools of multivariable calculus.

The formal definition involves a set of points M, a topology on M, and an atlas. An atlas is a collection of charts, where each chart is a pair (U, φ), with U being an open subset of M and φ being a homeomorphism from U to an open subset of [latex]\mathbb{R}^n[/latex]. For any two overlapping charts, (U, φ) and (V, ψ), the transition map [latex]\psi \circ \phi^{-1}[/latex] from [latex]\phi(U \cap V)[/latex] to [latex]\psi(U \cap V)[/latex] must be a diffeomorphism (infinitely differentiable with a differentiable inverse). This compatibility condition ensures that calculus performed in one coordinate system is consistent with calculus performed in another.

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

使用方法

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

  • 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

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