微分流形(differentiable manifold),也称为光滑流形(smooth manifold),是拓扑学和几何学中一类重要的空间,具有微分结构。微分流形是三维欧式空间中曲线和曲面概念的推广,可以有更高的维数,而不必有距离和度量的概念。
定义和基本性质微分流形是一个局部同胚于欧几里得空间的Hausdorff空间。具体来说,对于一个微分流形M,对于任意一点x∈M,存在x的一个开邻域U和Rn中的一个开集V,使得U和V同胚。这种同胚映射称为坐标卡,一个流形可以由多个坐标卡覆盖。
Hausdorff空间,也称为豪斯多夫空间、分离空间或T2空间,是拓扑学中的一个重要概念。
在Hausdorff空间中,任意两个不同的点都可以由它们的邻域分离。
即对于任意两个点p1和p2,存在p1的邻域U1和p2的邻域U2,
使得U1和U2的交集为空集(U1∩U2=∅)
简单说,微分流形就是与Rn存在同胚关系的一个空间。
历史背景和应用微分流形概念的历史可以追溯到19世纪末,当时Klein对几何学及其分类进行了定义。微分流形在微分几何中研究微分流形在微分同胚变换下的不变性质。微分流形是研究连续空间的重要工具,广泛应用于物理学、几何学和拓扑学等领域。例如,在广义相对论中,时空模型被描述为一个四维伪黎曼流形。
数学定义和性质微分流形是一个Hausdorff空间,对于空间中的任意一点x∈M,都有x在M中的一个邻域U,满足与m维欧式空间Rm同胚。这种同胚映射可以将x的邻域U映射到Rm中的一个开集φ(U)。流形M的每个点都有一个坐标卡(U,φ(U)),多个坐标卡覆盖整个流形。如果这些坐标卡在重叠区域满足一定的相容性条件,则称M为一个m维微分流形。