黑海海峽

[拼音]：weifen tuopuxue

[英文]：differential topology

研究微分流形和可微對映的一個數學分支。微分流形除了是拓撲流形外，還有一個微分結構。因此，對於從一個微分流形到另一個微分流形的對映，不僅可以談論它是否為連續，還可以談論它是否可微分。微分拓撲的奠基人是H.惠特尼，它研究的主要課題有微分同胚、微分浸入、微分嵌入、協邊理論等。

微分同胚

微分流形M和N叫做是微分同胚的，如果存在M和N之間的一一對應ƒ:M→N，使得ƒ和它的逆對映ƒ -1：N→M都是可微對映。在微分拓撲中，彼此微分同胚的流形被看作是等價的。把等價的微分流形看作屬於同一類。對微分流形進行分類是微分拓撲最基本的問題。

如果ƒ和ƒ -1僅僅是連續的，不一定可微，則M和N叫做是同胚的（亦即拓撲上等價的）。同胚的微分流形未必微分同胚。例如，用S7表示七維球面，即八維歐氏空間R8中所有單位向量構成的流形，則S7可被賦以不同的微分結構，使所得的微分流形是不微分同胚的。已經算出，與S7同胚的微分流形，按微分同胚來分類， 一共有28類，當n≥5時， 與Sn同胚的微分流形的等價類的數目，已被證明是有限的，且對5≤n≤18，類數均已被算出（見表

）。

以Rm表示m 維歐氏空間。當m≠4時，不論以何種方式給Rm 賦以微分結構，所得的微分流形總是微分同胚的。有一個很有意思的事實是，對R4可賦以不同的微分結構，使所得的微分流形是不微分同胚的。

當n=1、2、3時，任意n維拓撲流形上必可賦以微分結構，且由同一拓撲流形賦以不同的微分結構所得的微分流形必微分同胚。因此，對一、二、三維流形，按微分同胚來分類和按同胚來分類是一樣的。

一維流形的分類很簡單。它們必同胚於開區間(0，1)，閉區間［0，1］，半開半閉區間［0，1)和圓周S1中的一個，且這四個流形必不同胚。二維緊緻無邊流形的分類早已被解決（見閉曲面的分類）。而三維緊緻無邊流形的分類問題是很困難的，尚未解決。

微分浸入

設ƒ:M→N是一個可微對映，dƒ:T(M)→T(N)是它的微分（見微分流形）， 如果對任意尣∈T(M)，尣≠0，有dƒ(尣)≠0，則稱ƒ為微分浸入。兩個微分浸入ƒ和g叫做是正則同倫的，如果存在連續對映H:M×[0，1]→N，使得H0(x)=ƒ(x)，H1(x)=g(x)，對任意t∈[0，1]，Ht(x)是微分浸入，且由dHt(尣)所定義的對映

是連續的。

關於微分浸入的存在性方面的一個經典結果是：n>1時，任意n維微分流形可以微分浸入於2n－1維歐氏空間中。這一結果後來被推廣成：設M是任意n維微分流形，N是任意2n－1維微分流形，ƒ:M→N是任意連續對映，則ƒ必同倫於某一微分浸入。

關於微分浸入按正則同倫的分類方面的一個經典結果是：設ƒ：S1→R2是圓周到平面的一個微分浸入，記ƒ(eiθ)處單位切向量為

，則

定義了一個S1到 S1的對映。當θ從0增加到2π時，

的角度連續地變化了2π的一個整數倍。記這一倍數為nƒ（見圖

），則ƒ→nƒ決定了S1到R2的微分浸入的正則同倫類到全體整數的集合的一一對應。也就是說，兩個微分浸入ƒ和g正則同倫當且僅當nƒ=ng，且對任意整數n，必有微分浸入ƒ，使n=nƒ。這一結果的一個推廣是：Sk到Rn（n>k）的微分浸入的正則同倫類與πk(Vn，k)一一對應，這裡Vn，k是Rn中所有k個線性無關向量組構成的空間，πk表示第k個同倫群。

微分浸入的存在和分類問題已完全被化成了同倫論的問題。但由於相應的同倫論問題的困難，具體結果仍然不多。

n維微分流形Mn到R

的微分浸入的分類問題已完全解決。對任意連續對映

，同倫於ƒ的微分浸入的分類問題也已基本上解決。

微分嵌入

設ƒ:M→N是微分對映，如果ƒ(M)是N的微分子流形，並且ƒ:M→ƒ(M)是微分同胚，則稱ƒ為微分嵌入。微分嵌入一定是微分浸入。兩個微分嵌入叫做是正則同痕的，如果存在連線它們的正則同倫Ht，使對每一固定的t∈[0，1]，Ht是微分嵌入。

關於微分嵌入的一個經典結果是:任意n維微分流形可微分嵌入於2n維歐氏空間中。n≠1，4時，已證明任意n維可定向的緊緻無邊微分流形可微分嵌入於R

中，n=4時，可微分嵌入的充分必要條件已發現。

關於S1在R3中的微分嵌入按正則同痕分類的問題是很複雜的，已成為一個獨立的研究分支，稱為紐結理論，它密切地關聯於三維流形的同胚分類問題。

與S1在R3中的微分嵌入有無窮多個正則同痕類相反，吳文俊證明了：若n>1，則任意n維微分流形在R

中的任意兩個微分嵌入都是正則同痕的。

當n>3(k+1)/2時，k維微分流形到n維微分流形的微分嵌入的存在和正則同痕分類的問題已被化成同倫論問題，且已證明當k和n滿足上述關係時，Sk在Rn中的任意兩個微分嵌入都是正則同痕的，但S

在R

中的微分嵌入的正則同痕類卻與整數全體一一對應。

協邊

兩個n維的緊緻無邊微分流形M和N叫做是協邊的，如果存在一個n+1維的緊緻微分流形W，W的邊界恰由M和N 組成。把兩個協邊的微分流形看成屬於同一協邊類，則按協邊關係來分類緊緻無邊微分流形比按微分同胚來分類它們要粗略，因為任意兩個微分同胚的緊緻無邊微分流形必是協邊的。與按微分同胚的精細分類問題至今未能解決形成鮮明對照的是，按協邊關係的粗略分類問題雖非容易，但卻已徹底解決。二維(或三維)的可定向緊緻無邊微分流形都是協邊的，雖然未必微分同胚。實投影平面與二維球面是不協邊的。

上述協邊理論有很多推廣，如可定向流形的協邊論，對映的協邊論，穩定切叢有復結構的流形的協邊論，穩定切叢有標架的流形的協邊論等等。其中標架協邊論與球的同倫群的研究有著互逆的關係，仍是拓撲學中重要的難題。

微分拓撲雖是不同於代數拓撲的一個獨立的數學分支，但它與代數拓撲的關係極為密切。解決微分拓撲問題的許多基本工具，例如同調群、同倫群、拓撲K-理論以及多種示性類等代數不變數都是從代數拓撲中借用過來的。

基於莫爾斯函式的臨界點理論的流形剜補術則是首先對微分流形發展起來的，然後被推廣至拓撲流形的情形。拓撲流形的剜補術在解決四維龐加萊猜想時發揮了作用。可見兩者互相滲透、互相促進。

參考書目

J.W.米爾諾著，熊金城譯：《從微分觀點看拓撲》，上海科學技術出版社，上海，1983。(J.W.Milnor，Topology from the Differentiable Vieωpoint， Univ. of Virginia Press， Charlottesville， 1965.)