微分流形（differentiable manifold），也稱(chēng)為光滑流形（smooth manifold），是拓?fù)鋵W(xué)和幾何學(xué)中一類(lèi)重要的空間，是帶有微分結(jié)構(gòu)的拓?fù)淞餍?。微分流形是微分幾何與微分拓?fù)涞闹饕芯繉?duì)象，是三維歐式空間中曲線(xiàn)和曲面概念的推廣，可以有更高的維數(shù)，而不必有距離和度量的概念。

概念

具體說(shuō)來(lái)，設(shè)M是一個(gè)豪斯多夫拓?fù)淇臻g。U是M的開(kāi)集，h是U到n維歐氏空間R的開(kāi)集 - 常取為單位球內(nèi)部或立方體內(nèi)部等等上的一個(gè)同胚映射，則 - U，h稱(chēng)為一個(gè)坐標(biāo)圖，U稱(chēng)為其中點(diǎn)的一個(gè)坐標(biāo)鄰域。設(shè)M為開(kāi)集系{Uα}所復(fù)蓋，則 - Uα，hα的集合稱(chēng)為M的一個(gè)坐標(biāo)圖冊(cè)。

如果M的坐標(biāo)圖冊(cè)中任何兩個(gè)坐標(biāo)圖都是C相關(guān)的，則稱(chēng)M有C微分結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)M為n維的C微分流形。C相關(guān)是指流形M上同一點(diǎn)的不同坐標(biāo)之間的變換關(guān)系是C可微分的 - k=0，1，…，∞或ω，依通常記號(hào)C表示解析函數(shù)。具體來(lái)說(shuō)，如p∈Uα∩Uβ， - x， - x - i=1，…，n分別是p在兩個(gè)坐標(biāo)圖 - Uα，hα， - Uβ，hβ下的 - 局部坐標(biāo)，即那么它們之間的關(guān)系式可表為而?關(guān)于x - j=1，2，…，n具有直到k次的連續(xù)導(dǎo)數(shù)。k=0時(shí)，M是拓?fù)淞餍?k>0時(shí)，就是微分流形;k=ω時(shí)，是解析流形。C流形又常稱(chēng)為光滑流形。

如果微分流形M是一個(gè)仿緊或緊致拓?fù)淇臻g，則稱(chēng)M為仿緊或緊致微分流形。如果可選取坐標(biāo)圖冊(cè)使微分流形M中各個(gè)坐標(biāo)鄰域之間的坐標(biāo)變換的雅可比行列式都大于零，則稱(chēng)這個(gè)流形是可定向的。球面是可定向的，麥比烏斯帶是不可定向的。

同一拓?fù)淞餍慰梢跃哂斜举|(zhì)上不同的微分結(jié)構(gòu)。米爾諾 - John Milnor首先發(fā)現(xiàn)作為一個(gè)拓?fù)淞餍?，七維球面上可有不同于標(biāo)準(zhǔn)微分結(jié)構(gòu)的怪異微分結(jié)構(gòu)。后來(lái)弗里德曼 - Michael Freedman等得出如下的重要結(jié)果:四維歐氏空間中也有多種微分結(jié)構(gòu)，這與其他維數(shù)的歐氏空間只有惟一的微分結(jié)構(gòu)有著重大區(qū)別。

類(lèi)別

可微映射

設(shè)φ是從C流形M到C流形N的連續(xù)映射，如果對(duì)于N上的任意Cr函數(shù)?，M上的函數(shù)?。φ總是Cr的，則稱(chēng)φ是Cr可微映射，或簡(jiǎn)稱(chēng)Cr映射。如果φ是從M到N上的同胚，而且φ和φ都是C的，則稱(chēng)φ為微分同胚，此時(shí)也稱(chēng)M與N是微分同胚的微分流形。

映射的微分

設(shè)φ是從M到N的C映射。對(duì)M上點(diǎn)p的切向量x可以如下地定義N在點(diǎn)φ - p處的切向量x┡：這個(gè)對(duì)應(yīng)x→x┡用dφP表示，稱(chēng)為φ在點(diǎn)p處的微分。微分dφP是從切空間TP - M到 - N的線(xiàn)性映射，有時(shí)也稱(chēng)為φ在切空間的誘導(dǎo)映射，常用φ*P或φ*表示。利用對(duì)偶性，φ也自然地誘導(dǎo)了從余切空間到T壩的線(xiàn)性映射，常記為 - dφP或φ壩或φ。由張量積運(yùn)算，φ還可以誘導(dǎo)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間某些張量空間之間的線(xiàn)性映射。

子流形

設(shè)M和N是兩個(gè)C流形，φ：M→N是C映射。如果微分dφP在M的每一點(diǎn)都是單射，則稱(chēng)φ是浸入，而φ - M稱(chēng)為N的浸入子流形。如果浸入φ還是單射，則稱(chēng)為嵌入，此時(shí)φ - M稱(chēng)為N的嵌入子流形。

張量場(chǎng)

微分流形上可以定義可微函數(shù)、切向量、切向量場(chǎng)、各種張量場(chǎng)等對(duì)象并建立其上的分析學(xué)，并可以賦予更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)以研究它們的性質(zhì)。

光滑函數(shù)

流形M上的實(shí)數(shù)值連續(xù)函數(shù)f:→R是一個(gè)光滑函數(shù)，如果對(duì)每一個(gè)相容的坐標(biāo)卡ρ：U→M，f - ρ:U→R是一個(gè)U上的光滑函數(shù)。因?yàn)樽鴺?biāo)卡之間的坐標(biāo)變換是光滑映射，這是一個(gè)良好的定義。特別的，光滑函數(shù)可以看成一種0階張量場(chǎng)。

向量場(chǎng)

設(shè)p∈M，M在點(diǎn)p處的一個(gè)切向量是指從F（M）到R的一個(gè)線(xiàn)性映射x，使得對(duì)于任意的?，g∈F - M，滿(mǎn)足：對(duì)于在p點(diǎn)的切向量x1，x2和實(shí)數(shù)λ1，λ2，定義λ1×1+λ2×2如下：那么，點(diǎn)p處的切向量全體構(gòu)成一個(gè)n維的實(shí)線(xiàn)性空間TP，TP稱(chēng)為在p處M的切空間或切向量空間 - 也記為T(mén)P - M。如果（x，x，…，x）為點(diǎn)p處的局部坐標(biāo)系，則由定義的n個(gè)獨(dú)立的切向量，構(gòu)成TP的一組基，稱(chēng)為自然標(biāo)架（或坐標(biāo)標(biāo)架）。

M的切向量全體構(gòu)成以M為底空間的向量叢（見(jiàn)纖維叢），稱(chēng)為M的切向量叢，簡(jiǎn)稱(chēng)切叢。M的切叢的一個(gè)截面稱(chēng)為M上的一個(gè)向量場(chǎng)。在局部坐標(biāo)系中，向量場(chǎng)可表成的形式，式中ξ - x是坐標(biāo) - x的C函數(shù)。

TP的對(duì)偶空間稱(chēng)為M在點(diǎn)p處的余切空間，記為T(mén)壩。T壩中的元素稱(chēng)為余切向量，也稱(chēng)協(xié)變向量。M的余切向量全體構(gòu)成M的余切向量叢，簡(jiǎn)稱(chēng)余切叢，它的截面稱(chēng)為M上的一次微分形式?！?=2”。

一般張量場(chǎng)

由切空間和余切空間通過(guò)張量積的運(yùn)算可以得到M在點(diǎn)p處的各種 - r，s型張量，M的 - r，s型的張量全體構(gòu)成張量叢，它的截面就是M上的一個(gè) - r，s型張量場(chǎng)（見(jiàn)多重線(xiàn)性代數(shù)、張量）。

形式

在微分流形上還可以定義外微分形式 - 見(jiàn)外微分形式。p次外微分形式 - 2是一些微分的外積的線(xiàn)性組合，這些微分的外積是反對(duì)稱(chēng)的，即是p階反對(duì)稱(chēng)協(xié)變張量，M上p次外微分形式的全體構(gòu)成一個(gè)實(shí)數(shù)域上的無(wú)限維向量空間E。

對(duì)外微分形式可以進(jìn)行加法運(yùn)算 - 同次外微分形式可以相加，外積運(yùn)算 - p次外微分形式與q次外微分形式的外積是一個(gè) - p+q次外微分形式，還可以進(jìn)行外微分運(yùn)算及積分運(yùn)算。在局部坐標(biāo)下，外微分運(yùn)算為 - 3設(shè)ω∈E且dω=0，則稱(chēng)ω為閉形式。M上p次閉形式的全體構(gòu)成E的一個(gè)子空間記為Z。設(shè)ω∈E，且ω=dσ - σ∈E，則稱(chēng)ω為正合形式。正合形式一定是閉形式。

M上p次正合形式的全體也構(gòu)成E的一個(gè)子空間記為B，B嶅Z。商空間 - 4稱(chēng)為p次德·拉姆上同調(diào)群 - de Rham cohomology group。

四維流形

在拓?fù)鋵W(xué)中四維是一個(gè)非常特殊的維數(shù)。譬如斯梅爾的龐加萊猜想的證明只應(yīng)用于大于四維的維數(shù)，他的h-配變定理不能應(yīng)用于四維流形。而弗里德曼的對(duì)四維龐加萊猜想的證明則更復(fù)雜。而且人們發(fā)現(xiàn)，存在四維拓?fù)淞餍危谄渖喜荒苜x予任何微分結(jié)構(gòu)。而四維歐式空間是唯一一個(gè)存在怪異微分結(jié)構(gòu)的歐式空間。

對(duì)四維微分流形的研究中具有里程碑意義的是英國(guó)數(shù)學(xué)家西蒙·唐納森的工作。他的想法來(lái)源于理論物理中的規(guī)范場(chǎng)理論。他由此定義了被稱(chēng)為唐納森不變量的四維微分流形的不變量。后來(lái)物理學(xué)家賽博格和愛(ài)德華·威騰將唐納森不變量簡(jiǎn)化為一種更易于計(jì)算的不變量，后來(lái)被稱(chēng)作賽博格-威騰不變量（Seiberg-Witten invariants）。這些不變量都大大推進(jìn)了人們對(duì)四維微分流形的理解。

而對(duì)于四維拓?fù)淞餍?，許多問(wèn)題還沒(méi)有解決。其中最重要的是四維流形的光滑龐加萊猜測(cè)：（作為一個(gè)拓?fù)淞餍危┧木S球面上只存在標(biāo)準(zhǔn)的微分結(jié)構(gòu)。