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几何背景。****
一个球体是一个二维的几何物体。我们需要两个量,两个数字,两个标量,来定位其上的一个点。
球体是一个具有拓扑结构的表面。它的拓扑结构与环面不同。
两者都有测地系统。如前一节所述,我们可以想象球体上的两个不同点M1和M2,以及连接这两个点的曲线。然后我们可以沿着这条特定路径测量长度。这是一种坐标不变的量。S²球体独立于任何三维表示空间存在。但我们可以在我们熟悉的三维欧几里得空间中表示它,我们被假定生活在这个空间中。然后我们可以给这个球体一个中心,并将所有点连接到这个中心。见图(116)。每个点对应两个角度:q和j。
(116)
我们在球体上打了一个洞,以显示向量OM,其中O是中心,M是球体上的一个点。
现在,图(117)保留了向量,但忘记了球体。
(117)
这些半直线是无限的,但我们将其截断为一个特定的长度,对应于我们球体的半径R。每条直线对应一个(q,j)对。度量结构已经消失。没有测地线,也没有长度。还剩下什么?
这些半直线都有邻近的直线,构成其邻域。每条半直线可以想象成被一系列圆锥(图(118))包围。
(118)
在任何一条直线上,我们可以放置任意数量的圆锥。在两个圆锥之间,我们总能插入另一个圆锥。这直观地暗示了“可微性”的概念。在这样的几何物体中,没有任何不连续性。
现在,忘记球体,取一个平面。它是一组点。无论我选择哪种坐标系,我都可以用两个量来定义这些点:(x,y),(r,q)等。
一对实数。这些数是从R²中选取的,即实数集合,例如(3.8705,-17.56)。
任何一对实数(x;y)都有无限多个邻近点(x + Dx;y + Dy)。
这些“前度量”对象被数学家称为“流形”。
很难想象这样一个“柔软”的介质。在图(119)中,我们描绘了一个刚性的平面表面,具有度量性质,而在其下方是它的点的投影。
(119)
投影没有自己的形状或范围。它取决于屏幕和光线的产生。在图(120)中,我们暗示了投影相对于物体的相对性。
(120)
这些“平行线”类似于我们用来将球体上的点连接到其中心的光线。在这里,平面的点被“连接”到一个位于无限远处的“光源”。
放弃这种直线的想法。考虑一束煮熟的意大利面(如果没煮熟,它们应该是坚硬且易碎的)。我们可以弯曲它们。但我们要求意大利面保持连接在一起。它们的邻域不能被改变。
(121)
这一切都很粗糙,我知道,而且并不完全严谨。我只是想向读者暗示什么是流形,一个没有度量的几何对象,其主要特性是每个点都有邻近点。
流形是一个点的集合m。我可以想象,我将流形上的每个点与属于真实表面的两个点(M1,M2)关联起来,这些表面具有度量性质、长度等。
我将n维流形称为“骨架流形”,而与之相关的n维表面则称为“褶皱”。然后我构建“流形的双褶皱覆盖”。
在图(122)中,是二维流形m2的双褶皱覆盖。
(122)
在图(122)中,我描绘了相同、平行的欧几里得褶皱(平面),具有相同的度量。但我可以构建图(123):
我们将M和M称为共轭点。从“骨架流形”构建这两个褶皱有明确的意义:对于褶皱F上的任意点M,我们可以唯一地关联一个共轭点M。存在一个点对点的映射。然后我们可以忘记骨架流形。
对于褶皱F上任意点的邻域,对应于其共轭点M的邻域。见图(124)。这意味着,对于F上的任意规则区域,对应于F中的一个共轭规则区域。
(124)
这表明,共轭点M和M*由相同的坐标集描述。