极大积分流形

更新时间:2022-08-25 15:02

极大积分流形(maximal integral manifold)是某种意义下为极大的积分流形。设(N,ψ)是流形M的分布D的连通积分流形,且其像不是D的其他连通积分流形的真子集,则称(N,ψ)为D的极大积分流形。

定义

设是定义在维光滑流形上的维分布,设是分布的一个连通积分流形,并且它的像不是的另一个连通积分流形的真子集,则称是的极大积分流形。

相关定理

定理1 (弗罗贝尼乌斯定理) 设是定义在开子集上的维光滑分布,如果满足弗罗贝尼乌斯条件,则在每一点,存在局部坐标系,使得,并且

定理2 设M是具有第二可数公理的m维光滑流形,是M上的h维光滑分布,如果满足弗罗贝尼乌斯条件,则对于任意一点,必存在的唯一的一个极大积分流形经过点p,并且的经过点p的每一个连通积分流形必包含在这个极大积分流形内。

下面叙述关于定理证明的大意。

根据弗罗贝尼乌斯定理,在M上存在一族局部坐标系,其中构成M的可数开覆盖,且在中的坐标面

是的h维积分流形。

设N是连通的h维光滑流形,且是的积分流形,即

根据的连续性,若,则有点p在N中的连通邻域V,使得,故包含在的某个坐标面(1)内,设q是N上另外一点,C是联结p,q的分段光滑曲线,则C可以用有限多个如上所述的邻域V覆盖住。换句话说,N上任意一点q都能用分段光滑曲线与点p连结起来,并且其中每一段光滑曲线都是的一维积分流形,即有[0,1]的分割

使得每一段曲线是光滑的,并且是的一维积分流形。

上述讨论启发我们如何去构造分布的经过点的极大积分流形。设,令={:q能用分段光滑曲线与p连结,且每段光滑曲线是的一维积分流形). (2)在K上能引进光滑流形结构,使之成为h维连通光滑流形,并可证明是的经过点p的极大积分流形,这里是包含映射。

事实上,若,则q必属于某个,于是坐标面

的含有q的连通分支必包含在K内,将该连通分支取为点q在K中的坐标邻域,且以为其中的局部坐标。可以验证,这样给出的坐标邻域构成K的-坐标覆盖,从而使K成为h维光滑流形,且是的积分流形。根据K的定义以及前面的讨论,若是的经过点p的连通积分流形,则必有,因此K是极大的。

由定理2可见,在M中存在一族h维连通的、单一浸入的子流形,满足如下条件:

(1)对于M上任意一点p,必有族中的一个子流形通过它;

(2)存在点p的局部坐标系,使得在族中的子流形满足时,的连通分支为

这样的子流形族称为M的一个叶状结构(foliation),其中的每一个子流形称为(leaf)。

因此,定理2的意义是:M上满足弗罗贝尼乌斯条件的h维分布在M上决定了一个叶状结构。关于叶状结构的拓扑和几何的研究,是60年代以来一个重要的课题。

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