大域微分幾何(上):Riemannn幾何基礎(二版)

這套書三卷分別是「Riemann幾何基礎」、「活動標架法」(movingframes)及「幾何變分學」,涵蓋九大篇,共三十章,並於上卷與下卷加入〈前篇〉及〈衍篇〉各三章,以作為 ...

大域微分幾何(上):Riemannn幾何基礎(二版)

引言

大域微分幾何引言──細談整部書的脈絡(節錄)

  像這樣多達八百多頁,分上、中、下三卷的專業數學書,很難想像有人會埋頭讀完整部書。寫這篇引言,是為了鋪陳全書的脈絡,讓讀者看到一連串自然而有趣的提問,像一幕幕風景一樣,沿路開展。是這些自然的風景,帶進來嚴謹的數學理論。讀者閱讀這部書時,不妨隨時來回翻閱這篇引言。若心中存著這條脈絡,讀起書來或許會更有動力,也不容易在這部大書的理論中迷失方向。

  Sect. 1 較早的脈絡

  1.1 白話

  寫這部書時,我力求脈絡清晰,直接切入問題,減少「不那麼必要」的形式語言。與經驗連結,是引入抽象概念的前提。雖然這部書是專業研究的書籍,我仍然盡量把它寫得白話。

  什麼是白話?白話就是鋪陳要自然:以自然的提問作為背景,一層層引入數學概念,使數學概念與人的感覺聯繫起來,讓人發生興趣,一步步深入數學未知的、複雜的抽象世界。

  以「上卷」的脈絡,作為例子,來說明我力求白話的意義。微分幾何要處理的主要對象是「彎曲的空間」。空間如何彎曲?1860年代,Riemann的重要貢獻,就是引入Riemann曲率張量,來描述空間的彎曲。因此後人把彎曲的空間,稱為Riemann空間,或進一步叫Riemann流形。

  一般幾何書籍都直接定義Riemann曲率張量[Ch.3(26)式;Ch.6(19)式]。但我們寧可回溯Riemann最早的思路:從詢問「什麼時候空間是平直?」而發現:「某個張量是否等於$0$?」為空間是否平直的關鍵。其中某個張量,就是後來的所謂Riemann曲率張量,以下簡稱Riemann張量。

  「什麼時候空間是平直?」必須借助坐標來描述。換句話說,Riemann空間的坐標,什麼時候可以換成平直的新坐標?這牽涉到「新坐標該滿足的微分方程組,可否積分?」的問題。因此,我們必須先討論可積分條件。為了處理這樣的問題,我們證明了更普遍的Frobenius可積分定理——有時普遍反而變得自然。見Ch.2 sec2。

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