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流形上同胚的微分同胚逼近问题

流形上同胚的微分同胚逼近问题

嘿,这个问题问到点子上了,咱们从已知的基础结论开始,一步步聊清楚:

首先先铺垫个经典入门结论:对于光滑流形(必要时可限定为紧流形)$M$和$M'$,任何连续映射 $f:M\rightarrow M'$ 都能被光滑映射任意逼近——这是光滑流形拓扑里的基础结果,也是咱们讨论的起点。

现在核心问题来了:如果$f$本身是个同胚,那什么时候它能被微分同胚逼近?如果$M$和$M'$是李群的话,情况又有啥不一样?

一般光滑流形的情况

这个问题本质上和流形的光滑结构紧密绑定:

  • 首先得明确:如果$M$和$M'$是同胚但不微分同胚的(比如大名鼎鼎的米尔诺怪球,它和标准7维球同胚,但不存在微分同胚映射),那它们之间的同胚肯定没法被微分同胚逼近——毕竟连微分同胚都不存在,更别说用它来逼近了。
  • 反过来,如果$M$和$M'$本身是微分同胚的,那大多数常见流形上,所有同胚都能被微分同胚逼近。比如你提到的例子:所有曲面之间的同胚都能被同痕(isotoped)到微分同胚——这是曲面拓扑里的经典结论,简单说就是闭曲面的光滑结构由拓扑唯一确定,任意同胚都能通过连续变形转化为微分同胚。

李群的特殊情况

李群是带群结构的光滑流形,这里的情况会更有特殊性:

  • 李群有个关键性质:李群之间的连续群同态一定是光滑的。也就是说,如果$f:G\rightarrow G'$是李群之间的连续群同构(既是同胚又是群同构),那它本身就是光滑的,自然就是微分同胚(因为逆映射也是连续群同态,所以同样光滑)。
  • 如果只是李群之间的同胚(不一定保持群结构),那可以回到一般流形的讨论框架,但李群作为特殊流形,紧李群的光滑结构是由拓扑唯一确定的——所以紧李群之间的任意同胚,都能被微分同胚逼近。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者user1040289

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