Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
Manifold series, part 7: transition functions on the overlap of charts, differentiable manifolds defined by atlases whose transition functions are smooth, compatibility of charts, maximal atlases, and differentiable structuresManifold 시리즈 7편: 지도가 겹치는 곳에서 만드는 변환 함수, 변환 함수가 매끄러운 아틀라스로 정의하는 미분 가능 매니폴드, 지도의 호환성, 최대 아틀라스와 미분 구조
Manifold series매니폴드 시리즈Part 7 of 1818편 중 7번째
- Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
- Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
- Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
- Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
- Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
- Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
- Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
- Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
- Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
- Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
- Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
- Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
- Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
- Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
- Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
- Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
- Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
- Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차
XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 7강 Differentiable Manifolds에 해당합니다. 지난 편에서 정의한 위상 매니폴드에 조건 하나를 더 붙이면 미분 가능 매니폴드가 됩니다. 모든 미분 가능 매니폴드는 위상 매니폴드이지만, 그 역은 성립하지 않습니다.
위상 매니폴드 복습
위상 매니폴드는 토폴로지컬 스페이스 와 그 위의 아틀라스 로 이루어집니다. 아틀라스는 지도들의 모임이고, 지도는 근방 와 위상동형사상 의 짝입니다. 와 가 모두 연속이고, 근방들이 전체를 덮으며, 모든 지도가 같은 차원 의 유클리드 공간으로 갑니다. 지도마다 도착하는 는 서로 다른 복사본입니다.
점 가 으로 가서 놓이는 -튜플 를 이 지도에서의 의 좌표라고 부릅니다. 좌표는 지도를 정해야 뜻이 있습니다. 다른 지도 안의 점은 다른 에서 전혀 다른 좌표를 갖습니다. 이 지도들이 하는 일은 위상 매니폴드 위에서 벌어지는 일을 유클리드 공간으로 옮겨 다변수 미적분으로 다루게 하는 것입니다. 물리학자의 관점에서는 매니폴드가 현실이나 현실의 모형이고, 지도는 현실에서 계산할 수 있는 모형으로 가는 길입니다. 다만 여기까지는 미분에 관한 말이 하나도 없습니다.
지도는 겹친다
미분을 말하려면 두 지도가 함께 있는 곳을 봐야 합니다. 두 지도 , 의 교집합을 라고 쓰겠습니다. 구의 입체 사영에서 보았듯이 지도는 자주 겹치고, 그 겹침이 아주 심할 수도 있습니다. 두 지도의 영역이 점 하나씩만 빼고 모두 같았습니다.
겹침이 덜한 방식도 있습니다. 원을 덮을 때 호를 이어 붙이듯 여러 장으로 나눠 덮으면 이웃한 호끼리만 조금씩 겹칩니다. 그러나 어떻게 나누든 겹침 자체는 피할 수 없습니다. 근방은 열린집합이어서 경계를 포함하지 않으므로, 경계의 점을 덮으려면 다른 근방이 그 경계를 감싸야 하기 때문입니다.
변환 함수
안의 점 는 으로 한 에, 로 다른 에 좌표를 갖습니다. 한쪽 좌표를 다른 쪽 좌표로 보내는 함수는 이렇게 만듭니다. 점 에서 시작해 먼저 로 로 돌아가고, 그 점을 로 보냅니다.
이것이 변환 함수입니다. 합성함수 기호가 낯설어도, 이 기호 전체를 하나의 함수 이름으로 읽으면 됩니다. 오른쪽 함수의 정의역이 전체의 정의역이고 왼쪽 함수의 치역이 전체의 치역입니다. 강의에서는 에서 로 가는 함수라고 부르는데, 엄밀하게는 정의역이 전체일 필요가 없고 라는 의 열린 부분집합이라는 점만 기억하면 됩니다. (이 보충은 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 반대 방향의 도 있습니다. 변환 함수는 한 지도의 좌표를 다른 지도의 좌표로 바꾸는 좌표 변환이고, 두 방향의 함수가 서로 역함수입니다.
입체 사영에서 남극을 쏘는 지도 과 북극을 쏘는 지도 를 봅시다. 평면의 점 하나에서 시작해 로 구면의 점을 찾고, 그 점에 를 적용하면 다른 평면의 점이 나옵니다. 이 과정을 거치지 않고 평면에서 평면으로 곧바로 가는 것이 변환 함수입니다. 원의 단면에서는 이 함수를 식으로 쓸 수 있습니다. 지난 편의 좌표 와 에서 이므로 변환 함수는 입니다. (이 식은 보탠 것입니다. 강의는 각도와 삼각함수로 이 함수를 만들 수 있고 책에 나와 있다고만 하고 식은 쓰지 않습니다.)
이 함수가 에서 로 가는 다변수 함수이므로 미적분을 할 수 있습니다. 위상 매니폴드이기만 하면 변환 함수는 언제나 만들어지고 언제나 연속입니다. 와 가 모두 연속이므로 이들의 합성도 연속이기 때문입니다. 연속함수는 입니다.
Q. 위상 매니폴드의 변환 함수는 왜 늘 연속인가요?
A. 지도의 정의에서 와 가 모두 연속이기 때문입니다. 연속함수 둘의 합성은 연속이므로 위상 매니폴드면 자동으로 입니다. 그 이상의 미분 가능성은 위상 매니폴드가 보장하지 않습니다.
미분 가능 매니폴드
변환 함수가 연속 이상이 될 수 있습니다. 함수가 이면 번 미분할 수 있고 그 계 도함수가 연속입니다. 은 한 번, 는 두 번 미분할 수 있습니다. 어떤 에 대해서도 미분할 수 있는 함수는 이고, 이런 함수를 매끄럽다고 부릅니다. 강의에서 쓰는 정의는 이렇습니다. 아틀라스의 모든 변환 함수가 이면 미분 가능 매니폴드입니다. 변환 함수가 까지만 되면 매니폴드이고, 이면 위상 매니폴드일 뿐입니다. 다른 책에서는 정의가 조금씩 다르지만 큰 차이는 없습니다.
이 조건은 위상 매니폴드에 더하는 별도의 조건입니다. 위상 매니폴드만으로는 변환 함수에 뾰족한 점이 있을 수 있습니다. 거기서 함수는 연속이지만 도함수가 없습니다. 그런 변환 함수를 가진 공간은 미분 가능 매니폴드가 아닙니다. 새로 생기는 것은 지도 사이의 관계에 대한 요구이고, 공간은 그대로입니다.
Q. 미분 가능 매니폴드는 위상 매니폴드에 무엇을 더한 것인가요?
A. 공간은 그대로이고 아틀라스의 변환 함수에 대한 조건이 더해집니다. 모든 변환 함수가 매끄러워야 합니다. 위상 매니폴드면 변환 함수가 연속임은 보장되지만 미분 가능성은 보장되지 않습니다.
좌표 함수
점의 좌표를 이루는 한 성분만 따로 보고 싶을 때가 있습니다. 지도가 -튜플을 내놓는데, 그 번째 성분을 꺼내는 함수를 좌표 함수라고 부릅니다. 한 좌표의 변환 함수도 같은 방식으로 만들 수 있고, 지도 하나에서 다른 지도의 한 좌표는 대개 처음 지도의 모든 좌표에 의존합니다. 그래도 매끄러움은 똑같이 요구됩니다. 지도를 말할 때는 보통 튜플 전체를 내놓는 함수를 말하고, 좌표 함수는 접공간을 다룰 때 다시 중요해집니다.
호환성
지도 두 장의 호환성을 정의합니다. 지도 와 가 있을 때, 두 가지 경우에 호환됩니다. 첫째, 이면 호환됩니다. 겹치는 곳이 없으니 충돌할 곳도 없기 때문입니다. 둘째, 겹치면 두 변환 함수 와 가 모두 매끄러워야 호환됩니다. 호환성은 지도 쌍에 대한 성질입니다.
이제 아틀라스 전체를 봅니다. 아틀라스에 속한 지도가 모두 서로 호환되면 그 아틀라스는 미분 가능 매니폴드의 아틀라스입니다. 그래서 미분 가능 매니폴드를 정의할 때 이 표현을 자주 씁니다. 모든 지도가 서로 호환되는 아틀라스가 있는 위상 매니폴드가 미분 가능 매니폴드입니다.
두 아틀라스를 합치면
여기서 흥미로운 질문이 하나 나옵니다. 같은 위상 매니폴드에 아틀라스 와 가 있고, 각각의 안에서는 모든 지도가 호환된다고 합시다. 두 집합의 합집합 를 만들면, 이것은 여전히 아틀라스입니다. 두 아틀라스가 각각 공간을 덮기 때문입니다. 그러나 미분 가능 매니폴드의 아틀라스일지는 다른 문제입니다. 의 지도와 의 지도 가운데 호환되지 않는 쌍이 하나라도 있으면 는 미분 가능 매니폴드의 아틀라스가 되지 못합니다. 이때 와 는 서로 다른 미분 구조를 줍니다.
차원 1에서도 이런 일이 생깁니다. 직선 에 지도 하나로 이루어진 아틀라스와, 지도 하나로 이루어진 아틀라스를 생각합니다. 각각은 지도가 하나뿐이어서 자기 안에서는 문제가 없습니다. 그런데 변환 함수 은 매끄럽지만 반대쪽인 는 에서 기울기가 무한이어서 미분되지 않습니다. 둘은 호환되지 않으므로 합집합은 미분 가능 매니폴드의 아틀라스가 아닙니다. 아래 장난감에서 두 쌍의 변환 함수를 모두 볼 수 있습니다. 입체 사영의 두 지도는 어디서나 매끄럽게 이어지고, 세제곱 지도는 뒤쪽 방향이 0에서 무너집니다. (세제곱 지도 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
Q. 세제곱 지도 은 그 자체로 훌륭한 지도인데 왜 호환되지 않나요?
A. 지도의 요건은 위상동형사상인데, 은 일대일이고 양쪽이 모두 연속이어서 이 요건을 만족합니다. 호환성은 다른 지도와 비교한 변환 함수가 양방향으로 매끄러운지로 정해지고, 뒤쪽 가 에서 미분되지 않으므로 호환되지 않습니다.
최대 아틀라스와 미분 구조
강의는 여기서 다른 책을 읽을 때 만날 개념을 소개합니다. 어떤 아틀라스와 모든 지도가 호환되는 지도를 가능한 한 다 넣은 아틀라스가 최대 아틀라스입니다. 다른 호환되는 아틀라스를 합쳐도 더 커지지 않습니다. 미분 구조마다 최대 아틀라스가 하나씩 있습니다. 앞에서 를 의 미분 구조가 만드는 최대 아틀라스에 넣으려 하면 어딘가에서 호환되지 않는 쌍이 나오므로 들어갈 수 없습니다.
강의는 같은 위상 매니폴드가 서로 다른 미분 구조를 몇 개나 가질 수 있는지가 매우 깊은 수학이라고 설명합니다. 차원 1, 2, 3에서는 이 문제가 없고, 차원 5 이상에서는 위상 매니폴드마다 유한 개의 미분 구조가 있으며, 차원 4에서는 무한히 많을 수 있다고 소개합니다. 예로 7차원 구면을 들고, 이것이 서로 다른 미분 구조를 여럿 가진다는 사실이 밀너 구에 관한 이야기라고 말합니다. 그 수를 강의는 15쯤이라고 기억나는 대로 말할 뿐 확신하지 않습니다.
강의를 그대로 믿으면 안 되는 곳이 있어서 짚어 둡니다. 차원 1에서도 위의 세제곱 지도처럼 두 아틀라스의 합집합이 호환되지 않을 수 있습니다. 차원 1, 2, 3에서 참인 것은 위상 매니폴드가 가질 수 있는 미분 구조가 미분동형인 것 하나로 본질적으로 정해진다는 사실이고, 합집합이 늘 호환된다는 말은 거짓입니다. 또 차원 5 이상에서 미분 구조가 유한 개라는 말은 컴팩트한 매니폴드에 대해서 성립합니다. 숫자 15도 확인하지 못했습니다. (이 단락은 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 강의는 일반 상대성이론 수준의 물리에서는 최대 아틀라스나 미분 구조가 문제 되지 않는다고 하며, 큰 걱정 없이 넘어가자고 합니다.
정리
미분 가능 매니폴드는 아틀라스를 가진 토폴로지컬 스페이스이고, 아틀라스의 모든 지도가 서로 호환됩니다. 호환은 변환 함수가 미분 가능하고 매끄럽다는 말입니다. 이 글에서는 매끄러운 경우만 다루었습니다. 좌표가 지도 안에서만 뜻이 있고, 변환 함수가 좌표를 바꾸는 규칙이라는 점이 다음 이야기의 바탕입니다. 다음 편에서는 매니폴드 사이의 매끄러운 함수를 다룹니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 7 of the playlist, Differentiable Manifolds. Add one condition to the topological manifold from the previous post and it becomes a differentiable manifold. Every differentiable manifold is a topological manifold, but the converse does not hold.
Topological manifolds, reviewed
A topological manifold is a topological space with an atlas on it. An atlas is a collection of charts, and a chart is a pair of a neighborhood and a homeomorphism . Both and are continuous, the neighborhoods cover all of , and every chart goes to Euclidean space of the same dimension . The that each chart lands in is a different copy.
The -tuple where places a point is called the coordinates of in this chart. Coordinates only make sense once we fix a chart. A point in another chart has entirely different coordinates in a different . What these charts do is carry what happens on the topological manifold into Euclidean space, where we can use multivariable calculus. From a physicist’s point of view the manifold is reality or a model of reality, and a chart is a road from it to a model we can compute in. So far, though, there is not a word about differentiation.
Charts overlap
To talk about differentiation, we need to look where two charts are present together. For two charts and , write their intersection as . As we saw in the stereographic projection, charts often overlap, and the overlap can be very severe. The two chart regions were identical except for one point each.
There are less severe ways. If we cover a circle by splitting it into several arcs, only neighboring arcs overlap a little. But however we split it, the overlap itself cannot be avoided. Neighborhoods are open sets and do not contain their boundaries, so to cover a boundary point, another neighborhood must surround it.
Transition functions
A point in has coordinates in one through and in another through . A function that takes the coordinates on one side to the coordinates on the other is built like this. Start from the point , go back to with , and send that point with .
This is a transition function. If the composition symbol looks unfamiliar, read the whole expression as the name of one function. The domain of the function on the right is the domain of the whole, and the range of the function on the left is the range of the whole. The lecture calls it a function from to , and strictly the domain need not be all of , and it is the open subset of , which is all we need to remember. (This supplement was not covered in the lecture.) There is also the opposite direction, . A transition function is a coordinate transformation that turns the coordinates of one chart into those of another, and the functions in the two directions are inverses of each other.
Take the stereographic projection with chart shot from the south pole and chart shot from the north pole. Start from a point of one plane, find the point on the sphere with , and apply to it to get a point of the other plane. The transition function skips this detour and goes straight from plane to plane. In the cross-section of the circle we can write it as a formula. From the coordinates and of the last post we have , so the transition function is . (This formula was added by me. The lecture only says the function can be built with angles and trigonometry and appears in books, without writing a formula.)
Since this function is a multivariable function from to , we can do calculus on it. For any topological manifold, a transition function can always be built and is always continuous, because and are both continuous and so is their composition. A continuous function is .
Q. Why is a transition function of a topological manifold always continuous?
A. By the definition of a chart, and are both continuous. The composition of two continuous functions is continuous, so on a topological manifold it is automatically . Differentiability beyond that is not guaranteed by being a topological manifold.
Differentiable manifolds
A transition function can be better than continuous. A function is if it can be differentiated times and its -th derivative is continuous. can be differentiated once, and twice. A function that can be differentiated for any is , and such a function is called smooth. The definition used in the lecture is this. If every transition function of the atlas is , we have a differentiable manifold. If the transition functions are only , it is a manifold, and if only it is just a topological manifold. Other books define it slightly differently, but not very differently.
This condition is an extra requirement on top of a topological manifold. A topological manifold alone may have a transition function with a cusp. There the function is continuous but has no derivative. A space with such a transition function is not a differentiable manifold. What is new is a requirement on the relation between charts, and the space stays the same.
Q. What does a differentiable manifold add to a topological manifold?
A. The space stays as it is, and a condition on the transition functions of the atlas is added. Every transition function must be smooth. Being a topological manifold guarantees that transition functions are continuous but not that they are differentiable.
Coordinate functions
Sometimes we want to look at just one component of the coordinates of a point. A chart gives a -tuple, and the function that picks out its -th component is called a coordinate function. A transition function for a single coordinate can be built the same way, and one coordinate in the other chart usually depends on all the coordinates of the first chart. The same smoothness is still required. When we speak of a chart we normally mean the function that gives the whole tuple, and coordinate functions become important again when we handle tangent spaces.
Compatibility
We define the compatibility of two charts. For charts and , there are two ways to be compatible. First, if they are compatible, since with no overlap there is no place to conflict. Second, if they overlap, both transition functions and must be smooth. Compatibility is a property of pairs of charts.
Now look at a whole atlas. If all the charts in an atlas are compatible with each other, it is an atlas of a differentiable manifold. This is why this expression is often used to define a differentiable manifold: a topological manifold with an atlas whose charts are all compatible with each other is a differentiable manifold.
Merging two atlases
An interesting question comes up here. Say the same topological manifold has atlases and , and inside each one all charts are compatible. Form the union . It is still an atlas, since each atlas covers the space. But whether it is an atlas of a differentiable manifold is a different matter. If even one pair of a chart from and a chart from is incompatible, is not an atlas of a differentiable manifold. In that case and give different differentiable structures.
This can happen even in dimension 1. On the line , consider the atlas with the single chart and the atlas with the single chart . Each has one chart, so there is no problem inside it. But the transition function is smooth, while the opposite one, , has infinite slope at and is not differentiable. The two are incompatible, so the union is not an atlas of a differentiable manifold. The toy below shows the transition functions of both pairs. The two charts of the stereographic projection join smoothly everywhere, and the cube chart breaks down at 0 in the backward direction. (The cube chart example was added for understanding and was not covered in the lecture.)
Q. The cube chart is a fine chart in itself, so why is it incompatible?
A. A chart only needs to be a homeomorphism, and is one-to-one and continuous in both directions, so it meets that requirement. Compatibility is decided by whether the transition function with another chart is smooth in both directions, and the backward one, , is not differentiable at , so they are not compatible.
Maximal atlases and differentiable structures
Here the lecture introduces concepts we will meet in other books. An atlas that contains as many charts as possible while staying compatible with an atlas and all its charts is a maximal atlas. Merging other compatible atlases does not make it bigger. Each differentiable structure has one maximal atlas. If we try to put above into the maximal atlas built from the structure of , an incompatible pair turns up somewhere, so it cannot go in.
The lecture explains that how many different differentiable structures one topological manifold can have is very deep mathematics. It reports that dimensions 1, 2, and 3 have no such problem, that in dimension 5 and higher each topological manifold has a finite number of differentiable structures, and that in dimension 4 there can be infinitely many. As an example it names the 7-dimensional sphere, saying that the fact that it has several differentiable structures is the story of Milnor spheres. For the count, the lecture only says it is something like 15 from memory, without confidence.
There are places where we should not take the lecture at face value, so let us point them out. Even in dimension 1, the union of two atlases can be incompatible, as with the cube chart above. What is true in dimensions 1, 2, and 3 is that the differentiable structures a topological manifold can have are essentially one, unique up to diffeomorphism, and the claim that the union is always compatible is false. The finiteness of differentiable structures in dimension 5 and higher holds for compact manifolds. I also could not confirm the number 15. (This paragraph was added by me and was not covered in the lecture.) The lecture says maximal atlases and differentiable structures do not come up at the level of physics in general relativity, and suggests we move on without much worry.
Summary
A differentiable manifold is a topological space with an atlas in which all charts are compatible with each other. Compatible means the transition functions are differentiable and smooth. We covered only the smooth case here. Coordinates have meaning only inside a chart, and transition functions are the rule for changing coordinates, which is the base for what comes next. The next post deals with smooth functions between manifolds.
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