微分流形（differentiable manifold），也稱為光滑流形（smooth manifold），是拓撲學(xué)和幾何學(xué)中一類重要的空間，是帶有微分結(jié)構(gòu)的拓撲流形。微分流形是微分幾何與微分拓撲的主要研究對象，是三維歐式空間中曲線和曲面概念的推廣，可以有更高的維數(shù)，而不必有距離和度量的概念。

概念

具體說來，設(shè)M是一個豪斯多夫拓撲空間。U是M的開集，h是U到n維歐氏空間R的開集 - 常取為單位球內(nèi)部或立方體內(nèi)部等等上的一個同胚映射，則 - U，h稱為一個坐標(biāo)圖，U稱為其中點的一個坐標(biāo)鄰域。設(shè)M為開集系{Uα}所復(fù)蓋，則 - Uα，hα的集合稱為M的一個坐標(biāo)圖冊。

如果M的坐標(biāo)圖冊中任何兩個坐標(biāo)圖都是C相關(guān)的，則稱M有C微分結(jié)構(gòu)，又稱M為n維的C微分流形。C相關(guān)是指流形M上同一點的不同坐標(biāo)之間的變換關(guān)系是C可微分的 - k=0，1，…，∞或ω，依通常記號C表示解析函數(shù)。具體來說，如p∈Uα∩Uβ， - x， - x - i=1，…，n分別是p在兩個坐標(biāo)圖 - Uα，hα， - Uβ，hβ下的 - 局部坐標(biāo)，即那么它們之間的關(guān)系式可表為而?關(guān)于x - j=1，2，…，n具有直到k次的連續(xù)導(dǎo)數(shù)。k=0時，M是拓撲流形;k>0時，就是微分流形;k=ω時，是解析流形。C流形又常稱為光滑流形。

如果微分流形M是一個仿緊或緊致拓撲空間，則稱M為仿緊或緊致微分流形。如果可選取坐標(biāo)圖冊使微分流形M中各個坐標(biāo)鄰域之間的坐標(biāo)變換的雅可比行列式都大于零，則稱這個流形是可定向的。球面是可定向的，麥比烏斯帶是不可定向的。

同一拓撲流形可以具有本質(zhì)上不同的微分結(jié)構(gòu)。米爾諾 - John Milnor首先發(fā)現(xiàn)作為一個拓撲流形，七維球面上可有不同于標(biāo)準微分結(jié)構(gòu)的怪異微分結(jié)構(gòu)。后來弗里德曼 - Michael Freedman等得出如下的重要結(jié)果:四維歐氏空間中也有多種微分結(jié)構(gòu)，這與其他維數(shù)的歐氏空間只有惟一的微分結(jié)構(gòu)有著重大區(qū)別。

類別

可微映射

設(shè)φ是從C流形M到C流形N的連續(xù)映射，如果對于N上的任意Cr函數(shù)?，M上的函數(shù)?。φ總是Cr的，則稱φ是Cr可微映射，或簡稱Cr映射。如果φ是從M到N上的同胚，而且φ和φ都是C的，則稱φ為微分同胚，此時也稱M與N是微分同胚的微分流形。

映射的微分

設(shè)φ是從M到N的C映射。對M上點p的切向量x可以如下地定義N在點φ - p處的切向量x┡：這個對應(yīng)x→x┡用dφP表示，稱為φ在點p處的微分。微分dφP是從切空間TP - M到 - N的線性映射，有時也稱為φ在切空間的誘導(dǎo)映射，常用φ*P或φ*表示。利用對偶性，φ也自然地誘導(dǎo)了從余切空間到T壩的線性映射，常記為 - dφP或φ壩或φ。由張量積運算，φ還可以誘導(dǎo)對應(yīng)點之間某些張量空間之間的線性映射。

子流形

設(shè)M和N是兩個C流形，φ：M→N是C映射。如果微分dφP在M的每一點都是單射，則稱φ是浸入，而φ - M稱為N的浸入子流形。如果浸入φ還是單射，則稱為嵌入，此時φ - M稱為N的嵌入子流形。

張量場

微分流形上可以定義可微函數(shù)、切向量、切向量場、各種張量場等對象并建立其上的分析學(xué)，并可以賦予更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)以研究它們的性質(zhì)。

光滑函數(shù)

流形M上的實數(shù)值連續(xù)函數(shù)f:→R是一個光滑函數(shù)，如果對每一個相容的坐標(biāo)卡ρ：U→M，f - ρ:U→R是一個U上的光滑函數(shù)。因為坐標(biāo)卡之間的坐標(biāo)變換是光滑映射，這是一個良好的定義。特別的，光滑函數(shù)可以看成一種0階張量場。

向量場

設(shè)p∈M，M在點p處的一個切向量是指從F（M）到R的一個線性映射x，使得對于任意的?，g∈F - M，滿足：對于在p點的切向量x1，x2和實數(shù)λ1，λ2，定義λ1×1+λ2×2如下：那么，點p處的切向量全體構(gòu)成一個n維的實線性空間TP，TP稱為在p處M的切空間或切向量空間 - 也記為TP - M。如果（x，x，…，x）為點p處的局部坐標(biāo)系，則由定義的n個獨立的切向量，構(gòu)成TP的一組基，稱為自然標(biāo)架（或坐標(biāo)標(biāo)架）。

M的切向量全體構(gòu)成以M為底空間的向量叢（見纖維叢），稱為M的切向量叢，簡稱切叢。M的切叢的一個截面稱為M上的一個向量場。在局部坐標(biāo)系中，向量場可表成的形式，式中ξ - x是坐標(biāo) - x的C函數(shù)。

TP的對偶空間稱為M在點p處的余切空間，記為T壩。T壩中的元素稱為余切向量，也稱協(xié)變向量。M的余切向量全體構(gòu)成M的余切向量叢，簡稱余切叢，它的截面稱為M上的一次微分形式?！?=2”。

一般張量場

由切空間和余切空間通過張量積的運算可以得到M在點p處的各種 - r，s型張量，M的 - r，s型的張量全體構(gòu)成張量叢，它的截面就是M上的一個 - r，s型張量場（見多重線性代數(shù)、張量）。

形式

在微分流形上還可以定義外微分形式 - 見外微分形式。p次外微分形式 - 2是一些微分的外積的線性組合，這些微分的外積是反對稱的，即是p階反對稱協(xié)變張量，M上p次外微分形式的全體構(gòu)成一個實數(shù)域上的無限維向量空間E。

對外微分形式可以進行加法運算 - 同次外微分形式可以相加，外積運算 - p次外微分形式與q次外微分形式的外積是一個 - p+q次外微分形式，還可以進行外微分運算及積分運算。在局部坐標(biāo)下，外微分運算為 - 3設(shè)ω∈E且dω=0，則稱ω為閉形式。M上p次閉形式的全體構(gòu)成E的一個子空間記為Z。設(shè)ω∈E，且ω=dσ - σ∈E，則稱ω為正合形式。正合形式一定是閉形式。

M上p次正合形式的全體也構(gòu)成E的一個子空間記為B，B嶅Z。商空間 - 4稱為p次德·拉姆上同調(diào)群 - de Rham cohomology group。

四維流形

在拓撲學(xué)中四維是一個非常特殊的維數(shù)。譬如斯梅爾的龐加萊猜想的證明只應(yīng)用于大于四維的維數(shù)，他的h-配變定理不能應(yīng)用于四維流形。而弗里德曼的對四維龐加萊猜想的證明則更復(fù)雜。而且人們發(fā)現(xiàn)，存在四維拓撲流形，在其上不能賦予任何微分結(jié)構(gòu)。而四維歐式空間是唯一一個存在怪異微分結(jié)構(gòu)的歐式空間。

對四維微分流形的研究中具有里程碑意義的是英國數(shù)學(xué)家西蒙·唐納森的工作。他的想法來源于理論物理中的規(guī)范場理論。他由此定義了被稱為唐納森不變量的四維微分流形的不變量。后來物理學(xué)家賽博格和愛德華·威騰將唐納森不變量簡化為一種更易于計算的不變量，后來被稱作賽博格-威騰不變量（Seiberg-Witten invariants）。這些不變量都大大推進了人們對四維微分流形的理解。

而對于四維拓撲流形，許多問題還沒有解決。其中最重要的是四維流形的光滑龐加萊猜測：（作為一個拓撲流形）四維球面上只存在標(biāo)準的微分結(jié)構(gòu)。