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Lexikon der Mathematik: Untermannigfaltigkeit einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit

eine Teilmenge NM einer differenzierbaren Mannigfaltigkeit M, die sich in einer genügend kleinen Umgebung \({\mathcal{V}}\) eines jeden ihrer Punkte PN in geeigneten lokalen Koordinaten x1, …,xn durch die l linearen Gleichungen \begin{eqnarray}{x}_{n-l+1}={x}_{n-l+2}=\cdots ={x}_{n-1}={x}_{n}=0\end{eqnarray} darstellen läßt, wobei n die Dimension von M und 0 ≤ ln eine natürliche Zahl ist, die Kodimension von N im Punkt P genannt wird.

Das bedeutet, daß für alle PN eine Umgebung \({\mathcal{V}}\subset M\) und n auf \({\mathcal{V}}\) definierte differenzierbare Funktionen x1, …,xn so gewählt werden können, daß \begin{eqnarray}N\cap {\mathcal{V}}=\{Q\in {\mathcal{V}}|{x}_{n-l+1}(Q)=\cdots ={x}_{n}(Q)=0\}\end{eqnarray} gilt, und die Differentiale dx1, …,dxn in allen Punkten von \(N\cap {\mathcal{V}}\) linear unabhängig sind. Die Zahl k = nl ist die Dimension von N im Punkt P. Wenn N topologisch zusammenhängend ist, sind Dimension und Kodimension von N in allen Punkten gleich.

Die Klasse der Untermannigfaltigkeiten besteht aus Teilmengen, die hinsichtlich lokaler topologischer Eigenschaften einfachste Struktur haben, vergleichbar mit der von k-dimensionalen linearen Unterräumen des ℝn. Man nennt die so definierten Untermannigfaltigkeiten auch eingebettet, um sie vom allgemeineren Begriff der immergierten Untermannigfaltigkeit zu unterscheiden.

Zur Definition des Begriffs der immergierten Untermannigfaltigkeit geht man von zwei beliebigen Mannigfaltigkeiten M und N aus, von denen keine eine Teilmenge der jeweils anderen sein muß. Statt einer Inklusionsbeziehung setzt man die Existenz einer injektiven Immersion φ : NM voraus. Das ist eine injektive differenzierbare Abbildung, deren Differential \begin{eqnarray}d\phi :{T}_{P}(N)\to {T}_{\phi (P)}(M)\end{eqnarray} für alle PM eine injektive lineare Abbildung der Tangentialräume von N in die entsprechenden Tangentialräume von M ist. Die Bildmenge φ(N), auf die N mittels φ umkehrbar eindeutig abgebildet wird, kann mit N identifiziert werden und wird als immergierte Untermannigfaltigkeit bezeichnet. Beispiele sind reguläre Parameterdarstellungen von Flächen und Kurven im ℝ3. Jede eingebettete Untermannigfaltigkeit NM ist auch eine immergierte, es genügt, für φ die identische Einbettung von N in M zu wählen.

Umgekehrt ist eine immergierte Untermannigfaltigkeit im allgemeinen keine eingebettete. Als Gegenbeispiele kann man reguläre Kurven α : ℝ → ℝ3 anführen, deren Bildmenge α(ℝ) eine dichte Teilmenge des zweidimensionalen Torus ist. Jedoch folgt aus dem Satz über implizite Funktionen, daß jeder Punkt PN eine Umgebung \({\mathcal{U}}\) besitzt derart, daß \(\phi ({\mathcal{U}})\) eine eingebettete Untermanngfaltigkeit ist.

  • Die Autoren
- Prof. Dr. Guido Walz

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