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出版者:Springer

作者:Serge Lang

出品人:

页数:250

译者:

出版时间:2010-12-3

价格:USD 74.95

装帧:Paperback

isbn号码:9781441930194

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拓扑与几何的深度探索：一个关于流形基础理论的详尽导读 作者：[此处留空，以便读者自行想象] 出版社：[此处留空，以便读者自行想象] 出版年份：[此处留空，以便读者自行想象] ISBN：[此处留空，以便读者自行想象] --- 核心内容概述： 本书旨在为严肃的数学、理论物理及相关工程领域的学生和研究人员，提供一套全面且严谨的微分拓扑学基础理论框架。它不聚焦于微分方程的求解或特定的物理应用，而是深入剖析定义和构建现代几何学大厦的基石——拓扑空间、连续形变、以及局部欧几里得结构的抽象概念。全书的叙述风格力求清晰、精确，同时保持数学推导的完整性与深度。 全书共分为五大部分，循序渐进地引导读者从最基本的集合论概念出发，最终构建起关于光滑流形、切丛和张量场等核心概念的理解。 --- 第一部分：基础拓扑回顾与度量空间 (Foundational Topology and Metric Spaces) 本部分作为全书的基石，着重于复习和深化读者对一般拓扑空间理论的掌握。我们认为，对微分流形的理解必须建立在坚实的拓扑基础上。 1. 集合论与函数空间重述： 简要回顾良序原理、选择公理在构建数学对象中的作用，并引入可数集、不可数集的概念。 2. 拓扑空间的定义与构造： 严格定义开集、闭集、闭包、内部、边界等拓扑基本结构。重点讨论由基（Basis）生成拓扑的方法。 3. 连续性与同胚： 详细阐述函数连续性的拓扑定义，并引入同胚（Homeomorphism）这一核心概念，探讨它如何定义了拓扑性质的保持。 4. 拓扑性质的经典例子： 深入分析紧致性（Compactness）和连通性（Connectedness）的定义、判定标准及其在欧几里得空间 $mathbb{R}^n$ 上的表现。特别关注 Heine-Borel 定理在更一般空间中的局限性。 5. 度量空间理论： 将拓扑结构具体化到度量（距离）的概念下。探讨完备性（Completeness）的重要性，引入巴拿赫不动点定理的拓扑背景（但不深入其分析应用）。 --- 第二部分：构造光滑的蓝图——局部欧几里得空间与拓扑流形 (The Blueprint of Smoothness: Local Euclidean Spaces and Topological Manifolds) 此部分是过渡章节，连接了抽象的拓扑概念与即将引入的“光滑”特性。 1. 局部结构： 详细讨论 $mathbb{R}^n$ 空间的拓扑结构，强调其局部性质——即任何一点附近都可以被一个开球所近似。 2. 拓扑流形的定义： 严格定义拓扑流形（Topological Manifold），强调其两大核心要求：局部是 $mathbb{R}^n$ 且整体是豪斯多夫（Hausdorff）的，并且具有可数基。 3. 例子与反例： 分析经典流形，如球面 $S^n$、环面 $T^2$。同时，讨论一些看似相似但不是流形的例子（例如，非豪斯多夫空间，或不满足可数基条件的构造）。 4. 开覆盖与划分单位（Partition of Unity）的预备知识： 虽然划分单位是光滑结构的关键工具，但在本部分引入其拓扑版本——拓扑上的开覆盖的精细化概念，为后续引入光滑结构做铺垫。 --- 第三部分：引入光滑结构——从图册到微分流形 (Introducing Smoothness: From Charts to Differentiable Manifolds) 这是全书最核心的部分之一，确立了微分几何的语言基础。 1. 坐标图册（Atlas）与相容性： 引入坐标图（Chart）的概念，并定义图册（Atlas）。关键在于定义转移映射（Transition Maps）的性质。 2. 光滑结构（Smooth Structure）： 定义 $mathcal{C}^k$ 结构，特别是最常用的 $mathcal{C}^{infty}$（光滑）结构。强调转移映射必须是光滑的，这是将拓扑流形提升为光滑流形（Differentiable Manifold）的决定性步骤。 3. 光滑函数的定义： 基于图册，定义流形上定义的函数如何通过坐标变换被视为 $mathbb{R}^n$ 上的光滑函数。 4. 子流形与嵌入： 讨论流形如何作为更高维流形的子集存在。介绍内蕴（Intrinsic）与外在（Extrinsic）的视角，侧重于内蕴的子流形概念，例如浸入（Immersion）与淹没（Submersion）的拓扑准备。 --- 第四部分：切空间与微分运算 (Tangent Spaces and Differential Operations) 本部分将几何直观引入到代数和线性空间的框架中，为张量分析奠定基础。 1. 切向向量的两种构造视角： 曲线法： 通过流形上曲线的速度向量来定义切向量。 导数法（Derivation Approach）： 将切向量定义为作用于流形上光滑函数的线性算子（导子）。本书更侧重于此抽象的导子定义，因为它更具几何完备性。 2. 切空间 $T_p M$： 严格定义流形 $M$ 在点 $p$ 处的切空间，并证明它是一个有限维向量空间，其维度等于流形的维度。 3. 全局切丛（Tangent Bundle）$mathbf{TM}$： 介绍切丛作为所有切空间的纤维化总空间，并讨论其作为 $2n$ 维流形的结构（但不涉及其微分结构，除非在高级章节）。 4. 微分（Differential）或推拉（Pushforward）： 定义光滑映射 $f: M o N$ 的微分 $df_p: T_p M o T_{f(p)} N$，解释它如何将切向量从一个流形“推”到另一个流形。 --- 第五部分：张量与微分形式的代数基础 (Algebraic Foundations of Tensors and Differential Forms) 此部分专注于切空间上的多线性代数构造，为后续的向量分析和张量微积分做准备，但重点严格限制在代数结构上。 1. 双对偶空间与余切空间： 定义余切空间 $T_p^ M$，作为切空间的对偶空间，并阐述其几何意义——它们是作用于切向量以产生标量的线性函数。 2. 张量的定义： 基于多线性代数，定义 $(k, l)$ 型张量空间 $T^k_l(M)$ 为切空间和余切空间的张量积的推广。 3. 张量的指标标记与变换律（纯代数视角）： 详细讨论协变和反协变指标的含义，并导出张量在坐标变换下的具体表示规律。 4. 外代数与微分形式的预备： 仅在代数层面引入楔积（Wedge Product） $wedge$ 的概念，定义 $k$ 形式（$k$-forms），并阐述其作为反对称多重线性函数的性质。（注：对流形上微分和积分的讨论被有意识地排除在本导读范围之外。） --- 本书的独到之处与目标读者： 本书的结构设计旨在提供一个纯粹的几何和拓扑视角。它避开了诸如黎曼度量、联络、曲率张量等更依赖于度量的分析性概念，也避免了对外微分、积分和Stokes定理等分析拓扑工具的深入应用。 本书的目标读者是那些需要透彻理解“什么是流形”这一概念的几何基础，而非“如何用流形做计算”的学生。它为后续学习分析几何、广义相对论或更高维拓扑学提供了坚实且无混淆的理论起点。阅读本书后，读者将能熟练地在任意点上构造切空间，并理解光滑映射的微分在抽象层面的意义。

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这本书的封面设计真是充满了古典与现代的张力，那种深邃的蓝色调配上烫金的几何图形，让人忍不住想一探究竟。从目录看，它似乎对拓扑学的基础概念进行了相当详尽的梳理，特别是对于连通性、紧致性和同胚这些核心思想的阐述，显得格外扎实。我尤其欣赏作者在引入这些抽象概念时所采用的直观类比，比如用河流的走向来比喻向量场的积分线，或者用折纸的方式来解释流形上的映射。这种“化繁为简”的叙事手法，极大地降低了初学者的畏难情绪。不过，对于那些已经有一定基础的读者来说，可能第一章略显冗长，希望后续章节能在保持严谨性的同时，加快节奏，更深入地探讨那些更具挑战性的结构。整体而言，这本书的排版和纸张质量都达到了专业教材的水准，阅读体验极佳，值得推荐给所有对几何分析感兴趣的探索者。

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读完这本书的前半部分，我最大的感受是作者对于“局部与全局”这种哲学性思考的深度挖掘。他不仅仅是在罗列定理和公式，更是在引导读者去思考，一个在局部看起来平坦的空间，是如何通过巧妙的拼接和构造，最终形成一个具有复杂拓扑性质的全局结构。关于切空间和微分形式的章节，简直是一场盛宴。作者没有急于抛出庞大的张量运算，而是循序渐进地从线性代数中向量空间的线性泛函出发，构建出对切空间的直观理解。特别是他对李群和李代数在处理对称性问题上的应用，描述得入木三分，仿佛能看到那些无限小变换是如何悄无声息地塑造着宏观世界的规律。我个人认为，这本书在保持数学严谨性的同时，对几何直觉的培养起到了不可替代的作用，不像有些教科书那样冷冰冰，它充满了学者的热情和引导性。

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从装帧和翻译质量来看，这本书无疑是顶尖的。字体选择清晰易读，公式排版干净利落，很少出现那种让人分不清上下标的低级错误。更值得称赞的是，书中对数学符号的定义和使用保持了高度的一致性，这在涉及多重索引和指标运算的章节中尤为重要。作者在脚注中对一些历史背景的简要回顾，也为枯燥的理论增添了一抹人文色彩。例如，关于高斯绝妙定理的简短回顾，让我们明白了这些概念是如何一步步从直觉发展成严密数学的。唯一的遗憾是，对于一些非常前沿的，比如辛几何或规范场论的交叉点，这本书只是蜻蜓点水般地提了一下，显然是为了保持其核心主题的聚焦，但对于那些希望一书包揽所有现代几何工具的读者来说，可能会觉得意犹未尽。总而言之，这是一本值得珍藏和反复研读的经典之作。

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这本书的阅读过程，对我来说更像是一次思维的体操训练。我得承认，某些涉及纤维丛和联络的章节，着实让我花了不少时间来回研读，反复对照图示，才能勉强跟上作者的思路。作者似乎有一种独特的偏爱，就是喜欢用非常简洁的语言去定义一个极其复杂的概念，然后迅速转入到高等的例子中去。这对于心智成熟的读者或许是一种挑战，对初学者则可能意味着多次“卡壳”。例如，在讨论黎曼度量张量时，作者并没有花太多篇幅去解释坐标变换下的协变性，而是直接给出了指标记号下的具体计算方式。这使得这本书更像是一本面向研究生的进阶参考书，而不是面向本科生的入门教材。不过，一旦攻克了这些难点，那种豁然开朗的感觉是无与伦比的，它为你打开了通往现代几何物理学的大门，让你能真正理解爱因斯坦场方程背后深刻的几何内涵。

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我必须得提一下这本书在习题设计上的匠心独具。很多教科书的习题无非是计算和证明的重复，但这本书的很多练习题，尤其是那些“拓展思考”部分，简直就像是微型的研究课题。它们不仅仅是检验你是否掌握了书本上的知识点，更是在引导你思考如何将这些工具应用到更广泛的数学分支中去。例如，有一个关于霍普夫纤维丛的习题，它巧妙地将拓扑学、微分几何和代数拓扑的知识点串联了起来，解出这个题目，比单纯理解课本上的定义要深刻得多。虽然有些习题的难度系数偏高，有时候甚至需要查阅其他资料才能有所进展，但这恰恰体现了作者希望读者主动探索、构建知识网络的良苦用心。这本书的价值，很大程度上就体现在这些需要“汗水”才能换来的理解之中。

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