黎曼曲面

数学上，特别是在复分析中，一个黎曼曲面是一个一维复流形。黎曼曲面可以被视为是一个复平面的变形版本：在每一点局部看来，他们就像一片复平面，但整体的拓扑可能极为不同。例如，他们可以看起来像球或是环，或者两个页面粘在一起。黎曼曲面的精髓在于在曲面之间可以定义全纯函数。黎曼曲面现在被认为是研究这些函数的整体行为的自然选择，特别是像平方根和自然对数这样的多值函数。每个黎曼曲面都是二维实解析流形（也就是曲面），但它有更多的结构（特别是一个复结构），因为全纯函数的无歧义的定义需要用到这些结构。一个实二维流形可以变成为一个黎曼曲面（通常有几种不同的方式）当且仅当它是可定向的。所以球和环有复结构，但是莫比乌斯带，克莱因瓶和射影平面没有。黎曼曲面的几何性质是最妙的，它们也给与其它曲线，流形或簇上的推广提供了直观的理解和动力。黎曼-罗赫定理就是这种影响的最佳例子。令X为一个豪斯多夫空间。一个从开子集U⊂C到X的子集的同胚称为坐标卡。两个有重叠区域的坐标卡f和g称为相容的，如果映射f o g-1和g o f-1是在定义域上全纯的。若A一组相容的图，并且每个X中的x都在某个f的定义域中，则称A为一个图册'。当我们赋予X一个图册A,我们称(X,A)为一个黎曼曲面。如果知道有图册，我们简称X为黎曼曲面。不同的图册可以在X上给出本质上相同的黎曼曲面结构；为避免这种模糊性，我们有时候要求X为极大的，也就是它不是任何一个更大的图集的子集。根据佐恩引理每个图集A包含于一个唯一的最大图集中。两个黎曼曲面M和N之间的函数f : M → N称为全纯，如果对于M的图集中的每个图g和N的图集中的每个图h，映射h o f o g-1在所有有定义的地方是全纯的（作为从C到C的函数）。两个全纯函数的复合是全纯的。两个黎曼曲面M和N称为保角等价（或共形等价），如果存在一个双射的从M到N的全纯函数并且其逆也是全纯的（最后一个条件是自动满足的所以可以略去）。两个保角等价的黎曼曲面对于所有的实际应用来讲是完全相同的。每个单连通的黎曼曲面和C或黎曼球C ∪ {∞}或开圆盘{z ∈ C : |z| < 1}保角等价。这个命题称为单值化定理。每个连通黎曼曲面可以转成有常数曲率-1，0或1的完备实黎曼流形。这个黎曼结构除了度量的缩放外是唯一。有曲率-1的黎曼曲面称为双曲的;开圆盘是个经典的例子。有曲率0的黎曼曲面称为抛物的；C是典型的抛物黎曼曲面。最后，有曲率+1的黎曼曲面称为椭圆的；黎曼球C ∪ {∞}是这样的一个例子。对于每个闭抛物黎曼曲面，基本群同构于2阶格群，因而曲面可以构造为C/Γ,其中C是复平面而Γ是格群。陪集的代表的集合叫做基本域。类似的，对每个双曲黎曼曲面，基本群同构于富克斯群，因而曲面可以由富克斯模型H/Γ构造，其中H是上半平面而Γ是富克斯群。H/Γ陪集的代表是自由正则集，可以作为度量基本多边形。当一个双曲曲面是紧的，则曲面的总面积是 4 π ( g − 1 ) {displaystyle 4pi (g-1)} ,其中g是曲面的亏格；面积可由把高斯-博内定理应用到基本多边形的面积上来算出。前面我们提到黎曼曲面，象所有复流形，象实流形一样可定向。因为复图f和g有变换函数h = f(g-1(z))，我们可以认为h是从R2开集到R2的映射，在点z的雅可比矩阵也就是由乘以复数h'(z)的运算给出的实线性变换。但是，乘以复数α的行列式等于|α|^2,所以h的雅可比阵有正的行列式值。所以，复图集是可定向图集。黎曼最早开始研究黎曼曲面。黎曼曲面以他命名。