常秩定理(constant-rank theorem)
假設光滑映射 f: M -> N 的微分其秩——它真正移動的獨立方向數——在 p 附近每一點都是同一個常數 k。常秩定理說,儘管 f 可能看起來複雜,在 p 附近與 f(p) 附近存在座標,使 f 做出秩為 k 時可能最笨的事:保留前 k 個座標而把其餘歸零。它是浸入、淹沒與水平集定理背後的結構骨幹。
精確地說,若 df 在 p 的某鄰域上秩恆為 k,則存在以 p 為中心的座標卡與以 f(p) 為中心的座標卡,使 f 具正規形式 (x^1, ..., x^m) -> (x^1, ..., x^k, 0, ..., 0),其中 m = dim M 而目標落在 R^n 中。證明本質上是反函數定理用兩次:先把 k 個獨立的輸入方向拉直,再把 k 個獨立的輸出方向拉直。秩為常數的假設——而非僅在單點 p 處等於 k——是關鍵;秩在附近只能向上跳(它下半連續),故要求它保持不變是個實在的條件。
兩個著名的特例立即推出。若秩處處等於 dim M(浸入),則 f 在局部看起來像包含映射 (x) -> (x, 0),故局部把 M 嵌入 N。若秩處處等於 dim N(淹沒),則 f 在局部看起來像投影 (x, y) -> (x),故其纖維是漂亮堆疊的子流形,水平集是流形。誠實的提醒:此定理純屬局部——它並未說 f 全域上是嵌入或纖維化,只說在每點附近它以標準映射為模型。全域單射性、真性等是另外的假設,這正是浸入未必是嵌入的原因。
映射 f: R^2 -> R^3,f(s, t) = (s, t, s + t),其微分處處秩恆為 2。定理保證有座標使它成為標準包含 (s, t) -> (s, t, 0);確實,錯切 u = z - x - y 已經辦到,把像重塑為平面 u = 0。
常秩 2 讓我們把映射拉直為標準包含。
假設是在一個鄰域上常秩,而非在一點處秩為 k。秩下半連續,故在附近只能增加;孤立的一個秩值什麼都給不了你。