接觸結構(contact structure)
辛幾何活在偶維中;它的奇維表親是接觸幾何。想像在奇維空間的每一點上有一個超平面——一個比整個空間低一維的傾斜平板——並讓這些平板從點到點扭轉得如此劇烈,以致沒有任何曲面能始終切於它們全部。那個不可能地扭曲的超平面場就是接觸結構。辛相空間的邊界、等能量面,以及任何流形的接觸元空間,都自然帶有一個。
精確地說,(2n+1) 維流形 M 上的接觸結構是一個超平面場(在每個切空間 T_p M 中光滑選定一個 2n 維子空間 xi_p),它是極大不可積的。局部上 xi = ker(alpha),其中 1-形式 alpha 稱為接觸形式,而極大不可積條件是 alpha ^ (d alpha)^n 處處不為零——一個永不消失的頂次形式。這恰是弗羅貝尼烏斯可積條件 alpha ^ d alpha = 0 的反面,後者會使 xi 切於一個葉狀結構;此處扭轉強到極致。接觸形式並不唯一(把 alpha 乘以任何非零函數 f 給出相同的核 xi),所以結構是超平面場 xi,而 alpha 是輔助的選擇。標準模型是 R^{2n+1},座標 (z, x_1, y_1, ..., x_n, y_n),alpha = dz - sum y_i dx_i。
為何重要:接觸流形是辛流形自然的奇維邊界與能量面(接觸流形的辛化 M x R 是辛的),而接觸幾何有它自己的達布定理——所有接觸結構在局部都與標準模型完全相同,所以同樣沒有局部不變量。整體理論既豐富又出人意料:在三維中,接觸結構分裂成「緊」與「過扭」兩型,剛性截然不同(埃利亞什貝格的分類),而接觸流形上的雷布動力學正是關於閉軌道的韋恩斯坦猜想所在。一個常見混淆是接觸結構(超平面場 xi,幾何對象)與接觸形式(切出它的特定 alpha)之間的混淆;形式攜帶額外資料——最重要的是它釘住一個雷布向量場——那是赤裸的結構所沒有的。
在座標為 (x, y, z) 的 R^3 上,標準接觸形式是 alpha = dz - y dx,所以接觸平面 xi = ker(alpha) 由 partial/partial y 與 partial/partial x + y partial/partial z 張成。檢驗不可積性:d alpha = -dy ^ dx,故 alpha ^ d alpha = (dz - y dx) ^ (-dy ^ dx) = dz ^ dx ^ dy(差個符號),這是非零的體積形式。當你沿 y 軸移動時平面整整轉了四分之一圈——沒有任何曲面能始終切於它們。
標準 R^3 接觸結構 alpha = dz - y dx:平面扭轉使 alpha ^ d alpha 處處不為零。
極大不可積是葉狀結構的反向極端。要區分接觸結構 xi(超平面場,本身良定義)與接觸形式 alpha(無窮多個與其同核的 f 乘 alpha 之一);只有形式才確定雷布場與體積。