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几何拓扑(geometric topology)这个数学分支,主要包含哪些内容?

我所知没有明显的界定,传统上主要指流形的拓扑学(庞加莱猜想等)。此外还有哪些主要问题?与低维拓扑、微分拓扑的关系是怎样的?

还没读博的时候写的答案,最近又有人陆陆续续地点赞了。五年过去,我的研究方向也更多地转向了辛几何,离低维拓扑越来越远了。不过还是想补充一些这几年里接触到的有趣的结果,毕竟之前的答案里写的都是30年前的东西了。

才疏学浅,请多指正。

1、近些年里个人感觉最大的一个结果是Manolescu's disproof of triangulation conjecture(当然了,所谓的“近些年“指的是近些年我才知道,人家13年就知道了)。

American Mathematical Society

所谓的Triangulation conjecture(三角化猜想)是问对于 n\\geq 5 维的拓扑流形,是否能被三角化。这本身是一个高维拓扑的问题,但是经由Galewski-Stern和Matumoto的工作,等价于一个关于三维的homology cobordism group(同调配边群)的问题。而这个问题被Manolescu用Pin(2)-equivariant Seiberg-Witten Floer homology解决,从而证伪了Triangulation conjecture。

Pin(2)-action在四维的Seiberg-Witten理论中很早就被用到,比如Morgan-Szabo的文章

MRL vol. 4 (1997) no. 1 article 2

但应该是从Manolescu开始才在Floer theory里被重视起来,Pin(2)-Seiberg-Witten Floer和Involutive Heegaard Floer让人很快地可以改进很多之前的结论,这也成为了低维拓扑里很热门的领域。(个人认为除了Manolescu外,其他人在这方面的工作都没什么开创性,就是有了稍微更锋利一些的斧子所以能继续砍柴罢了,也没见能拿这个斧子雕人像的)

2、另外一个我觉得很厉害的工作是Hopkins-Lin-Shi-Xu对于11/8-conjecture的推进,这个确实是前年的工作,算是很新的。

Intersection Forms of Spin 4-Manifolds and the Pin(2)-Equivariant Mahowald Invariant

11/8-conjecture是说对于任何closed smooth spin 4-manifold,一定有 b_2(M)\\ge \\frac{11}{8}|sign(M)|

之前Furuta证明了 b_2(M)\\ge \\frac{10}{8}|sign(M)| ,而HLSX用Furuta的方法,把结果推进到了 b_2(M)\\ge \\frac{10}{8}|sign(M)|+4 。但看结果好像很不起眼,但其实是用了很强的equivariant stable homotopy theory的技术,把Furuta的方法推向了极致。也就是说,后人想要继续解决这个猜想时,就需要脱离Furuta的方法,另辟蹊径了。从这个意义上说,这种计算能力上的突破是极其重要的。

3、辛几何的影响。一个光滑流形的余切从是辛流形,而且两个光滑同胚的流形的余切从也是辛同胚的。那一个自然的问题就是反过来对不对,我们能不能通过研究余切从的辛结构来得到关于base光滑结构的信息。这就是为什么一个topologist也会关注Nearby Lagrangian conjecture的进展。近些年的发展很多,我就提Kragh和Abouzaid对于Floer homotopy type的工作。

Parametrized ring-spectra and the nearby Lagrangian conjectureSimple homotopy equivalence of nearby Lagrangians

这个想法不是什么新想法,大体上就是去构造一个拓扑空间,比如CW complex,使得它的homology就是floer homology。这个想法应该最早来自Cohen-Jones-Segal

kurims.kyoto-u.ac.jp/~k

也不仅仅是在辛几何里面,对于Khovanov homology和Seiberg-Witten Floer也有类似的构造。就好像chain complex比homology包含更多的信息,floer homotopy type也应当包含比floer homology更多的信息,或者说可以用更多丰富的代数拓扑的工具。最近我也在学习这方面的内容,学会了可能再多写一点。

总结一下,大概我想把这些东西放在这个答案里是想说,几何拓扑的研究是跟其他领域紧密联系的,特别是越来越多地用到辛几何和代数拓扑。这年头要做数学,要学的东西太多了。

---------更新的分界线----------

谢邀。貌似是没有严格的界定。我没有严肃地考究过geometric topology的具体范围,只说一点我自己的理解。

传统的代数拓扑考虑的对象往往是CW-complex甚至是一般的topological space,给出的往往是homotopy invariant。
而几何拓扑的目标主要是研究流形的homeomorphism type和diffeomorphism type,特别是如何区分homotopy equivalent但并不是homeomorphic或是diffeomorphic的东西。
由于流形上可以有topology可以有differential structure可以有Riemannian metric等等丰富的结构,其用到的工具可以有很多,包括代数拓扑、微分拓扑、微分几何等等。

在高维(>=5)的几何拓扑主要工具是characteristic classes, surgery, Morse theory等,主要成就有

  • Milnor's exotic 7-sphere (用characteristic classes证明了存在一类7维流形homeomorphic but not diffeomorphic to S^7)
  • Smale's proof of higher dimensional Poincare conjecture (用了h-cobordism theorem)。


Smale的工作让大家把眼光集中在了低维流形的拓扑,特别是3和4。一般来讲,低维拓扑包括但不限于对于surface, 3-manifold, 4-manifold, knot的研究,可以说低维拓扑是几何拓扑的一部分。过去几十年里低维拓扑最重要的几个工作大概是

  • Perleman's proof of Thurston's Geometrization Conjecture (Poincare conjecture只是它的一个特例)
  • Freedman's proof of 4-dim Poincare conjecture (没读过这个paper,但据说是用了个trick把h-cobordism推广到了四维,代价是不能证diffeomorphic了)
  • Donaldson's invariant of smooth 4-manifolds (Donaldson把gauge theory引入了低维拓扑,通过研究moduli space of self-dual connections,定义了四维流形的diffeomorphism invariant。这些工作基本上都可以被后来的Seiberg-Witten theory用更简单的方法得到,但Donaldson的工作无疑是有开创性的。)

另,最近这些年很多symplectic topology和contact topology的结果也应用在了低维拓扑里。

低维拓扑剩下的问题里最大的大概就是4-dimensional smooth Poincare conjecture。对于四维differential structure的研究还是一团迷雾,没有一个什么纲领带领大家去搞。三维Poincare conjecture能被证明实在是有Thurston天纵奇才地用一双肉眼遍观三维流形分类出了八种geometric structure,再经由几何分析来证明。

但四维的情况实在是太奇怪,人们已经构造除了无数个4-manifold,他们homeomorphically长得像R^4,但diffeomorphically又各个不同也是醉了。

作为一个立志搞四维流形的人,这问题真是越说越伤感,就这么着吧。

在预印本网站 arXiv.org,几何拓扑的类别是 math.GT,但那里没有低维拓扑或微分拓扑的类别。属于低维拓扑的论文常常应该放在几何拓扑下面;可能属于微分拓扑的论文,放在这个类别也不显得违和,但添加几个其它类别的交叉也许更好。由此不妨说,实际上在今天,低维拓扑可以看成几何拓扑的子领域,而微分拓扑没有独特清晰的界限。

想了解过去几何拓扑的研究范围,可以先浏览《Handbook of Geometric Topology》(R. J. Daverman, R. B. Sher 主编)的目录。这里摘引一段书序:

[The book]offers perspectives on matters closely studied in times past, such as PL topology, infinite-dimensional topology, and group actions on manifolds, and it presents several chapters on matters of intense interest at the time it was assembled, near the beginning of a new millenium, such as geometric group theory and 3-manifolds (knot theory included) and their invariants. It includes current treatments of vital topics such as cohomological dimension theory, fixed point theory, homology manifolds, invariants of high-dimensional manifolds, mapping class groups, structures on manifolds and topological dynamics.

因为那本是 2001 年出版的书,当时往后有些活跃方向就没有涵盖。下面是近十来年 MSRI 的一些几何拓扑相关的专题讨论会,风向相当有代表性。页面里有报告的题目列表,可以点开感受一下:

在今天的几何拓扑里边,能跟四维的光滑 Poincaré 猜想相提并论的瞩目问题我也举不出多的来。不过,更专门的方向都会有各自认同的比较重要的问题,了解的最好办法是按话题去查阅综述文章。如果关注半年 arXiv.math.GT 的更新,就可以大概知道哪些话题比较活跃。要泛览有点儿岁数、有点儿趣味、有点儿小众的问题,可以翻一翻 Rob Kirby 的问题集

Problems in Low-Dimensional Topology (380 pages)

,只是不晓得他近来更新过没有。

谢谢邀请。

几何拓扑是研究流形的,微分拓扑是研究微分流形的,低维拓扑是研究低维流形的。

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