Кіріспе
Математикада Черн теоремасы (немесе Шинг Шен Черн, Карл Фридрих Гаусс және Пьер Оссиан Боннет есімдерімен аталған Черн-Гаусс-Бонне теоремасы) жабық, жұп өлшемді Риманн көптүрлігінің Эйлер-Пуанкаре сипаттамасы (топологиялық кеңістіктің Бетти сандарының кезектесіп қосылуы арқылы анықталатын топологиялық инвариант) оның қисықтық формасының (талдамалық инвариант) белгілі бір полиномының (Эйлер класы) интегралына тең екенін көрсетеді. Бұл 2 өлшемді көптүрліліктер (беттер) үшін қолданылатын классикалық Гаусс-Бонне теоремасының жоғарырақ жұп өлшемді Риманн көптүрлігіне жасалған маңызды жалпыламасы болып табылады. 1943 жылы Карл Б. Аллендорфер мен Андре Вейль сыртқы көптүрліліктер үшін оның ерекше жағдайын дәлелдеді. 1944 жылы жарияланған классикалық мақаласында Шиң Шен Черн теореманы толыққанды жалпы түрінде дәлелдеді, осы арқылы жаһандық топологияны жергілікті геометриямен байланыстырды. Риманн-Рох теоремасы және Атия-Сингер индекс теоремасы – Гаусс-Бонне теоремасының басқа да жалпыламалары.
In mathematics, the Chern theorem (or the Chern–Gauss–Bonnet theorem after Shiing Shen Chern, Carl Friedrich Gauss, and Pierre Ossian Bonnet) states that the Euler–Poincaré characteristic (a topological invariant defined as the alternating sum of the Betti numbers of a topological space) of a closed even dimensional Riemannian manifold is equal to the integral of a certain polynomial (the Euler class) of its curvature form (an analytical invariant). It is a highly non trivial generalization of the classic Gauss–Bonnet theorem (for 2 dimensional manifolds / surfaces) to higher even dimensional Riemannian manifolds. In 1943, Carl B. Allendoerfer and André Weil proved a special case for extrinsic manifolds. In a classic paper published in 1944, Shiing Shen Chern proved the theorem in full generality connecting global topology with local geometry. The Riemann–Roch theorem and the Atiyah–Singer index theorem are other generalizations of the Gauss–Bonnet theorem.
Гаусс-Бонне теоремасы
Гаусс-Бонне теоремасы – көптүрлілік 2 өлшемді болғандағы ерекше жағдай. Ол топологиялық индекс Бети сандары арқылы, ал аналитикалық индекс Гаусс-Бонне интегралы арқылы анықталатын жағдай ретінде туындайды. Екі өлшемді Гаусс-Бонне теоремасындағыдай, шекарасы бар көптүрлілік үшін де жалпыламалар бар.
Атиях Сингер
Гаусс-Бонне теоремасының кең ауқымды жалпыламасы – Атия-Сингер индексі теоремасы. Орбиталар үшін Черн формуласының да нұсқасы бар.
Тарих
Шиң Шен Черн теореманың дәлелін 1944 жылы Жоғары оқу институтында оқып жүргенде жариялады. Бұл формуланың Евклид кеңістігіне енгізілмей тұрып дәлелденген алғашқы тарихи жағдай болды, бұл "ішкі" терминінің мағынасын білдіреді. Гипербетке арналған ерекше жағдай (n-1 өлшемді кеңістіктегі n-1 өлшемді субманолиф) Х. Хопфпен дәлелденді, онда интеграл Гаусс-Кронекер қисықтығын (гипербеттің бір нүктесіндегі барлық бас қисықтықтардың көбейтіндісі) құрады. Бұл 1939 жылы Allendoerfer және 1940 жылы Fenchel тәуелсіз түрде кез келген кодименсиядағы Евклид кеңістігінің Риманн субкөптүрлілігіне жалпыланды, олар үшін Lipschitz-Killing қисықтығы қолданылды (нормальдық кеңістіктегі бірлік сферадағы әрбір бірлік нормальдық вектор бойымен Гаусс-Кронекер қисықтығының орташасы; жұп өлшемді субкөптүрлілік үшін бұл субкөптүрліліктің Риман метрикасына ғана байланысты инвариант). Егер Nash-тің ендіру теоремасы қолданылса, олардың нәтижесі жалпы жағдай үшін жарамды болар еді. Алайда, бұл теорема сол кезде қол жетімді болмады, өйткені Джон Nash өзінің атақты ендіру теоремасын Риман көптүрліліктері үшін 1956 жылы жариялады. 1943 жылы Allendoerfer және Weil жалпы жағдайдың дәлелін жариялады, онда олар алдымен H. Whitney-дің жуықтау теоремасын қолданып, мәселені аналитикалық Риман көптүрліліктеріне дейін қысқартты, содан кейін Картан-Жанет жергілікті ендіру теоремасының көмегімен көптүрліліктің "кішкентай" аймақтарын Евклид кеңістігіне изометриялық түрде енгізді, осылайша енгізілген аймақтарды біріктіріп, жоғарыда аталған Allendoerfer және Fenchel теоремасын жаһандық нәтижені орнату үшін қолданды. Бұл, әрине, қанағаттандырмайды, себебі теорема тек көптүрліліктің ішкі инварианттарын қамтиды, сондықтан теореманың дұрыстығы оның Евклид кеңістігіне енгізілуіне байланысты болмауы керек. Weil, Черн 1943 жылдың тамызында Принстонға келгеннен кейін кездесті. Ол Чернге өзінің ішкі дәлелі болуы керек деп сенгенін айтты, және Черн оны екі апта ішінде тапты. Нәтижесінде Черннің классикалық "Жабық Риман көптүрліліктері үшін Гаусс-Бонне формуласының қарапайым ішкі дәлелі" атты мақаласы келесі жылы "Математика анналында" жарияланды. Allendoerfer, Fenchel, Allendoerfer және Weil-дің бұрынғы жұмыстары Черн бұл мақалада сілтеме жасады. Allendoerfer және Weil-дің жұмыстары Черннің осы тақырыпқа қатысты екінші мақаласында да сілтеме жасалды.