Введение

Математическая структура
В математике, n-мерная дифференциальная структура (или дифференцируемая структура) на множестве M превращает M в n-мерное дифференциальное многообразие, которое представляет собой топологическое многообразие, снабжённое дополнительной структурой, позволяющей проводить дифференциальное исчисление на этом многообразии. Если M уже является топологическим многообразием, то требуется, чтобы новая топология совпадала с существующей.

Теоремы существования и уникальности

Для любого целого k > 0 и любого n-мерного Ck-многообразия максимальный атлас содержит C∞-атлас на том же базовом множестве, согласно теореме Хаслера Уитни. Также было показано, что любой максимальный Ck-атлас содержит некоторое количество различных максимальных C∞-атласов при n > 0, хотя для любой пары этих различных C∞-атласов существует C∞-диффеоморфизм, отождествляющий их. Отсюда следует, что существует только один класс гладких структур (с точностью до диффеоморфизмов, сохраняющих гладкость) над любым топологическим многообразием, допускающим дифференцируемую структуру, то есть C∞-структуры в Ck-многообразии. С некоторой долей условности можно сказать, что гладкая структура (по существу) единственна. Случай k = 0 отличается. А именно, существуют топологические многообразия, не допускающие C1-структуры, результат, доказанный , и позднее объясненный в контексте теоремы Дональдсона (сравните с пятой проблемой Гильберта). Гладкие структуры на ориентируемом многообразии обычно рассматриваются с точностью до ориентациесохраняющих гладких гомеоморфизмов. В связи с этим возникает вопрос о существовании ориентацию меняющих диффеоморфизмов. Для любого топологического многообразия размерности меньше 4 существует "по существу" единственная гладкая структура. Для компактных многообразий размерности больше 4 существует конечное число "гладких типов", то есть классов эквивалентности гладких структур, диффеоморфных друг другу с сохранением гладкости. В случае Rn при n ≠ 4 число этих типов равно единице, в то время как для n = 4 таких типов несчетно много. Их называют экзотическими R4.

Дифференциальные структуры на топологических многообразиях

Как упоминалось выше, в размерностях меньше 4 существует только одна дифференциальная структура для каждого топологического многообразия. Это было доказано Тибором Радо для размерностей 1 и 2, а Эдвином Э. Мойзе — для размерности 3. Используя теорию обструкций, Робион Кирби и Лоран Сибенман показали, что число PL-структур для компактных топологических многообразий размерности больше 4 конечно. Джон Милнор, Мишель Керваир и Моррис Хирш доказали, что число гладких структур на компактном PL-многообразии конечно и совпадает с числом дифференциальных структур на сфере той же размерности (см. книгу Ассельмайера-Малуги, Бранс, глава 7). Объединив эти результаты, получаем, что число гладких структур на компактном топологическом многообразии размерности, отличной от 4, конечно. Размерность 4 более сложна. Для компактных многообразий результаты зависят от сложности многообразия, измеряемой вторым числом Бетти b2. Для больших чисел Бетти b2 > 18 в односвязном 4-многообразии можно использовать хирургию вдоль узла или зацепления для получения новой дифференциальной структуры. С помощью этой процедуры можно получить счетно бесконечное число дифференциальных структур. Но даже для простых пространств, таких как , неизвестно построение других дифференциальных структур. Для некомпактных 4-многообразий существует множество примеров, таких как , обладающих несчетно бесконечным числом дифференциальных структур.