Пучок волокна - Fiber bundle

Цилиндрический расческа показывая интуицию, стоящую за термином пучок волокон. Эта расческа похожа на пучок волокон, в котором базовое пространство представляет собой цилиндр, а волокна (щетина ) являются отрезками прямых. Отображение взял бы точку на любой щетине и сопоставил бы ее с корнем на цилиндре.

В математика, и особенно топология, а пучок волокон (или в Британский английский, пучок волокон) это Космос то есть локально а пространство продукта, но глобально может быть другой топологическая структура. В частности, сходство между пространством и пространство продукта определяется с помощью непрерывный сюръективный карта

что в небольших регионах E ведет себя так же, как проекция из соответствующих областей к . Карта , называется проекция или же погружение комплекта, рассматривается как часть его структуры. Космос известен как общая площадь пучка волокон, как базовое пространство, и в волокно.

в банальный дело, просто , а отображение π - это просто проекция из пространства произведения на первый фактор. Это называется тривиальная связка. Примеры нетривиальных расслоений включают: Лента Мебиуса и Бутылка Клейна, а также нетривиальные покрытия пространства. Пучки волокон, такие как касательный пучок из многообразие и более общие векторные пакеты играть важную роль в дифференциальная геометрия и дифференциальная топология, как и основные связки.

Отображения между тотальными пространствами расслоений, которые «коммутируют» с отображениями проекций, известны как связка карт, а класс расслоений образует категория относительно таких отображений. Связка из самого базового пространства (с тождественным отображением в качестве проекции) на называется раздел из . Пучки волокон могут быть специализированы несколькими способами, наиболее распространенный из которых требует, чтобы переходы между локальными тривиальными участками лежали в определенных топологическая группа, известный как структурная группа, действуя на волокно .

История

В топология, условия волокно (Немецкий: Faser) и волоконное пространство (gefaserter Raum) впервые появилась в статье Герберт Зайферт в 1933 г.,[1][2] но его определения ограничены очень частным случаем. Однако главное отличие от современной концепции волоконного пространства заключалось в том, что для Зайферта то, что сейчас называется базовое пространство (топологическое пространство) расслоенного (топологического) пространства E не был частью структуры, но производился от нее как факторпространство E. Первое определение волоконное пространство был дан Хасслер Уитни в 1935 г. [3] под именем сфера, но в 1940 году Уитни сменила название на связка сфер.[4]

Теория расслоенных пространств, из которых векторные пакеты, основные связки, топологический расслоения и расслоенные многообразия являются частным случаем, приписываемым Зейферту, Хайнц Хопф, Жак Фельдбау,[5] Уитни, Норман Стинрод, Чарльз Эресманн,[6][7][8] Жан-Пьер Серр,[9] и другие.

Пучки волокон стали самостоятельным объектом исследования в период 1935–1940 гг. Первое общее определение появилось в работах Уитни.[10]

Уитни пришел к общему определению расслоения на основе изучения более конкретного понятия расслоения. связка сфер,[11] то есть расслоение, слой которого является сферой произвольной размерности.[12]

Формальное определение

Пучок волокон - это структура , куда , , и находятся топологические пространства и это непрерывный сюрприз удовлетворение местная мелочь условие, изложенное ниже. Космос называется базовое пространство пакета, в общая площадь, и в волокно. Карта π называется карта проекции (или связка проекции). В дальнейшем будем предполагать, что базовое пространство является связаны.

Мы требуем этого для каждого , есть открытый район из (которую мы будем называть тривиализирующей окрестностью) такая, что существует гомеоморфизм (куда - пространство продукта) таким образом, что π соглашается с прогнозом на первый фактор. То есть следующая диаграмма должна ездить:

Условие локальной тривиальности

 

 

 

 

(1)

куда это естественная проекция и является гомеоморфизмом. Набор всех называется локальная тривиализация комплекта.

Таким образом, для любого , то прообраз гомеоморфен (поскольку proj1−1({п}) явно есть) и называется волокно над п. Каждый пучок волокон является открытая карта, поскольку проекции продуктов - это открытые карты. Следовательно несет факторная топология определяется картой π.

Пучок волокон часто обозначается

 

 

 

 

(2)

что по аналогии с короткая точная последовательность, указывает, какое пространство является волокном, общее пространство и базовое пространство, а также карту от общего к базовому пространству.

А пучок гладких волокон расслоение в категория из гладкие многообразия. То есть, , , и должны быть гладкими многообразиями, и все указанные выше функции должны быть гладкие карты.

Примеры

Тривиальный комплект

Позволять и разреши быть проекцией на первый фактор. потом является расслоением (из ) над . Здесь не только местный продукт, но глобально один. Любой такой пучок волокон называется тривиальная связка. Любой пучок волокон над стягиваемым CW-комплекс тривиально.

Нетривиальные связки

Лента Мебиуса

Лента Мёбиуса - это нетривиальное расслоение над окружностью.

Пожалуй, самый простой пример нетривиальной связки это Лента Мебиуса. Он имеет круг который проходит по центру полосы в качестве основы и отрезок для волокна , поэтому лента Мёбиуса представляет собой расслоение отрезка прямой над окружностью. Район из ( куда ) - дуга; на картинке это длина одного из квадратов. Прообраз на картинке - (несколько скрученный) кусок полосы шириной четыре квадрата и один длинный.

Гомеоморфизм ( в разделе Формальное определение) существует, отображающий прообраз (тривиальная окрестность) среза цилиндра: изогнута, но не скручена. Эта пара локально тривиализирует полосу. Соответствующее тривиальное расслоение будет цилиндр, но полоса Мёбиуса имеет общий «поворот». Этот поворот виден только глобально; локально лента Мебиуса и цилиндр идентичны (выполнение одного вертикального разреза в любом из них дает одинаковое пространство).

Бутылка Клейна

Аналогичным нетривиальным расслоением является Бутылка Клейна, который можно рассматривать как «скрученный» пучок кругов над другим кругом. Соответствующее нескрученное (тривиальное) расслоение - это 2-тор, .

Бутылка Клейна погруженный в трехмерном пространстве.
Тор.

Покрывающая карта

А покрывающее пространство расслоение такое, что проекция расслоения локальный гомеоморфизм. Отсюда следует, что волокно является дискретное пространство.

Векторные и главные пучки

Особый класс пучков волокон, называемый векторные пакеты, те, волокна которых векторные пространства (чтобы квалифицироваться как векторное расслоение, структурная группа расслоения - см. ниже - должна быть линейная группа ). Важные примеры векторных расслоений включают касательный пучок и котангенсный пучок гладкого многообразия. Из любого векторного расслоения можно построить комплект кадров из базы, которое является главным расслоением (см. ниже).

Другой особый класс пучков волокон, называемый основные связки, - расслоения, на слоях которых свободная и транзитивная действие группой задано, так что каждый слой является главное однородное пространство. Пакет часто указывается вместе с группой, называя ее принципалом. -пучок. Группа также является структурной группой расслоения. Учитывая представление из в векторном пространстве , векторное расслоение с как структурная группа может быть построена, известная как связанный пакет.

Наборы сфер

А связка сфер расслоение, слой которого является п-сфера. Учитывая векторное расслоение с метрика (например, касательный пучок к Риманово многообразие ) можно построить ассоциированный пучок единичных сфер, для которого слой над точкой - это множество всех единичных векторов в . Когда рассматриваемое векторное расслоение является касательным расслоением расслоение единичных сфер известно как единичный касательный пучок.

Расслоение сфер частично характеризуется своим Класс Эйлера, что является степенью когомология класс в общем пространстве пучка. В случае расслоение сфер называется связка кругов а класс Эйлера равен первому Черн класс, который полностью характеризует топологию расслоения. Для любого , учитывая класс Эйлера расслоения, можно вычислить его когомологии, используя длинная точная последовательность называется Последовательность гизина.

Отображение торов

Если Икс это топологическое пространство и это гомеоморфизм затем отображение тор имеет естественную структуру пучка волокон над круг с волокном . Отображение торов гомеоморфизмов поверхностей особенно важно в Топология 3-многообразия.

Факторные пространства

Если это топологическая группа и это закрытая подгруппа, то при некоторых обстоятельствах факторное пространство вместе с факторной картой является расслоением, слоем которого является топологическое пространство . Необходимое и достаточное условие для () для образования расслоения состоит в том, что отображение признаться местные сечения (Стинрод 1951, §7).

Наиболее общие условия, при которых фактор-отображение допускает локальные сечения, неизвестны, хотя если это Группа Ли и замкнутая подгруппа (и, следовательно, подгруппа Ли по Теорема Картана ), то фактор-отображение является расслоением. Одним из примеров этого является Расслоение Хопфа, , который представляет собой расслоение над сферой чья общая площадь . С точки зрения групп Ли, можно отождествить с особая унитарная группа . Абелева подгруппа диагональных матриц изоморфна группе круговая группа , а частное диффеоморфна сфере.

В более общем смысле, если любая топологическая группа и замкнутая подгруппа, которая также является группой Ли, то является расслоением.

Разделы

А раздел (или же поперечное сечение) пучка волокон это непрерывное отображение такой, что для всех Икс в B. Поскольку пучки, как правило, не имеют глобально определенных секций, одна из целей теории состоит в том, чтобы объяснить их существование. В препятствие к существованию сечения часто можно измерить классом когомологий, что приводит к теории характеристические классы в алгебраическая топология.

Самый известный пример - это теорема о волосатом шарике, где Класс Эйлера препятствие для касательный пучок 2-сферы, имеющей нигде не исчезающее сечение.

Часто бывает необходимо определять разделы только локально (особенно когда глобальные разделы не существуют). А местная секция расслоения является непрерывным отображением куда U является открытый набор в B и для всех Икс в U. Если является локальной картой тривиализации, то локальные сечения всегда существуют над U. Такие участки находятся в соответствии 1-1 с непрерывными отображениями. . Разделы образуют пучок.

Структурные группы и переходные функции

Пучки волокон часто поставляются с группа симметрий, которые описывают условия согласования между перекрывающимися локальными картами тривиализации. В частности, пусть грамм быть топологическая группа который действует непрерывно в волоконном пространстве F слева. Мы ничего не теряем, если потребуем грамм играть верно на F так что его можно рассматривать как группу гомеоморфизмы из F. А грамм-атлас для связки (E, B, π, F) - это набор локальных карт тривиализации такой, что для любого для перекрывающихся графиков и функция

дан кем-то

куда тij : UяUjграмм непрерывное отображение, называемое функция перехода. Два грамм-атласы эквивалентны, если их объединение также является грамм-атлас. А грамм-пучок является расслоением с классом эквивалентности грамм-атласы. Группа грамм называется структурная группа комплекта; аналогичный термин в физике группа датчиков.

В гладкой категории a грамм-бандл - это гладкий пучок волокон, в котором грамм это Группа Ли и соответствующее действие на F является гладким, а все функции перехода являются гладкими отображениями.

Функции перехода тij удовлетворяют следующим условиям

Третье условие применяется к тройным перекрытиям. UяUjUk и называется состояние коцикла (видеть Когомологии Чеха ). Важность этого состоит в том, что функции перехода определяют расслоение (если принять условие коцикла Чеха).

А главный грамм-пучок это грамм-бандл, где волокна F это главное однородное пространство для левого действия грамм сам (эквивалентно можно указать, что действие грамм на волокне F свободен и транзитивен, т.е. обычный ). В этом случае часто бывает удобно идентифицировать F с грамм и таким образом получить (правильное) действие грамм на основном связке.

Связать карты

Полезно иметь представление о отображении между двумя пучками волокон. Предположим, что M и N являются базовыми пространствами, а и пучки волокон над M и N, соответственно. Карта пакета (или морфизм пучка) состоит из пары непрерывных[13] функции

такой, что . То есть следующие диаграмма коммутирует:

BundleMorphism-04.svg

Для пучков волокон со структурной группой грамм и чьи полные пространства (справа) грамм-пространства (например, главное расслоение), морфизмы расслоения также должны быть грамм-эквивариантный на волокнах. Это означает, что это также грамм-морфизм из одного грамм-пространство в другое, т.е. для всех и .

Если базовые пространства M и N совпадают, то морфизм расслоения над M из пучка волокон к это карта такой, что . Это означает, что карта пакета охватывает личность M. То есть, и диаграмма коммутирует

BundleMorphism-03.svg

Предположим, что оба и определены над одним и тем же базовым пространством M. Изоморфизм расслоения - это отображение расслоения между πE : EM и πF : FM такой, что и такой, что φ также является гомеоморфизмом.[14]

Дифференцируемые пучки волокон

В категории дифференцируемые многообразия расслоения естественно возникают как погружения одного коллектора на другой. Не всякая (дифференцируемая) субмерсия:M → N из дифференцируемого многообразия M на другое дифференцируемое многообразие N рождает дифференцируемый пучок волокон. Во-первых, карта должна быть сюръективной, и (M, N, ƒ) называется расслоенное многообразие. Однако этого необходимого условия недостаточно, и обычно используется множество достаточных условий.

Если M и N компактны и связны, то любая субмерсия ж : M → N приводит к расслоению в том смысле, что существует расслоение F диффеоморфный каждому из слоев такой, что (E, B, π, F) = (M, N, ƒ, F) - расслоение. (Сюръективность следует из предположений, уже сделанных в этом случае.) В более общем смысле, предположение компактности может быть ослаблено, если субмерсия ƒ:M → N предполагается сюръективным правильная карта, что означает, что ƒ−1(K) компактен для любого компактного подмножества K из N. Еще одно достаточное условие, связанное с Эресманн (1951), заключается в том, что если ƒ:M → N сюръективно погружение с M и N дифференцируемые многообразия такой, что прообраз ƒ−1{Икс} является компактный и связаны для всех Икс ∈ N, то ƒ допускает совместимую структуру расслоения (Мичор 2008, §17).

Обобщения

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Зейферт, Герберт (1933). "Topologie dreidimensionaler gefaserter Räume". Acta Mathematica. 60: 147–238. Дои:10.1007 / bf02398271.
  2. ^ "Topologie Dreidimensionaler Gefaserter Räume" на Проект Евклид.
  3. ^ Уитни, Хасслер (1935). «Сферные пространства». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 21 (7): 464–468. Дои:10.1073 / pnas.21.7.464. ЧВК  1076627. PMID  16588001.
  4. ^ Уитни, Хасслер (1940). «К теории расслоений сфер». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 26 (2): 148–153. Дои:10.1073 / pnas.26.2.148. ЧВК  1078023. PMID  16588328.
  5. ^ Фельдбау, Жак (1939). "Sur la классификация волоконных пространств". Comptes rendus de l'Académie des Sciences. 208: 1621–1623.
  6. ^ Эресманн, Чарльз (1947). "Sur la théorie des espaces fibrés". Coll. Вершина. Alg. Париж. C.N.R.S .: 3–15.
  7. ^ Эресманн, Чарльз (1947). "Sur les espaces fibrés différentiables". Comptes rendus de l'Académie des Sciences. 224: 1611–1612.
  8. ^ Эресманн, Чарльз (1955). "Различия в пролонгации фиброволокна". Comptes rendus de l'Académie des Sciences. 240: 1755–1757.
  9. ^ Серр, Жан-Пьер (1951). "Homologie singulière des espaces fibrés. Приложения". Анналы математики. 54 (3): 425–505. Дои:10.2307/1969485. JSTOR  1969485.
  10. ^ Видеть Стинрод (1951, Предисловие)
  11. ^ В своих ранних работах Уитни называл расслоения сфер «сферами-пространствами». См. Например:
  12. ^ Уитни, Хасслер (1940). «К теории расслоений сфер» (PDF). Proc. Natl. Акад. Наука. 26 (2): 148–153. Дои:10.1073 / pnas.26.2.148. ЧВК  1078023. PMID  16588328.
  13. ^ В зависимости от категории задействованных пространств можно предположить, что функции обладают свойствами, отличными от непрерывности. Например, в категории дифференцируемых многообразий функции предполагаются гладкими. В категории алгебраических многообразий они являются регулярными морфизмами.
  14. ^ Или, по крайней мере, обратим в соответствующей категории; например, диффеоморфизм.

Рекомендации

внешняя ссылка