В математике , в частности в алгебраической топологии и дифференциальной геометрии , классы Штифеля–Уитни представляют собой набор топологических инвариантов вещественного векторного расслоения , которые описывают препятствия к построению всюду независимых множеств сечений векторного расслоения. Классы Штифеля–Уитни индексируются от 0 до n , где n — ранг векторного расслоения. Если класс Штифеля–Уитни индекса i не равен нулю, то не может существовать всюду линейно независимых сечений векторного расслоения. Ненулевой n-й класс Штифеля–Уитни указывает, что каждое сечение расслоения должно исчезнуть в некоторой точке. Ненулевой первый класс Штифеля–Уитни указывает, что векторное расслоение не является ориентируемым . Например, первый класс Штифеля–Уитни ленты Мёбиуса , как линейного расслоения над окружностью, не равен нулю, тогда как первый класс Штифеля–Уитни тривиального линейного расслоения над окружностью, равен нулю.
Класс Штифеля–Уитни был назван в честь Эдуарда Штифеля и Хасслера Уитни и является примером -характеристического класса, связанного с действительными векторными расслоениями.
В алгебраической геометрии можно также определить аналогичные классы Штифеля–Уитни для векторных расслоений с невырожденной квадратичной формой, принимающей значения в этальных группах когомологий или в K-теории Милнора . В качестве особого случая можно определить классы Штифеля–Уитни для квадратичных форм над полями, первые два случая — дискриминант и инвариант Хассе–Витта (Milnor 1970).
Для действительного векторного расслоения E класс Штифеля –Уитни расслоения E обозначается как w ( E ) . Это элемент кольца когомологий
где X — базовое пространство расслоения E , и (часто также обозначаемое как ) — коммутативное кольцо , единственными элементами которого являются 0 и 1. Компонента in обозначается как и называется i -м классом Штифеля–Уитни расслоения E. Таким образом,
где каждый является элементом .
Класс Штифеля–Уитни является инвариантом действительного векторного расслоения E ; т. е. когда F является другим действительным векторным расслоением, имеющим то же базовое пространство X, что и E , и если F изоморфно E , то классы Штифеля–Уитни и равны. (Здесь изоморфный означает, что существует изоморфизм векторных расслоений , который охватывает тождество .) Хотя в общем случае трудно решить, являются ли два действительных векторных расслоения E и F изоморфными , классы Штифеля–Уитни и часто можно легко вычислить. Если они различны, то известно, что E и F не изоморфны.
Например, над окружностью существует линейное расслоение (т. е. действительное векторное расслоение ранга 1), которое не изоморфно тривиальному расслоению . Это линейное расслоение L является лентой Мёбиуса (которая является расслоением волокон , волокна которого могут быть снабжены структурами векторного пространства таким образом, что оно становится векторным расслоением). Группа когомологий имеет только один элемент, отличный от 0. Этот элемент является первым классом Штифеля–Уитни L . Поскольку тривиальное линейное расслоение над имеет первый класс Штифеля–Уитни 0 , оно не изоморфно L .
Два действительных векторных расслоения E и F , которые имеют один и тот же класс Штифеля–Уитни, не обязательно изоморфны. Это происходит, например, когда E и F являются тривиальными действительными векторными расслоениями разных рангов над одним и тем же базовым пространством X. Это может также произойти, когда E и F имеют одинаковый ранг: касательное расслоение 2-сферы и тривиальное действительное векторное расслоение ранга 2 над имеют один и тот же класс Штифеля–Уитни, но они не изоморфны. Но если два действительных линейных расслоения над X имеют один и тот же класс Штифеля–Уитни, то они изоморфны.
Классы Штифеля–Уитни получили свое название потому, что Эдуард Штифель и Хасслер Уитни открыли их как редукции по модулю 2 классов препятствий к построению всюду линейно независимых сечений векторного расслоения E, ограниченного i -скелетом X. Здесь n обозначает размерность слоя векторного расслоения .
Точнее, при условии, что X является CW-комплексом , Уитни определил классы в i -й клеточной когомологической группе X со скрученными коэффициентами. Система коэффициентов является -й гомотопической группой многообразия Штифеля линейно независимых векторов в слоях E . Уитни доказал, что тогда и только тогда , когда E , будучи ограниченным i -скелетом X , имеет линейно-независимые сечения.
Так как является либо бесконечно- циклическим , либо изоморфным , существует каноническая редукция классов к классам , которые являются классами Штифеля–Уитни. Более того, всякий раз, когда , эти два класса идентичны. Таким образом, тогда и только тогда , когда расслоение ориентируемо .
Класс не содержит никакой информации, поскольку по определению он равен 1. Его создание Уитни было актом творческой нотации, позволившим формуле суммы Уитни быть истинной.
Везде обозначает сингулярные когомологии пространства X с коэффициентами в группе G. Слово отображение всегда означает непрерывную функцию между топологическими пространствами .
Характеристический класс Штифеля-Уитни вещественного векторного расслоения E конечного ранга на паракомпактной базе X определяется как единственный класс, такой что выполняются следующие аксиомы:
Единственность этих классов доказана, например, в разделе 17.2 – 17.6 у Хуземоллера или разделе 8 у Милнора и Сташеффа. Существует несколько доказательств существования, исходящих из различных конструкций, с несколькими различными вариантами, их согласованность обеспечивается утверждением единственности.
В этом разделе описывается конструкция, использующая понятие классифицирующего пространства .
Для любого векторного пространства V обозначим грассманиан , пространство n -мерных линейных подпространств V , и обозначим бесконечный грассманиан
Напомним, что он снабжен тавтологическим расслоением — векторным расслоением ранга n , которое можно определить как подрасслоение тривиального расслоения волокна V, волокном которого в точке является подпространство, представленное W.
Пусть , — непрерывное отображение в бесконечный грассманиан. Тогда с точностью до изоморфизма расслоение, индуцированное отображением f на X
зависит только от гомотопического класса отображения [ f ]. Таким образом, операция протягивания дает морфизм из множества
отображений по модулю гомотопической эквивалентности, к множеству
классов изоморфизма векторных расслоений ранга n над X.
(Важным фактом в этой конструкции является то, что если X — паракомпактное пространство , то это отображение является биекцией . Вот почему мы называем бесконечные грассманианы классифицирующими пространствами векторных расслоений.)
Теперь, по аксиоме естественности (4) выше, . Так что в принципе достаточно знать значения для всех j . Однако кольцо когомологий свободно на определенных генераторах, возникающих из стандартного разложения клеток, и тогда оказывается, что эти генераторы на самом деле просто заданы . Таким образом, для любого расслоения ранга n, , где f — подходящее классифицирующее отображение. Это, в частности, дает одно из доказательств существования классов Штифеля–Уитни.
Теперь мы ограничим приведенную выше конструкцию линейными расслоениями, т.е. рассмотрим пространство линейных расслоений над X. Грассманиан прямых — это просто бесконечное проективное пространство
которая дважды покрыта бесконечной сферой с антиподальными точками в качестве волокон. Эта сфера стягиваема , поэтому мы имеем
Следовательно, P ∞ ( R ) является пространством Эйленберга-Маклейна .
Это свойство пространств Эйленберга-Маклейна, что
для любого X , с изоморфизмом, заданным формулой f → f* η, где η — генератор
Применяя предыдущее замечание о том, что α : [ X , Gr 1 ] → Vect 1 ( X ) также является биекцией, мы получаем биекцию
это определяет класс Штифеля–Уитни w 1 для линейных расслоений.
Если Vect 1 ( X ) рассматривать как группу относительно операции тензорного произведения, то класс Штифеля–Уитни, w 1 : Vect 1 ( X ) → H 1 ( X ; Z /2 Z ), является изоморфизмом. То есть, w 1 (λ ⊗ μ) = w 1 (λ) + w 1 (μ) для всех линейных расслоений λ, μ → X .
Например, поскольку H 1 ( S 1 ; Z /2 Z ) = Z /2 Z , то с точностью до изоморфизма расслоений над окружностью существует только два линейных расслоения: тривиальное и открытая лента Мёбиуса (т. е. лента Мёбиуса с вычеркнутой границей).
Та же конструкция для комплексных векторных расслоений показывает, что класс Черна определяет биекцию между комплексными линейными расслоениями над X и H 2 ( X ; Z ), поскольку соответствующее классифицирующее пространство есть P ∞ ( C ), a K( Z , 2). Этот изоморфизм верен для топологических линейных расслоений, препятствием к инъективности класса Черна для алгебраических векторных расслоений является якобианское многообразие .
Биекция выше для линейных расслоений подразумевает, что любой функтор θ, удовлетворяющий четырем аксиомам выше, равен w , по следующему аргументу. Вторая аксиома дает θ(γ 1 ) = 1 + θ 1 (γ 1 ). Для отображения включения i : P 1 ( R ) → P ∞ ( R ) расслоение-пулбэк равно . Таким образом, первая и третья аксиомы влекут
Так как карта
является изоморфизмом, и θ(γ 1 ) = w (γ 1 ) следует. Пусть E — действительное векторное расслоение ранга n над пространством X . Тогда E допускает отображение расщепления , т.е. отображение f : X′ → X для некоторого пространства X′ такого, что является инъективным и для некоторых линейных расслоений . Любое линейное расслоение над X имеет вид для некоторого отображения g , и
по естественности. Таким образом, θ = w на . Из четвертой аксиомы выше следует, что
Так как инъективно, θ = w . Таким образом, класс Штифеля–Уитни является единственным функтором, удовлетворяющим четырем аксиомам выше.
Хотя отображение является биекцией, соответствующее отображение не обязательно инъективно в более высоких размерностях. Например, рассмотрим касательное расслоение для четного n . С каноническим вложением в нормальное расслоение к является линейным расслоением. Поскольку является ориентируемым, является тривиальным. Сумма является просто ограничением к , которое является тривиальным, поскольку является стягиваемым. Следовательно, w ( TS n ) = w ( TS n ) w (ν) = w( TS n ⊕ ν) = 1. Но при условии, что n четно, TS n → S n не является тривиальным; его класс Эйлера , где [ S n ] обозначает фундаментальный класс S n , а χ — эйлерову характеристику .
Если мы работаем с многообразием размерности n , то любое произведение классов Штифеля–Уитни общей степени n может быть сопряжено с Z /2 Z - фундаментальным классом многообразия, чтобы получить элемент Z /2 Z , число Штифеля–Уитни векторного расслоения. Например, если многообразие имеет размерность 3, существует три линейно независимых числа Штифеля–Уитни, заданных как . В общем случае, если многообразие имеет размерность n , число возможных независимых чисел Штифеля–Уитни равно числу разбиений n .
Числа Штифеля–Уитни касательного расслоения гладкого многообразия называются числами Штифеля–Уитни многообразия. Известно, что они являются инвариантами кобордизма . Было доказано Львом Понтрягиным , что если B – гладкое компактное ( n +1)–мерное многообразие с границей, равной M , то все числа Штифеля–Уитни многообразия M равны нулю. [1] Более того, было доказано Рене Томом , что если все числа Штифеля–Уитни многообразия M равны нулю, то M можно реализовать как границу некоторого гладкого компактного многообразия. [2]
Одним из важных чисел Штифеля–Уитни в теории хирургии является инвариант де Рама (4k + 1)-мерного многообразия,
Классы Штифеля–Уитни являются квадратами Стинрода классов Ву , определенными У Вэньцзюнем в 1947 году. [3] Проще говоря, полный класс Штифеля–Уитни является полным квадратом Стинрода полного класса Ву: . Классы Ву чаще всего определяются неявно в терминах квадратов Стинрода, как класс когомологий, представляющий квадраты Стинрода. Пусть многообразие X имеет размерность n . Тогда для любого класса когомологий x степени ,
Или, более узко, мы можем потребовать , снова для классов когомологий x степени . [4]
Элемент называется i + 1 целым классом Штифеля–Уитни, где β — гомоморфизм Бокштейна , соответствующий редукции по модулю 2, Z → Z /2 Z :
Например, третий интегральный класс Штифеля–Уитни является препятствием к структуре Spin c .
Над алгеброй Стинрода классы Штифеля–Уитни гладкого многообразия (определяемые как классы Штифеля–Уитни касательного расслоения) порождаются классами вида . В частности, классы Штифеля–Уитни удовлетворяют условиюФормула У , названная в честьУ Вэньцзюня:[5]