stringtranslate.com

Пучок волокон

Цилиндрическая расческа, демонстрирующая интуитивное понимание термина « пучок волокон» . Эта расческа похожа на пучок волокон, в котором базовое пространство представляет собой цилиндр, а волокна ( щетинки ) — отрезки линий. При отображении точка на любой щетине будет сопоставлена ​​с ее корнем на цилиндре.

В математике , и особенно в топологии , расслоение ( на английском языке : расслоение волокон ) — это пространство , которое локально является пространством продукта , но в глобальном масштабе может иметь различную топологическую структуру . В частности, сходство между пространством и пространством продукта определяется с помощью непрерывной сюръективной карты , которая в небольших областях ведет себя точно так же, как проекция из соответствующих областей в . Карта , называемая проекцией или погружением расслоения, рассматривается как часть структура пачки. Пространство известно как общее пространство расслоения, базовое пространство и слой .

В тривиальном случае справедливо , а карта — это просто проекция пространства продукта на первый фактор. Это называется тривиальным расслоением . Примеры нетривиальных расслоений включают полосу Мёбиуса и бутылку Клейна , а также нетривиальные накрывающие пространства . Расслоения, такие как касательное расслоение многообразия и другие более общие векторные расслоения , играют важную роль в дифференциальной геометрии и дифференциальной топологии , как и основные расслоения .

Отображения между тотальными пространствами расслоений, которые «коммутируют» с картами проекций, известны как карты расслоений , и класс расслоений образует категорию относительно таких отображений. Карта расслоения из самого базового пространства (с тождественным отображением в качестве проекции) в, называемая секцией пучков Fiber, может быть специализирована несколькими способами, наиболее распространенным из которых является требование, чтобы карты перехода между локальными тривиальными участками лежали в некоторую топологическую группу , известную как структурная группа , действующая на слой .

История

В топологии термины «волокно» (нем. Faser ) и «расслоенное пространство» ( gefaserter Raum ) впервые появились в статье Герберта Зейферта в 1933 году, [1] [2] [3], но его определения ограничиваются очень специальными понятиями. случай. Однако главное отличие от современной концепции расслоенного пространства заключалось в том, что для Зейферта то, что сейчас называется базовым пространством (топологическим пространством) расслоенного (топологического) пространства E , не было частью структуры, а производилось от нее как факторпространство E . Первое определение расслоенного пространства было дано Хасслером Уитни в 1935 году [4] под названием « пространство сферы» , но в 1940 году Уитни изменил название на « расслоение сфер» . [5]

Теория расслоенных пространств, частным случаем которых являются векторные расслоения , главные расслоения , топологические расслоения и расслоенные многообразия , приписывают Зейферту, Хайнцу Хопфу , Жаку Фельдбау , [6] Уитни, Норману Стинроду , Чарльзу Эресману , [7] [ 8] [9] Жан-Пьер Серр , [10] и другие.

Пучки волокон стали самостоятельным объектом изучения в период 1935–1940 гг. Первое общее определение появилось в работах Уитни. [11]

Уитни пришел к общему определению расслоения из своего исследования более частного понятия расслоения сфер [12] , которое представляет собой расслоение, слоем которого является сфера произвольной размерности . [13]

Формальное определение

Расслоение — это структура , в которой и — топологические пространства , и непрерывная сюръекция , удовлетворяющая локальному условию тривиальности , описанному ниже. Пространство называется базовое пространство расслоения,общая площадьиволокно . Картаназываетсякарта проекции (илипроекция пучка ). В дальнейшем будем считать, что базовоепространствосвязно.

Мы требуем, чтобы для каждого существовала открытая окрестность (которая будет называться тривиализирующей окрестностью) такая, что существует гомеоморфизм ( где задана топология подпространства и - пространство произведения) таким образом, который согласуется с проекцией на первый фактор. То есть следующая диаграмма должна коммутировать :

Условие локальной тривиальности
Условие локальной тривиальности

где – естественная проекция, – гомеоморфизм. Совокупность всех называется​локальная тривиализация расслоения.

Таким образом , для любого прообраз гомеоморфен (поскольку это верно для ) и называется слоем над каждым расслоением. Каждое расслоение является открытым отображением , поскольку проекции произведений являются открытыми отображениями. Поэтому несет фактортопологию, определенную отображением

Пучок волокон часто обозначают

что, по аналогии с короткой точной последовательностью , указывает, какое пространство является слоем, общим пространством и базовым пространством, а также отображением общего пространства в базовое.

АГладкое расслоение — расслоение изкатегориигладкихмногообразий. То естьидолжны быть гладкими многообразиями, а всефункциидолжны бытьгладкими отображениями.

Примеры

Тривиальный комплект

Пусть и пусть – проекция на первый множитель. Тогда есть расслоение (из ) над. Здесь продукт не только локально, но и глобально . Любой такой пучок волокон называетсябанальный комплект . Любое расслоение надстягиваемым CW-комплексомтривиально.

Нетривиальные расслоения

Лента Мёбиуса

Лента Мёбиуса — нетривиальное расслоение над окружностью.

Пожалуй, самым простым примером нетривиального расслоения является лента Мёбиуса . У него есть круг , который проходит вдоль центра полосы в качестве основания и отрезок для волокна , поэтому лента Мёбиуса представляет собой пучок отрезков над кругом. Окрестность ( где ) является дугой ; на картинке это длина одного из квадратов. Прообраз на рисунке представляет собой (несколько скрученный) кусок полосы шириной в четыре квадрата и длиной в один (т.е. все точки, которые проецируются на ) .

Существует гомеоморфизм ( в § Формальное определение), который отображает прообраз (тривиализирующую окрестность) в срез цилиндра: изогнутый, но не скрученный. Эта пара локально тривиализует полосу. Соответствующее тривиальное расслоение было бы цилиндром , но лента Мёбиуса имеет общий «закручивание». Этот поворот виден только глобально; локально лента Мёбиуса и цилиндр идентичны (единственный вертикальный разрез в любом из них дает одинаковое пространство).

бутылка Клейна

Аналогичным нетривиальным расслоением является бутылка Клейна , которую можно рассматривать как «скрученное» расслоение кругов над другим кругом. Соответствующее нескрученное (тривиальное) расслоение есть 2- тор , .

Карта покрытия

Накрывающее пространство — это расслоение такое, что проекция расслоения является локальным гомеоморфизмом . Отсюда следует, что слой представляет собой дискретное пространство .

Векторные и главные расслоения

Специальный класс расслоений, называемый векторными расслоениями , — это те, чьи слои представляют собой векторные пространства (чтобы квалифицироваться как векторное расслоение, структурная группа расслоения — см. ниже — должна быть линейной группой ). Важные примеры векторных расслоений включают касательное расслоение и кокасательное расслоение гладкого многообразия. Из любого векторного расслоения можно построить фреймовое расслоение баз , которое является главным расслоением (см. ниже) .

Другой специальный класс расслоений, называемый главными расслоениями , — это расслоения, на слоях которых задано свободное и транзитивное действие группы , так что каждый слой является главным однородным пространством . Пакет часто указывается вместе с группой, называя его основным -bundle. Группа также является структурной группой пакета. Учитывая представление в векторном пространстве , векторное расслоение со структурной группой может быть построено, известное как ассоциированное расслоение .

Пакеты сфер

Расслоение сфер — это расслоение, слоем которого является n -сфера . Учитывая векторное расслоение с метрикой (например, касательное расслоение к риманову многообразию ), можно построить соответствующее расслоение единичной сферы , для которого слой над точкой является набором всех единичных векторов в . Когда векторное расслоение, о котором идет речь, является касательным расслоением , расслоение единичной сферы известно как единичное касательное расслоение .

Расслоение сфер частично характеризуется своим классом Эйлера , который является классом когомологий степени в полном пространстве расслоения. В этом случае расслоение сфер называется расслоением окружностей , а класс Эйлера равен первому классу Чженя , который полностью характеризует топологию расслоения. Для любого , учитывая класс Эйлера расслоения, можно вычислить его когомологии, используя длинную точную последовательность , называемую последовательностью Гайзина .

Отображение торов

Если — топологическое пространство и является гомеоморфизмом , то тор отображения имеет естественную структуру расслоения над кругом со слоями. Торы отображения гомеоморфизмов поверхностей имеют особое значение в топологии 3-многообразия .

Факторпространства

Если — топологическая группа и — замкнутая подгруппа , то при некоторых обстоятельствах фактор-пространство вместе с фактор-отображением представляет собой расслоение, слоем которого является топологическое пространство . Необходимым и достаточным условием для того, чтобы ( ) образовало расслоение, является то, что отображение допускает локальные сечения (Стинрод, 1951, §7).

Наиболее общие условия, при которых фактор-отображение будет иметь локальные сечения, неизвестны, хотя если это группа Ли и замкнутая подгруппа (и, следовательно, подгруппа Ли по теореме Картана ), то фактор-отображение является расслоением. Одним из примеров этого является расслоение Хопфа , которое представляет собой расслоение над сферой, полное пространство которой равно . С точки зрения групп Ли, их можно отождествить с особой унитарной группой . Абелева подгруппа диагональных матриц изоморфна группе окружности , а фактор диффеоморфен сфере.

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

Разделы

Асечение (илисечение) расслоения— это непрерывное отображениетакое, чтодля всехxвB. Поскольку пучки, как правило, не имеют глобально определенных секций, одна из целей теории — объяснить их существование. Препятствиесуществованию сечения часто можно измерить с помощью класса когомологий, что приводит к теориихарактеристическихклассоввалгебраической топологии.

Самый известный пример — теорема о волосатом шаре , где класс Эйлера является препятствием для касательного расслоения 2-сферы , имеющего никуда не исчезающее сечение.

Часто хочется определять разделы только локально (особенно, когда глобальные разделы не существуют). Локальное сечение расслоения — это непрерывное отображение, где U открытое множество в B и для всех x в U. Если это локальная карта тривиализации, то над U всегда существуют локальные сечения . Такие сечения находятся в 1-1 соответствии с непрерывными отображениями . Секции образуют связку .

Структурные группы и функции перехода

Пучки волокон часто содержат группу симметрий, которые описывают условия совпадения между перекрывающимися локальными диаграммами тривиализации. В частности, пусть Gтопологическая группа , действующая непрерывно на расслоении F слева. Мы ничего не потеряем , если потребуем, чтобы G действовала точно на F , чтобы ее можно было рассматривать как группу гомеоморфизмов F . G - атлас для расслоения — это набор локальных карт тривиализации, такой, что для любых перекрывающихся карт и функция задается выражением где — непрерывное отображение, называемоефункция перехода . ДваG-атласа эквивалентны, если их объединение также являетсяG-атласом. G -расслоениеэто расслоение с классом эквивалентностиG-атласов. ГруппаGназываетсяструктурная группа пакета; аналогичный термин вфизикекалибровочная группа.

В гладкой категории G -расслоение — это гладкое расслоение, где Gгруппа Ли , соответствующее действие на F является гладким, а все функции перехода — гладкие отображения.

Функции перехода удовлетворяют следующим условиям

Третье условие применяется к тройным перекрытиям U iU jU k и называется условием коцикла (см. когомологии Чеха ). Важность этого состоит в том, что функции перехода определяют расслоение (если принять условие коцикла Чеха).

Главное G- расслоение — это G -расслоение, в котором слой F является главным однородным пространством для левого действия самого G (эквивалентно, можно указать , что действие G на слое F является свободным и транзитивным, т. е. регулярным ). В этом случае часто бывает удобно отождествить F с G и таким образом получить (правое) действие G на главном расслоении.

Пакетные карты

Полезно иметь представление об отображении между двумя расслоениями. Предположим, что M и N — базовые пространства, а и — расслоения над M и N соответственно. Акарта пакета илиМорфизм расслоения состоит из пары непрерывных[14]функций таких, что То есть следующая диаграммакоммутативна:

Для расслоений со структурной группой G , тотальные пространства которых являются (правыми) G -пространствами (такими как главное расслоение), морфизмы расслоений также должны быть G - эквивариантными на слоях. Это означает, что также является G -морфизмом одного G -пространства в другое, т.е. для всех и

В случае, если базовые пространства M и N совпадают, то морфизм расслоения над M из расслоения в является отображением таким, что Это означает, что отображение расслоения покрывает тождество M . То есть и коммутирует следующая диаграмма:

Предположим, что оба и определены в одном и том же базовом пространстве M. Изоморфизм расслоения — это отображение расслоения между и такое, что и такое, что также является гомеоморфизмом. [15]

Дифференцируемые пучки волокон

В категории дифференцируемых многообразий расслоения естественным образом возникают как погружения одного многообразия в другое. Не всякое (дифференцируемое) погружение из дифференцируемого многообразия M в другое дифференцируемое многообразие N приводит к возникновению дифференцируемого расслоения. Во-первых, отображение должно быть сюръективным и называется расслоенным многообразием . Однако это необходимое условие не совсем достаточно, и в обычном использовании существует множество достаточных условий.

Если M и N компактны и связны , то любая субмерсия приводит к расслоению в том смысле, что существует расслоение F, диффеоморфное каждому из слоев, такое, что является расслоением. (Сюръективность следует из уже сделанных в этом случае предположений.) В более общем смысле, предположение о компактности можно ослабить, если предполагается, что субмерсия является сюръективным собственным отображением , что означает, что оно компактно для каждого компактного подмножества K из N. Другое достаточное условие, предложенное Эресманном (1951), состоит в том, что если это сюръективная субмерсия с M и N дифференцируемыми многообразиями , такая, что прообраз компактен и связен для всех , то допускает совместимую структуру расслоения (Michor 2008, §17).

Обобщения

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Зайферт, Герберт (1933). «Топология глубоких измерений». Акта Математика . 60 : 147–238. дои : 10.1007/bf02398271 .
  2. ^ "Topologie Dreisizeder Gefaserter Räume" в рамках проекта "Евклид" .
  3. ^ Зайферт, Х. (1980). Зейферт и Трелфолл, Учебник топологии. В. Трелфолл, Джоан С. Бирман, Джулиан Эйснер. Нью-Йорк: Академическая пресса. ISBN 0-12-634850-2. ОСЛК  5831391.
  4. ^ Уитни, Хасслер (1935). «Сферические пространства». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 21 (7): 464–468. Бибкод : 1935PNAS...21..464W. дои : 10.1073/pnas.21.7.464 . ПМЦ 1076627 . ПМИД  16588001. 
  5. ^ Уитни, Хасслер (1940). «К теории расслоений сфер». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 26 (2): 148–153. Бибкод : 1940PNAS...26..148W. дои : 10.1073/pnas.26.2.148 . ПМЦ 1078023 . ПМИД  16588328. 
  6. ^ Фельдбау, Жак (1939). «Классификация пространственных волокон». Comptes rendus de l'Académie des Sciences . 208 : 1621–1623.
  7. ^ Эресманн, Чарльз (1947). «Сюр-ла-теория пространственных волокон». Колл. Вершина. Алг. Париж . ННРС: 3–15.
  8. ^ Эресманн, Чарльз (1947). «Sur les espaces fibrés différentiables». Comptes rendus de l'Académie des Sciences . 224 : 1611–1612.
  9. ^ Эресманн, Чарльз (1955). «Продление дифференцируемых волокон». Comptes rendus de l'Académie des Sciences . 240 : 1755–1757.
  10. ^ Серр, Жан-Пьер (1951). «Homologie Singulière des Espaces Fibrés. Приложения». Анналы математики . 54 (3): 425–505. дои : 10.2307/1969485. JSTOR  1969485.
  11. ^ См. Стинрод (1951, предисловие).
  12. В своих ранних работах Уитни называл пучки сфер «сферическими пространствами». См., например:
    • Уитни, Хасслер (1935). «Сферические пространства». Учеб. Натл. акад. Наука . 21 (7): 462–468. Бибкод : 1935PNAS...21..464W. дои : 10.1073/pnas.21.7.464 . ПМЦ  1076627 . ПМИД  16588001.
    • Уитни, Хасслер (1937). «Топологические свойства дифференцируемых многообразий» (PDF) . Бык. амер. Математика. Соц . 43 (12): 785–805. дои : 10.1090/s0002-9904-1937-06642-0 .
  13. ^ Уитни, Хасслер (1940). «К теории расслоений сфер» (PDF) . Учеб. Натл. акад. Наука . 26 (2): 148–153. Бибкод : 1940PNAS...26..148W. дои : 10.1073/pnas.26.2.148 . ПМЦ 1078023 . ПМИД  16588328. 
  14. ^ В зависимости от категории рассматриваемых 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.
  15. ^ Или, по крайней мере, обратима в соответствующей категории; например, диффеоморфизм.

Рекомендации

Внешние ссылки