В математике , и в частности в топологии , расслоение волокон ( англ. Commonwealth : fiber bundle ) — это пространство , которое локально является пространством произведения , но глобально может иметь другую топологическую структуру . В частности, сходство между пространством и пространством произведения определяется с помощью непрерывного сюръективного отображения , которое в небольших областях ведет себя так же, как проекция из соответствующих областей в Отображение , называемое проекцией или погружением расслоения , рассматривается как часть структуры расслоения. Пространство известно как полное пространство расслоения волокон, как базовое пространство , а волокно .
В тривиальном случае является просто и отображение является просто проекцией из пространства произведения на первый множитель. Это называется тривиальным расслоением . Примерами нетривиальных расслоений волокон являются лента Мёбиуса и бутылка Клейна , а также нетривиальные покрывающие пространства . Расслоения волокон, такие как касательное расслоение многообразия и другие более общие векторные расслоения , играют важную роль в дифференциальной геометрии и дифференциальной топологии , как и главные расслоения .
Отображения между тотальными пространствами расслоений волокон, которые «коммутируют» с проекционными отображениями, известны как отображения расслоений , а класс расслоений волокон образует категорию относительно таких отображений. Отображение расслоения из самого базового пространства (с тождественным отображением в качестве проекции) в называется разделом расслоений волокон, может быть специализировано несколькими способами, наиболее распространенным из которых является требование, чтобы отображения перехода между локальными тривиальными участками лежали в определенной топологической группе , известной как структурная группа , действующая на волокно .
В топологии термины волокно (нем. Faser ) и волокнистое пространство ( gefaserter Raum ) впервые появились в статье Герберта Зейферта в 1933 году [1] [2] [3], но его определения ограничиваются очень частным случаем. Однако главное отличие от современной концепции волокнистого пространства заключалось в том, что для Зейферта то, что сейчас называется базовым пространством (топологическим пространством) волокнистого (топологического) пространства E, не было частью структуры, а выводилось из нее как фактор-пространство E. Первое определение волокнистого пространства было дано Хасслером Уитни в 1935 году [4] под названием сферическое пространство , но в 1940 году Уитни изменил название на сферическое расслоение . [5]
Теория расслоенных пространств, частным случаем которых являются векторные расслоения , главные расслоения , топологические расслоения и расслоенные многообразия , приписывается Герберту Зейферту , Хайнцу Хопфу , Жаку Фельдбау , [6] Уитни, Норману Стинроду , Шарлю Эресманну , [7] [8] [9] Жан-Пьеру Серру , [10] и другим.
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 волокон, изучая более конкретное понятие расслоения сфер [12] , которое представляет собой расслоение волокон, волокном которого является сфера произвольной размерности . [13]
Расслоение волокон — это структура , где и — топологические пространства , и является непрерывной сюръекцией, удовлетворяющей локальному условию тривиальности, описанному ниже. Пространство называется базовое пространство пучка,общее пространствоиволокно . Картаназываетсяпроекционная карта (илипроекция пучка ). В дальнейшем будем предполагать, что базовоепространствосвязно.
Мы требуем, чтобы для каждого существовала открытая окрестность (которая будет называться тривиализующей окрестностью) такая, что существует гомеоморфизм ( где задана топология подпространства , а — пространство произведения) таким образом, что это согласуется с проекцией на первый множитель. То есть, следующая диаграмма должна коммутировать :
где - естественная проекция, а - гомеоморфизм. Множество всех называетсялокальная тривиализация расслоения.
Таким образом, для любого , прообраз гомеоморфен (так как это верно для ) и называется волокном над Каждое расслоение является открытым отображением , так как проекции произведений являются открытыми отображениями. Поэтому несет топологию фактора, определяемую отображением
Пучок волокон часто обозначается
что, по аналогии с короткой точной последовательностью , указывает, какое пространство является волокном, полным пространством и базовым пространством, а также отображение из полного пространства в базовое.
Агладкое расслоение волокон — это расслоение волокон вкатегориигладких многообразий.То есть,идолжны быть гладкими многообразиями, а всефункциивыше должны бытьгладкими отображениями.
Пусть и пусть будет проекцией на первый множитель. Тогда есть расслоение (из ) над Здесь не только локально, но и глобально . Любое такое расслоение называетсятривиальное расслоение . Любое расслоение надстягиваемым CW-комплексомтривиально.
Возможно, простейшим примером нетривиального расслоения является лента Мёбиуса . Она имеет окружность , которая проходит вдоль центра ленты в качестве основания и отрезок прямой для волокна , поэтому лента Мёбиуса является расслоением отрезка прямой над окружностью. Окрестность ( где ) является дугой ; на рисунке это длина одного из квадратов. Прообраз на рисунке представляет собой (несколько скрученный) кусочек ленты шириной четыре квадрата и длиной один (т. е. все точки, которые проецируются на ).
Существует гомеоморфизм ( в § Формальное определение), который отображает прообраз (тривиализирующего соседства) в срез цилиндра: изогнутый, но не скрученный. Эта пара локально тривиализирует полосу. Соответствующее тривиальное расслоение было бы цилиндром , но лента Мёбиуса имеет общий «поворот». Этот поворот виден только глобально; локально лента Мёбиуса и цилиндр идентичны (создание одного вертикального разреза в любом из них дает одно и то же пространство).
Аналогичное нетривиальное расслоение — бутылка Клейна , которую можно рассматривать как «скрученное» расслоение окружности над другой окружностью. Соответствующее не скрученное (тривиальное) расслоение — это 2- тор , .
Покрывающее пространство — это расслоение, проекция которого является локальным гомеоморфизмом . Отсюда следует, что расслоение — это дискретное пространство .
Специальный класс расслоений, называемых векторными расслоениями , — это те, чьи слои являются векторными пространствами (чтобы считаться векторным расслоением, 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 каркасное расслоение базисов , которое является главным расслоением (см. ниже).
Другой специальный класс расслоений, называемых главными расслоениями , — это расслоения, на слоях которых задано свободное и транзитивное действие группы , так что каждое волокно является главным однородным пространством . Расслоение часто указывается вместе с группой, называя его главным -расслоением. Группа также является структурной группой расслоения. Учитывая представление на векторном пространстве , можно построить векторное расслоение с в качестве структурной группы, известное как ассоциированное расслоение .
Сферическое расслоение — это расслоение, волокно которого является n -сферой . Если задано векторное расслоение с метрикой (например, касательное расслоение к риманову многообразию ), можно построить связанное с ним единичное сферическое расслоение , для которого расслоение над точкой является множеством всех единичных векторов в . Когда рассматриваемое векторное расслоение является касательным расслоением , единичное сферическое расслоение называется единичным касательным расслоением .
Сферическое расслоение частично характеризуется его классом Эйлера , который является классом степени когомологий в общем пространстве расслоения. В случае, если сферическое расслоение называется расслоением окружности , а класс Эйлера равен первому классу Черна , который полностью характеризует топологию расслоения. Для любого , учитывая класс Эйлера расслоения, можно вычислить его когомологии с помощью длинной точной последовательности, называемой последовательностью Гайсина .
Если — топологическое пространство и — гомеоморфизм , то тор отображения имеет естественную структуру расслоения над окружностью со слоем Торы отображения гомеоморфизмов поверхностей имеют особое значение в топологии 3-многообразий .
Если — топологическая группа и — замкнутая подгруппа , то при некоторых обстоятельствах факторпространство вместе с факторотображением является расслоением, чей слой — топологическое пространство . Необходимым и достаточным условием для того, чтобы ( ) образовало расслоение, является то, что отображение допускает локальные сечения (Steenrod 1951, §7).
Наиболее общие условия, при которых фактор-отображение будет допускать локальные сечения, неизвестны, хотя если — 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 является расслоением над сферой, полное пространство которой равно . С точки зрения групп Ли, можно отождествить со специальной унитарной группой . Абелева подгруппа диагональных матриц изоморфна группе окружности , а фактор-отображение диффеоморфно сфере .
В более общем случае, если — любая топологическая группа и замкнутая подгруппа, которая также является группой Ли, то — расслоение волокон.
Асечение (илипоперечное сечение) расслоения волоконявляется непрерывным отображением,таким чтодля всехxвB. Поскольку расслоения в общем случае не имеют глобально определенных сечений, одной из целей теории является объяснение их существования.Препятствиек существованию сечения часто можно измерить с помощью класса когомологий, что приводит к теориихарактеристических классоввалгебраической топологии.
Наиболее известным примером является теорема о волосатом шаре , где класс Эйлера является препятствием к касательному расслоению двумерной сферы , имеющему нигде не исчезающее сечение.
Часто хотелось бы определить сечения только локально (особенно когда глобальные сечения не существуют). Локальное сечение расслоения волокон — это непрерывное отображение , где U — открытое множество в B и для всех x из U . Если — локальная карта тривиализации , то локальные сечения всегда существуют над U . Такие сечения находятся в 1-1 соответствии с непрерывными отображениями . Сечения образуют пучок .
Расслоения волокон часто поставляются с группой симметрий, которые описывают условия соответствия между перекрывающимися локальными картами тривиализации. В частности, пусть G будет топологической группой , которая непрерывно действует на расслоенное пространство F слева. Мы ничего не теряем, если потребуем, чтобы G действовала точно на F так, чтобы ее можно было рассматривать как группу гомеоморфизмов F . Атлас G для расслоения представляет собой набор локальных карт тривиализации, таких что для любого для перекрывающихся карт и функция задается как , где - непрерывное отображение, называемоефункция перехода . ДваG-атласа эквивалентны, если их объединение также являетсяG-атласом. G -расслоение- это расслоение с классом эквивалентностиG-атласов. ГруппаGназываетсяструктурная группа расслоения; аналогичный термин вфизике—калибровочная группа.
В гладкой категории G -расслоение представляет собой гладкое расслоение, где G — группа Ли , а соответствующее действие на F является гладким, а все функции перехода являются гладкими отображениями.
Функции перехода удовлетворяют следующим условиям
Третье условие применяется к тройным перекрытиям U i ∩ U j ∩ U k и называется условием коцикла (см. Когомологии Чеха ). Важность этого условия в том, что функции перехода определяют расслоение волокон (если принять условие коцикла Чеха).
Главное G -расслоение - это G -расслоение, где 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.
Полезно иметь понятия отображения между двумя расслоениями. Предположим, что M и N — базовые пространства, а и — расслоения над M и N соответственно. Aкарта пакета илиМорфизм расслоения состоит из пары непрерывных[14]функций, таких что То есть, следующая диаграмма являетсякоммутативной:
Для расслоений со структурной группой G и чьи полные пространства являются (правыми) G -пространствами (такими как главное расслоение), морфизмы расслоений также должны быть G -эквивариантными на волокнах. Это означает, что также является G -морфизмом из одного G -пространства в другое, то есть 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 единицу M. То есть, и следующая диаграмма коммутирует:
Предположим, что и определены над одним и тем же базовым пространством M. Изоморфизм расслоений — это отображение расслоений между и таким, что и таким, что также является гомеоморфизмом. [15]
В категории дифференцируемых многообразий расслоения волокон возникают естественным образом как погружения одного многообразия в другое. Не каждое (дифференцируемое) погружение из дифференцируемого многообразия M в другое дифференцируемое многообразие N приводит к дифференцируемому расслоению волокон. Во-первых, отображение должно быть сюръективным и называется расслоенным многообразием . Однако это необходимое условие не совсем достаточно, и существует множество достаточных условий, которые обычно используются.
Если M и N компактны и связны , то любая субмерсия порождает расслоение в том смысле, что существует расслоенное пространство F, диффеоморфное каждому из слоёв, такое, что является расслоением. (Сюръективность следует из предположений, уже данных в этом случае.) В более общем смысле, предположение о компактности можно ослабить, если предположить, что субмерсия является сюръективным собственным отображением , то есть является компактным для каждого компактного подмножества K из N. Другое достаточное условие, согласно Эресманну (1951), состоит в том, что если является сюръективной субмерсией с дифференцируемыми многообразиями M и N , такими, что прообраз компактен и связен для всех , то допускает совместимую структуру расслоения (Michor 2008, §17).