Jump to content

Класс Штифеля – Уитни

(Перенаправлено с номера Штифеля-Уитни )

В математике , в частности в алгебраической топологии и дифференциальной геометрии , классы Стифеля–Уитни представляют собой набор топологических инвариантов вещественного векторного расслоения , описывающих препятствия к построению всюду независимых наборов сечений векторного расслоения. Классы Стифеля-Уитни индексируются от 0 до n , где n — ранг векторного расслоения. Если класс Стифеля–Уитни индекса i отличен от нуля, то не может существовать всюду линейно независимые участки векторного расслоения. Ненулевой n- й класс Стифеля–Уитни указывает на то, что каждая секция расслоения должна в какой-то точке обратиться в нуль. Ненулевой первый класс Стифеля-Уитни указывает на то, что векторное расслоение не ориентируемо . 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 кругом , равен нулю.

Класс Штифеля-Уитни был назван в честь Эдуарда Штифеля и Хасслера Уитни и является примером - характеристический класс, связанный с вещественными векторными расслоениями.

В алгебраической геометрии можно также определить аналогичные классы Стифеля–Уитни для векторных расслоений с невырожденной квадратичной формой, принимающих значения в этальных группах когомологий или в K-теории Милнора . В качестве частного случая можно определить классы Стифеля-Уитни для квадратичных форм над полями, причем первые два случая представляют собой дискриминант и инвариант Хассе-Витта ( Милнор 1970 ).

Введение

[ редактировать ]

Общая презентация

[ редактировать ]

Для вещественного векторного расслоения E класс Стифеля-Уитни E обозначается w ( E ) . Это элемент кольца когомологий.

где X базовое пространство расслоения E , а (часто альтернативно обозначаемый ) — коммутативное кольцо являются 0 и 1. Компонента , единственными элементами которого в обозначается и назван i -м классом Штифеля–Уитни E . Таким образом,

,

где каждый является элементом .

Класс Штифеля-Уитни является инвариантом вещественного векторного расслоения E ; е. когда F вещественное векторное расслоение, которое имеет то же базовое пространство X, что и E , и если F изоморфно т . E — другое , то классы Штифеля – Уитни и равны. (Здесь изоморфизм означает, что существует изоморфизм векторного расслоения который охватывает личность .) Хотя в целом трудно решить, ли два вещественных векторных расслоения E и F , классы Штифеля–Уитни изоморфны и часто можно легко вычислить. Если они различны, то известно, что E и F не изоморфны.

Например по кругу , , существует линейное расслоение (т. е. вещественное векторное расслоение ранга 1), которое не изоморфно тривиальному расслоению . Это линейное расслоение L представляет собой ленту Мёбиуса (которая представляет собой расслоение , 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 Стифеля – Уитни. Л. ​Поскольку тривиальное линейное расслоение над имеет первый класс Стифеля–Уитни 0, он не изоморфен L .

Два вещественных векторных расслоения E и F, имеющие один и тот же класс Стифеля–Уитни, не обязательно изоморфны. Это происходит, например, когда и F тривиальные вещественные векторные расслоения разных рангов в одном и том же базовом пространстве X. E Это также может произойти, когда E и F имеют одинаковый ранг: касательное расслоение . 2-сферы и тривиальное вещественное векторное расслоение ранга 2 над имеют один и тот же класс Штифеля–Уитни, но не изоморфны. Но если два вещественных линейных расслоения над X имеют один и тот же класс Стифеля–Уитни, то они изоморфны.

Происхождение

[ редактировать ]

Классы Штифеля – Уитни. получили свое название потому, что Эдуард Штифель и Хасслер Уитни обнаружили их как модулю 2 сокращение по классов препятствий строительству. всюду линейно независимые сечения E векторного расслоения , ограниченные i -остовом X . Здесь n обозначает размерность слоя векторного расслоения .

Точнее, при условии, что X является CW-комплексом , классы, определенные Уитни, в i -й группе клеточных когомологий X с скрученными коэффициентами. Система коэффициентов представляет собой гомотопическая группа многообразия Штифеля из линейно независимые векторы в слоях E . Уитни доказала, что тогда и только тогда , когда E , ограниченное i -скелетом X , имеет линейно-независимые участки.

С либо бесконечно циклично либо изоморфно , , имеет место каноническая редукция занятия за занятиями которые представляют собой классы Штифеля–Уитни. Более того, всякий раз, когда , эти два класса идентичны. Таким образом, тогда и только тогда, когда расслоение является ориентируемым .

The класс не содержит никакой информации, поскольку по определению он равен 1. Его создание Уитни было актом творческой записи, позволившим использовать суммы Уитни . формулу быть правдой.

Определения

[ редактировать ]

Через, обозначает сингулярные когомологии пространства X с коэффициентами из группы G . Слово карта всегда означает непрерывную функцию между топологическими пространствами .

Аксиоматическое определение

[ редактировать ]

Характеристический класс Стифеля-Уитни. вещественного векторного расслоения конечного ранга E на паракомпактном базисном пространстве X определяется как единственный класс такой, что выполняются следующие аксиомы:

  1. Нормализация: класс Уитни тавтологического линейного расслоения над реальным проективным пространством. нетривиально, т.е. .
  2. Классифицировать: и для i выше ранга E , , то есть,
  3. Формула продукта Уитни: , то есть класс Уитни прямой суммы представляет собой чашечное произведение классов слагаемых.
  4. Естественность: для любого вещественного векторного расслоения и карта , где обозначает векторное расслоение обратного образа .

Единственность этих классов доказывается, например, в разделах 17.2 – 17.6 у Хуземёллера или в разделе 8 у Милнора и Сташеффа. Существует несколько доказательств существования, основанных на различных конструкциях, с разными вкусами, их связность обеспечивается утверждением единства.

Определение через бесконечные грассманианы

[ редактировать ]

Бесконечные грассманианы и векторные расслоения

[ редактировать ]

В этом разделе описывается конструкция, использующая понятие классифицирующего пространства .

Для любого векторного пространства V пусть обозначаем грассманиан , пространство n -мерных линейных подпространств V , и обозначаем бесконечный грассманиан

.

Напомним, что он снабжен тавтологическим расслоением векторное расслоение ранга n , которое можно определить как подрасслоение тривиального расслоения слоя V, слой которого в точке — это подпространство, представленное W .

Позволять , будет непрерывным отображением бесконечного грассманиана. Тогда с точностью до изоморфизма расслоение, индуцированное отображением f на X

зависит только от гомотопического класса отображения [ f ]. Таким образом, операция возврата дает морфизм из множества

карт по модулю гомотопической эквивалентности 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 . Именно по этой причине мы называем бесконечные грассманианы классифицирующими пространствами векторных расслоений.)

Теперь, согласно аксиоме естественности (4), приведенной выше, . Поэтому в принципе достаточно знать значения для всех j . Однако кольцо когомологий бесплатно на определенных генераторах возникает в результате стандартного разложения ячеек, и тогда оказывается, что эти генераторы на самом деле просто задаются формулой . Таким образом, для любого расслоения ранга n , где f — соответствующая классифицирующая карта. Это, в частности, является одним из доказательств существования классов Стифеля–Уитни.

Случай линейных расслоений

[ редактировать ]

Теперь мы ограничим приведенную выше конструкцию линейными расслоениями, т. е. рассмотрим пространство расслоений над X . Грассманиан линий это просто бесконечное проективное пространство

который дважды покрыт бесконечной сферой с антиподальными точками в качестве волокон. Эта сфера сжимаема имеем , поэтому мы

Следовательно, P ( R ) — пространство Эйленберга-Маклейна .

Это свойство пространств Эйленберга-Маклана, что

для любого X с изоморфизмом, заданным f f* η, где η — генератор

.

Применяя первое замечание о том, что α : [ X , Gr 1 ] → Vect 1 ( X ) также является биекцией, мы получаем биекцию

это определяет класс Стифеля–Уитни w 1 для линейных расслоений.

Группа линейных связок

[ редактировать ]

Если Vect 1 ( X ) рассматривается как группа 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) + 1 ( µ) для всех линейных расслоений λ, µ → X. w

Например, поскольку Х 1 ( С 1 ; Z /2 Z ) = Z /2 Z , с точностью до изоморфизма расслоения над окружностью существует только два линейных расслоения: тривиальное и открытая лента Мёбиуса (т. е. лента Мёбиуса с удаленной границей).

Та же конструкция для комплексных векторных расслоений показывает, что класс Чженя определяет биекцию между комплексными линейными расслоениями над X и H. 2 ( X ; Z ), поскольку соответствующим классифицирующим пространством является P ( С ), а К( Z , 2). Этот изоморфизм верен для топологических линейных расслоений, препятствием к инъективности класса Чженя для алгебраических векторных расслоений является якобианское многообразие .

Характеристики

[ редактировать ]

Топологическая интерпретация исчезновения

[ редактировать ]
  1. w i ( E ) = 0 всякий раз, когда i > Rank( E ).
  2. Если Е к имеет сечения , которые всюду линейно независимы , то Классы Уитни высшей степени исчезают: .
  3. Первый класс Стифеля–Уитни равен нулю тогда и только тогда, когда расслоение ориентируемо . В частности, многообразие M ориентируемо тогда и только тогда, когда w 1 ( TM ) = 0.
  4. Расслоение допускает спиновую структуру тогда и только тогда, когда и первый, и второй классы Стифеля–Уитни равны нулю.
  5. Для ориентируемого расслоения второй класс Стифеля–Уитни находится в образе естественного отображения H 2 ( М , Z ) → ЧАС 2 ( M , Z /2 Z ) (эквивалентно, так называемый третий целочисленный класс Стифеля–Уитни равен нулю) тогда и только тогда, когда расслоение допускает спин с структура.
  6. Стифеля-Уитни Все числа (см. ниже) гладкого компактного многообразия X равны нулю тогда и только тогда, когда это многообразие является границей некоторого гладкого компактного (неориентированного) многообразия (Предупреждение: некоторый класс Стифеля-Уитни все еще может быть ненулевым, даже Штифеля-Уитни если все числа исчезнут!)

Уникальность классов Штифеля–Уитни.

[ редактировать ]

Из приведенной выше биекции для линейных расслоений следует, что любой функтор θ, удовлетворяющий четырем вышеприведенным аксиомам, равен w по следующему аргументу. Вторая аксиома дает θ(γ 1 ) = 1 + θ 1 (c 1 ). Для отображения включения i : P 1 ( р ) → п ( R ), расслоение обратного движения равно . Таким образом, первая и третья аксиомы предполагают

Поскольку карта

является изоморфизмом, и θ(c 1 ) = ш 1 ) следовать. Пусть E вещественное векторное расслоение ранга n над пространством X. — Тогда E допускает отображение расщепления , т. е. отображение f : X′ X для некоторого пространства X′ такое, что является инъективным и для некоторых групп строк . Любое линейное расслоение над X имеет вид для некоторой карты g и

по естественности. Таким образом, θ = w на . Из четвертой аксиомы выше следует, что

С инъективен, θ = w . Таким образом, класс Штифеля – Уитни является единственным функтором, удовлетворяющим четырем вышеизложенным аксиомам.

Неизоморфные расслоения с одинаковыми классами Стифеля–Уитни.

[ редактировать ]

Хотя карта является биекцией, соответствующее отображение не обязательно инъективно в более высоких измерениях. Например, рассмотрим касательное расслоение даже для н . При каноническом вложении в , нормальный комплект к представляет собой линейный пучок. С является ориентируемым, тривиально. Сумма это всего лишь ограничение к , что тривиально, поскольку является сжимаемым. Следовательно, w ( TS н ) = w ( TS н ) w (ν) = w( TS н ⊕ ν) = 1. Но при четном n TS н С н не является тривиальным; его класс Эйлера , где [ S н обозначает фундаментальный класс S ] н х — эйлерова характеристика .

[ редактировать ]

Числа Штифеля – Уитни

[ редактировать ]

Если мы работаем над многообразием размерности n , то любое произведение классов Стифеля–Уитни полной степени можно соединить с Z /2 Z - фундаментальным классом многообразия, чтобы получить элемент из Z /2 Z , n Число Уитни векторного расслоения. Например, если многообразие имеет размерность 3, существуют три линейно независимых числа Штифеля – Уитни, определяемые формулой . если многообразие имеет размерность n , количество возможных независимых чисел Стифеля–Уитни равно количеству разбиений n В общем , .

Числа Стифеля–Уитни касательного расслоения гладкого многообразия называются числами Стифеля–Уитни многообразия. Они, как известно, являются инвариантами кобордизмов . доказал Лев Понтрягин , что если B — гладкое компактное ( n +1)-мерное многообразие с краем, равным M , то все числа Штифеля-Уитни M равны нулю. [1] доказал Более того, Рене Том , что если все числа Стифеля-Уитни многообразия M равны нулю, то M можно реализовать как границу некоторого гладкого компактного многообразия. [2]

Одним из чисел Стифеля-Уитни, важных в теории хирургии, является инвариант де Рама (4 k +1)-мерного многообразия:

У классы

[ редактировать ]

Классы Штифеля – Уитни. являются квадратами Стинрода классов Ву , определенный У Вэньцзюнем в 1947 году. [3] Проще говоря, полный класс Штифеля – Уитни представляет собой полный квадрат Стинрода полного класса Ву: . Классы Ву чаще всего определяются неявно в терминах квадратов Стинрода как класс когомологий, представляющий квадраты Стинрода. Пусть многообразие X мерно n- . Тогда для любого класса когомологий x степени ,

.

Или, более узко, мы можем требовать , снова для классов когомологий x степени . [4]

Интегральные классы Штифеля – Уитни.

[ редактировать ]

Элемент называется классом Стифеля–Уитни i + 1 интегральным , где β — гомоморфизм Бокштейна , соответствующий редукции по модулю 2, Z Z /2 Z :

Например, третий интегральный класс Штифеля–Уитни является препятствием для спина. с структура .

Отношения над алгеброй Стинрода

[ редактировать ]

Над алгеброй Стинрода классы Штифеля–Уитни гладкого многообразия (определяемые как классы Штифеля–Уитни касательного расслоения) порождаются классами вида . В частности, классы Штифеля–Уитни удовлетворяют Формула У , названная в честь У Вэньцзюня : [5]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Понтрягин, Лев С. (1947). «Характеристические циклы на дифференцируемых многообразиях». Мат. Сборник . Новая серия (на русском языке). 21 (63): 233–284.
  2. ^ Милнор, Джон В .; Сташефф, Джеймс Д. (1974). Характеристические классы . Издательство Принстонского университета. стр. 50–53 . ISBN  0-691-08122-0 .
  3. ^ Ву, Вэнь-Цюн (1947). «Замечание о симметричных существенных произведениях топологических пространств». Еженедельные отчеты сессий Академии наук . 224 :1139–1141. МР   0019914 .
  4. ^ Милнор, Джон В .; Сташефф, Джеймс Д. (1974). Характеристические классы . Издательство Принстонского университета . стр. 131–133 . ISBN  0-691-08122-0 .
  5. ^ ( май 1999 г. , стр. 197)
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6e8b52bcf1051fb675bcd9d355fd889a__1719372420
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/6e/9a/6e8b52bcf1051fb675bcd9d355fd889a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Stiefel–Whitney class - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)