Класс 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 -я 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:
- Нормализация: класс Уитни тавтологического линейного расслоения над реальным проективным пространством. нетривиально, т.е. .
- Классифицировать: и для i выше ранга E , , то есть,
- Формула продукта Уитни: , то есть класс Уитни прямой суммы представляет собой чашечное произведение классов слагаемых.
- 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 ]- w i ( E ) = 0 всякий раз, когда i > Rank( E ).
- Если Е к имеет сечения , которые всюду линейно независимы , то Классы Уитни высшей степени исчезают: .
- 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.
- Расслоение допускает спиновую структуру тогда и только тогда, когда и первый, и второй классы Стифеля–Уитни равны нулю.
- 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.
- 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 (с 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 .
Связанные инварианты
[ 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 ]- Характеристический класс для общего обзора, в частности класс Чженя , прямой аналог комплексных векторных расслоений.
- Реальное проективное пространство
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Понтрягин, Лев С. (1947). «Характеристические циклы на дифференцируемых многообразиях». Мат. Сборник . Новая серия (на русском языке). 21 (63): 233–284.
- ^ Милнор, Джон В .; Сташефф, Джеймс Д. (1974). Характеристические классы . Издательство Принстонского университета. стр. 50–53 . ISBN 0-691-08122-0 .
- ^ Ву, Вэнь-Цюн (1947). «Замечание о симметричных существенных произведениях топологических пространств». Еженедельные отчеты сессий Академии наук . 224 :1139–1141. МР 0019914 .
- ^ Милнор, Джон В .; Сташефф, Джеймс Д. (1974). Характеристические классы . Издательство Принстонского университета . стр. 131–133 . ISBN 0-691-08122-0 .
- ^ ( май 1999 г. , стр. 197)
- Дейл Хуземоллер , Пучки волокон , Springer-Verlag, 1994.
- Мэй, Дж. Питер (1999), Краткий курс алгебраической топологии (PDF) , Чикаго: University of Chicago Press , получено 7 августа 2009 г.
- Милнор, Джон Уиллард (1970), «Алгебраическая K -теория и квадратичные формы», Inventiones Mathematicae , 9 , С приложением Дж. Тейта: 318–344, doi : 10.1007/BF01425486 , ISSN 0020-9910 , MR 0260844 , Zbl 0199.55501
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Класс Ву в Атласе многообразия