Талшық байламы - Fiber bundle

Цилиндрлік шаш щеткасы терминнің артында тұрған интуицияны көрсету талшық байламы. Бұл шаш щеткасы негізгі кеңістігі цилиндр, ал талшықтары (қылшық ) сызық сегменттері болып табылады. Картаға түсіру кез-келген қылшыққа нүкте қойып, оны цилиндрдегі тамырына дейін бейнелейтін еді.

Жылы математика және, атап айтқанда топология, а талшық байламы (немесе, in Британдық ағылшын, талшық байламы) Бұл ғарыш Бұл жергілікті а өнім кеңістігі, бірақ жаһандық басқаша болуы мүмкін топологиялық құрылым. Нақтырақ айтқанда, кеңістіктің ұқсастығы және өнім кеңістігі а көмегімен анықталады үздіксіз сурьективті карта

шағын аймақтарында E аймақтарының проекциясы сияқты әрекет етеді дейін . Карта , деп аталады болжам немесе суға бату байламның құрылымы бөлігі ретінде қарастырылады. Кеңістік ретінде белгілі жалпы кеңістік талшықтың байламы, ретінде кеңістік, және The талшық.

Ішінде болмашы іс, жай , ал π картасы тек өнім кеңістігінен бірінші факторға дейінгі проекция. Мұны а деп атайды тривиальды байлам. Тривиальды емес талшықтардың байламдарына мысал ретінде мыналарды жатқызуға болады Мобиус жолағы және Klein бөтелкесі, сондай-ақ бейресми жабу кеңістігі. Сияқты талшықты байламдар тангенс байламы а көпжақты және жалпы байламдар маңызды рөл атқарады дифференциалды геометрия және дифференциалды топология, сияқты негізгі байламдар.

Проекциялық карталармен «жүретін» талшық байламдарының жалпы кеңістігі арасындағы карталар белгілі байлам карталары, ал талшық шоғыры а санат мұндай кескіндерге қатысты. Топтама картасы базалық кеңістіктің өзінен (проекция ретінде сәйкестендіру картасымен) а деп аталады бөлім туралы . Талшықты байламдарды бірнеше тәсілдермен мамандандыруға болады, олардың ішіндегі ең кең тарағаны - жергілікті тривиальды патчтар арасындағы ауысулар белгілі бір деңгейде өтуін талап етеді. топологиялық топ, ретінде белгілі құрылым тобы, талшыққа әсер етеді .

Тарих

Жылы топология, шарттар талшық (Немісше: Фейзер) және талшық кеңістігі (gefaserter Raum) бірінші рет қағазда пайда болды Герберт Зайферт 1933 жылы,[1][2] бірақ оның анықтамалары өте ерекше жағдаймен шектеледі. Талшық кеңістігінің қазіргі тұжырымдамасынан басты айырмашылығы, Сейферт үшін қазіргі кезде бұл деп аталатын нәрсе болды кеңістік (топологиялық кеңістік) талшықты (топологиялық) кеңістік E құрылымның бөлігі болмады, бірақ одан кеңістік ретінде алынған E. -Ның бірінші анықтамасы талшық кеңістігі берген Хасслер Уитни 1935 ж [3] атымен шар кеңістігі, бірақ 1940 жылы Уитни атауын өзгертті шар байламы.[4]

Талшықты кеңістіктер теориясы, оның байламдар, негізгі байламдар, топологиялық фибрациялар және талшықты коллекторлар - бұл ерекше жағдай, Зайфертке жатады, Хайнц Хопф, Жак Фельдбау,[5] Уитни, Норман Штинрод, Чарльз Эресманн,[6][7][8] Жан-Пьер Серре,[9] және басқалар.

1935–1940 ж.ж. талшық шоғыры өздерінің зерттеу объектісіне айналды. Бірінші жалпы анықтама Уитнидің еңбектерінде пайда болды.[10]

Уитни талшықтар жиынтығының жалпы анықтамасына а-ның ерекше түсінігін зерттеуінен келді шар байламы,[11] бұл талшық кез келген өлшемді сфера болып табылатын талшық шоғыры.[12]

Ресми анықтама

Талшық байламы - бұл құрылым , қайда , , және болып табылады топологиялық кеңістіктер және Бұл үздіксіз қарсылық қанағаттандыратын а жергілікті ұсақ-түйек төменде көрсетілген шарт. Кеңістік деп аталады кеңістік буманың, The жалпы кеңістік, және The талшық. Карта π деп аталады проекциялық карта (немесе байлам проекциясы). Осыдан кейін біз негізгі кеңістікті қарастырамыз болып табылады байланысты.

Біз мұны әрқайсысы үшін талап етеміз , ашық Көршілестік туралы (ол тривиализирующая көршілес деп аталатын болады), бар болатындай гомеоморфизм (қайда өнім кеңістігі болып табылады) π бірінші факторға проекциямен келіседі. Яғни, келесі диаграмма керек жүру:

Жергілікті тривиалдылық жағдайы

 

 

 

 

(1)

қайда - бұл табиғи проекция және гомеоморфизм болып табылады. Барлығының жиынтығы а деп аталады жергілікті тривиализация буманың

Осылайша кез келген үшін , алдын-ала түсіру геомоморфты болып табылады (жобадан бастап1−1({б}) анық) және деп аталады талшық аяқталды б. Әрбір талшықты байлам болып табылады ашық картаны, өнімнің проекциялары ашық карталар болғандықтан. Сондықтан тасымалдайды топология карта бойынша анықталады π.

Талшық байламы жиі белгіленеді

 

 

 

 

(2)

бұл, а қысқа нақты дәйектілік, қандай кеңістік талшық, жалпы кеңістік және негізгі кеңістік, сондай-ақ жалпыдан базалық кеңістікке дейінгі картаны көрсетеді.

A тегіс талшық байламы ішіндегі талшықты байлам болып табылады санат туралы тегіс коллекторлар. Бұл, , , және тегіс коллекторлар болуы керек, ал жоғарыдағы барлық функциялар болуы қажет тегіс карталар.

Мысалдар

Тривиалды байлам

Келіңіздер және рұқсат етіңіз бірінші факторға проекция болу. Содан кейін бұл талшықтың байламы ( ) аяқталды . Мұнда жергілікті өнім ғана емес, сонымен қатар жаһандық бір. Кез-келген осындай талшықтар дестесін а деп атайды тривиальды байлам. Кез-келген талшықтар пакеті келісімшарт бойынша CW кешені маңызды емес.

Жеке емес байламдар

Мобиус жолағы

Мебиус жолағы - шеңбердің бойындағы нивривиал емес байлам.

Мүмкін, қарапайым емес байламның ең қарапайым мысалы болып табылады Мобиус жолағы. Онда бар шеңбер ол негіз ретінде жолақтың ортасына бойлай созылады және талшыққа арналған сызықтық сегмент , демек, Мебиус жолағы - бұл шеңбер бойындағы сызық кесіндісінің бумасы. Көрші туралы (қайда ) доға; суретте бұл квадраттардың бірінің ұзындығы. Алдын ала түсіру суретте ені төрт шаршы, ұзындығы бір квадраттың (біршама бұралған) кесіндісі көрсетілген.

Гомеоморфизм ( формальды анықтама бөлімінде) алдын-ала бейнеленген (тривиализирующий квартал) цилиндр тіліміне дейін: қисық, бірақ бұралмаған. Бұл жұп жергілікті жолақты тривиализациялайды. Сәйкес тривиальды байлам болар еді цилиндр, бірақ Мебиус жолағында жалпы «бұралу» бар. Бұл бұрылыс тек жаһандық деңгейде көрінеді; жергілікті жерде Мебиус жолағы мен цилиндр бірдей (екеуінде де тік кесінді жасау бірдей кеңістікті береді).

Klein бөтелкесі

Осыған ұқсас нивривиалды емес бума болып табылады Klein бөтелкесі, оны басқа шеңбердің үстінен «бұралған» шеңбер байламы ретінде қарастыруға болады. Сәйкес бұралмаған (тривиальды) байлам 2-торус, .

Klein бөтелкесі батырылған үш өлшемді кеңістікте.
Торус.

Қаптама картасы

A кеңістікті қамту - бұл талшық байламы, сондықтан ақа проекциясы а жергілікті гомеоморфизм. Бұдан талшық а дискретті кеңістік.

Векторлық және негізгі бумалар

Талшықты байламдардың арнайы класы байламдар, олардың талшықтары векторлық кеңістіктер (векторлық байламға сәйкес келу үшін құрылымның топтық тобы - төменде қараңыз - а болуы керек сызықтық топ ). Векторлық бумалардың маңызды мысалдарына мыналар жатады тангенс байламы және котангенс байламы тегіс коллектор. Кез-келген векторлық байламнан жақтау байламы туралы негіздер, бұл негізгі бума (төменде қараңыз).

Деп аталатын тағы бір ерекше талшықтар байламы негізгі байламдар, бұл талшықтардағы бос және өтпелі әрекет топпен берілген, сондықтан әрбір талшық а негізгі біртекті кеңістік. Бума көбінесе топпен бірге оны директор ретінде көрсете отырып көрсетіледі -бума. Топ сонымен қатар шоқтың құрылымдық тобы болып табылады. Берілген өкілдік туралы векторлық кеңістікте , векторлық байлам ретінде белгілі құрылымдық топ құрылуы мүмкін, ретінде белгілі байланысты байлам.

Сфералық байламдар

A шар байламы бұл талшықтың байламы, оның талшықтары ан n-сфера. Векторлық шоқ берілген а метрикалық (мысалы, а-ға жанама байлам) Риманн коллекторы ) байланысты салуға болады сфералық шоғыр, ол үшін талшық бір нүктеден асады барлық векторларының жиынтығы . Қарастырылып отырған векторлық шоғыр тангенстік шоқ болғанда , бірлік сфералық шоқ ретінде белгілі тангенс байламы.

Шар орамасы ішінара сипатталады Эйлер сыныбы, бұл дәреже когомология жиынтықтың жалпы кеңістігінде класс. Жағдайда шар бумасы а деп аталады шеңбер байламы және Эйлер класы біріншісіне тең Черн сыныбы, бұл буманың топологиясын толығымен сипаттайды. Кез келген үшін , байламның Эйлер класын ескере отырып, оның когомологиясын a көмегімен есептеуге болады ұзақ нақты дәйектілік деп аталады Гизин тізбегі.

Тори картасын кескіндеу

Егер X Бұл топологиялық кеңістік және Бұл гомеоморфизм содан кейін торусты бейнелеу талшықтың табиғи құрылымына ие шеңбер талшықпен . Беттердің гомеоморфизмдерін картаға түсіру ерекше маңызды 3-көпжақты топология.

Бос орын

Егер Бұл топологиялық топ және Бұл жабық кіші топ, содан кейін кейбір жағдайларда кеңістік квоталық картамен бірге бұл талшықты топтама, оның талшықтары топологиялық кеңістік болып табылады . Үшін қажетті және жеткілікті шарт) талшықты дестені қалыптастыру дегеніміз - картаға түсіру мойындау жергілікті қималар (Steenrod 1951, §7).

Кестелік карта жергілікті көлденең қималарды қабылдайтын ең жалпы шарттар белгісіз, дегенмен Бұл Өтірік тобы және жабық кіші топ (және осылайша Lie кіші тобы Картан теоремасы ), содан кейін квоталық карта талшықты байлам болып табылады. Мұның бір мысалы Хопф фибрациясы, , бұл шардың үстінде орналасқан талшық оның жалпы кеңістігі . Жалған топтар тұрғысынан, көмегімен анықтауға болады арнайы унитарлық топ . Диагональды матрицалардың абелиялық кіші тобы изоморфты болып табылады шеңбер тобы және баға шарға диффеоморфты болып келеді.

Жалпы, егер кез келген топологиялық топ болып табылады және жабық кіші топ, ол кезде Lie тобы болады, содан кейін бұл талшықты байлам.

Бөлімдер

A бөлім (немесе көлденең қима) талшық байламы үздіксіз карта осындай барлығына х жылы B. Шоқтарда жалпы глобалды анықталған бөлімдер болмағандықтан, теорияның мақсаттарының бірі - олардың бар екендігін есепке алу. The кедергі секцияның болуына көбінесе когомология сыныбы арқылы өлшеуге болады, бұл теорияға әкеледі сипаттағы сыныптар жылы алгебралық топология.

Ең танымал мысал - бұл түкті доп теоремасы, қайда Эйлер сыныбы кедергі болып табылады тангенс байламы Ешқайда жоғалып кетпейтін бөлімі бар 2-сфераның.

Көбіне бөлімдерді тек жергілікті жерде анықтағыңыз келеді (әсіресе жаһандық бөлімдер болмаған кезде). A жергілікті бөлім талшықты байлам - бұл үздіксіз карта қайда U болып табылады ашық жиынтық жылы B және барлығына х жылы U. Егер бұл жергілікті тривиализация кестесі, сондықтан жергілікті бөлімдер әрдайым бар болады U. Мұндай бөлімдер үзіліссіз карталармен 1-1 сәйкес келеді . Бөлімдер а құрайды шоқ.

Құрылым топтары және өтпелі функциялар

Талшық байламы көбінесе а топ локальды тривиализация кестелерінің сәйкес келетін шарттарын сипаттайтын симметрия. Нақтырақ айтсақ G болуы а топологиялық топ бұл әрекет етеді үздіксіз талшық кеңістігінде F сол жақта. Егер біз талап етсек, біз ештеңе жоғалтпаймыз G әрекет ету адал қосулы F ретінде қарастырылуы мүмкін гомеоморфизмдер туралы F. A G-атлас байлам үшін (E, B, π, F) - бұл жергілікті тривиализация диаграммаларының жиынтығы кез келген үшін қабаттасқан диаграммалар үшін және функциясы

арқылы беріледі

қайда тиж : UменUjG а деп аталатын үздіксіз карта ауысу функциясы. Екі G-атластар, егер олардың бірігуі де а G-атлас. A G-бума - эквиваленттік класы бар талшықты байлам G- атластар. Топ G деп аталады құрылым тобы буманың; физикадағы ұқсас термин калибрлі топ.

Тегіс санатта, а G-бұтас - бұл тегіс талшық байламы G Бұл Өтірік тобы және сәйкес әрекет F тегіс, ал ауысу функциялары - бұл тегіс карталар.

Өтпелі функциялар тиж келесі шарттарды қанағаттандыру

Үшінші шарт үш рет қабаттасу кезінде қолданылады UменUjUк және деп аталады циклдің жағдайы (қараңыз Ехехогомология ). Мұның маңыздылығы - өтпелі функциялар талшықтың байламын анықтайды (егер Čech циклінің шарты болса).

A негізгі G-бума Бұл G-талшықтың орамы F Бұл негізгі біртекті кеңістік сол жақ әрекеті үшін G өзі (эквивалентті түрде, бұл әрекетті көрсетуге болады G талшықта F еркін және өтпелі, яғни. тұрақты ). Бұл жағдайда көбінесе анықтау ыңғайлы болады F бірге G және (және) әрекетін алыңыз G негізгі бумада.

Бума карталары

Екі талшық шоғыры арасында картаға түсіру туралы түсініктер болған пайдалы. Айталық М және N негізгі кеңістіктер, және және талшықтардың бумалары бар М және Nсәйкесінше. Бума картасы (немесе байлам морфизмі) үздіксіз жұптан тұрады[13] функциялары

осындай . Яғни, келесі маршруттар:

BundleMorphism-04.svg

Құрылымдық тобы бар талшық байламы үшін G және олардың жалпы кеңістігі (оң жақта) G-бос кеңістіктер (мысалы, негізгі байлам), бума морфизмдері де болуы керек G-эквивариант талшықтарда. Бұл дегеніміз сонымен қатар G- морфизм G-басқа кеңістік, яғни, барлығына және .

Егер негізгі кеңістіктер болса М және N сәйкес келеді, содан кейін бума морфизмі аяқталады М талшықтың орамынан дейін бұл карта осындай . Бұл бума картасы дегенді білдіреді жеке басын қамтиды М. Бұл, және сызба маршруты

BundleMorphism-03.svg

Екеуін де қабылдаңыз және бірдей базалық кеңістікте анықталады М. Бума изоморфизм - бұл шоғырланған карта арасында πE : EМ және πF : FМ осындай және φ сонымен қатар гомеоморфизм болып табылады.[14]

Дифференциалданатын талшық шоғыры

Санатында дифференциалданатын коллекторлар, талшықты байламдар табиғи түрде пайда болады суға бату бір коллектордың екіншісіне. Әрбір (әр түрлі) сүңгу емес:М → N дифференциалданатын коллектордан М басқа дифференциалды коллекторға N дифференциалданатын талшықтың дестесін береді. Біріншіден, карта сурьютивті болуы керек және (М, N, ƒ) а деп аталады талшықты коллектор. Алайда, бұл қажетті шарт жеткіліксіз және жалпы қолданыста әр түрлі жеткілікті жағдайлар бар.

Егер М және N ықшам және байланысты, содан кейін кез-келген су асты f : М → N талшық кеңістігі бар деген мағынада талшық байламын тудырады F талшықтардың әрқайсысына диффеоморфты,E, B, π, F) = (М, N, ƒ, F) - бұл талшықты байлам. (Ject сурьектілігі осы жағдайда берілген жорамалдарға сүйенеді.) Жалпы алғанда, суға бату of болса, ықшамдық болжамын босатуға болады:М → N сюръективті деп болжануда дұрыс карта, яғни ƒ−1(Қ) кез-келген ықшам жиынға арналған Қ туралы N. Тағы бір жеткілікті шарт, байланысты Эресманн (1951), егер ƒ болса:М → N бұл сурьективті болып табылады суға бату бірге М және N дифференциалданатын коллекторлар алдын-ала ƒ болатындай−1{х} болып табылады ықшам және байланысты барлығына х ∈ N, содан кейін a үйлесімді талшық құрылымын қабылдайды (Michor 2008, §17).

Жалпылау

Сондай-ақ қараңыз

Ескертулер

  1. ^ Зайферт, Герберт (1933). «Topologie dreidimensionaler gefaserter Räume». Acta Mathematica. 60: 147–238. дои:10.1007 / bf02398271.
  2. ^ «Topologie Dreidimensionaler Gefaserter Räume» қосулы Евклид жобасы.
  3. ^ Уитни, Хасслер (1935). «Сфералық кеңістіктер». Америка Құрама Штаттарының Ұлттық Ғылым Академиясының еңбектері. 21 (7): 464–468. дои:10.1073 / pnas.21.7.464. PMC  1076627. PMID  16588001.
  4. ^ Уитни, Хасслер (1940). «Сфералық байламдар теориясы туралы». Америка Құрама Штаттарының Ұлттық Ғылым Академиясының еңбектері. 26 (2): 148–153. дои:10.1073 / pnas.26.2.148. PMC  1078023. PMID  16588328.
  5. ^ Фельдбау, Жак (1939). «Sur la classification des espaces fibrés». Computes rendus de l'Académie des Sciences. 208: 1621–1623.
  6. ^ Эресманн, Чарльз (1947). «Sur la théorie des espaces fibrés». Колл. Жоғары. Алг. Париж. C.N.R.S .: 3–15.
  7. ^ Эресманн, Чарльз (1947). «Sur les espaces fibrés différentiables». Computes rendus de l'Académie des Sciences. 224: 1611–1612.
  8. ^ Эресманн, Чарльз (1955). «Les prolongements d'un espace fibré différentiable». Computes rendus de l'Académie des Sciences. 240: 1755–1757.
  9. ^ Серре, Жан-Пьер (1951). «Homologie singulière des espaces fibrés. Қолданбалар». Математика жылнамалары. 54 (3): 425–505. дои:10.2307/1969485. JSTOR  1969485.
  10. ^ Қараңыз Штинрод (1951), Кіріспе)
  11. ^ Уитни алғашқы жұмыстарында сфералық шоқтарды «сфера-кеңістіктер» деп атаған. Мысалы, қараңыз:
  12. ^ Уитни, Хасслер (1940). «Сфералық байламдар теориясы туралы» (PDF). Proc. Натл. Акад. Ғылыми. 26 (2): 148–153. дои:10.1073 / pnas.26.2.148. PMC  1078023. PMID  16588328.
  13. ^ Қатысқан кеңістіктер санатына байланысты функциялар үздіксіздіктен басқа қасиеттерге ие болуы мүмкін. Мысалы, дифференциалданатын коллекторлар санатында функциялар тегіс деп қабылданады. Алгебралық сорттар категориясында олар тұрақты морфизмдер.
  14. ^ Немесе, кем дегенде, тиісті санатта инвертируют; мысалы, диффеоморфизм.

Әдебиеттер тізімі

Сыртқы сілтемелер