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定义Definition

纤维丛

Fiber bundle · Fibre bundle · 局部平凡纤维丛

在底空间每点附近都同胚于与固定纤维的乘积,并由重叠坐标记录整体粘合方式的空间。

形式陈述 ​

设 B,E 是拓扑空间,F 是非空拓扑空间。以 F 为模型纤维的纤维丛是连续满射 p:E→B,满足:存在 B 的开覆盖 {Ui} 及同胚

hi:p−1(Ui)⟶Ui×F,pr1∘hi=p.

右侧取乘积拓扑。B 称底空间,E 称总空间,Eb=p−1(b) 称 b 上的纤维,hi 称局部平凡化。交换关系保证 hi 把 Eb 恰好送到 {b}×F;只有总空间之间的同胚而不保持投影,还不足以给出丛的平凡化。

在重叠区域,坐标变换必有形式

hi∘hj−1(b,v)=(b,gij(b)(v)),

其中每个 gij(b):F→F 都是同胚。映射 (b,v)↦gij(b)(v) 及其逆联合连续,而且在相应交集上满足

gii(b)=idF,gij(b)∘gjk(b)=gik(b).

这里直接用联合连续的坐标变换表述;若要将 gij 称作取值于 Homeo(F) 的连续映射,还需说明给这个同胚集合配什么拓扑。

若存在覆盖整个 B 的同胚 h:E→B×F,且 pr1h=p,则丛全局平凡。截面是连续映射 s:B→E,满足 p∘s=idB。本页不要求 F 有向量空间结构,也不要求空间光滑。

直觉

局部平凡化同时给附近每根纤维安排一套坐标。它要求整个 p−1(U) 像一个乘积,远强于“每根纤维单独都与 F 同胚”:后一句没有规定这些同胚能否随底点连续变化。

过渡函数回答的是:同一个上层点,换一张局部坐标后,纤维坐标如何改变?三张坐标依次转换必须与直接转换一致,这就是上述 cocycle 条件。局部乘积可以存在,而这些乘积仍可能无法拼成一个全局乘积;扭转保存在重叠处的坐标变换里。

例子与边界

投影 B×F→B 是平凡纤维丛。若 F 离散,则 U×F 分成开片 U×{f},每片都同胚地投到 U,所以得到覆叠空间。反过来,若一个覆叠的所有纤维基数相同,就能选一个固定离散集合 F 作为模型纤维。连通底空间自动满足基数相同;不同连通分支的层数不同的覆叠,则不符合本页固定 F 的定义。

用商拓扑将矩形的两条竖边反向粘合,得到有边界的 Möbius 带:

EI=([0,1]×[−1,1])/((0,a)∼(1,−a)),p([t,a])=[t]∈R/Z.

它是模型纤维为闭区间 [−1,1] 的纤维丛。接缝附近也有局部乘积:用一条跨过 [0] 的小弧作底坐标,并在接缝一侧反转区间坐标,即得到连续的区间坐标。闭区间纤维不是实向量空间,因此这个有边界的带本身不是实线丛。

将纤维换成整条实线,得到 Möbius 实线丛。它与上述带去掉边界后的内部作为纤维丛同构,例如奇同胚 a↦tan⁡(πa/2) 把 (−1,1) 变成 R,并与反号粘合相容。光滑向量丛页给出两条开弧上的完整坐标、两个重叠分支上的 +1/−1 变换,以及它为何连作为一般纤维丛都不全局平凡的证明。

纤维丛与Serre 纤维化的定义关注不同性质:前者要求局部乘积,后者要求圆盘参数族的同伦提升。局部平凡纤维丛都是 Serre 纤维化,反向结论不成立。若纤维丛的平凡化开覆盖存在从属于它的局部有限单位分解(即该覆盖为 numerable),则该丛还具有对所有参数空间的同伦提升性质,是 Hurewicz 纤维化;不能把这一额外结论直接当作所有纤维丛的定义。

推论与应用

向量丛在一般纤维丛之上增加逐纤维线性结构,并要求局部平凡化保持该结构;光滑向量丛再增加光滑性。理解一般定义后,检查一个候选向量丛可以分成两步:先确认局部乘积与投影相容,再确认坐标变换线性且具有所需正则性。

平凡丛只要 F 非空,就可固定 v0∈F 得到截面 b↦(b,v0)。逆命题不成立:Möbius 实线丛有零截面,却不平凡。一个截面只连续选出每根纤维中的一点;全局平凡化必须连续地为每根纤维安排完整的 F 坐标。沿着“局部坐标—重叠变换—全局障碍”检查一个例子,比从总空间的外观猜测它是否平凡更可靠。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, 2002, §4.2, Examples 4.42–4.43 与 Proposition 4.48, pp. 377–380:局部平凡纤维丛、覆叠、Möbius 带和提升性质。
  • Allen Hatcher, Vector Bundles and K-Theory, version 2.2, November 2017, §1.1, pp. 6–8, 15–16:线丛与一般纤维丛。
  • J. Peter May, A Concise Course in Algebraic Topology, 1999, Ch. 7, §4, p. 51:采用 numerable 覆盖约定的纤维丛与 Hurewicz 提升性质。
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