形式陈述
设 是拓扑空间, 是非空拓扑空间。以 为模型纤维的纤维丛是连续满射 ,满足:存在 的开覆盖 及同胚公理库同胚Homeomorphism自身与逆映射都连续的双射,给出两个拓扑空间之间可逆的开集翻译。
右侧取乘积拓扑公理库积拓扑Product topology在笛卡尔积上由有限坐标条件生成、并使所有坐标投影连续的最粗拓扑。。 称底空间, 称总空间, 称 上的纤维, 称局部平凡化。交换关系保证 把 恰好送到 ;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
其中每个 都是同胚。映射 及其逆联合连续,而且在相应交集上满足
这里直接用联合连续的坐标变换表述;若要将 称作取值于 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 的同胚 ,且 ,则丛全局平凡。截面是连续映射 ,满足 。本页不要求 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 像一个乘积,远强于“每根纤维单独都与 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 是平凡纤维丛。若 离散,则 分成开片 ,每片都同胚地投到 ,所以得到覆叠空间公理库覆叠空间Covering space连续满射在底空间每一点邻域上分解为若干互不相交的同胚片。。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 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 的定义。
用商拓扑公理库商拓扑Quotient topology由满射逆像判据定义的最细拓扑,用来把指定点族连续地粘合为点。将矩形的两条竖边反向粘合,得到有边界的 Möbius 带:
它是模型纤维为闭区间 的纤维丛。接缝附近也有局部乘积:用一条跨过 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 把 变成 ,并与反号粘合相容。光滑向量丛公理库光滑向量丛Vector bundle · Smooth vector bundle · 向量丛纤维为同维向量空间、局部以光滑保线性方式平凡化的丛;用 Möbius 线丛的两张坐标计算整体扭转。页给出两条开弧上的完整坐标、两个重叠分支上的 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 纤维化公理库Serre 纤维化Serre fibration对圆盘参数族具有同伦提升性质,从而支持纤维同伦与长正合列的映射。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 非空,就可固定 得到截面 。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 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。