形式陈述
把复向量丛的每条纤维射影化后,总空间的上同调怎样由底空间与纤维共同生成?设 是有限CW复形上的秩 复向量丛公理库光滑向量丛Vector bundle · Smooth vector bundle · 向量丛用相容的局部线性坐标定义并重建光滑向量丛,推导换标架与同构公式,再由 Möbius 线丛的反周期截面检测非平凡性。,令
表示纤维中的复直线,即 。这里采用“子线”而不是“商线”约定。
先在 中取 ,使它在复定向 上的评价为1。对仿紧 Hausdorff 底空间上的复线丛 ,选分类映射公理库向量丛的 Grassmann 分类Classification of vector bundles · Classifying map to a Grassmannian以单位分解构造丛的有限维嵌入,再用不交坐标块和邻近投影证明有限CW上的Grassmann同伦分类。 ,满足 ,定义二次类
分类映射的同伦唯一性保证它与选择无关。这个定义目前只涉及复线丛和普通上同调公理库上同调Cohomology对链复形取到系数群的同态形成上链复形,再取上同调得到反变不变量。,没有假定高秩Chern类已经存在。
上的典范子线公理库典范子丛与商丛Tautological vector bundle · Universal subbundle · Tautological quotient bundle在Grassmann图上同时构造典范子丛和商丛,明确正交补的选择性,并核对复射影典范线的负号。记为 ,令 。则
也就是说, 是总空间上同调作为 -模的一组基。任意交换含幺系数环 也有相同结论,使用整数类 的系数像;不要求底空间上同调无挠。
直觉
每条纤维的上同调都有一份简单基,但这些纤维基能否在整个丛上同时选择,并非自动成立。这里的典范子线提供了一个全局二次类 ,使其幂在每条纤维上都给出同一组基。
这让底空间上的类可以逐项乘上 ,产生总空间中的全部类。它先确定的是加法与模结构; 怎样化成低次幂,才继续记录乘法中的丛扭曲。
例子与边界
为什么选典范对偶线得到正生成元
复射影空间有上同调环
它的CW分解在每个偶数维度0到 恰有一个胞腔,给出各偶次群为 ;杯积计算还说明 就是各次生成元。可通过互补维数的坐标射影子空间在一个正向点相交来核验乘法;所引 Hatcher Theorem3.19 给出相应相对杯积证明。
典范线 的式 (1) 为 。复共轭映射 拉回典范线得到其共轭线,选择Hermitian度量后与对偶线同构。 在 上反转复定向,所以 ,于是
因此 限制到每个纤维上的式 (1) 正好是式 (3) 的正生成元, 在该纤维上确实构成基。
平凡秩二丛的完整环
令 ,。这时
记第一因子的正生成元拉回为 ,第二因子的为 。由杯积公理库杯积Cup product使上同调成为分次环的自然双线性乘法。及乘积公式,
因此 ,,,其余正次群为零。作为 -模,它正好有基 。 限制到纤维为0, 限制为生成元;两类不能互换来源而不说明投影。
纤维上的零关系未必在整体仍为零
秩1时 ,典范子线就是 ,基只剩1。但 可以非零:取 在 上,便有 。
每条纤维此时只是一个点, 的纤维限制为零,却不妨碍它在整体非零。所以不能从纤维中 直接推出总空间中 。式 (2) 并未声称总空间的环一定是底空间环与纤维环的张量积。
推论与应用
Leray–Hirsch机制:全局纤维基消除差分
Leray–Hirsch定理的相关形式说:纤维上同调逐次为有限生成自由 -模,且有总空间中的类在每条纤维上限制为一组基时,像式 (2) 那样的乘积映射是模同构。下面用Serre上同调谱序列公理库Serre 谱序列Serre spectral sequence · Leray–Serre spectral sequence从底空间带纤维局部系数的同调逐页逼近总空间同调,并以过滤解释极限项。说明本例为何满足它,并处理最终过滤问题。
路径连通,所以纤维传输作用在式 (3) 上为恒等;也可直接由全局 限制成一组基看出局部系数系统平凡。第二页为
奇数纤维次数为零。纤维类 已来自总空间类,故是永久循环。底行的类沿投影拉回;利用乘法,每个第二页类都是底行类与某个纤维基类的积。
由乘法微分法则,若前面各页微分为零,则当前页每个这样的乘积微分也为零:底行没有向负纤维次数的出射,纤维基类由全局类保证永久。于是逐页归纳,全部差分消失。
还不能只把最终页直接相加。映射 本身给出了所需提升:给源按底空间次数过滤,它在相关分次上正是上述第二页基同构。每个总次数的过滤有限,一个保持过滤、在全部相邻商上为同构的映射,可沿过滤用短正合列逐层证明为同构。因此没有未处理的加法扩张,式 (2) 成立。
紧 Hausdorff 底空间与逐次射影化
式 (2) 也适用于紧 Hausdorff 底空间上的复向量丛。可直接取有限平凡化开覆盖:在每个开集及其子集上,纤维 的有限自由上同调基给出乘积的 Künneth 同构。全局类 在这个局部乘积中的表达,相对纤维次数排序后是对角元为1的三角变换,因为它们限制到每条纤维正是对应的幂基。因此式 (2) 定义的映射本身也是局部模同构。归纳加入一张平凡化开集时,交集仍位于该平凡化内。将小链序列公理库Mayer–Vietoris 序列Mayer–Vietoris sequence从小链和微分形式的短正合列构造两种 Mayer–Vietoris 序列,写出形式连接同态,并在球面上算出归一化面积类。对偶为奇异上同调序列,基乘映射与限制及连接箭头相容,五引理便将同构粘到并集。有限归纳不要求这些开集可缩,也不要求底空间本身有光滑结构。
这个版本使分裂原理中的迭代有明确依据:紧 Hausdorff 底上的射影丛仍紧 Hausdorff,因为纤维是紧射影空间且局部平凡。每一级都可再次应用本段结论,无须未经证明地把射影丛总空间当作给定的有限 CW 复形。实射影丛取模2系数时,同样的有限自由纤维基与粘合证明也成立。
唯一的高次关系为特征类铺路
由模基, 可唯一写成低次幂的组合,故存在唯一
使
每个系数的次数由总次数 决定。由于式 (4) 首一,任意更高次多项式都可约化为低于 次;式 (2) 的唯一性又保证没有额外低次关系。因此它连同底空间环给出总空间环的完整呈示。
后续Chern类公理库Chern 类Chern classes · Total Chern class由射影丛的唯一首一关系定义Chern类,非循环地证明直和线丛公式,并计算CP2上的负顶类及截面障碍。把这些唯一系数识别为 。逻辑次序是先用复线分类取得 ,再证明模基,最后由唯一关系定义高秩类,而不是先假定Chern类存在来证明本页定理。
自检:在平凡秩二例子中式 (4) 是 ,两个系数都为零;在秩1例子中式 (4) 是 。应能从这里核对后续 的符号,而不把子线与商线约定混用。
参考资料
- Allen Hatcher,Algebraic Topology,Theorem3.19,印刷 pp.220–222:射影空间上同调环;Theorem4D.1,pp.432–434:Leray–Hirsch的准确自由性与全局限制基条件。
- Allen Hatcher,Vector Bundles and K-Theory,§3.1,印刷 pp.78–80:射影丛、纤维基以及唯一首一关系的构造。本文用典范对偶线把 规范为纤维上的正生成元,故后续关系采用全部加号。