形式陈述
若一个点本身代表一个子空间,能否把那个子空间直接放在该点上作为纤维?令 K = R 或 C ,0 ≤ r ≤ n 。当 0 < r < n 时,G = Gr K ( r , n ) 取Grassmann坐标 公理库 Grassmann 簇与 Plücker 嵌入 Grassmannian · Plücker embedding 以最大子式为子空间建立射影坐标,完整计算Gr(2,4)的四参数图和Plücker关系,并辨别不可分解二向量。 在实数或复数上的通常拓扑;矩阵图与换图公式沿用该条目的代数构造,但这里不使用 Zariski 拓扑。r = 0 或 r = n 时只有一个子空间,G 为一点,下面的子丛与商丛直接取相应的零空间或全空间。定义
S = { ( W , v ) ∈ G × K n : v ∈ W } , π ( W , v ) = W . 这是秩 r 的向量丛 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。 ,称为典范子丛。其纤维不是抽象复制的一份 K r ,而是点 W 所代表的实际子空间。
由纤维的商空间 公理库 商向量空间 Quotient vector space 按子空间诱导的陪集等价关系取商并继承向量运算的空间。 还定义秩 n − r 的典范商丛
Q W = K n / W . 它们形成短正合列
(1) 0 → S ⟶ K ― n ⟶ Q → 0 , 其中中间项是平凡丛。选定内积或Hermitian内积后,W ⊥ 给商纤维的一份代表,所以 Q ≅ S ⊥ ;商丛的定义本身不依赖这项度量选择。
直觉
Grassmann簇把一族子空间当作一个空间来研究,典范子丛再把每个子空间中的向量补回来。底点说“是哪张平面”,纤维向量说“这张平面中的哪一个向量”。
虽然 S 包含在平凡丛里,它自身未必平凡。平凡丛提供同一个环境空间,不保证能在每个移动子空间内连续选择同一组基。
例子与边界
Gr(2,4)图上的子丛与商丛同时平凡化
在 p 12 ≠ 0 图中,把平面写成矩阵
( 1 0 a b 0 1 c d ) 的行空间。典范子丛有局部标架
v 1 = ( 1 , 0 , a , b ) , v 2 = ( 0 , 1 , c , d ) . 纤维坐标 λ = ( λ 1 , λ 2 ) 对应
(2) λ 1 v 1 + λ 2 v 2 = ( λ 1 , λ 2 , λ 1 a + λ 2 c , λ 1 b + λ 2 d ) . 反向只读前两个坐标,所以平凡化与逆都随 a , b , c , d 连续,实、复情形均光滑。
商丛也可直接读出。对 z = ( z 1 , z 2 , z 3 , z 4 ) ,减去 z 1 v 1 + z 2 v 2 ,得到同一商类的唯一代表
( 0 , 0 , z 3 − z 1 a − z 2 c , z 4 − z 1 b − z 2 d ) . 因此后两个分量是商丛的局部坐标。这个补空间是坐标补空间,通常并非正交补;两种代表方式给同一个抽象商纤维。
复射影空间上的负线丛
CP 2 = Gr C ( 1 , 3 ) 。典范子丛是
S [ z 0 : z 1 : z 2 ] = C ( z 0 , z 1 , z 2 ) , 通常记为 O ( − 1 ) ,商丛秩为2。
限制到 z 2 = 0 的 CP 1 。在 z 0 ≠ 0 图取 t = z 1 / z 0 ,标架为 e 0 = ( 1 , t , 0 ) ;在 z 1 ≠ 0 图取 u = z 0 / z 1 ,标架为 e ∞ = ( u , 1 , 0 ) 。交上
(3) e ∞ = t − 1 e 0 . 同一向量写作 v = e 0 a 0 = e ∞ a ∞ ,所以坐标关系为 a 0 = t − 1 a ∞ 。这与前面代数负线丛 公理库 局部自由层与代数线丛 Locally free sheaf · Invertible sheaf 用原点理想展示局部自由性的失败,再构造射影直线的负线丛,区分局部标架、全局基和点纤维。 的过渡一致;只是在这里把复代数过渡视作连续或光滑过渡。
在 | t | = 1 、t = e i θ 上,式 (3) 的乘子绕数为 − 1 。对偶丛的过渡是 t ,记为 O ( 1 ) 。选择 t 图的复定向圆盘边界为正向,便固定了后续正负类的约定。
平凡中间项不迫使两端平凡
若 S 在这条 CP 1 上有处处非零截面,它就给一条全局复标架。但式 (3) 的非零绕数与球面复线丛分类 公理库 圆周与球面的线丛分类 Line bundle classification on S1 and S2 · 圆周实线丛与球面复线丛分类 以两开集上的过渡函数分类圆周实线丛与球面复线丛,证明符号和绕数的不变性与完备性,并用局部对数实际构造同构及张量加法。 冲突,故 S 非平凡。
即使使用度量把式 (1) 分裂为 S ⊕ S ⊥ ≅ C ― 3 ,也不能由直和整体平凡推出每项平凡。这里的分裂是两个子丛之间的分解,不是把每个子丛再拆成全局固定基。
推论与应用
图与图之间的换基保证全局成立
一般在某组 r 列可逆的Grassmann图上,将这些列化为单位矩阵,便得到 r 个连续局部标架。另一张图的标架通过对应可逆子矩阵进行换基 公理库 换基与坐标变换 Change of basis · Coordinate transformation 用可逆过渡矩阵在不同基之间转换向量坐标与算子矩阵。 ,矩阵与其逆都是该重叠区上的连续函数。
因此式 (2) 并非只证明一个特例:相同构造在所有标准图成立,并给出相容过渡,从而证明 S 确实是向量丛。商丛用同一图的坐标补空间获得平凡化,式 (1) 逐片就是普通向量空间的短正合列。
它为什么会成为通用对象
若某个秩 r 丛 E → X 已嵌入平凡丛 X × K N ,每点的像 E x ⊆ K N 就定义映射 f : X → Gr ( r , N ) 。其拉回典范子丛的纤维恰为 E x ,因此 E ≅ f ∗ S 。
Grassmann分类 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。 接下来证明:在紧CW等合适底空间上,所有有限秩丛都能如此嵌入;增加环境维数后,分类映射的同伦类恰好对应丛同构类。典范丛的作用不是另造一份特殊丛,而是把一般丛的纤维数据放进统一的参数空间。
自检应能用式 (2) 明确写出一个纤维向量,再用商丛公式判断另一个向量是否与它同类;同时说清选正交补改变了哪些代表,哪些商类与丛本身没有改变。
参考资料
Allen Hatcher,Vector Bundles and K-Theory ,version2.2,§1.2,Lemma1.15 及其前后,印刷 pp.28–29:有限和无限Grassmann空间上的典范丛及局部平凡化。
同书 §1.1 的商丛、内积与正交补构造。本文用标准矩阵图直接给子丛与商丛的坐标,并由复射影直线过渡固定 O ( − 1 ) 的符号。