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定义Definition

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。

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=GrK(r,n) 取Grassmann坐标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×Kn:v∈W},π(W,v)=W.

这是秩 r 的向量丛,称为典范子丛。其纤维不是抽象复制的一份 Kr,而是点 W 所代表的实际子空间。

由纤维的商空间还定义秩 n−r 的典范商丛

QW=Kn/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 p12≠0 图中,把平面写成矩阵

(10ab01cd)

的行空间。典范子丛有局部标架

v1=(1,0,a,b),v2=(0,1,c,d).

纤维坐标 λ=(λ1,λ2) 对应

(2)λ1v1+λ2v2=(λ1,λ2,λ1a+λ2c,λ1b+λ2d).

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=(z1,z2,z3,z4),减去 z1v1+z2v2,得到同一商类的唯一代表

(0,0,z3−z1a−z2c,z4−z1b−z2d).

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 ​

CP2=GrC(1,3)。典范子丛是

S[z0:z1:z2]=C(z0,z1,z2),

通常记为 O(−1),商丛秩为2。

限制到 z2=0 的 CP1。在 z0≠0 图取 t=z1/z0,标架为 e0=(1,t,0);在 z1≠0 图取 u=z0/z1,标架为 e∞=(u,1,0)。交上

(3)e∞=t−1e0.

同一向量写作 v=e0a0=e∞a∞,所以坐标关系为 a0=t−1a∞。这与前面代数负线丛的过渡一致;只是在这里把复代数过渡视作连续或光滑过渡。

在 |t|=1、t=eiθ 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 CP1 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,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×KN,每点的像 Ex⊆KN 就定义映射 f:X→Gr(r,N)。其拉回典范子丛的纤维恰为 Ex,因此 E≅f∗S。

Grassmann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。
关系图谱29 个相邻概念 · 3 类关系

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