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定理Theorem

Thom 类与 Thom 同构

Thom class · Thom isomorphism

用纤维定向构造Thom类,证明相对上同调的次数平移,并由零截面定义一般Euler类。

形式陈述 ​

如何把底空间上的上同调类,沿每根向量纤维增加一个固定次数?设 E→X 是有限CW复形上的秩 r≥1 实向量丛,R 是交换含幺系数环。选定纤维度量,记单位圆盘丛和球面丛为 D(E)、S(E)。

一个 R 定向,是连续相容地选择每个纤维对 (D(Ex),S(Ex)) 的相对上同调生成元。对 R=Z,这就是纤维定向;对 R=F2,任何实丛都有这样的规范选择。

Thom定理。 给定 R 定向后,存在唯一

UE∈Hr(D(E),S(E);R)

在每个纤维上限制为选定生成元。它称为Thom类。设 π:D(E)→X 是投影,则

(1)ΦE:Hk(X;R)⟶Hk+r(D(E),S(E);R),α⟼π∗α⌣UE

对每个 k 都是同构。这里直接使用相对上同调,并由杯积把绝对类与相对类相乘。

直觉

一根定向的 r 维圆盘带着一个相对顶维类:它检测穿过纤维的方向,并把边界当成零。Thom类要求这些纤维类在整个丛中接得起来。

与Thom类相乘,相当于把底空间上的信息沿每根纤维“加厚” r 维。必须保留球面边界作为相对部分;整个向量丛本身可以沿纤维收缩到底空间,不可能凭空多出这 r 个次数。

例子与边界

平凡三维丛上的次数平移 ​

取 E=S2×R3,选标准纤维定向。若 a∈H2(S2;Z) 的积分为1,则非零相对群只有

H3(D(E),S(E);Z)=ZUE,H5(D(E),S(E);Z)=Z(π∗a⌣UE).

它们分别来自底空间的 H0 与 H2。反过来,H3(E;Z)=0,因为 E 收缩到 S2。把式(1)右端误写成绝对上同调,连这个平凡例子都会失败。

Möbius线为什么需要模2系数 ​

Möbius实线丛的一根纤维绕圆周走一圈后反向。整数相对生成元因此由 1 变成 −1,无法形成全局Thom类。改用 F2,两个符号相同,便有

Hk+1(D(E),S(E);F2)≅Hk(S1;F2).

因此这里的次数1与2相对群均为 F2。定向条件决定的是生成元能否一致选择,不是局部纤维有没有顶维类。

推论与应用

从局部乘积证明全局同构 ​

先看平凡化开集 V。纤维对 (Dr,Sr−1) 的相对上同调仅在次数 r 是自由秩1,乘积的相对Künneth计算便给出

Hk+r(V×Dr,V×Sr−1;R)≅Hk(V;R).

这个同构是与已选纤维生成元的外积,因此直接给出局部Thom类和局部式(1)。

紧性提供有限个平凡化开集。假设结论已在它们中若干个的并 V 上成立,再加入平凡化开集 W。交集 V∩W 上的丛也平凡,因为它是 W 的子集。两边Thom类在交集上具有相同的纤维生成元,故由交集上的乘积计算相等。

对Mayer–Vietoris 的小链短正合列,先按球面子丛的链取相对商,再取 Hom(−,R),便得到这里使用的相对上同调序列。逐次满射可在奇异单形基上补零验证,小链比较仍由细分成立。该序列把这两个类粘成 V∪W 上的类;其唯一性由交集的

Hr−1(D(E|V∩W),S(E|V∩W);R)≅H−1(V∩W;R)=0

保证。再把底空间的Mayer–Vietoris序列与丛对的序列比较,竖直映射都取与这个全局类的杯积。杯积与限制及连接映射相容,五引理给出并集上的同构。有限次归纳完成证明。纤维定向正是在“交集上相等”这一步发挥作用。

Thom空间与一般Euler类 ​

把 S(E) 压成一点得到Thom空间 Th(E)=D(E)/S(E),式(1)也可写成

H~k+r(Th(E);R)≅Hk(X;R).

设 j∗:Hr(D(E),S(E);R)→Hr(D(E);R) 是忘掉相对部分的映射,s 为零截面。定义一般Euler类

(2)e(E)=s∗j∗UE∈Hr(X;R).

若有处处非零截面,把它缩到圆盘内部后,它与零截面沿纤维线性同伦,而像避开零截面。把Thom类等同于 Hr(E,E∖X;R) 中的类,其限制在那里为零,故 e(E)=0。

对复线 L 的底层定向实平面丛,式(2)与 c1(L) 相同。可先在 O(1)→CP1 上核对:线性函数 z0 在典范线上的限制是一截面,只在 [0:1] 为零;局部坐标 u=z0/z1 中,截面就是 u,局部度数为 +1。以该截面拉回 Thom 类并用切除局部化到唯一零点,得到Euler数 +1。再利用复线分类、自然性以及 H2(CPN;Z)→H2(CP1;Z) 的同构,就得到任意有限CW底上的结论。这同时接上曲面上Euler类的绕数符号。

参考资料
关系图谱15 个相邻概念 · 2 类关系

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