位相空間上のバンドルについて
バンドルとか難しいけど1-チェックコサイクルとみなして扱ったら割かしわかりやすかったという話。
バンドルとはコサイクルが付いた開被覆のことであることを主張するための文章がこれである111フーズモラーなどはグロタンディークに倣ってすべての写像はバンドルであることを主張している本なので、この文章はまだ穏当であると言える。。
繊維束を商空間として徹底的に取り扱いたい文章であるところのものである。
一般に商空間の話は難しいので、バンドルの話も難しい。
もともとは多様体の間の写像の空間のホイットニートポロジーを記述するためにジェットバンドルを定義したかっただけなのだが話がやたら膨らんでしまった。
この文章では 位相空間と位相群に対して 上の-抽象束、(もしくは上の-コサイクル付き開被覆)を定義して、ファイバー束との関係を見る。
1 準備
位相空間の開集合系をと書くことにする。
開被覆による連続性の判定[張り合わせ]を紹介する。
命題 1.
位相空間と 写像について、任意のでが連続関数であるようなの開被覆が存在すれば、は上でも連続である。
証明.
各上でが連続なので、任意のと 任意のの開集合について、はの開集合である。また、はの開集合なのではの開集合でもある。そしてが被覆を成すことから
が成り立ち、この式の右辺はの開集合であるから、はの開集合である。はの任意の開集合であったからは上連続である。 ∎
関数についてその積が定義される。
定義 2 (添え字付き開被覆).
集合からへの写像が
を充たすとき、を添え字付き開被覆といい、のことを添え字という。 のにおける値をと書いたりする。また、 なまぐさをしてのことをとか書いたりする。
集合として同じでも添え字が違う場合は別のものとして扱いたいので添え字付き開被覆を用いる。 大げさだが、つぎのように定義する。
つまりはの開集合からへの写像を全部集めた集合である。 また集合に対してでを表すことにする。
定義 3 (変換関数).
をの添え字付き開被覆とし、その添え字をとする。がに付随する変換関数であるとは次の条件を充たすときに言う。222以下ではをと書くことにする。
-
(1)
の定義域はである。
-
(2)
は連続写像である。
-
(3)
(コサイクル条件)
注意.
のときは空写像である。また、のとき条件は真になることに注意しよう。
注意.
コサイクル条件からのときとなることや、 のときが成り立つことなどがわかる。
2 抽象束、または変換関数付き開被覆、または1-チェックコサイクル。
定義 4.
位相空間と位相群に対して、 と、添え字集合とを添え字に持つ上の添え字付き開被覆, およびに付随する変換関数の五つ組のことを上の-抽象束(もしくは上の-変換関数付き開被覆、またはの-チェックコサイクル)と呼ぶ。 を底空間、をこの束の構造群と呼ぶ。 上の-抽象束全体をと書く。333はcocycleのcである。
注意.
抽象束にはファイバーがないことに注意せよ。
例 5.
任意の位相空間と位相群を与える。添え字付き開被覆をと定義し、変換関数をと定義する444の場合にはは空写像と定義する。とは抽象束になる。この束のことを自明束という。
どんな位相空間と位相群についても である。これは上の自明束が常に存在するからである。
以下では抽象束をフラクトゥールの一文字で表す。
2.1 抽象束の束同値
二つの-抽象束が束同値であるということを定式化する。
定義 6.
について
とする。任意のについて連続関数
が存在して、以下の条件を充たすときとは束同値であるという。
-
(1)
-
(2)
-
(3)
-
(4)
-
(5)
-
(6)
とが束同値であることを
と表す。
注意.
はからへの変換で、はからへの変換であり、
を充たす。
さすがにファイバーがないと束同士の写像は定義できない。
命題 7.
について
証明.
と定義すればわかる。 ∎
命題 8.
について
証明.
束同値の定義は対象になっているのでわかる。 ∎
命題 9.
について
証明.
超めんどいけど頑張る。
とする。
なので 任意のについて連続関数
が存在して、以下の条件を充たす
-
(1)
-
(2)
-
(3)
-
(4)
-
(5)
-
(6)
そしてなので 任意のについて連続関数
が存在して、以下の条件を充たす
-
(1)
-
(2)
-
(3)
-
(4)
-
(5)
-
(6)
さて、任意のに対して以下のように定義する。 各に対してとなるを取る。そして
と定義する。このについて最初はこの定義がwell-defined、即ちの取り方によらないことを示そう。 別のがを充たしているとする。このときの条件から
となるので、はの取り方によらないことがわかった。 また、はの被覆であり、は各上で連続なのでは連続である。
同様にして任意のに対してをと定義する。このはとなるをとれば
と表される。
ここからはこのとが束同値の定義にあるを充たすことを見ていこう。
を証明しよう。各に対してとなるを取る。すると
となるのでは証明された。他のからも同様に証明される。 ∎
以上をまとめて以下を得る。
定理 10.
束同値は上の同値関係である。
被覆が同じ抽象束同士の束同値の判定には次の命題が簡便である。
命題 11.
とし、
とする。 即ちとは同じ添え字付き被覆を持つとする。 このとき と次のことは同値である。
各について連続関数が存在して
が上で成り立つ。
証明.
まずを仮定する。 束同値の定義に出てくる各について連続関数と が存在しほげ。 このとき、上でで以下のことが成り立つ。
よって
が上で成り立つ。そこで と定義すればよい。 (は上のに値を取る連続関数であることに注意せよ。)
逆に各について連続関数が存在して
が上で成り立つと仮定しよう。 このときとし、と定義すれば がわかる。 ∎
被覆の細分と束同値。
定義 12 (細分).
の添え字付き被覆が同じくの添え字付き被覆の細分であるとは任意のについてあるが存在してが成り立つことである。
細分について
命題 13.
とし、
とし、はの細分になっているとする。 もしが存在して
及び
が成り立つとき555は上の関数をに制限した関数という意味である。、が成り立つ。
証明.
をと定義し、 を と定義する。するとがわかる。 ∎
この命題からがパラコンパクトな時にその上の抽象束は局所有限な座標被覆を持つとしても一般性を失わないことがわかる。さらにがコンパクトな場合にはその上の抽象束は有限個の座標被覆から構成されていると仮定してもよい。 また、の開基を一つ固定して、上の束の座標被覆はの元からなりったているとしてもよい。
以下の定義などはちょっとしたおまけである。 上の二つの添え字付き開被覆とについて をのときに、のときにとていぎすればこれも上の添え字付き開被覆である。
以下の定義は束同値がどういうものかということかを教えてくれる。
命題 14.
とする。このときは以下のことと同値である。 上の-抽象束が存在して、
でありはかつを充たす。
証明.
定義から明らか。 ∎
3 抽象束の-切断
3.1 切断片
定義 15 (切断片).
がの切断片であるとは
を充たすときに言う。
3.2 準同型から誘導される写像
二つの位相群間の 連続準同型があるときに
が以下のように誘導される。
としたとき
である。ここではに対して
という写像を対応させる変換関数である。 の準同型性とがコサイクル条件を充たすことからもコサイクル条件を充たすことがわかる。
3.3 構造群の縮約
を位相群の部分群とする。もちろん自然にも位相群になる。 を包含写像とする。 このとき写像
が誘導される。
-抽象束の構造群がに縮約されるとは あるが存在して
となることである。
抽象束の構造群が自明群に縮約されることと、その抽象束が自明束と束同値になることは同値である。
3.4 自明束になるための条件
抽象束が自明束と束同値なとき、その抽象束は自明であるという。 束が自明かどうかの判定が大事である。
系 16.
が自明であることと次のことは同値である。
各についてが存在して
が成り立つ。
系 17.
が自明であることと、がとなる束と同値になることは同値である。
4 抽象束の引き戻し
連続写像から-抽象束の引き戻し
が以下のように誘導される。666これは連続写像からコホモロジーに誘導される準同型と同じもののはずである。
としたとき
を以下のように定義する。 は各についてで定義される上の添え字付き開被覆である。 変換関数はに対して
つまりについて
で定義されるを対応させる変換関数である。 引き戻しの反変函手性
命題 18.
4.1 抽象束同士の積
から新しい束を
を以下のように定義する。 は各に対して で定義される添え字付き被覆である。 は
で定義される変換関数である。 この束をと書くことにする。
4.2 抽象束の例
このセクションでは具体的な空間と構造群に対して抽象束の同値類がどのくらいあるかというのをいくつか決定する。 即ちの大きさを調べるということである。
補題 19.
区間のあれ
命題 20.
単位閉区間と任意の位相群について、
つまり上の抽象束はすべて自明束である。
証明.
を上の抽象束とする。 この束の被覆はという形で、
を充たすとしてよい。さて、を
となるようにとる。
である。
を
のとき(のときは) と定義する。上では なのでの上でなのでは自明である。よっても自明である。 ∎
命題 21.
任意のは添え字集合が二元である抽象束と束同値である。
命題 22.
この命題はと同じことである。
命題 23.
準同型から誘導される写像
は全単射である。
命題 24.
注意.
の二元のうち一つは自明束である。もう一つの元はいわゆるメビウスバンドルに対応する抽象束である。
注意.
恐らく定義から手計算で抽象束が分類できるのはとの二つが限界のように思う。
5 -抽象ファイバー束、または、-ファイバーとコサイクル付き開被覆
連続作用があるときとの組
を-抽象ファイバー束、もしくは-ファイバーとコサイクル付き開被覆と呼ぶ。 上の-抽象束全体をで表す。
上のファイバー束の間の写像 がからへの束写像であるとは 任意のについて
を充たすときに言う。
連続写像について、 がの上のから束写像であるとは 任意のについて
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAa
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
ファイバー束の間の写像(にいい感じの位相が入っている場合。)
aaaaAaaAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAaa
定義 25.
束のバンドル写像としては、
.
6 束のホモトピー不変性
次の補題は基本的である。
補題 26.
, , は自明束で とする。このとき も自明である。
証明.
∎
定義 27 (numerable cover).
単位の分割が存在する被覆のこと。
事実 28.
を空間とする。このとき以下は同値である。
-
(1)
はパラコンパクト
-
(2)
の任意の開被覆には疎な局所有限開細分が存在する。
命題 29.
をパラコンパクトハウスドルフ空間とする。 上の束はという形の添え字付き被覆を持つ抽象束と束同値である。
証明.
∎
以下の定理は束のホモトピー同値性と呼ばれる定理である。
定理 30.
はであるとする。このとき上の任意の抽象束に対して
が成り立つ。
証明.
と作用しているで、上の-抽象束の-切断であって、
を充たすものの存在が言えればよい。←ちょっと違う ∎
系 31.
可縮なパラコンパクトハウスドルフ空間の上の抽象束は(に依らず)すべて自明束である。
7 -抽象束─“ベクトル束”─
この章では体上の線群の上の抽象束に関する構成を紹介する。 には係数体に応じて適切に位相が入っているとする。 特にの場合が身近で分かりやすいと思う。 以下では抽象束はすべて同じ添え字付き開被覆でサポートされているとする。
定義 32 (双対束).
とし、
とする。このとき
をの双対束といい、で表す。
定義 33 (直和束).
とに対し
をとの直和束といい、
と書く。
定義 34 (テンソル束).
とに対し
で定義される束をとのテンソル束といい
と書く。
定義 35 (外積束).
とに対し
で定義される束をとの外積束といい
と書く。
定義 36 (向き束).
とし、
とする。このとき
をの向き束という。向き束は-束である。向き束が自明でであるとき、は向き付け可能であるという。
-抽象束は-束に縮約できるとき、向き付け可能であるという。
定義 37 (行列式束).
とし、
とする。このとき
をの行列式束という。で表す。 ちなみに
8 -抽象ファイバー束、または、-ファイバーとコサイクル付き開被覆
連続作用があるときとの組
を-抽象ファイバー束、もしくは-ファイバーとコサイクル付き開被覆と呼ぶ。 上の-抽象束全体をで表す。
上のファイバー束の間の写像 がからへの束写像であるとは 任意のについて
を充たすときに言う。
連続写像について、 がの上のから束写像であるとは 任意のについて
ファイバー束の間の写像(にいい感じの位相が入っている場合。)
9 抽象束の空間的実現、ファイバー束
9.1 空間的ファイバー束
抽象的ファイバー束と空間的ファイバー束の同値性
ファイバー束が商空間という話。
9.2 ファイバー束の具体例
主に可微分多様体上の束について紹介する。
定義 38.
位相多様体の-級可微分構造とはほげ
例 39 (接束).
例 40 (余接束).
は
と書く慣習がある。
例 41 (高次の余接束).
例 42 (向き束).
の向き束とは
で定義する。
例 43 (-束、即ち二重被覆).
が向き付け不可能な多様体の時に連結な向き付け可能多様体と写像が存在してこれらが-束であることを証明しよう。
例 44 (密度束).
の密度束とは
のことである。
例 45 (ジェット束).
10 細分束・細分関係
11 おまけ─0-コサイクル付き被覆─
可微分多様体の微分構造は-コサイクル付き開被覆、つまり0-チェックコサイクルと考えることができる。 しかしながらその「係数」が何であるか、そして何であるべきかはよくわからない。一説にはそれは擬群(pseudo-group)であると云う。 そしておそらく抽象束の係数も位相群ではなくを含むようなより大きいものが「本来の束構造」の係数である気がする。実際ここまで述べてきた抽象束は(一般には非可換な)層を係数として考えたほうが自然に思える。 実際に値を取る関数の層と、に値に取る局所定数層とでは、そこから誘導される束がだいぶ違ったりするのでそいう違いが計れるので便利。しかしそうした(一般には非可換な)層が一番良い係数なのかは判断しかねる。 また-コサイクルに対応する位相空間上の構造物もあるらしいがよくわからない。 高次のコサイクルはなんかもうよく知らん。非可換コホモロジーとかいうものが関係しているらしい。
References
- [1] フーズモラー
- [2] スティーンロッド
- [3] Dold, Partition of unity in the theory of fibrations