这篇文章是纤维丛理论的笔记。参考的教材为梁灿彬的《微分几何与广义相对论》、陈斌的《广义相对论》梅加强的《流形与几何初步》,分别是物理系和数学系的教材。
纤维丛
纤维丛
左作用/右作用 李群 G G G 在流形 M M M 上的一个左作用 (left action) 指的是一个 C ∞ C^\infty C ∞ 映射 L : G × M → M L: G \times M \to M L : G × M → M ,满足
L g : M → M L_g : M \to M L g : M → M 是微分同胚,∀ g ∈ G \forall g \in G ∀ g ∈ G
L g h = L g ∘ L h , ∀ g , h ∈ G L_{gh} = L_g \circ L_h ,\, \forall g,h \in G L g h = L g ∘ L h , ∀ g , h ∈ G ,即第一分量保群乘法
相应地,李群 G G G 在流形 M M M 上的一个右作用 (left action) 指的是一个 C ∞ C^\infty C ∞ 映射 R : M × G → M R: M \times G \to M R : M × G → M ,满足
R g : M → M R_g : M \to M R g : M → M 是微分同胚,∀ g ∈ G \forall g \in G ∀ g ∈ G
R g h = R g ∘ R h , ∀ g , h ∈ G R_{gh} = R_g \circ R_h ,\, \forall g,h \in G R g h = R g ∘ R h , ∀ g , h ∈ G ,即第二分量保群乘法
左作用/右作用的结果 L g ( p ) L_g (p) L g ( p ) 和 R g ( p ) R_g (p) R g ( p ) 形式上简记为 g p gp g p 和 p g pg p g ,但这并不意味着 M M M 是一个李群。
/* 注:谨记左作用/右作用的定义不要求流形 M M M 是一个李群!左作用/右作用的群结构体现在第一分量上,左作用/右作用是 M M M 上的变换群,单位元是 L e L_e L e ,其中 e e e 为 G G G 的单位元。*/
左作用 L L L 称为自由 (free) 的,若 g ≠ e ⟹ g p ≠ p , ∀ p ∈ M g \neq e \implies gp \neq p,\forall p \in M g = e ⟹ g p = p , ∀ p ∈ M ,即只有单位元对应的左作用为恒等变换。右作用类似。
轨道 集合 { g p ∣ g ∈ G } \left\{gp \mid g \in G\right\} { g p ∣ g ∈ G } 称为左作用 L g L_g L g 在 p p p 处的轨道,即 L g L_g L g 作用在 p p p 上所有可能得到的值。右作用 R R R 的轨道仿照左作用定义。
纤维丛 设 π : E → M \pi : E \to M π : E → M 为光滑满射,F F F 为微分流形,G G G 为光滑有效地作用在 F F F 上的 Lie 群。如果存在 M M M 的开覆盖 { U α } α ∈ Γ \{U_\alpha\}_{\alpha \in \Gamma} { U α } α ∈ Γ 以及微分同胚 ψ α : π − 1 ( U α ) → U α × F \psi_{\alpha}: \pi^{-1}\left(U_{\alpha}\right) \rightarrow U_{\alpha} \times F ψ α : π − 1 ( U α ) → U α × F 使得
ψ ( π − 1 ( p ) ) = { p } × F , ∀ p ∈ U α \psi\left(\pi^{-1}(p)\right)=\{p\} \times F, \quad \forall p \in U_{\alpha} ψ ( π − 1 ( p ) ) = { p } × F , ∀ p ∈ U α
当 U α ∩ U β ≠ ∅ U_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing U α ∩ U β = ∅ 时,存在光滑映射 g β α : U α ⋂ U β → G g_{\beta \alpha}: U_{\alpha} \bigcap U_{\beta} \rightarrow G g β α : U α ⋂ U β → G ,使得
ψ β ∘ ψ α − 1 ( p , f ) = ( p , g β α ( p ) f ) , ∀ p ∈ U α ∩ U β , f ∈ F \psi_{\beta} \circ \psi_{\alpha}^{-1}(p, f)=\left(p, g_{\beta \alpha}(p) f\right), \quad \forall p \in U_{\alpha} \cap U_{\beta}, f \in F
ψ β ∘ ψ α − 1 ( p , f ) = ( p , g β α ( p ) f ) , ∀ p ∈ U α ∩ U β , f ∈ F
则称 E E E 为 M M M 上的纤维丛 ,π \pi π 为丛投影 ,F F F 为纤维/标准纤维 ,E E E 和 M M M 分别为总空间 和底空间 ,G G G 为结构群 ,ψ α \psi_\alpha ψ α 称为局部平凡化,π − 1 ( p ) = E p \pi^{-1}(p)=E_{p} π − 1 ( p ) = E p 也称为 p p p 处的纤维 ,并与 F F F 微分同胚,g β α g_{\beta \alpha} g β α 为连接函数。
/* 注:纤维丛即局部上看上去像乘积流形 M × F M \times F M × F 的一个丛结构。同时注意区分 F F F 和 E p E_p E p ,虽然它们都叫「纤维」,但E p E_p E p 是投影映射 π \pi π 在 p p p 处的原像,是流形 E E E 上一些点的集合,而 F F F 是 E p E_p E p 局部微分同胚的流形。在引起混淆的场合,我们会把 F F F 称作标准纤维,而将纤维一词归给 E p E_p E p 。*/
向量丛 设 E , M E,M E , M 为微分流形, π : E → M \pi : E \to M π : E → M 为光滑满射。如果存在 M M M 的开覆盖 { U α } \{U_\alpha\} { U α } 以及微分同胚 ψ α : π − 1 ( U α ) → U α × R n \psi_{\alpha}: \pi^{-1}\left(U_{\alpha}\right) \rightarrow U_{\alpha} \times \mathbb{R}^{n} ψ α : π − 1 ( U α ) → U α × R n 满足下面的条件
ψ ( π − 1 ( p ) ) = { p } × R n , ∀ p ∈ U α \psi\left(\pi^{-1}(p)\right)=\{p\} \times \mathbb{R}^{n}, \quad \forall p \in U_{\alpha} ψ ( π − 1 ( p ) ) = { p } × R n , ∀ p ∈ U α
当 U α ∩ U β ≠ ∅ U_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing U α ∩ U β = ∅ 时,存在光滑映射 g β α : U α ⋂ U β → G L ( n , R ) g_{\beta \alpha}: U_{\alpha} \bigcap U_{\beta} \rightarrow \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) g β α : U α ⋂ U β → G L ( n , R ) ,使得
ψ β ∘ ψ α − 1 ( p , v ) = ( p , g β α ( p ) v ) , ∀ p ∈ U α ∩ U β , v ∈ R n \psi_{\beta} \circ \psi_{\alpha}^{-1}(p, v)=\left(p, g_{\beta \alpha}(p) v\right), \quad \forall p \in U_{\alpha} \cap U_{\beta}, v \in \mathbb{R}^{n}
ψ β ∘ ψ α − 1 ( p , v ) = ( p , g β α ( p ) v ) , ∀ p ∈ U α ∩ U β , v ∈ R n
则称 E E E 为 M M M 上的向量丛,n n n 为向量丛的秩,π \pi π 为丛投影,E E E 和 M M M 分别为总空间和底空间,ψ α \psi_\alpha ψ α 称为局部平凡化,线性空间 π − 1 ( p ) = E p ≅ R n \pi^{-1}(p)=E_{p} \cong \mathbb{R}^n π − 1 ( p ) = E p ≅ R n 为 p p p 处的纤维,g β α g_{\beta \alpha} g β α 为连接函数。连接函数 g β α g_{\beta \alpha} g β α 即坐标变换矩阵。
/* 注:向量丛就是纤维丛定义中 F F F 取 R n \mathbb{R}^n R n ,结构群为一般线性群 G L ( n , R ) \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) G L ( n , R ) ,且局部看上去像 M × R n M \times \mathbb{R}^n M × R n */
切丛 切丛是总空间为 T M TM T M ,纤维为流形 M M M 上各点的切空间 T p M T_p M T p M 的向量丛。
主丛
主丛 设 π : P → M \pi:P \to M π : P → M 为纤维丛,G G G 为李群,p ∈ P , x ∈ M p \in P,x\in M p ∈ P , x ∈ M ,且
G G G 在 P P P 上有自由的右作用 R : P × G → P R:P \times G \to P R : P × G → P
点 x ∈ M x\in M x ∈ M 处的纤维 P x P_x P x 为右作用 R R R 在主丛上 p ∈ π − 1 ( x ) p \in \pi^{-1}(x) p ∈ π − 1 ( x ) 处的轨道,即 P x = { p g ∣ g ∈ G } P_x = \left\{pg \mid g \in G\right\} P x = { p g ∣ g ∈ G }
存在 M M M 的开覆盖 { U α } \{U_\alpha\} { U α } 以及微分同胚 ψ α : π − 1 ( U α ) → U α × G \psi_{\alpha}: \pi^{-1}\left(U_{\alpha}\right) \rightarrow U_{\alpha} \times G ψ α : π − 1 ( U α ) → U α × G 满足 ψ ( p ) = ( π ( p ) , ϕ U ( p ) ) , ∀ p ∈ P \psi(p) = (\pi(p),\phi_U (p)),\forall p \in P ψ ( p ) = ( π ( p ) , ϕ U ( p ) ) , ∀ p ∈ P ,其中映射 ϕ U : π − 1 ( U ) → G \phi_U:\pi^{-1}\left(U\right) \to G ϕ U : π − 1 ( U ) → G 是一个等变映射 (equivariant map) ,即 ϕ U ( p g ) = ϕ U ( p ) g \phi_U(pg)= \phi_U(p)g ϕ U ( p g ) = ϕ U ( p ) g
则称 P P P 为 M M M 上的主丛 (principal fiber bundle) 。
注:主丛就是纤维丛定义中标准纤维 F F F 取作结构群 G G G 。条件2要求 R R R 作用在纤维 P x = { p ∈ P ∣ π ( p ) = x } P_x = \{ p \in P \mid \pi(p) = x\} P x = { p ∈ P ∣ π ( p ) = x } 上保持纤维不变,从而李群 G G G 的结构可以自然地赋予到 P x P_x P x 上,也就是条件3所做的。若将 ϕ U \phi_U ϕ U 限制在一点 p ∈ U ⊆ P p\in U\subseteq P p ∈ U ⊆ P ,则变为 ϕ p : π − 1 ( π ( p ) ) = P π ( p ) → G \phi_p :\pi^{-1}(\pi(p)) = P_{\pi(p)} \to G ϕ p : π − 1 ( π ( p ) ) = P π ( p ) → G , 这正是 R p : G → P π ( p ) R_p : G \to P_{\pi(p)} R p : G → P π ( p ) 的逆映射,其中 R p R_p R p 是选定了纤维 P π ( p ) P_{\pi(p)} P π ( p ) 中的某一点 p p p 之后从 R : P × G → P R:P \times G \to P R : P × G → P 诱导而来的微分同胚。这样若将纤维 P π ( p ) P_{\pi(p)} P π ( p ) 中的单位元选为 p p p 点,群乘法定义为
( p g ) ( p h ) = p ( g h ) , ∀ g , h ∈ G (pg) (ph) = p(gh), \, \forall g,h\in G
( p g ) ( p h ) = p ( g h ) , ∀ g , h ∈ G
则纤维 P π ( p ) P_{\pi(p)} P π ( p ) 就构成一个李群。但必须注意:纤维 P π ( p ) P_{\pi(p)} P π ( p ) 仅仅是同胚于李群,而不具有天然的李群结构!这是由于代表点 p p p 在 π − 1 ( x ) \pi^{-1}(x) π − 1 ( x ) 中可以任意选取,因而纤维中并不存在一个天然的单位元,P x P_x P x 中的任意一点都可以作为单位元,然后通过 R R R 作用得到整个纤维。因此在条件3中,我们只能说存在一个微分同胚 ϕ U : π − 1 ( U ) → G \phi_U:\pi^{-1}\left(U\right) \to G ϕ U : π − 1 ( U ) → G 对纤维中任一点 p p p 具有性质 ϕ U ( p g ) = ϕ U ( p ) g \phi_U(pg)= \phi_U(p)g ϕ U ( p g ) = ϕ U ( p ) g ,而「扔掉原点」。李群结构是内蕴于纤维中的。
标架丛 设 π : E → M \pi:E \to M π : E → M 为向量丛,任取 x ∈ M x \in M x ∈ M ,x x x 处纤维 E x E_x E x 的一组基 { e 1 , ⋯ , e n } \{e_1,\cdots,e_n\} { e 1 , ⋯ , e n } 称为 x x x 处的一个标架。记 x x x 处所有标架的集合为 F x F_x F x ,丛投影 π F : F x ↦ x \pi_F:F_x \mapsto x π F : F x ↦ x ,则可以构造一个主丛 F ( E ) F(E) F ( E ) 如下
F ( E ) = ⨆ x ∈ M F x F(E) = \bigsqcup_{x\in M} F_x
F ( E ) = x ∈ M ⨆ F x
称为与向量丛 E E E 相伴的标架丛 (frame bundle) 。标架丛 F ( E ) F(E) F ( E ) 有一个由 E E E 的结构诱导的自然丛结构:设 ( U α , φ α ) (U_\alpha,\varphi_\alpha) ( U α , φ α ) 为 E E E 的局部平凡化,则对于任意的 x ∈ M x \in M x ∈ M 存在一个线性同构 φ : E x → R n \varphi: E_x \to \mathbb{R}^n φ : E x → R n 。F ( E ) F(E) F ( E ) 的局部坐标由下式给出
ψ : π − 1 ( U α ) → U α × G L ( n , R ) ( x , F x ) ↦ ( x , φ ( F x ) ) \begin{aligned}
\psi: \pi^{-1} (U_\alpha) &\to U_\alpha \times \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) \\
(x,F_x) &\mapsto (x,\varphi(F_x))
\end{aligned}
ψ : π − 1 ( U α ) ( x , F x ) → U α × G L ( n , R ) ↦ ( x , φ ( F x ) )
其中 φ ( F x ) \varphi(F_x) φ ( F x ) 表示标架在由 φ \varphi φ 确定的 E x E_x E x 的基下的「坐标」,是一个 n n n 阶矩阵,由构成标架的每个向量在 E x E_x E x 基下的坐标排成。
当 U α ∩ U β ≠ ∅ U_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing U α ∩ U β = ∅ 时,假设向量丛 E E E 上存在两套不同的局部坐标系,也即对某点 x ∈ U α ∩ U β x \in U_\alpha \cap U_\beta x ∈ U α ∩ U β 来说,纤维 E x E_x E x 作为线性空间选取了不同的基向量 { e 1 , ⋯ , e n } \{e_1,\cdots,e_n\} { e 1 , ⋯ , e n } 和 { e 1 ′ , ⋯ , e n ′ } \{e^\prime_1,\cdots,e^\prime_n\} { e 1 ′ , ⋯ , e n ′ } ,从而 E x E_x E x 中任一向量的坐标不同。假设基变换矩阵为 P ∈ G L ( n , R ) P \in \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) P ∈ G L ( n , R ) ,即
[ e 1 ′ , ⋯ , e n ′ ] = [ e 1 , ⋯ , e n ] P [e^\prime_1,\cdots,e^\prime_n] = [e_1,\cdots,e_n] P
[ e 1 ′ , ⋯ , e n ′ ] = [ e 1 , ⋯ , e n ] P
则 F ( E ) F(E) F ( E ) 的局部平凡化相应地变为
ψ : π − 1 ( U α ) → U α × G L ( n , R ) ( x , F x ) ↦ ( x , P − 1 φ ( F x ) ) \begin{aligned}
\psi: \pi^{-1} (U_\alpha) &\to U_\alpha \times \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) \\
(x,F_x) &\mapsto (x, P^{-1} \varphi (F_x))
\end{aligned}
ψ : π − 1 ( U α ) ( x , F x ) → U α × G L ( n , R ) ↦ ( x , P − 1 φ ( F x ) )
其中 P − 1 ∈ G L ( n , R ) P^{-1} \in \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) P − 1 ∈ G L ( n , R ) ,可见符合纤维丛的定义。
更进一步地,标架丛是一个主丛。易见其标准纤维和结构群均为一般线性群 G L ( n , R ) \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) G L ( n , R ) ,结构群对纤维的右作用即矩阵对应的线性变换对标架的作用。并且没有任何一个标架是特殊的,任一标架都可以选为基,其他标架用在这组基下的坐标描述。一般线性群结构 G L ( n , R ) \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) G L ( n , R ) 内蕴于标架族中。
标准正交标架丛 如果向量丛 E E E 配有一个黎曼丛度量,则每个纤维 E p E_p E p 不仅是一个线性空间而且是一个内积空间。这样便可以讨论 E p E_p E p 的所有标准正交标架集合。此时结构群 G G G 为 n n n 阶正交群 O ( n ) \mathrm{O}(n) O ( n ) 。特殊地,若向量丛 E E E 可定向,则我们可定义 E E E 的定向标准正交标架丛,此时结构群 G G G 为 n n n 阶特殊正交群 S O ( n ) \mathrm{SO}(n) S O ( n ) 。
切标架丛 取 E E E 为切丛 T M TM T M 即得到切标架丛,记作 F ( M ) F(M) F ( M ) 。
主丛上的联络
铅直丛 设 E E E 为 M M M 上的纤维丛,π : E → M \pi : E \to M π : E → M 为丛投影。铅直丛 (vertical bundle) V E VE V E 定义为 T E TE T E 的一个子丛
V E = ker π ∗ = { ξ ∈ T E ∣ π ∗ ξ = 0 } VE = \operatorname{ker} \pi_* = \left\{ \xi \in TE \mid\pi_* \xi =0\right\}
V E = k e r π ∗ = { ξ ∈ T E ∣ π ∗ ξ = 0 }
其纤维 V p E = ( V E ) p = T p E p ⊂ ( T E ) p V_p E = (VE)_p = T_p E_p\subset (TE)_p V p E = ( V E ) p = T p E p ⊂ ( T E ) p 称为铅锤子空间 ,铅直子空间中的元素 ξ \xi ξ 称为与纤维相切的向量。
主丛上的联络 设 π : P → M \pi:P \to M π : P → M 为主丛,G G G 为结构群。主丛上的联络指的是满足以下条件的映射 { p ↦ H p } \{p \mapsto H_p\} { p ↦ H p }
T p P = H p ⊕ V p T_p P = H_p \oplus V_p T p P = H p ⊕ V p
H p g = ( R g ) ∗ H p , ∀ p ∈ P , g ∈ G H_{pg} = (R_g)_* H_p,\,\forall p \in P ,g \in G H p g = ( R g ) ∗ H p , ∀ p ∈ P , g ∈ G
H p H_p H p 随着 p p p 光滑地变化