Vektorli to'plam - Vector bundle

(Cheksiz kengaytirilgan) Mobius chizig'i a chiziq to'plami ustidan 1-shar S1. Mahalliy har bir nuqta atrofida S1, u kabi ko'rinadi U × R (qayerda U nuqtani o'z ichiga olgan ochiq kamon), lekin umumiy to'plam farq qiladi S1 × R (bu a silindr o'rniga).

Yilda matematika, a vektor to'plami a topologik oilaning g'oyasini aniqlashtiradigan qurilish vektor bo'shliqlari boshqasi tomonidan parametrlangan bo'sh joy X (masalan X bo'lishi mumkin topologik makon, a ko'p qirrali yoki an algebraik xilma ): har bir nuqtaga x bo'shliq X biz vektor maydonini birlashtiramiz (yoki "biriktiramiz") V(x) bu vektor bo'shliqlari bir-biriga mos keladigan tarzda, xuddi shunday boshqa bo'shliqni hosil qilish uchun X (masalan, topologik bo'shliq, ko'p qirrali yoki algebraik xilma), keyinchalik u a deb nomlanadi vektor to'plami tugadiX.

Eng oddiy misol - bu vektor bo'shliqlarining oilasi doimiy bo'lishi, ya'ni sobit vektor maydoni mavjudligi V shu kabi V(x) = V Barcha uchun x yilda X: bu holda uning nusxasi mavjud V har biriga x yilda X va ushbu nusxalar bir-biriga mos ravishda vektor to'plamini hosil qiladi X × V ustida X. Bunday vektor to'plamlari deyiladi ahamiyatsiz. Misollarning yanada murakkab (va prototipik) klassi tangens to'plamlari ning silliq (yoki farqlanadigan) manifoldlar: bunday manifoldning har bir nuqtasiga biz biriktiramiz teginsli bo'shliq shu nuqtadagi manifoldga. Tangens to'plamlari, umuman olganda, ahamiyatsiz to'plamlar emas. Masalan, sharning teginish to'plami tomonidan ahamiyatsiz bo'ladi tukli to'p teoremasi. Umuman olganda, manifold deyiladi parallel agar va faqat uning teginish to'plami ahamiyatsiz bo'lsa.

Vektorli to'plamlar deyarli har doim talab qilinadi mahalliy ahamiyatsizBiroq, bu ularning misollari degan ma'noni anglatadi tolalar to'plamlari. Shuningdek, vektor bo'shliqlari odatda haqiqiy yoki murakkab sonlar ustida bo'lishi talab qilinadi, bu holda vektor to'plami haqiqiy yoki murakkab vektor to'plami deb aytiladi (mos ravishda). Murakkab vektor to'plamlari qo'shimcha tuzilishga ega haqiqiy vektor to'plamlari sifatida qaralishi mumkin. Quyida biz haqiqiy vektor to'plamlariga e'tibor qaratamiz topologik bo'shliqlarning toifasi.

Ta'rif va birinchi natijalar

A haqiqiy vektor to'plami dan iborat:

  1. topologik bo'shliqlar X (asosiy bo'shliq) va E (umumiy joy)
  2. a davomiy qarshi chiqish π: EX (to'plamning proektsiyasi)
  3. har bir kishi uchun x yilda X, a tuzilishi cheklangan o'lchovli haqiqiy vektor maydoni ustida tola π−1({x})

bu erda quyidagi muvofiqlik sharti bajariladi: har bir nuqta uchun p yilda X, ochiq mahalla bor UX ning p, a tabiiy son kva a gomeomorfizm

hamma uchun shunday xU,

  • barcha vektorlar uchun v yilda Rkva
  • xarita vektor bo'shliqlari orasidagi chiziqli izomorfizmdir Rk va π−1({x}).

Ochiq mahalla U gomeomorfizm bilan birgalikda deyiladi a mahalliy trivializatsiya vektor to'plamining. Mahalliy trivializatsiya shuni ko'rsatadiki mahalliy xarita π proektsiyasiga "o'xshaydi" U × Rk kuni U.

Har qanday tola π−1({x}) bu cheklangan o'lchovli haqiqiy vektor maydoni va shuning uchun o'lchovga ega kx. Mahalliy ahamiyatsizliklar shuni ko'rsatadiki funktsiya xkx bu mahalliy doimiy va shuning uchun har birida doimiy bo'ladi ulangan komponent ning X. Agar kx doimiyga teng k barchasida X, keyin k deyiladi daraja vektor to'plamining va E deb aytiladi a martabali vektor to'plami k. Ko'pincha vektor to'plamining ta'rifi daraja aniq belgilanganligini o'z ichiga oladi, shuning uchun kx doimiy. 1-darajali vektor to'plamlari deyiladi chiziqli to'plamlar, 2-darajaga ega bo'lganlar kamroq samolyot to'plamlari deb nomlanadi.

The Dekart mahsuloti X × Rk, proektsiyasi bilan jihozlangan X × RkX, deyiladi ahamiyatsiz to'plam daraja k ustida X.

O'tish funktsiyalari

Vektorli to'plam berilgan E → X daraja kva bir juft mahalla U va V bu orqali paket ahamiyatsiz bo'ladi

kompozitsion funktsiya

bir-birining ustiga chiqishida yaxshi aniqlangan va qondiradi

ba'zi GL uchun (k) baholanadigan funktsiya

Ular "." Deb nomlanadi o'tish funktsiyalari (yoki koordinatali transformatsiyalar) vektor to'plamining.

O'tish funktsiyalari to'plami a ni tashkil qiladi Texnik tsikl bu ma'noda

Barcha uchun U, V, V shundan kelib chiqqan holda to'plam qadrsizlantiruvchi narsa . Shunday qilib ma'lumotlar (E, X, π, Rk) belgilaydi a tola to'plami; ning qo'shimcha ma'lumotlari gUV nurlari GL-ni belgilaydi (k) tolaga ta'siri GL ning standart harakati bo'lgan tuzilish guruhi (k).

Aksincha, tola to'plami berilgan (E, X, π, Rk) GL bilan (k) tolaga standart usulda ishlaydigan kokosikl Rk, vektor to'plami mavjud. Ba'zan bu vektor to'plamining ta'rifi sifatida qabul qilinadi.[iqtibos kerak ]

Vektorli to'plam morfizmlari

A morfizm vector vektor to'plamidan1: E1X1 vektor to'plamiga π2: E2X2 uzluksiz xaritalar juftligi bilan berilgan f: E1E2 va g: X1X2 shu kabi

  • g ∘ π1 = π2 ∘ f
BundleMorphism-01.png
  • har bir kishi uchun x yilda X1, xarita π1−1({x}) → π2−1({g(x))) tomonidan qo'zg'atilgan f a chiziqli xarita vektor bo'shliqlari o'rtasida.

Yozib oling g tomonidan belgilanadi f (chunki π1 surjective), va f keyin aytiladi qopqoq g.

Barcha vektor to'plamlarining klassi to'plam morfizmlari bilan birgalikda a hosil qiladi toifasi. Bo'shliqlar ko'p qirrali bo'lgan vektor to'plamlari bilan cheklash (va to'plam proektsiyalari silliq xaritalar) va silliq to'plam morfizmlari biz silliq vektor to'plamlari toifasini olamiz. Vektorli to'plam morfizmlari a tushunchasining alohida holatidir to'plam xaritasi o'rtasida tolalar to'plamlari, va shuningdek tez-tez chaqiriladi (vektor) gomomorfizmlar.

Gomomorfizm to'plami E1 ga E2 teskari bilan, shuningdek homomorfizm to'plami (dan E2 ga E1) a deyiladi (vektor) to'plam izomorfizmi, undan keyin E1 va E2 deb aytilgan izomorfik vektorli to'plamlar. A (daraja) ning izomorfizmi k) vektor to'plami E ustida X ahamiyatsiz to'plam bilan (daraja k ustida X) a deyiladi ahamiyatsizlashtirish ning Eva E keyin deyiladi ahamiyatsiz (yoki ahamiyatsiz). Vektor to'plamining ta'rifi shuni ko'rsatadiki, har qanday vektor to'plami mahalliy ahamiyatsiz.

Belgilangan tayanch maydonidagi barcha vektor to'plamlarining toifasini ham ko'rib chiqishimiz mumkin X. Ushbu toifadagi morfizmlar sifatida biz asosiy kosmosdagi xaritasi bo'lgan vektor to'plamlarining morfizmlarini olamiz hisobga olish xaritasi kuni X. Ya'ni quyidagi diagramma uchun morfizmlar to'plami qatnovlar:

BundleMorphism-02.png

(Ushbu turkumga e'tibor bering emas abeliya; The yadro vektor to'plamlarining morfizmi umuman umuman tabiiy ravishda vektor to'plami emas.)

D vektor to'plamlari orasidagi vektor to'plami morfizmi1: E1X1 va π2: E2X2 xaritani yopish g dan X1 ga X2 shuningdek, vektor to'plami morfizmi sifatida qaralishi mumkin X1 dan E1 uchun orqaga tortish to'plami g*E2.

Bo'limlar va mahalliy bepul bintlar

A ni bog'laydigan xarita normal sirtdagi har bir nuqtaga kesma sifatida qarash mumkin. Sirt bo'shliqdir Xva har bir nuqtada x da biriktirilgan vektor makonida vektor mavjud x.

$ V $ to'plami berilgan: EX va ochiq ichki qism U ning X, biz ko'rib chiqishimiz mumkin bo'limlar π kuni U, ya'ni doimiy funktsiyalar s: UE bu erda kompozitsion π∘s shundaymi? (π∘s)(siz)=siz Barcha uchun siz yilda U. Aslida, bo'lim har bir nuqtaga tayinlanadi U uzluksiz ravishda biriktirilgan vektor makonidan vektor. Misol tariqasida, differentsial manifoldning teginish to'plamining bo'limlari boshqa narsa emas vektor maydonlari ushbu manifoldda.

Ruxsat bering F(U) barcha bo'limlarning to'plami bo'lishi kerak U. F(U) har doim kamida bitta elementni o'z ichiga oladi, ya'ni nol qism: funktsiya s bu har bir elementni xaritada aks ettiradi x ning U vektor fazasining nol elementiga π−1({x}). Bo'limlarni nuqtali qo'shish va skaler ko'paytirish bilan, F(U) o'zi haqiqiy vektor makoniga aylanadi. Ushbu vektor bo'shliqlarining to'plami a dasta vektor bo'shliqlari X.

Agar s ning elementidir F(U) va a: UR doimiy xarita, keyin as (nuqta bo'yicha skalar ko'paytmasi) ichida F(U). Biz buni ko'ramiz F(U) a modul uzluksiz real qiymatli funktsiyalar rishtasi ustida U. Bundan tashqari, agar OX uzluksiz real qiymatli funktsiyalarning strukturaviy qatlamini bildiradi X, keyin F O ning to'plamiga aylanadiX-modullar.

O ning har bir to'plami emasX-modullar shu tarzda vektor to'plamidan kelib chiqadi: faqat mahalliy darajada bepul ular qiladi. (Sababi: mahalliy sifatida biz proektsiyaning bo'limlarini qidirmoqdamiz U × RkU; bu aniq funktsiyalar URk, va bunday funktsiya a k- uzluksiz funktsiyalarning birikmasi UR.)

Hatto ko'proq: haqiqiy vektor to'plamlari toifasi X bu teng mahalliy erkin va cheklangan hosil bo'lgan O qatlamlari toifasigaX-modullar, shuning uchun biz haqiqiy vektor to'plamlari toifasi haqida o'ylashimiz mumkin X toifasida o'tirgan kabi O pog'onalariX-modullar; bu oxirgi toifadagi abeliya, shuning uchun bu erda biz vektor to'plamlarining morfizmlari yadrolari va kokernellarini hisoblashimiz mumkin.

Bir martaba n vektor to'plami ahamiyatsiz, agar u mavjud bo'lsa n chiziqli mustaqil global bo'limlar.

Vektorli to'plamlar bo'yicha operatsiyalar

Vektorli bo'shliqlarda bajariladigan aksariyat ishlarni vektorli bo'shliq ishini bajarish orqali vektor to'plamlariga kengaytirish mumkin tolali.

Masalan, agar E - bu vektor to'plami X, keyin bir to'plam bor E * ustida X, deb nomlangan juft to'plam, uning tolasi da xX bo'ladi ikkilangan vektor maydoni (Ex) *. Rasmiy ravishda E * juftliklar to'plami sifatida aniqlanishi mumkin (x, φ), qaerda xX va φ ∈ (Ex) *. Ikkala to'plam mahalliy darajada ahamiyatsiz, chunki er-xotin bo'sh joy ning mahalliy trivializatsiyasining teskari tomoni E ning mahalliy trivializatsiyasi hisoblanadi E *: bu erda asosiy nuqta shundaki, ikkilangan vektor makonini olish jarayoni funktsional.

Vektorli bo'shliqlar juftligida (bir xil maydonda) bajarilishi mumkin bo'lgan juda ko'p funktsional operatsiyalar mavjud va ular to'g'ridan-to'g'ri vektor to'plamlarining juftlariga to'g'ri keladi. E, F kuni X (berilgan maydon ustida). Bir nechta misollar keltirilgan.

  • The Uitni summasi (uchun nomlangan Xassler Uitni ) yoki to'g'ridan-to'g'ri summa to'plami ning E va F bu vektor to'plami EF ustida X uning tolasi tugadi x bo'ladi to'g'ridan-to'g'ri summa ExFx vektor bo'shliqlarining Ex va Fx.
  • The tensor mahsulot to'plami EF shunga o'xshash tarzda, tolali tolalar yordamida aniqlanadi tensor mahsuloti vektor bo'shliqlari.
  • The Uy to'plami Uy (E, F) - bu vektor to'plami, uning tolasi x dan chiziqli xaritalar maydoni Ex ga Fx (bu ko'pincha Hom (Ex, Fx) yoki L(Ex, Fx)). Hom-to'plami (va foydali) deb ataladi, chunki vektorli to'plam homomorfizmlari o'rtasida biektsiya mavjud E ga F ustida X va Hom bo'limlari (E, F) ustida X.
  • Bo'lim berilgan oldingi misolga asoslanib s endomorfizm to'plami Hom (E, E) va funktsiya f: XR, qurish mumkin o'zbek to'plami tolani bir nuqta ustiga olish orqali xX bo'lish f(x)-xususiy maydon chiziqli xaritaning s(x): ExEx. Ushbu qurilish tabiiy bo'lsa-da, ehtiyotkorlik bilan harakat qilinmasa, natijada paydo bo'lgan ob'ekt mahalliy ahamiyatsiz narsalarga ega bo'lmaydi. Misolini ko'rib chiqing s nol qism bo'lish va f izolyatsiya qilingan nollarga ega. Natijada paydo bo'lgan "o'zbek to'plami" tarkibidagi ushbu nollar ustidagi tola ularning ustidagi tolaga izomorf bo'ladi. E, hamma joyda tolalar ahamiyatsiz 0 o'lchovli vektor maydoni.
  • The dual vektorli to'plam E * Hom to'plami Hom (E, R × X) ning gomomorfizmlari E va ahamiyatsiz to'plam R × X. Kanonik vektor to'plami bor izomorfizm Hom (E, F) = E *F.

Ushbu operatsiyalarning har biri to'plamlarning umumiy xususiyatining o'ziga xos namunasidir: vektor bo'shliqlari toifasida bajarilishi mumkin bo'lgan ko'plab operatsiyalar a-dagi vektor to'plamlari toifasida ham bajarilishi mumkin. funktsional uslubi. Bu aniq tilda qilingan silliq funktsiyalar. Boshqa tabiatdagi operatsiya bu orqaga tortish to'plami qurilish. Vektorli to'plam berilgan EY va doimiy xarita f: XY "orqaga tortish" mumkin E vektor to'plamiga f * E ustida X. Bir nuqta ustida tola xX aslida faqat tolalar f(x) ∈ Y. Demak, Uitni xulosa qilmoqda EF diagonal xaritaning orqaga tortish to'plami sifatida aniqlanishi mumkin X ga X × X paket qaerda X × X bu E × F.

Izoh: Ruxsat bering X ixcham makon bo'ling. Har qanday vektor to'plami E ustida X ahamiyatsiz to'plamning to'g'ridan-to'g'ri chaqiruvi; ya'ni to'plam mavjud E' shu kabi EE' ahamiyatsiz. Agar bu bajarilmasa X ixcham emas: masalan, tavtologik chiziq to'plami cheksiz haqiqiy proektsion maydonda bu xususiyatga ega emas.[1]

Qo'shimcha tuzilmalar va umumlashmalar

Vektorli to'plamlarga ko'pincha ko'proq tuzilish beriladi. Masalan, vektor to'plamlari a bilan jihozlangan bo'lishi mumkin vektor to'plami metrikasi. Odatda bu ko'rsatkich talab qilinadi ijobiy aniq, bu holda har bir tola E evklidlar makoniga aylanadi. A bilan vektor to'plami murakkab tuzilish a ga to'g'ri keladi murakkab vektor to'plami aniqlanishdagi haqiqiy vektor bo'shliqlarini murakkablarga almashtirish va barcha xaritalashlarni tolalar tarkibida murakkab chiziqli bo'lishini talab qilish orqali ham olish mumkin. Umuman olganda, natijada vektor to'plamiga o'rnatiladigan qo'shimcha tuzilmani odatda tushunish mumkin to'plamning tuzilish guruhini qisqartirish. Vektorli to'plamlar umumiyroq topologik sohalar ham ishlatilishi mumkin.

Agar cheklangan o'lchovli vektor maydoni o'rniga, agar tola bo'lsa F a bo'lishi kerak Banach maydoni keyin a Banach to'plami olingan.[2] Xususan, mahalliy trivializatsiyalar har bir tolada Banach kosmik izomorfizmlari (shunchaki chiziqli izomorfizmlar emas) va bundan tashqari, o'tishlar bo'lishi kerak.

ning doimiy xaritalari Banach manifoldlari. S uchun tegishli nazariyadap to'plamlar, barcha xaritalashlar C bo'lishi shartp.

Vektorli to'plamlar alohida ahamiyatga ega tolalar to'plamlari, tolalari vektor bo'shliqlari bo'lganlar va koksikl vektor makon tuzilishini hurmat qiladiganlar. Ko'proq tolaning qadoqlarini qurish mumkin, unda tolalar boshqa tuzilmalarga ega bo'lishi mumkin; masalan shar to'plamlari sharlar bilan tolalangan.

Vektorli silliq to'plamlar

Vektorli to'plam (E, p, M) silliq, agar E va M bor silliq manifoldlar, p: EM silliq xarita va mahalliy ahamiyatsizliklar diffeomorfizmlar. Kerakli silliqlik darajasiga qarab, har xil mos tushunchalar mavjud Cp to'plamlar, cheksiz farqlanadigan C- to'plamlar va haqiqiy analitik Cω- to'plamlar. Ushbu bo'limda biz diqqatimizni jamlaymiz C- to'plamlar. A ning eng muhim misoli C- vektor to'plami teginish to'plami (TM, πTM,M) ning C- ko'p marta M.

The C-vektor to'plamlari (E, p, M) umumiy xususiyatga ega bo'lmagan juda muhim xususiyatga ega C- tolali to'plamlar. Tangens bo'shliq Tv(Ex) har qanday holatda vEx tabiiy ravishda tola bilan aniqlanishi mumkin Ex o'zi. Ushbu identifikatsiya vertikal ko'tarish vlv: ExTv(Ex) sifatida belgilanadi

Vertikal ko'tarilishni tabiiy deb ham ko'rish mumkin C-vektor to'plami izomorfizmi p * EVEqaerda (p * E, p * p, E) orqaga tortish to'plami ()E, p, M) ustida E orqali p: EMva VE: = Ker (p*) ⊂ TE bo'ladi vertikal teginish to'plami, teginuvchi to'plamning tabiiy vektorli pastki to'plami (TE, πTE, E) umumiy maydonning E.

Umumiy bo'sh joy E har qanday silliq vektor to'plami tabiiy vektor maydoniga ega Vv: = vlvvdeb nomlanuvchi kanonik vektor maydoni. Rasmiy ravishda, V ning tekis qismiTE, πTE, E) va u shuningdek, Lie-guruh harakatining cheksiz kichik generatori sifatida aniqlanishi mumkin (t,v)↦etv fibrewise skalar ko'paytmasi bilan berilgan. Kanonik vektor maydoni V silliq vektorli to'plam tuzilishini quyidagi tarzda to'liq tavsiflaydi. Tayyorgarlik sifatida, qachon bo'lishiga e'tibor bering X silliq manifolddagi silliq vektorli maydon M va xM shu kabi Xx = 0, chiziqli xaritalash

∇ ning chiziqli kovariant hosilasini tanlashiga bog'liq emas M. Kanonik vektor maydoni V kuni E aksiomalarni qondiradi

1. Oqim (t,v) → ΦtV(v) ning V global miqyosda aniqlangan.

2. Har biri uchun vV noyob lim bort → ∞ ΦtV(v)∈V.

3. Cv(V)∘Cv(V)=Cv(V) har doim Vv=0.

4. ning nol to'plami V ning tekis submanifoldidir E uning koeffitsienti darajasiga teng Cv(V).

Aksincha, agar E har qanday silliq manifold va V silliq vektorli maydon E qoniqarli 1-4, unda noyob vektor to'plami tuzilishi mavjud E uning kanonik vektor maydoni V.

Har qanday silliq vektor to'plami uchun (E, p, M) umumiy maydon TE uning tangens to'plami (TE, πTE, E) tabiiyga ega ikkilamchi vektorli to'plam tuzilishi (TE, p*,TM), qaerda p* - kanonik proektsiyaning oldinga siljishi p:EM. Ushbu ikkilamchi vektor to'plami tarkibidagi vektor to'plami amallari oldinga surish +*:T(E × E) → TE va λ*: TETE asl qo'shimchaning +: E × EE va skalyar ko'paytish λ:EE.

K nazariyasi

K-nazariya guruhi, K(X), ixcham Hausdorff topologik makoni izomorfizm sinflari tomonidan hosil qilingan abeliya guruhi sifatida tavsiflanadi [E] ning murakkab vektor to'plamlari har doim bizda bo'lgan munosabat aniq ketma-ketlik

keyin

yilda topologik K-nazariyasi. KO-nazariyasi haqiqiy vektor to'plamlarini ko'rib chiqadigan ushbu qurilish versiyasi. K-nazariyasi ixcham tayanchlar ham yuqori darajadagi K-nazariya guruhlari kabi aniqlanishi mumkin.

Mashhur davriylik teoremasi ning Raul Bott har qanday fazoning K-nazariyasi ekanligini tasdiqlaydi X ning izomorfidir S2X, ning ikki karra to'xtatib turilishi X.

Yilda algebraik geometriya, tashkil topgan K-nazariya guruhlarini ko'rib chiqadi izchil qirg'oqlar a sxema X, shuningdek, yuqoridagi ekvivalentlik munosabati bilan sxema bo'yicha vektor to'plamlarining K-nazariyasi guruhlari. Ikkala konstruktsiya asosiy sxema bo'lishi sharti bilan bir xil silliq.

Shuningdek qarang

Umumiy tushunchalar

Topologiya va differentsial geometriya

  • O'lchov nazariyasi: vektorli to'plamlar va asosiy to'plamlardagi ulanishlarni va ularning fizika bilan aloqalarini umumiy o'rganish.
  • Ulanish: vektor to'plamlarining bo'limlarini farqlash uchun zarur bo'lgan tushuncha.

Algebraik va analitik geometriya

Izohlar

Manbalar

  • Ibrohim, Ralf H.; Marsden, Jerrold E. (1978), Mexanika asoslari, London: Benjamin-Kammings, 1.5 bo'limga qarang, ISBN  978-0-8053-0102-1.
  • Xetcher, Allen (2003), Vektorli to'plamlar va K-nazariyasi (2.0 tahr.).
  • Jost, Yurgen (2002), Riemann geometriyasi va geometrik tahlil (3-nashr), Berlin, Nyu-York: Springer-Verlag, ISBN  978-3-540-42627-1, 1.5 bo'limiga qarang.
  • Lang, Serj (1995), Differentsial va Riemann manifoldlari, Berlin, Nyu-York: Springer-Verlag, ISBN  978-0-387-94338-1.
  • Li, Jeffri M. (2009), Manifoldlar va differentsial geometriya, Matematika aspiranturasi, Jild 107, Providence: Amerika Matematik Jamiyati, ISBN  978-0-8218-4815-9.
  • Li, Jon M. (2003), Smooth manifoldlarga kirish, Nyu-York: Springer, ISBN  0-387-95448-1 Ch.5 ga qarang
  • Rubey, Elena (2014), Algebraik geometriya, qisqacha lug'at, Berlin / Boston: Valter De Gruyter, ISBN  978-3-11-031622-3.

Tashqi havolalar