В математике, в частности, в алгебраической топологии и дифференциальной геометрии, то классы Штифеля-Уитни представляют собой набор топологических инвариантов одного вещественных векторного расслоения, описывающие препятствие для построения всюду независимых наборов сечений векторного расслоения. Классы Штифеля – Уитни индексируются от 0 до n, где n - ранг векторного расслоения. Если класс Штифеля – Уитни индекса i отличен от нуля, то не может существовать ( n - i +1) всюду линейно независимых сечений векторного расслоения. Ненулевой n- й класс Штифеля – Уитни указывает, что каждая секция расслоения в какой-то момент должна обратиться в нуль. Ненулевой первый класс Штифеля – Уитни указывает на то, что векторное расслоение не ориентируемо. Например, первый класс Штифеля – Уитни полосы Мёбиуса как линейного расслоения над окружностью не равен нулю, тогда как первый класс Штифеля – Уитни тривиального линейного расслоения над окружностью, S 1 × R, равен нулю.
Класс Штифеля-Уитни был назван в Эдуарда Штифелем и Hassler Уитни и является примером Z / 2 Z - характеристический класс, связанный с реальными векторных расслоений.
В алгебраической геометрии можно также определить аналогичные классы Штифеля – Уитни для векторных расслоений с невырожденной квадратичной формой, принимающих значения в этальных группах когомологий или в K-теории Милнора. В качестве частного случая можно определить классы Штифеля – Уитни для квадратичных форм над полями, первые два случая - это дискриминант и инвариант Хассе – Витта ( Milnor 1970 ).
Для вещественного векторного расслоения Е, то класс Штифеля-Уитни Е обозначается ш ( Е ). Это элемент кольца когомологий
здесь Х представляет собой базовое пространство расслоения Е и Z 2 / Z (часто обозначается в качестве альтернативы Z 2 ) является коммутативное кольцо которого только элементы 0 и 1. Компонент из ш ( Е ) в Н я ( X ; Z / 2 Z ) обозначается через ш я ( Е ) и называется я -й класс Штифеля-Уитни из Е. Таким образом, w ( E ) = w 0 ( E ) + w 1 ( E ) + w 2 ( E ) + ⋅⋅⋅, где каждый w i ( E ) является элементом H i ( X ; Z / 2 Z ).
Класс Штифеля – Уитни w ( E ) является инвариантом вещественного векторного расслоения E ; то есть, когда Р является еще вещественное векторное расслоение, которое имеет ту же базовое пространство X, как Е, и если F является изоморфной с Е, то классы Штифеля-Уитни ш ( Е ) и W ( F ) равны. (Здесь изоморфные означает, что существует изоморфизм векторного расслоения E → F, который охватывает тождественный идентификатор X : X → X. ) В то время как в целом трудно решить, расслоения ли два вещественный вектор E и F изоморфны, классы Штифеля-Уитни w ( E ) и w ( F ) часто легко вычислить. Если они разные, то известно, что E и F не изоморфны.
В качестве примера, над окружностью S 1, существует линейное расслоение (то есть вещественное векторное расслоение ранга 1), не изоморфно тривиальное расслоение. Это линейное расслоение L является лентой Мёбиуса (которая представляет собой расслоение, слои которого могут быть снабжены структурами векторных пространств таким образом, что они становятся векторным расслоением). Группа когомологий Н 1 ( S 1 ; Z / 2 Z ) имеет только один элемент, отличный от 0. Этот элемент является первым классом Штифеля-Уитни ш 1 ( L ) из L. Так как тривиальное линейное расслоение над S 1 имеет первый класс Штифеля-Уитни 0, она не изоморфна L.
Два вещественных векторных расслоения E и F, которые имеют один и тот же класс Штифеля – Уитни, не обязательно изоморфны. Это происходит, например, когда Е и F являются тривиальными вещественные векторные расслоения разных рангов над одной и той же базой пространства X. Это также может произойти, когда Е и F имеют одинаковый ранг: касательное расслоение на 2-сферы S 2 и тривиальное вещественное векторное расслоение ранга 2 над S 2 имеют один и тот же класс Штифеля-Уитни, но они не изоморфны. Но если два вещественных линейных расслоения над X имеют один и тот же класс Штифеля – Уитни, то они изоморфны.
Классы Штифеля-Уитни ш I ( E ) получили свое название потому, что Эдуард Штифель и Hassler Уитни открыл их, как мод-2 сокращениях классов препятствий для построения п - я + 1 всюду линейно независимые секции по вектору пучка Е ограничен I -остов X. Здесь п обозначает размерность слоя векторного расслоения F → E → X.
Чтобы быть точным, если Х представляет собой клеточный комплекс, Уитни определены классы W I ( E ) в I -ой сотовой когомологический группу из X с скрученными коэффициентами. Система коэффициентов будучи ( я -1) -й гомотопическую группу из многообразия Штифеля V п - я + 1 ( Р ) из ( п - я + 1) линейно независимых векторов в слоях Е. Уитни доказал, что W i ( E ) = 0 тогда и только тогда, когда E, будучи ограниченным i -скелетом X, имеет ( n - i +1) линейно независимых секций.
Так как π я -1 V п - я + 1 ( F ) либо бесконечномерным циклический или изоморфными, чтобы Z / 2 Z, существует каноническое уменьшение Ш я ( Е ) классов к классам ш I ( Е ) ∈ H я ( X ; Z / 2 Z ), которые являются классами Штифеля – Уитни. Более того, всякий раз, когда π i −1 V n - i +1 ( F ) = Z / 2 Z, эти два класса идентичны. Таким образом, вес 1 ( E ) = 0 тогда и только тогда, когда расслоение Е → X является ориентируемым.
Класс w 0 ( E ) не содержит информации, поскольку по определению равен 1. Его создание Уитни было актом творческой нотации, позволившим справедливой формуле суммы Уитни w ( E 1 ⊕ E 2 ) = w ( E 1 ) w ( E 2 ).
Всюду, Н я ( Х ; G ) обозначает сингулярную когомологию космического X с коэффициентами в группе G. Слово карта всегда означает непрерывную функцию между топологическими пространствами.
Характеристический класс Штифеля-Уитни вещественного векторного расслоения конечного ранга E на паракомпактном базовом пространстве X определяется как единственный класс, для которого выполняются следующие аксиомы:
Уникальность этих классов доказывается, например, в разделе 17.2–17.6 в Husemoller или в разделе 8 в Milnor and Stasheff. Есть несколько доказательств существования, исходящие от разных конструкций, с несколькими разными вкусами, их согласованность обеспечивается утверждением об уникальности.
В этом разделе описывается конструкция, использующая понятие классификации пространства.
Для любого векторного пространства V пусть Gr n ( V ) обозначает грассманиан, пространство n -мерных линейных подпространств в V, и обозначает бесконечный грассманиан
Напомним, что она оснащена тавтологического пучка в ранг п векторное расслоение, которое может быть определено как подрасслоением тривиального расслоения волокна V, слой которого в точке является подпространство, представленное W.
Пусть f : X → Gr n, - непрерывное отображение в бесконечный грассманиан. Тогда с точностью до изоморфизма расслоение, индуцированное отображением f на X
зависит только от гомотопического класса отображения [ f ]. Таким образом, операция отката дает морфизм множества
отображений X → Gr n по модулю гомотопической эквивалентности множеству
изоморфизма классов векторных расслоений ранга п над X.
(Важным фактом в этой конструкции является то, что если X - паракомпактное пространство, это отображение является биекцией. По этой причине мы называем бесконечные грассманианы классифицирующими пространствами векторных расслоений.)
Теперь, естественности аксиомой (4) выше,. Поэтому в принципе достаточно знать значения для всех j. Однако кольцо коголомологий свободно от определенных образующих, возникающих из стандартного клеточного разложения, и тогда оказывается, что эти образующие на самом деле просто задаются формулой. Таким образом, для любого расслоения ранга n,, где f - подходящее классифицирующее отображение. Это, в частности, является одним из доказательств существования классов Штифеля – Уитни.
Сейчас мы ограничиваемся выше конструкцию, расслоений, т.е. мы рассмотрим пространство, Vect 1 ( X ) линейных расслоений над X. Грассманиан прямых Gr 1 - это просто бесконечное проективное пространство
который дважды покрываются бесконечной сфера S ∞ по диаметрально противоположным точкам. Эта сфера S ∞ является сжимаемым, так что мы имеем
Следовательно, P ∞ ( R ) - это пространство Эйленберга-Маклейна K ( Z / 2 Z, 1).
Свойство пространств Эйленберга-Маклейна состоит в том, что
для любого X с изоморфизмом f → f * η, где η - образующая
Применяя предыдущее замечание о том, что α: [ X, Gr 1 ] → Vect 1 ( X ) также является биекцией, мы получаем биекцию
это определяет класс Штифеля – Уитни w 1 для линейных расслоений.
Если Vect 1 ( X ) рассматривается как группа относительно операции тензорного произведения, то класс Штифеля – Уитни, w 1 : Vect 1 ( X ) → H 1 ( X ; Z / 2 Z ), является изоморфизмом. То есть, ш 1 (λ ⊗ μ) = ш 1 (Х) + ш 1 (ц) для всех пучков линий X, μ → Х.
Например, поскольку H 1 ( S 1 ; Z / 2 Z ) = Z / 2 Z, есть только два линейных расслоения над окружностью с точностью до изоморфизма расслоений: тривиальное и открытая лента Мёбиуса (т. Е. Лента Мёбиуса с удаленной границей).
Та же конструкция для комплексных векторных расслоений показывает, что класс Черна определяет биекцию между комплексными линейными расслоениями над X и H 2 ( X ; Z ), поскольку соответствующее классифицирующее пространство - это P ∞ ( C ), a K ( Z, 2). Этот изоморфизм верен для топологических линейных расслоений, препятствием к инъективности класса Черна для алгебраических векторных расслоений является якобиево многообразие.
Из приведенной выше биекции для линейных расслоений следует, что любой функтор θ, удовлетворяющий четырем аксиомам выше, равен w, по следующему аргументу. Вторая аксиома дает θ (γ 1) = 1 + θ 1 (γ 1). Для отображения включения i : P 1 ( R ) → P ∞ ( R ) обратное расслоение равно. Таким образом, первая и третья аксиомы подразумевают
Поскольку карта
является изоморфизмом, откуда следует θ (γ 1) = w (γ 1). Пусть Е вещественное векторное расслоение ранга п над пространством X. Тогда E допускает отображение расщепления, т. Е. Отображение f : X ′ → X для некоторого пространства X ′, такого, что инъективно, и для некоторых линейных расслоений. Любое линейное расслоение над X имеет вид некоторого отображения g, и
по естественности. Таким образом, θ = w на. Из четвертой аксиомы выше следует, что
Поскольку инъективно, θ = w. Таким образом, класс Штифеля – Уитни - это единственный функтор, удовлетворяющий четырем вышеупомянутым аксиомам.
Хотя отображение w 1 : Vect 1 ( X ) → H 1 ( X ; Z / 2 Z ) является биекцией, соответствующее отображение не обязательно инъективно в более высоких измерениях. Например, рассмотрим касательное расслоение TS n при четном n. При каноническом вложении S n в R n +1 нормальное расслоение ν на S n является линейным расслоением. Поскольку S n ориентируемо, ν тривиально. Сумма TS n ⊕ ν - это просто ограничение T R n +1 на S n, что тривиально, поскольку R n +1 стягиваемо. Следовательно, w ( TS n) = w ( TS n) w (ν) = w ( TS n ⊕ ν) = 1. Но, если n четное, TS n → S n нетривиально; его класс Эйлера, где [ S п ] обозначает фундаментальный класс из S п и х с характеристикой Эйлера.
Если мы работаем на многообразии размерности n, то любое произведение классов Штифеля – Уитни полной степени n можно спарить с Z / 2 Z - фундаментальным классом многообразия, чтобы получить элемент Z / 2 Z, Штифель– Число Уитни векторного расслоения. Например, если многообразие имеет размерность 3, существуют три линейно независимых числа Штифеля – Уитни, задаваемые формулой. В общем, если многообразие имеет размерность п, число возможных независимых чисел Штифеля-Уитни является число разделов в п.
Числа Штифеля – Уитни касательного расслоения гладкого многообразия называются числами Штифеля – Уитни многообразия. Они известны как инварианты кобордизмов. Лев Понтрягин доказал, что если B - гладкое компактное ( n +1) -мерное многообразие с краем, равным M, то все числа Штифеля-Уитни для M равны нулю. Более того, Рене Том доказал, что если все числа Штифеля-Уитни для M равны нулю, то M может быть реализовано как граница некоторого гладкого компактного многообразия.
Одним из важных чисел Штифеля – Уитни в теории хирургии является инвариант де Рама (4 k +1) -мерного многообразия,
Классы Штифеля-Уитни ш к являются Стинрода квадратов по Ву классов об к, определяемой Wu Вэньцзюнь в ( Wu +1955 ). Проще говоря, полный класс Штифеля – Уитни - это полный квадрат Стинрода всего класса Wu: Sq ( v) = w. Классы Wu чаще всего неявно определяются в терминах квадратов Стинрода, как класс когомологий, представляющий квадраты Стинрода. Пусть многообразие X будет п одномерным. Тогда для любого класса когомологий х степеней пк,. Или, более узко, мы можем снова потребовать для классов когомологий x степени nk. ошибка harv: цель отсутствует: CITEREFWu1955 ( справка )
Элемент называется i + 1 интегральным классом Штифеля – Уитни, где β - гомоморфизм Бокштейна, соответствующий редукции по модулю 2, Z → Z / 2 Z:
Например, третий интеграл класс Штифеля-Уитни препятствие к Спин гр структуры.
Над алгеброй Стинрода классы Штифеля – Уитни гладкого многообразия (определяемые как классы Штифеля – Уитни касательного расслоения) порождаются классами этого вида. В частности, классы Штифеля – Уитни удовлетворяют формуле Ву, названной в честь Ву Вэньцзюня :