主丛

✍ dations ◷ 2025-07-08 15:58:48 #纤维丛,微分几何,群作用

数学上,一个G主丛(principal -bundle)是一种特殊的纤维丛,其纤维为拓扑群的作用的扭子(torsor)(也称为主齐性空间)。主丛是丛,因为群也是丛的结构群。

主丛在拓扑学和微分几何中有重要应用。他们在物理学中也有应用,他们组成了规范理论的基础框架的一部分。主丛为纤维丛的理论提供了一个统一的框架,因为所有纤维丛及其结构群决定了一个唯一的主丛,从该主丛可以重建原来的那个丛。

一个主丛是一个纤维丛π : → ,及一个拓扑群的连续右作用 × → ,该作用保持的纤维不变并在纤维上自由和推移式的作用。(经常会要求基空间是豪斯多夫空间,还可能要求仿紧)。丛的抽象纤维取为本身。

由此可知,作用的轨道正好就是π : → 的纤维而轨道空间/和基空间同胚。要求在纤维上自由和推移的作用意味着纤维具有-旋子的结构。一个-旋子是同胚于的空间但没有群的结构,因为它没有一个特定的单位元的选择。

主丛的局部平凡化必须是等变(equivariant)映射,使得纤维的-旋子结构得到保持。确切地说,这表示如果

是一个有 ϕ ( p ) = ( π ( p ) , ψ ( p ) ) {\displaystyle \phi (p)=(\pi (p),\psi (p))} → 要求是一个光滑流形间的光滑映射,要求为李群,而相应的上的作用也要光滑。

最普通的光滑主丛的例子是光滑流形的标架丛。这里,中一点上的纤维是切空间的所有标架(有序的基)。一般线性群(general linear group) GL(,R)在这些标架上简单推移的作用。这些纤维可以一种自然的方式粘在一起,从而得到一个上的主GL(,R)丛。

上面这个例子的变种包括黎曼流形的正交标架丛(orthonormal frame bundle)。这里,标架必须对于度量张量正交。结构群是正交群O().

一个正则(正规)覆叠空间 : → 是一个主丛,其中,结构群 π 1 ( X ) / p π 1 ( C ) {\displaystyle \pi _{1}(X)/p_{*}\pi _{1}(C)} 上。特别的有,的万有覆叠(universal cover)是以 π 1 ( X ) {\displaystyle \pi _{1}(X)} 上的主丛。

令为李群而为闭子群。则是/(的左陪集空间)上的主丛。这里在上的作用就是右乘。

射影空间提供了更多主丛的有趣例子。回想一下,-球 是一个实射影空间(real projective space) RP的两层的覆叠空间。 O(1)在上的自然作用给它RP上的主O(1)丛的结构。同样,2+1是一个复射影空间(complex projective space) CP上的主U(1)丛,而4+3是四元数射影空间(quaternionic projective space) HP上的主Sp(1)-丛。这样,对每个正的,我们有一系列的主丛:

这里()表示(用欧氏度量)中的单位球。对于所有这些例子, = 1的情况给出了所谓的霍普夫丛。

如果π : → 是一个光滑主丛,则在上的作用是自由和真(proper)的,使得轨道空间/微分同胚于基空间。事实上,这些性质完全归纳了光滑主从的特征。也就是说,如果是一个光滑流形,是李群而μ : × → 是一个光滑,自由,和真的右作用,则

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