歐拉類(Euler class)
/ OY-ler /
歐拉類度量一個定向叢是否有處處非零的截面——若沒有,又失敗得多嚴重。想想曲面上的向量場:毛球定理說你梳不平一個球面,每個場都必有零點,而歐拉類正是帶符號計數那些零點的不變量。對閉曲面的切叢,那個計數恰是歐拉示性數——名稱由此而來——這也是為何環面(歐拉示性數 0)可梳,球面(歐拉示性數 2)不可梳。
精確地說,M 上秩 k 之定向實向量叢 E 的歐拉類 e(E) 住在 H^k(M; Z) 中;它定義為處處非零截面的障礙,等價地是試圖把截面延拓過 M 各胞腔時遇到的首要障礙,又等價地(龐加萊對偶)是一般截面零點集的同調類。對偶數秩的定向叢,陳-韋伊經由 Pfaffian 給出曲率代表:e(E) 由 (1/2pi)^{k/2} Pf(Omega) 代表,即反對稱曲率矩陣的 Pfaffian——一個閉形式,其在閉定向流形上的積分是整數。Pfaffian 是反對稱矩陣行列式的「平方根」,這就是為何歐拉類平方得到最高的龐特里亞金類,e(E)^2 = p_{k/2}(E),並細化了它。把複叢看成實定向叢時,歐拉類等於最高的陳類 c_k。
歐拉類是局部幾何與全域拓樸之間的橋樑。把它的 Pfaffian 代表在閉曲面上積分,還原出高斯-博內定理:高斯曲率的積分等於 2 pi 乘以歐拉示性數。在更高維,廣義的高斯-博內-陳定理用 Pfaffian 做同樣的事。兩個誠實的警告:歐拉類只對定向叢有定義——沒有定向你只得到模 2 約化,即最高的史蒂弗-惠特尼類;而它只在偶數秩經由 Pfaffian 定義,因為奇數秩的定向叢歐拉類恆為零(一般截面有餘維等於秩的零點集,在奇數秩迫使抵消)。歐拉類比龐特里亞金類更細,而非它們的函數。
在閉定向曲面上,切叢的歐拉類積分得歐拉示性數:e(TS) 在 S 上的積分 = chi(S)。Pfaffian 代表是 (1/2pi) K dA,其中 K 是高斯曲率,所以這正是高斯-博內:K dA 的積分 = 2 pi chi(S)。對 2-球面 chi = 2,故總曲率為 4 pi;對環面 chi = 0,這與處處非零切場的存在(你可以梳平環面)一致。
高斯-博內就是切叢的歐拉類:總曲率計數歐拉示性數。
歐拉類需要一個定向——反轉定向它就變號;沒有定向你只有它的模 2 像,即最高的史蒂弗-惠特尼類。它也只對偶數秩的叢非平凡(奇數秩的定向叢歐拉類為零)。而它比龐特里亞金更細:e^2 = 最高龐特里亞金類,所以 e 是攜帶嚴格更多資訊的「平方根」。