纖維叢、聯絡與示性類

標架叢(frame bundle)

一點處的標架就是坐落於該處之向量空間的一個有序基底。標架叢把它們全部收集起來:在流形 M 的每一點 p 上,取切空間 T_p M 的所有有序基底之集,再把這些在整個 M 上叢成一束。由於 k 維空間的任兩個基底相差一個可逆矩陣,纖維是 GL(k, R) 的一份副本——但沒有特定基底被選出,所以它是個 torsor,而非群本身。

精確地說:對秩 k 的向量叢 E -> M,標架叢 Fr(E) 是一個主 GL(k,R)-叢,其在 p 上的纖維是所有線性同構 R^k -> E_p 之集,等價地即 E_p 的所有有序基底。群 GL(k,R) 以「更換基底」右作用:標架 f 與矩陣 A 的合成是一個新標架,而此作用在每根纖維上自由且可遞,這正是主叢結構。E 的轉移函數(取值於 GL(k,R))恰是 Fr(E) 的轉移函數——建構標架叢只是把同一個上閉鏈重新詮釋為主叢。對切叢 TM 寫成 Fr(M),即切標架的 GL(n,R)-叢。

標架叢是向量叢與主叢之間的橋樑:每個向量叢都是經由 GL(k) 在 R^k 上的標準表示,由其標架叢相伴而成的叢;反過來,向量叢上的聯絡、度量或定向,對應於其標架叢上的結構。加上一個黎曼度量會把結構群從 GL(n) 約化為 O(n)(只保留正交標架);加上定向則約化為 GL^+(n) 或 SO(n)。實用的結論是:關於向量叢的問題(它有度量嗎?定向嗎?平坦聯絡嗎?)都化為「約化某一個主叢之結構群」的問題,後者往往更清爽。

在 2 維球面上,(TS^2, 圓球度量) 的正交標架叢是一個主 SO(2)-叢。由於 SO(2) 是圓,這是 S^2 上的一個圓叢——事實上它就是霍普夫叢 S^3 -> S^2(更精確地說是 SO(3) -> S^2)。全域截面會是一個全域正交標架,但毛球定理禁止它;這個圓叢的非平凡性,與 S^2 的不可平行化是同一件事。

標架叢的(非)平凡性即全域標架的(不)存在性——對 S^2 而言,並不存在。

標架叢只有在你固定了結構群之後才有定義:GL(k) 的 Fr(E) 與 O(k) 的正交標架叢,是同一個 M 上不同的主叢。選擇較小的群,正是那份額外的幾何資料(一個度量、一個定向)——它是結構群的約化,而非自動就有的特徵。

又稱
bundle of frames標架束