向量叢、K理論與示性類

拓樸向量叢(topological vector bundle)

想像你站在一個空間的每一點上,都被遞給一個小小的向量空間——一個平面、一條直線、或某個 R^n——你可以在裡面做加法與縮放。拓樸向量叢正是如此:一族連續變化的向量空間,底空間 X 的每一點上各放一個,並且黏合得使鄰近的纖維平順地並排在一起。在一小塊上,這族看起來像個無趣的乘積(那一塊乘以 R^n),但當你在 X 上漫遊時,這些 R^n 的副本在重新黏合前可能先被扭轉,因此整體 E 可以比 X times R^n 更有趣。

形式上,一個秩為 n 的實(或複)向量叢是一個連續滿射 pi: E -> X,並在每根纖維 E_x = pi^{-1}(x) 上配以實(或複)向量空間結構,且滿足局部平凡性:每個 x 都有一個鄰域 U 與同胚 phi: pi^{-1}(U) -> U times R^n,它與投影相容,且在每根纖維上是線性同構。當兩個這樣的圖卡重疊時,把一個纖維標架重新黏到另一個的方式,是一個取值於 GL(n) 的連續映射,即轉移函數,它們編碼了所有的扭轉。被忽略卻關鍵的字是「拓樸」:我們只要求連續性,不要求可微性,所以底空間可以是任何合理的拓樸空間,而不必是流形。

這些叢是整個領域的原料。流形的切叢是引發動機的例子,但在一般底空間上,重點在於分類:X 上存在哪些叢,兩個叢何時同構?由於一切都由取值於 GL(n) 的黏合資料在同倫意義下建立,答案結果竟是純粹同倫論的——X 上的叢由 X 映入單一萬有空間的同倫類所分類。一個常見的混淆是把拓樸範疇與光滑範疇混為一談:拓樸叢未必帶有光滑結構,而光滑同構比拓樸同構更細,不過在流形上這兩個分類問題恰好一致。

在圓 S^1 上恰有兩個實線叢(秩 1):平凡的 S^1 times R,一個普通的圓柱;以及非平凡的開莫比烏斯帶,繞一圈後纖維變號。它們取值於 GL(1) = 非零實數 的轉移函數落在 +1 與 -1 兩個分支,而這單一的正負號就是全部的拓樸內容。

S^1 上的兩個線叢,純由黏合保持或反轉定向來區分。

拓樸範疇與光滑範疇是不同的:並非每個拓樸叢都容許相容的光滑結構,即使容許,光滑分類原則上也可能更細——不過對於光滑流形上的向量叢,這兩種同構觀念是一致的。

又稱
vector bundle (topological category)拓樸範疇下的向量叢