纖維叢、聯絡與示性類

向量叢(vector bundle)

向量叢是纖維為向量空間的纖維叢,其黏合保持線性結構。激發性的例子是流形的切叢:在 M 的每一點 p 上坐落著切空間 T_p M,一個維數為 n 的真正向量空間,這些拼成 TM。你可以把坐落於同一點上的切向量相加並縮放,而這些運算光滑地變化——這正是向量叢所要求的全部。

精確地說:秩為 k 的實(或複)向量叢是一個光滑滿射 pi: E -> M,其纖維 E_p = pi^{-1}(p) 帶有 k 維向量空間的結構,並配有在每根纖維上是線性同構的局部平凡化 phi: pi^{-1}(U) -> U times R^k。當兩個平凡化重疊時,平凡化的轉換由轉移函數 g_{UV}: U cap V -> GL(k, R) 給出——黏合資料落在一般線性群裡,正是因為我們堅持黏合是線性的。截面是在每根纖維中光滑地選一個向量,s: M -> E 且 pi 與 s 的合成等於恆等映射;零截面恆存在,但處處非零的截面未必存在(你梳不平一個有毛的球面)。

向量叢無處不在:切叢與餘切叢、微分形式叢、子流形的法叢,以及攜帶幾何與拓樸資訊的線叢。它們的扭轉由示性類度量——陳類(複)、龐特里亞金類(實)、歐拉類(定向)。一個誠實的警語:秩 k 的叢為平凡(全域乘積 M times R^k)的充要條件,是它容許 k 個處處獨立的截面,即一個全域標架;大多數有趣的叢都沒有,而這個失敗正是整套理論的內容。

在 2 維球面 S^2 上,切叢 TS^2 的秩為 2 但非平凡:由毛球定理,每個連續切向量場都必須在某處消失,故無處處非零的截面,因而無全域標架,於是 TS^2 不是 S^2 times R^2。其非平凡性由歐拉類偵測,後者積分得到歐拉示性數 2。

TS^2 上沒有全域標架——這個扭轉是真實的,正是歐拉類所計數的。

每個向量叢都有零截面,所以向量叢從不「空」,但處處非零截面的存在性是個真正的拓樸問題。把「有許多截面」混為「是平凡的」是常見的失誤:平凡需要由 k 個獨立截面構成的完整全域標架,而非只要一個。

又稱
向量束