向量叢、K理論與示性類

史蒂弗-惠特尼類(Stiefel-Whitney class)

/ SHTEE-ful HWIT-nee /

取一個實向量叢 E,問最基本的全域問題:你能把它「梳平」嗎(找到處處非零的截面)?它可定向嗎?它帶有自旋結構嗎?史蒂弗-惠特尼類是一列模 2 上同調類 w_i(E) in H^i(X; Z/2),i = 0, 1, 2, ...,恰好回答這類是非障礙問題,而由於我們在模 2 下工作,唯一可用的算術是偶與奇之分。

它們透過分類空間乾淨地定義:H^*(BO(n); Z/2) 是多項式環 Z/2[w_1, ..., w_n],而叢 E 的史蒂弗-惠特尼類就是沿分類映射 X -> BO(n) 把這些生成元拉回。全類 w(E) = 1 + w_1 + w_2 + ... 對直和具乘法性,w(E + E') = w(E) w(E')(惠特尼求和公式),並可用分裂原理計算。低次的兩個類有清晰意義:w_1(E) in H^1(X; Z/2) 為零當且僅當 E 可定向;對可定向的 E,w_2(E) in H^2(X; Z/2) 是自旋結構的障礙。

它們的威力在於可計算、在任何底空間上有定義(只需模 2 上同調,不要求定向或複結構),且能偵測真實現象——某些浸入與嵌入的不存在、球面的可平行化、流形不為邊界。誠實的局限:它們是模 2 不變量,因此對任何更細的整係數資訊視而不見,且對非平凡叢也可能為零。流形切叢的史蒂弗-惠特尼類是該流形的微分同胚不變量(史蒂弗-惠特尼數),但兩個有相同 w_i 的叢仍可能不同構。

對實射影平面 RP^2 的切叢,全史蒂弗-惠特尼類為 w(T RP^2) = (1 + a)^3 = 1 + a + a^2,其中 a 是 H^1(RP^2; Z/2) 的生成元。由於 w_1 = a 非零,RP^2 不可定向;由於 w_2 = a^2 非零,RP^2 不是某三維流形的邊界。兩個事實都直接從模 2 算術掉出來。

w_1 偵測不可定向性,w_2 偵測 RP^2 不是邊界——兩者皆由模 2 讀出。

史蒂弗-惠特尼類住在模 2 上同調,只攜帶 2 撓層級的資訊;凡是整係數或有理不變量看得到的,它們都看不到。相同的史蒂弗-惠特尼類並不蘊含叢同構。它們是障礙,而非完全不變量。

又称
w_i(E)SW classes史蒂弗-惠特尼示性類