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曲率から特性類を作る(チャーン・ヴェイユ理論の入門)

接続を選ぶと曲率が決まります。ところが接続の選び方は無数にあり、曲率もそのぶん変わる。

それでも、曲率から作ったある種の量は、接続を変えても同じ値になります。この量が特性類で、束のねじれ具合を測る位相不変量[1]

以下では不変多項式から出発し、曲率を代入した形式が閉じていること、コホモロジー類が接続に依らないことを確かめ、チャーン類とポントリャーギン類まで扱います。

束のねじれを数で測りたい

ベクトル束が自明かどうかを判定したいとします。自明なら大域的な枠がとれ、そうでなければとれない。

判定を直接やるのは大変です。すべての枠を調べるわけにはいきません。

そこで、自明な束では必ず になる量を作ります。 でなければ自明ではない、と結論できる[3]

特性類とは

各ベクトル束にコホモロジー類を対応させ、引き戻しと両立するものを特性類といいます[3]

に対し が成り立つ、という条件。自然変換になっている。

自明束には を返します。したがって なら は自明でない。

曲率形式

主束の接続形式 に対し、曲率形式を

で定めます[6]。カルタンの構造方程式。

リー代数に値をとる 形式です。ベクトル束なら、 形式を成分とする行列。

接ベクトル束にとれば、 がリーマン曲率テンソル になります。

ビアンキ恒等式

曲率形式は を満たします[6]。第 2 ビアンキ恒等式。

は共変外微分です。 を微分すると消える、という主張。

この式が、あとで「閉形式が出る」ことの根拠になります。

不変多項式

リー代数 の上の多項式 で、随伴作用について不変なものを不変多項式といいます[1]

が任意の で成り立つ、という条件。基底のとり替えで値が変わらない量。

行列のリー代数なら、 の係数が該当します。

例:不変多項式を並べる

の不変多項式は、基本対称式で生成されます。

— 1 次。固有値の和
— 2 次。固有値の 2 乗和
次。固有値の積
の係数 — 固有値の基本対称式

どれも固有値の対称関数です。共役で変わらない量は、固有値の対称式に限られる。

曲率を代入する

次の不変多項式 に曲率形式を代入します。 形式なので、 形式。

多項式に行列を入れる操作を、 形式を成分とする行列に対して行う形です。 形式どうしは可換なので、順序の問題は起きません。

不変性から、 は主束の上の形式として底空間へ降ります[1]。枠のとり替えで値が変わらないため。

閉形式になる

は閉形式です。証明はビアンキ恒等式から出ます[1]

が不変性から言え、 が微分として振る舞うことと を合わせると になる。

したがって はド・ラームコホモロジーの類を定めます。

接続に依らない

を 2 つの接続とし、 で結びます。接続の全体はアフィン空間なので、この直線が引ける。

で微分して積分すると、 が完全形式になることが示せます[1]

コホモロジー類としては同じです。接続の選び方に依らない量が、こうして手に入る。

チャーン・ヴェイユ準同型

不変多項式からコホモロジーへの写像が定まりました。

これがチャーン・ヴェイユ準同型です[1]。代数の準同型になっている。

微分幾何の計算から位相の情報が出る、という橋がここに架かります。

接続を選ぶ

曲率形式を作る

不変多項式に代入する

接続によらないコホモロジー類が残る

3 歩目までは接続に依存し、4 歩目で依存が消えます。消え方を保証するのが上の 2 つの補題。

3 歩目までは選び方に引きずられています。4 歩目で商をとり、依存が落ちる。

コホモロジーをとる操作が、余分な情報を捨てる働きをしています。

曲率が変わっても類が動かない様子

接続を動かすと曲率形式が変わりますが、積分した値は動きません。

青い曲線が上下に波打っても、囲む面積は変わりません。赤い破線がその平均。

差が完全形式になっている、というのがこの絵の内容です。積分すればストークスの定理で消える。

チャーン類

複素ベクトル束 に対し、 で展開します。

の係数がチャーン類です[2,5] 次のコホモロジー類。

で割り、 を掛けるのは、整数係数のコホモロジーに値が入るようにするため。規格化の定数。

全チャーン類とホイットニー和

を全チャーン類といいます。

直和については

が成り立ちます[2,5]。行列式が対角ブロックで積に分かれることから出る。

を使う定義が、この積の形を自然に出しています。

例:直線束の第 1 チャーン類

複素直線束では だけが残ります。曲率は 次の行列、つまり 形式そのもの。

です。 は複素直線束を完全に分類します[2] との間に 1 対 1 の対応がある。

例: の接束

リーマン球面の複素接束について を積分すると になります[5]

でないので、この束は自明ではありません。至るところ でない切断が存在しない。

実の言葉に直せば、球面に接する零点のないベクトル場が作れない、という事実です。毛玉の定理[2]

巻きつきの数として見る

になる、というのは何を数えているのか。境界での回転数として読めます。

境界を 1 周するあいだに、矢印は 2 回転します。中央の弧が、たまった角度。

回転数が でないと、内部を零点なしで埋められません。 が言っているのはこの障害[2]

例:曲率の積分が回転数になる

直線束で を積分すると、境界での接続形式の回転数が出ます。ストークスの定理で境界へ落とす形。

平坦な接続なら曲率が ですが、境界での回転数が消えるとは限りません。可縮でない領域では差が残る。

第 1 チャーン類が整数値をとるのは、この回転数が整数だから。連続に動かしても飛ばない量。

例:ガウス・ボネとの一致

次元では の積分がオイラー標数に一致します。 では で、上の値と合う。

一般に、複素多様体の接束の と実の接束のオイラー類が対応します。

ガウス・ボネの定理は、この対応の 次元での姿になっています。曲率の積分が位相不変量になる、という共通の構図。

チャーン・ヴェイユの構成で、接続をとり替えたときに変わらないのはどれか。

  • 曲率形式
  • 不変多項式に代入した形式
  • が定めるコホモロジー類
  • どれも変わらない
__RESULT__

も接続で変わります。差が完全形式になるので、コホモロジー類だけが不変になる。

ポントリャーギン類

実ベクトル束では、複素化してからチャーン類をとります。

がポントリャーギン類です[4] 次のコホモロジーに入る。

奇数番目のチャーン類は 捩れを除いて消えます。実の束を複素化すると、共役で移り合う対称性が入るため。

オイラー類

向き付けられた偶数階数の実ベクトル束には、オイラー類が定まります。

曲率形式のパフィアンから作ります。 で割った形。

接束のオイラー類を積分するとオイラー標数が出ます。これがチャーン・ガウス・ボネの定理。

チャーン類

複素ベクトル束。 の係数として出ます。 次。

ポントリャーギン類

実ベクトル束。複素化してからチャーン類をとります。 次。

障害としての読み方

特性類は、束が良い性質を持つことの障害として読めます[3]

なら、零点のない切断が作れません。 なら、束は自明でない。

「作れない理由」を数で書き下したもの、という位置づけになります。作れる場合には になる。

特性数と不変量

特性類の積を基本類と対にすると、整数が出ます。特性数と呼ばれる量。

コボルディズム類がこの数で決まります。2 つの多様体がコボルダントであることと、特性数がそろうことが同値[3]

ヒルツェブルフの符号数定理は、符号数をポントリャーギン数で書く公式です[4]

有理係数までしか出ない

チャーン・ヴェイユの構成は、実または複素係数のコホモロジーに値をとります。

したがって捩れの情報は落ちます。シュティーフェル・ホイットニー類のような 係数の類は、この方法では作れません。

微分幾何で見えるのは、実係数に写した像だけ、ということ。位相の側から見ると情報が減っています。

よくある誤り

曲率形式そのものが接続に依らないと思う。依るのはコホモロジー類のほうだけです
不変でない多項式に曲率を代入する。枠のとり替えで値が変わり、底空間へ降りません
の規格化定数を落とす。 を掛けないと整数になりません
ホイットニー和の公式を和だと思う。全チャーン類のカップ積です
ポントリャーギン類が 次だと思う。 次に入ります
特性類が なら束が自明だと結論する。障害が消えただけで、自明性は言えません
チャーン・ヴェイユで捩れの情報が出ると思う。実係数までしか届きません

参考文献

Chern–Weil homomorphism
Chern class
Characteristic class
Pontryagin class
Chernklasse
Curvature form
接続の選び方は無数にあり、曲率もそのぶん変わります。ところが曲率を不変多項式に代入した形式は閉じていて、そのコホモロジー類だけは接続に依らない。この一点に理論の全部がかかっています。$\det(I + it\Omega/2\pi)$ の展開係数がチャーン類で、リーマン球面の接束では積分が $2$ になります。$0$ でないので零点のないベクトル場が作れない。毛玉の定理を曲率の計算が言い当てる格好です。ポントリャーギン類と障害としての読み方まで扱う。