Глава 3 · Подрасслоения, факторы и дополнения

Подрасслоения, факторы и дополнения

Предыдущая глава построила расслоения с помощью операций вроде прямой суммы и внешней степени: ранг результата каждой такой операции заранее определяется рангами исходных расслоений. Для ядра и образа конкретного морфизма это уже неверно — их размерности могут меняться от точки к точке. Здесь мы найдём точное условие, при котором семейство подпространств FxEx образует подрасслоение, построим фактор E/F и применим результат к ядрам, образам и коядрам морфизмов локально постоянного ранга. Затем проекторы опишут уже выбранные глобальные дополнения, а эрмитова метрика выделит среди них ортогональное.

Векторные подрасслоения

Теперь сформулируем, какого условия не хватало в примере из конца предыдущей главы. Одного послойного включения FxEx недостаточно: подпространствам нужны локальные координаты, совместимые с топологией окружающего расслоения. Пусть EX — векторное расслоение с проекцией π:EX, а FE. Положим Fx=FEx.

Определение

Векторное подрасслоение

Подмножество FE называется векторным подрасслоением (vector subbundle), если с индуцированной из E топологией и проекцией π|F:FX оно является векторным расслоением, а каждый слой Fx — линейным подпространством Ex.

Локальная тривиализация такого F даёт непрерывные сечения s1,,sr:UE, значения которых в каждой точке yU образуют базис Fy. Поэтому вектор подрасслоения задаётся обычными непрерывными координатами:

(y,a1,,ar)j=1rajsj(y)Fy

Например, если WCn — фиксированное подпространство, то X×W является подрасслоением X×Cn: один и тот же базис этого подпространства работает над всей базой. Для семейства kerAt такого локального базиса около нуля нет, поскольку число базисных векторов должно было бы измениться при t=0.

Для построения фактора нужны координаты на всём E, в которых каждый вектор из F имеет вид (a1,,as,0,,0). Прибавление такого вектора меняет первые s координат, но не меняет остальные; поэтому последние могут описывать класс по модулю F. Чтобы получить такие координаты, нужно доказать, что около каждой точки у F есть дополнение. Сначала установим более общий способ получить такое разложение.

Теорема

Образ послойно инъективного морфизма

Пусть морфизм расслоений φ:DE над X инъективен в каждом слое, то есть каждое φx:DxEx инъективно. Тогда

imφ=xXimφx

является подрасслоением E, а морфизм Dimφ — изоморфизмом расслоений. Более того, около каждой точки существуют окрестность U и подрасслоение GE|U такое, что

E|Uimφ|UG

Зафиксируем точку xX и выберем общую окрестность U, на которой D и E тривиальны. В слое Ex выберем линейное дополнение W к φx(Dx). В выбранной тривиализации E|U это фиксированное пространство задаёт постоянное подрасслоение G=U×W. Поскольку φx инъективно,

dimW=dimExdimDx
dim(DxW)=dimEx

Поэтому следующий морфизм задаётся квадратной матрицей:

Ψ:D|UGE|U,(d,g)φ(d)+g

В слое над x это изоморфизм по выбору W. В локальных координатах его матрица непрерывно зависит от точки базы. Её определитель ненулевой в точке x, а значит, после уменьшения U остаётся ненулевым во всей окрестности. Поэтому Ψ является изоморфизмом расслоений. Первое слагаемое его области отождествляется с imφ|U, что доказывает утверждение.

Теперь применим его к включению FE. Это морфизм расслоений, инъективный в каждом слое, поэтому доказанная теорема даёт главный результат части.

Теорема

Локальная форма подрасслоения

Пусть FE и каждое Fx является линейным подпространством Ex. Тогда F является подрасслоением в точности тогда, когда около каждой точки существует тривиализация τ:E|UU×Cn и фиксированное подпространство WCn такие, что

τ(F|U)=U×W

Для подрасслоения это условие равносильно существованию около каждой точки дополнения GE|U и разложения

E|UF|UG

Именно это разложение понадобится дальше: дополнение G даст локальные координаты фактору по F.

Факторы по подрасслоениям

Пусть FE — подрасслоение. В одном слое будем считать векторы e,eEx эквивалентными, если их разность лежит в Fx:

eeeeFx
Определение

Топологический фактор

Объединим послойные фактор-пространства в множество

E/F=xXEx/Fx

и обозначим класс вектора e через [e]. Сюръекция

q:EE/F,q(e)=[e]

задаёт на E/F фактор-топологию (quotient topology): множество AE/F открыто тогда и только тогда, когда q1(A) открыто в E.

Эквивалентные векторы лежат в одном слое, поэтому проекция π:EX принимает на них одно значение. Следовательно, она задаёт отображение

π¯:E/FX,π¯([e])=π(e)

Оно непрерывно: равенство π¯q=π и определение фактор-топологии сводят проверку непрерывности π¯ к уже известной непрерывности π. Пока мы получили топологическое пространство над X, слой которого над x равен Ex/Fx. Остаётся доказать локальную тривиальность.

Зафиксируйте координату класса и двигайте представителя вдоль подпространства. Затем измените поперечную координату. Какое движение сохраняет образ в факторе? Отдельно проверьте нулевой класс.

Фактор забывает координату вдоль Fₓ

qx:ExEx/Fx
Вдоль Fₓ
0,55
Координата класса
0,58
ExFxe+Fx(E/F)x[e]qxe
Описание текущего рисунка
Положение объектов можно менять с клавиатуры через параметры виджета: стрелками — на один шаг, Home и End — к границам диапазона.
Слой E икс
Область
Подпространство F икс
Прямая или отрезок
Смежный класс e плюс F икс
Прямая или отрезок
Фактор-пространство E икс по F икс
Прямая или отрезок
Фактор-отображение q икс
Стрелка. Начало: точка на объекте «Смежный класс e плюс F икс». Конец: Класс выбранного вектора.
Класс выбранного вектора
Точка
Выбранный представитель
Точка. Управление: Вдоль Fₓ и Координата класса.
qx(e+f)=qx(e),fFx
Фактор отождествляет представителей одного классаВсе представители множества e+Fx переходят в один класс [e]Ex/Fx.
Теорема

Фактор по подрасслоению

Если FE — подрасслоение, то построенная проекция π¯:E/FX является векторным расслоением. Его называют фактор-расслоением (quotient bundle), а q:EE/F — каноническим сюръективным морфизмом расслоений.

Зафиксируем точку базы и выберем вокруг неё окрестность U с разложением из предыдущей части:

E|UF|UG

В этих координатах определена непрерывная проекция на второе слагаемое

pG:E|UG,pG(f+g)=g

Она принимает одинаковые значения на векторах, которые отличаются на элемент F. Поскольку U открыто, а π¯ непрерывно, множество (E/F)|U=π¯1(U) открыто в E/F. Его полный прообраз при q равен E|U=q1((E/F)|U), ограничение qU:E|U(E/F)|U поэтому остаётся фактор-отображением. Для него отображение из (E/F)|U непрерывно в точности тогда, когда его композиция с qU непрерывна. Так как pG непрерывно и постоянно на классах эквивалентности, оно единственным образом задаёт непрерывное отображение

p¯G:(E/F)|UG,p¯G([f+g])=g

для которого p¯GqU=pG. Оно обратно к ограничению q|G:G(E/F)|U, поскольку

p¯G(q|G)=idG
  1. Применяем определения
    (q|G)(p¯G([f+g]))=q(g)
  2. Результат: Возвращаем исходный класс
    q(g)=q(f+g)=[f+g]

Следовательно, отображения p¯G и q|G:G(E/F)|U взаимно обратны и линейны в каждом слое. Значит, q|G переносит локальные координаты G на (E/F)|U и доказывает локальную тривиальность фактор-расслоения.

Обозначим включение через i:FE. В каждом слое ix инъективно, qx сюръективно и kerqx=imix=Fx. Эти равенства записываются одной последовательностью:

0FiEqE/F0

Последовательность, точная в каждом слое, называется короткой точной последовательностью (short exact sequence). Из размерностей её членов следует

rk(E/F)(x)=rkE(x)rkF(x)

Дополнение G использовалось только для доказательства локальной тривиальности. Множество E/F, его топология, проекция π¯ и морфизм q были определены до выбора G и от этого выбора не зависят.

Чтобы так же собрать в расслоение послойные коядра произвольного морфизма, нужно сначала убедиться, что его послойный образ является подрасслоением. Следующая часть даст для этого проверяемое условие.

Ядра, образы и коядра морфизмов

Для морфизма φ:EF определим послойное коядро формулой cokerφx=Fx/imφx. Размеры ядра, образа и коядра определяются одним числом:

dimkerφx=dimExrkφx
dimimφx=rkφx
dimcokerφx=dimFxrkφx
Определение

Локально постоянный ранг

Морфизм φ:EF имеет локально постоянный ранг, если функция xrkφx локально постоянна на X. На разных связных компонентах её значения могут различаться.

Для произвольного морфизма положим

kerφ=xXkerφx
imφ=xXimφx
cokerφ=xXFx/imφx

Ядро и образ получают топологии подпространств из E и F, а коядро — фактор-топологию из F. Теперь можно сформулировать точный критерий.

Теорема

Критерий локально постоянного ранга

Если φ имеет локально постоянный ранг, то kerφ и imφ являются подрасслоениями, а cokerφ — векторным расслоением. Обратно, если хотя бы одно из этих трёх послойных объединений является расслоением с указанной топологией, то ранг φ локально постоянен. При выполнении этих условий отображение

φ¯:E/kerφimφ,[e]φ(e)

является изоморфизмом векторных расслоений.

Докажем достаточность около точки xX. Выберем окрестность U с тривиализациями E|UU×Cm и F|UU×Cn. В них φ задаётся непрерывной матрицей A(y). После уменьшения U её ранг равен одному числу r во всех точках.

Выберем невырожденный минор размера r в точке x. Поблизости он остаётся невырожденным. Исключение строк и столбцов с использованием обратной к этому минору матрицы непрерывно зависит от y и приводит A(y) к блочному виду. Нижний блок обязан быть нулевым, иначе ранг был бы больше r:

A(y)(Ir000)

Знак означает непрерывную смену базисов в области определения и области значений. В новых координатах послойные пространства не зависят от y:

kerA(y)=0Cmr
imA(y)=Cr0
cokerA(y)Cnr

Первые две постоянные координатные модели дают локальные тривиализации ядра и образа. Для коядра проекция на последние nr координат индуцирует, как в предыдущей части, локальную тривиализацию фактор-топологии. В тех же координатах φ¯ является тождественным отображением на первых r координатах, поэтому это изоморфизм расслоений.

Необходимость следует из формул размерностей в начале части. Если расслоением является ядро, образ или коядро, его ранг локально постоянен; соответствующая формула тогда заставляет rkφx быть локально постоянным.

Сцена сравнивает семейство постоянного ранга

At=(1t00),kerAt=(t,1)
imAt=e1,rkAt=1

с семейством diag(1,t), ранг которого падает при t=0. Коэффициенты обеих матриц непрерывны; различие состоит именно в локальном постоянстве ранга.

В каждом семействе сравните отрицательный параметр, ровно нуль и положительный параметр. До выбора нуля предскажите размерности ядра и образа. Объясните, почему непрерывности матричных коэффициентов недостаточно для постоянства этих размерностей.

Ранг должен быть локально постоянным

Семейство операторов
Параметр t
0,55
EtFte1e2Ata1a2kerAtimAt
Описание текущего рисунка
Положение объектов можно менять с клавиатуры через параметры виджета: стрелками — на один шаг, Home и End — к границам диапазона.
Слой E t
Область
Слой F t
Область
Горизонтальная ось E t
Прямая или отрезок
Вертикальная ось E t
Прямая или отрезок
Горизонтальная ось F t
Прямая или отрезок
Вертикальная ось F t
Прямая или отрезок
Ядро A t
Прямая или отрезок
Образ A t
Прямая или отрезок. Начало: точка на объекте «Горизонтальная ось F t». Конец: точка на объекте «Горизонтальная ось F t».
Базисный вектор e один
Стрелка. Начало: точка на объекте «Горизонтальная ось E t». Конец: точка на объекте «Горизонтальная ось E t».
Базисный вектор e два
Стрелка. Начало: точка на объекте «Горизонтальная ось E t». Конец: точка на объекте «Вертикальная ось E t».
Линейное отображение семейства
Стрелка
Образ первого базисного вектора
Стрелка. Начало: точка на объекте «Горизонтальная ось F t». Конец: точка на объекте «Горизонтальная ось F t».
Образ второго базисного вектора
Стрелка
  1. At=(1t00)
  2. rkAt=1
  3. dimkerAt=dimcokerAt=1
ранг постоянен
Сравнение постоянного и падающего рангаПри постоянном ранге размеры ядра, образа и коядра сохраняются; падение ранга вызывает их скачок.

Проекторы и разложения в прямую сумму

Критерий локально постоянного ранга отвечает на вопрос, оставленный в конце предыдущей главы: когда послойные ядра, образы и коядра образуют расслоения. Теперь вернёмся к дополнениям. В первой части дополнение к подрасслоению строилось только над небольшой окрестностью и служило для получения локальных координат. Разложение E=FG над всей базой — уже отдельный глобальный выбор. Чтобы работать с таким выбором без привязки к координатам, закодируем его эндоморфизмом EE.

Пусть выбрано разложение E=FG на подрасслоения. Каждый вектор vEx единственным образом записывается как v=f+g, где fFx и gGx, поэтому можно оставить его компоненту в F и отбросить компоненту в G. Получается непрерывный морфизм

PF,G:EE
EFG
FGprFFE
PF,G(f+g)=f

Повторное применение ничего не меняет, поэтому PF,G2=PF,G. Это равенство выделяет именно те эндоморфизмы, которые описывают разложения. Здесь эндоморфизмом называется морфизм EE над X, а тождественный эндоморфизм обозначается через I.

Определение

Проектор

Эндоморфизм P:EE называется проектором (projection operator), если P2=P.

Утверждение

Проекторы и разложения в прямую сумму

Проекторы на E и упорядоченные разложения E=FG на подрасслоения соответствуют друг другу. Точнее, отображения

P(imP,kerP)(E=FG)PF,G

взаимно обратны. В частности, каждый проектор задаёт разложение

E=imPkerP

Сначала проверим послойную линейную алгебру. Для каждого vEx имеем

v=Pxv+(IPx)v
Px(IPx)v=PxvPx2v=0

Значит, первое слагаемое лежит в imPx, а второе — в kerPx. Если вектор лежит в их пересечении, то Pxv=v и одновременно Pxv=0, следовательно, v=0. Поэтому сумма прямая в каждом слое. Кроме того,

im(IP)=kerP
ker(IP)=imP

Остаётся доказать, что слагаемые являются подрасслоениями. Зафиксируем xX и тривиализуем E в окрестности этой точки. Невырожденные миноры остаются невырожденными поблизости, поэтому для y из некоторой окрестности

rkPyrkPx
rk(IPy)rk(IPx)

Послойное разложение в прямую сумму даёт rkPy+rk(IPy)=dimEy, причём в выбранной окрестности dimEy=dimEx. Поэтому оба неравенства могут быть только равенствами. Ранги P и IP локально постоянны, а критерий предыдущей части превращает их образы в подрасслоения. Сложение

imPkerPE

является изоморфизмом в каждом слое и потому изоморфизмом расслоений.

В обратную сторону разложение E=FG даёт уже построенный непрерывный проектор PF,G. Он единственен: проектор с образом F и ядром G обязан переводить f+g в f.

Таким образом, при фиксированном F выбор дополнения G равносилен выбору проектора с образом F. Такой проектор не обязан быть ортогональным: он проектирует на F вдоль выбранного G.

Эрмитовы метрики и ортогональные дополнения

Само включение FE не выделяет конкретного дополнения. Чтобы получить единое правило выбора, добавим к расслоению метрику и в каждом слое возьмём векторы, ортогональные Fx.

Определение

Эрмитова метрика

Эрмитовой метрикой (Hermitian metric) на EX называется набор форм hx:Ex×ExC. Каждая форма hx сесквилинейна — линейна по первому аргументу и сопряжённо-линейна по второму — и удовлетворяет условиям

hx(v,w)=hx(w,v)v0hx(v,v)>0

Непрерывность метрики означает, что в любой локальной тривиализации элементы матрицы H(x) формы hx являются непрерывными функциями от x. Расслоение вместе с выбранной метрикой называется эрмитовым.

После выбора метрики условие ортогональности имеет смысл во всех слоях. Пусть FE — подрасслоение. Его ортогональное дополнение определяется послойно:

Fx={vExhx(v,w)=0wFx}
F=xXFx
Теорема

Ортогональное дополнение

Семейство F является подрасслоением E. Метрика определяет разложение, а фактор-отображение ограничивается до изоморфизма

E=FF,q|F:FE/F

Остаётся проверить непрерывность ортогонального выбора. На окрестности U выберем непрерывные сечения s1,,sr, образующие базис Fx в каждой точке. Их матрица Грама

H(x)=(hx(si(x),sj(x)))i,j=1r

непрерывна и обратима. Для vEx коэффициенты ортогональной проекции

Px(v)=i=1rai(v)si(x)

однозначно определяются системой

i=1rai(v)hx(si(x),sj(x))=hx(v,sj(x))
j=1,,r

Правая часть системы hx(v,sj(x)) непрерывно зависит от пары (x,v), а обратная матрица H(x)1 — от x. Поэтому коэффициенты ai(v) непрерывно зависят от (x,v). Следовательно, отображения Px собираются в непрерывный проектор P:EE с imP=F и kerP=F. Результат предыдущей части даёт разложение, а построение фактор-расслоения отождествляет F с E/F.

В сцене зафиксированы Ex=C2 и Fx=e1. Параметр |α|<1 меняет положительно определённую матрицу метрики, указанную под диаграммой.

Начните с нулевого параметра метрики, затем сравните положительное и отрицательное значения. Какие прямая и проектор меняются, а какое подпространство остаётся на месте? Объясните, почему разные дополнения могут представлять один фактор.

Метрика выбирает определённое дополнение

Параметр α
0,00
ExFxFvuw
Описание текущего рисунка
Положение объектов можно менять с клавиатуры через параметры виджета: стрелками — на один шаг, Home и End — к границам диапазона.
Слой E икс
Область
Подпространство F икс
Прямая или отрезок
Ортогональное дополнение F икс по метрике h
Прямая или отрезок
Выбранный вектор
Стрелка. Начало: точка на объекте «Подпространство F икс». Конец: Выбранный вектор.
Составляющая u равна P альфа от v
Стрелка. Начало: точка на объекте «Подпространство F икс». Конец: Проекция P альфа v.
Составляющая w равна один минус P альфа от v
Стрелка. Начало: Проекция P альфа v. Конец: Выбранный вектор.
Выбранный вектор
Точка
Проекция P альфа v
Точка
  1. hα=(1αα1)
  2. Pα=(1α00),Pα2=Pα
  3. u=Pαv,w=vu,v=u+w
Изменение метрики меняет выбранное дополнениеПодрасслоение остаётся фиксированным, а ортогональное дополнение и проектор перестраиваются вместе с метрикой.

Следовательно, ортогональное дополнение определяется не одним F, а парой (F,h).

Критерии для подрасслоений, факторов и дополнений

  1. семейство линейных подпространств FxEx является подрасслоением тогда и только тогда, когда в подходящей локальной тривиализации переходит в U×W
  2. фактор-топология задаёт топологию на множестве послойных классов E/F без дополнительных выборов, а локальное дополнение доказывает его локальную тривиальность
  3. послойные ядро, образ и коядро образуют расслоения точно при локально постоянном ранге морфизма
  4. проектор с образом F равносилен выбору дополнения к F, а метрика выделяет ортогональное дополнение F

В следующей главе предположим, что база компактна и хаусдорфова. Конечное число глобальных сечений задаст послойно сюръективный морфизм из тривиального расслоения в E. Критерий локально постоянного ранга превратит его ядро в подрасслоение, а метрика выделит ортогональное дополнение, изоморфное E. Так E станет прямым слагаемым тривиального расслоения.