纤维丛是拓扑乘积的推广,产生于微分几何研究,系统研究始于20世纪30年代。1936年瑞士数学家
施蒂费尔
考虑以
微分流形
的每一点为原点的有限个线性独立向量场,引入流形的微分同胚不变量。1937年美国数学家惠特尼把流形及以其上每一点为原点的线性独立的切向量组全体总括在一起而得到纤维丛的概念。他还证明了微分流形的嵌入定理,正式创立
微分拓扑学
。1946年陈省身认识到E.嘉当的联络的几何学思想与
纤维丛理论
有密切关系,从而把微分几何推进到大范围的情形。20世纪50年代初,法国数学家塞尔在É.嘉当的指导下,在
代数拓扑学
方面做出重要贡献。他发展了纤维丛概念,得出一般纤维空间概念。1951年美国数学家斯廷罗德出版《纤维丛的拓扑》一书,系统总结了纤维丛理论。纤维丛的截面的存在性问题与阻碍理论有关,由此得到底空间的某些上同调类,称之为示性类。施蒂费尔、惠特尼、陈省身和原苏联数学家庞特里亚金、中国数学家吴文俊都在示性类研究中做出重要贡献。近几十年来纤维丛理论在示性类、纤维丛上的同调与同伦等方面继续获得发展,并在微分几何学、
代数几何学
、复变函数与复流形理论以及大范围分析学等方面有广泛而深刻的应用,还成为物理学中表达规范场的合适的数学语言。
令E=B×F 并令π:E→B为对第一个因子的投影,则E是B上的丛。这里E不仅是局部的积而且是整体的积。任何这样的纤维丛称为平凡丛。
相应的平凡丛B×F看起来像一个圆柱,但是
莫比乌斯带
有个整体上的扭转。注意这个扭转只有整体上才能看出来;局部看来莫比乌斯带和圆柱完全一样(在其中任何一个竖直的切一刀会产生同样的空间)。
一个类似的非平凡丛是克莱因瓶,它可以看作是一个"扭转"的圆在另一个圆上的丛。相应的平凡丛是一个环面,即S1 × S1。
一个覆盖空间是一个以离散空间为纤维的纤维丛,纤维丛的一个特例,叫做向量丛,是那些纤维为矢量空间的丛(要成为一个向量丛,丛的结构群—见下面—必须是一个线性群),向量丛的重要实例包括光滑流形的切丛和余切丛。
纤维丛的
截面
(section )是一个连续映射f:B→E使得π(f(x))=x对于所有B中的x成立。因为丛通常没有全局有定义的截面,理论的一个重要作用就是检验和证明他们的存在性。这导致了代数拓扑的
示性类理论
。
纤维丛的局部截面是一个连续映射,截面经常只被局部的定义(特别是当全局截面不存在时)。
纤维丛的局部截面是一个连续映射
: U → E 其中 U 是一个B中的开集而π(f(x))=x对所有U中的x成立。若(U,φ)是一个局部平凡化图,则局部截面在 U上总是存在的。这种截面和连续映射U → F有一一对应。截面的集合组成一个
层
。
《数学辞海》委员会. 数学辞海(1-6).第3卷[M]. 南京, 2002.
王宝勤. 余切丛间一些微分形式的关系[J]. 新疆师范大学学报:自然科学版, 1993(1):1-5.
张炯, 李凡长. 基于流形学习的纤维丛模型研究[J]. 南京大学学报(自然科学), 2008, 44(5):477-485.
John M. Lee
.光滑流形导论 第2版
:Springer
,2013
Gerard Walschap
.微分几何中的度量结构
:Springer
,2004