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틀다발

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1. 개요

틀다발은 위상 공간 위에 정의된 벡터 다발의 틀들의 집합으로, 틀은 벡터 공간의 순서 기저 또는 선형 동형 사상으로 정의된다. 틀다발은 각 점에서의 틀들의 집합인 토르서의 서로소 합집합이며, 일반 선형군에 의해 작용한다. 틀다발은 일반적인 틀다발, 직교 틀다발, 특수 직교 틀다발, 복소수 틀다발, 유니터리 틀다발 등 다양한 종류가 있으며, 구조군의 축소를 통해 G-구조를 정의하는 데 사용된다. 틀다발은 연관 다발, 함자성, 접속 등과 관련되어 있으며, 다양체의 추가적인 구조를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

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틀다발

2. 정의

''E \to X''를 위상 공간 ''X'' 위에 정의된 랭크 ''k''의 실수 벡터 다발이라고 하자. 점 ''x \in X''에서의 '''틀'''은 벡터 공간 ''E_x''의 순서 기저이다. 동등하게, 틀은 다음과 같은 선형 동형 사상으로 볼 수 있다.

:p : \mathbf{R}^k \to E_x.

''x''에서의 모든 틀의 집합은 ''F_x''로 표기하며, 가역적인 ''k \times k'' 행렬의 일반 선형군 ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''에 의한 자연스러운 오른쪽 작용을 갖는다. 군 원소 ''g \in \mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''는 합성을 통해 틀 ''p''에 작용하여 새로운 틀을 생성한다.

:p\circ g:\mathbf{R}^k\to E_x.

''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''의 ''F_x''에 대한 이 작용은 자유 작용이면서 추이적 작용이다 (이는 하나의 기저를 다른 기저로 보내는 고유한 가역 선형 변환이 있다는 표준 선형 대수 결과로부터 따른다). 위상 공간으로서, ''F_x''는 위상 동형이지만, "선호하는 틀"이 없기 때문에 군 구조가 없는 ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''에 위상 동형이다. 공간 ''F_x''는 ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''-토르서라고 한다.

''E''의 '''틀 다발'''은 F(E) 또는 F_{\mathrm{GL}}(E)로 표기하며, 모든 ''F_x''의 서로소 합집합이다.

:\mathrm F(E) = \coprod_{x\in X}F_x.

F(E)의 각 점은 ''X''의 점 ''x''와 ''x''에서의 틀 ''p''의 쌍 (''x'', ''p'')이다. 자연스러운 사영 \pi: F(E)\to X가 있는데, 이는 '''''(x,p)'''''를 ''x''로 보낸다. ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})'' 군은 위에서 언급한 바와 같이 F(E)에 오른쪽에서 작용한다. 이 작용은 명백히 자유 작용이며, 궤도는 '''''\pi'''''의 올이다.

2. 1. 틀

실수 벡터 공간 V 위의 k차 '''틀'''(frame영어)은 특정 조건을 만족시키는 미분 동형 사상의 k제트이다.[1] 이 때, 미분 동형 사상은 선형 변환일 필요는 없다. k차 틀들의 집합은 \operatorname{Frame}_k(V)로 표기하며, 그 위에는 k제트 군의 자연스러운 오른쪽 작용이 존재한다.

특히, 1차 틀은 단순히 전단사 실수 선형 변환이다.[1]

2. 2. 틀다발

위상 공간 X 위의 n차원 벡터 다발 \pi\colon E\twoheadrightarrow X이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 각 x\in X에 대하여 올 E_x는 실수 벡터 공간을 이룬다. 이제, 다음과 같은 집합을 생각하자.

:\mathrm F^nE=\bigsqcup_{x\in X}\operatorname{Frame}_k(E_x)

이 위에는 제트 군 \operatorname{Jet}(n,k)=\operatorname{Frame}_k(\mathbb R^n)오른쪽 작용이 다음과 같이 자연스럽게 존재한다.

:\mathrm j^k_0f\cdot\mathrm j^k_0g=\mathrm j^k_0(f\circ g)\qquad\forall x\in X,\;f\in\operatorname{Frame}_k(E_x),\;g\in\operatorname{Jet}(n,k)

이 위에는 다음과 같이 자연스럽게 위상을 줄 수 있다. 구체적으로, E의 국소 자명화 (U_i,\phi_i)는 부분 집합 U_i\subseteq X 및 위상 동형

:\phi_i\colon \pi^{-1}(U_i)\to U_i\times\mathbb R^k

으로 구성된다. 이에 따라, 전단사 함수

:\bigsqcup_{x\in U_i}\operatorname{Frame}_k(E_x)\to U_i\times\operatorname{Jet}(n,k)

를 정의할 수 있으며, 이를 통해 \textstyle\bigsqcup_{x\in U_i}\operatorname{Frame}_k(E_x)에 위상을 부여할 수 있다. 이러한 위상들은 서로 호환되며, 이들을 짜깁기하여 \mathrm F^nE 전체에 위상을 줄 수 있다.

그렇다면, 자연스러운 사영 함수

:\mathrm F^nE\twoheadrightarrow X

:(\phi\in\in\operatorname{Frame}_k(E_x))\mapsto x

X 위의, 올 \operatorname{Jet}(n,k)의 올다발을 이룬다. 또한, \operatorname{Jet}(n,k)오른쪽 작용을 통하여 이는 \operatorname{Jet}(n,k)-주다발을 이룬다. 이를 Ek차 '''틀다발'''(k次-, kth-order frame bundle영어)이라고 한다.[2]

흔히, 만약 k가 생략되었다면 1차 틀다발 \mathrm FE=\mathrm F^1E를 뜻한다.

2. 2. 1. 일반적인 틀다발

벡터 다발의 각 점에서 정의된 모든 틀(frame)의 집합은 일반 선형군을 구조군으로 갖는다.

''E \to X''를 위상 공간 ''X'' 위에 정의된 랭크 ''k''의 실수 벡터 다발이라고 하자. 점 ''x \in X''에서의 '''틀'''은 벡터 공간 ''E_x''의 순서 기저이다. 동등하게, 틀은 다음과 같은 선형 동형 사상으로 볼 수 있다.

:p : \mathbf{R}^k \to E_x.

''x''에서의 모든 틀의 집합은 ''F_x''로 표기하며, 가역적인 ''k \times k'' 행렬의 일반 선형군 ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''에 의한 자연스러운 오른쪽 작용을 갖는다. 군 원소 ''g \in \mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''는 합성을 통해 틀 ''p''에 작용하여 새로운 틀을 생성한다.

:p\circ g:\mathbf{R}^k\to E_x.

''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''의 ''F_x''에 대한 이 작용은 자유 작용이면서 추이적 작용이다 (이는 하나의 기저를 다른 기저로 보내는 고유한 가역 선형 변환이 있다는 표준 선형 대수 결과로부터 따른다). 위상 공간으로서, ''F_x''는 위상 동형이지만, "선호하는 틀"이 없기 때문에 군 구조가 없는 ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''에 위상 동형이다. 공간 ''F_x''는 ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''-토르서라고 한다.

''E''의 '''틀 다발'''은 F(E) 또는 F_{\mathrm{GL}}(E)로 표기하며, 모든 ''F_x''의 서로소 합집합이다.

:\mathrm F(E) = \coprod_{x\in X}F_x.

F(E)의 각 점은 ''X''의 점 ''x''와 ''x''에서의 틀 ''p''의 쌍 (''x'', ''p'')이다. 자연스러운 사영 \pi: F(E)\to X가 있는데, 이는 '''''(x,p)'''''를 ''x''로 보낸다. ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})'' 군은 위에서 언급한 바와 같이 F(E)에 오른쪽에서 작용한다. 이 작용은 명백히 자유 작용이며, 궤도는 '''''\pi'''''의 올이다.

2. 2. 2. 직교 틀다발

다양체 M 위의 k차원 벡터 다발 \pi\colon E\twoheadrightarrow X에 부호수 (p,q) (p+q=k)의 내적 g가 주어졌다고 하자. 즉, g단면 g\in\Gamma(\operatorname{Sym}^2E^*) 이며, 임의의 x\in M에 대하여 g_xE_x 위의 부호수 (p,q)의 비퇴화 이차 형식을 이룬다.

이러한 상황에서 다음과 같은 집합을 정의할 수 있다.

:\mathrm F_{\operatorname o}E=\bigsqcup_{x\in X}\operatorname{Hilb}(\mathbb R^{(p,q)};E_x,g_x)

여기서 사용된 표기법은 다음과 같다:

  • \mathbb R^{p,q}: 부호수 (p,q)민코프스키 공간이다. 즉, 실수 벡터 공간 \mathbb R^k 위에 이차 형식 x_1^2+x_2^2+\cdots+x_p^2-x_{p+1}^2-\cdots-x_k^2을 부여한 공간이다.
  • \operatorname{Hilb}(-;-): 유니터리 변환(즉, 이차 형식을 보존하는 선형 변환)들의 집합이다.


이 집합에는 직교군 \operatorname{O}(p,q;\mathbb R)의 오른쪽 작용이 자연스럽게 존재하며, 위상을 부여하여 \operatorname{O}(p,q;\mathbb R)-주다발로 만들 수 있다. 이를 '''직교 틀다발'''(直交-, orthogonal frame bundle영어)이라고 한다.[2]

만약 적절한 가향성 가정이 있다면, \operatorname O(p,q) 대신 특수 직교군 \operatorname{SO}(p,q)를 사용하여, \operatorname{SO}(p,q)-주다발인 '''특수 직교 틀다발'''(特殊直交-, 가향 가능]]하면, 모든 양의 방향을 갖는 정규 직교 프레임의 주 \mathrm{SO}(k)-다발인 '''방향을 갖는 정규 직교 프레임 다발'''(F_{\mathrm{SO}}(E))을 정의할 수 있다.

n차원 리만 다양체 M의 경우, 정규 직교 프레임 다발은 F_{\mathrm{O}}(M) 또는 \mathrm{O} (M)으로 표기하며, 이는 M의 접다발과 관련된 정규 직교 프레임 다발이다. M이 가향 가능하면, 방향을 갖는 정규 직교 프레임 다발 F_{\mathrm{SO}}M도 존재한다.

리만 벡터 다발 E의 정규 직교 프레임 다발은 일반 선형 프레임 다발의 주 \mathrm{O}(k)-부분 다발이다. 즉, 포함 사상 i:{\mathrm F}_{\mathrm O}(E) \to {\mathrm F}_{\mathrm{GL}}(E)은 주 다발 사상이며, F_{\mathrm{O}}(E)F_{\mathrm{GL/special orthogonal frame bundle}}) \mathrm F_{\operatorname{SO}}E을 정의할 수도 있다.

리만 다발 계량이 주어진 벡터 다발 E에서, 각 올다발 E_x내적 공간이 된다. 따라서 E_x의 모든 정규 직교 기저들의 집합(정규 직교 프레임)을 생각할 수 있다. 이는 선형 등거리 변환 p:\mathbb{R}^k \to E_x (여기서 \mathbb{R}^k는 표준 유클리드 계량을 갖는다)으로 표현할 수 있다. 직교군 \mathrm{O}(k)는 오른쪽 합성을 통해 이 정규 직교 프레임들의 집합에 자유롭고 추이적으로 작용하며, 따라서 이 집합은 오른쪽 \mathrm{O}(k)-토르가 된다.

E의 '''정규 직교 프레임 다발'''(F_{\mathrm{O}}(E))은 기저 공간 X의 각 점 x에서 모든 정규 직교 프레임들의 집합이다. 이는 X 위의 주 \mathrm{O}(k)''-다발이다.

벡터 다발 E가 가향 가능성영어(E)의

2. 2. 3. 특수 직교 틀다발

벡터 다발에 가향성이 주어져 있을 때, 양의 방향을 갖는 정규 직교 틀의 집합을 생각할 수 있다. 이는 특수 직교군 \operatorname{SO}(p,q)를 구조군으로 갖는 주다발을 이루며, 이를 '''특수 직교 틀다발'''(special orthogonal frame bundle}}) \operatorname F_{\operatorname{SO영어E이라고 한다.

2. 2. 4. 복소수 틀다발

위와 마찬가지로, 복소구조가 주어진 2n차원 벡터 다발 E의 경우, '''복소수 틀다발'''(complex frame bundle영어) FE을 정의할 수 있다. 이는 올이 복소수 일반 선형군 GL(n;ℂ)인 주다발이다.

또한, 추가로 에르미트 구조가 주어졌다면, 마찬가지로 '''유니터리 틀다발'''(unitary frame bundle영어) FUE을 정의할 수 있으며, 그 올은 U(n)이다.

2. 2. 5. 유니터리 틀다발

마찬가지로, 복소구조가 주어진 2n차원 벡터 다발 E의 경우, '''복소수 틀다발'''(complex frame bundle영어)을 정의할 수 있다. 이는 올이 복소수 일반 선형군인 주다발이다.

추가로 에르미트 구조가 주어졌다면, '''유니터리 틀다발'''(unitary frame bundle영어)을 정의할 수 있으며, 그 올은 U(n)이다.

3. 성질

3. 1. 포함 관계

부호수 (p,q)의 내적이 주어진 벡터 다발 E를 생각하자. 군의 포함 관계 \operatorname O(p,q;\mathbb R)\subseteq\operatorname{GL}(p+q;\mathbb R)에 따라, 자연스러운 포함 관계 \mathrm F_{\operatorname O}E\subseteq \mathrm FE가 존재한다.

3. 2. 연관 다발과의 관계

다양체 M접다발 \mathrm TM의 틀다발 \mathrm{FT}M을 생각할 때, 이 주다발에 \operatorname{GL}(k;\mathbb R)의 벡터 표현을 사용한 연관 벡터 다발은 접다발 \mathrm TM이다. 즉, 틀다발과 연관 다발은 서로 일종의 역 관계를 이룬다.

마찬가지로, (p,q)차원 일반화 리만 다양체 (M,g)의 직교 틀다발 \mathrm F_{\operatorname O}\mathrm TM의 경우, 이 주다발에 \operatorname{O}(p,q;\mathbb R)의 벡터 표현을 사용한 연관 벡터 다발은 접다발 \mathrm TM이 된다.

벡터 다발 ''E''와 그 프레임 다발 F(E)는 연관 다발이며, 각 다발은 다른 다발을 결정한다. 프레임 다발 F(E)는 ''E''로부터 구성될 수 있으며, 섬유 다발 구성 정리를 사용하여 구성될 수도 있다.

어떤 선형 표현 ''\rho: \mathrm{GL}(k,\mathbb{R}) \to \mathrm{GL}(V,\mathbb{F})''가 주어지면, 벡터 다발 \mathrm F(E)\times_{\rho}V가 존재한다. 이는 F(E)와 연관되어 있으며, F(E) \times V의 곱에 대한 동치 관계 '''''(pg,v) \sim (p, \rho(g)v)'''''를 적용하여 얻는다.

벡터 다발 ''E''는 번들 F(E) \times_\rho \mathbb{R}^k와 자연 동형이며, 여기서 '''''\rho'''''는 '''''\mathbb{R}^k'''''' 상의 ''\mathrm{GL}(k,\mathbb{R})''의 기본 표현이다. ''E''와 연관된 임의의 벡터 다발은 위의 구성을 통해 얻을 수 있다. 예를 들어, ''E''의 쌍대 다발은 F(E) \times_{\rho^*} (\mathbb{R}^k)^*로 주어지며, 여기서 \rho^*는 기본 표현의 쌍대 표현이다. ''E''의 텐서 다발도 유사한 방식으로 구성할 수 있다.

3. 3. 함자성

국소 미분 동형 사상 \phi\colon M\to N이 주어졌을 때, 다음과 같은 자연스러운 매끄러운 주다발 사상이 존재한다.[3]

:\mathrm F^k\phi\colon\mathrm F^kM\to\mathrm F^kN

:\mathrm F^k\phi\colon (x,\mathrm j^k_0f)\to\left(\phi(x),\mathrm j^k_0(\mathrm T_x\phi\circ f)\right)

\qquad(x\in M,\;f\colon\mathbb R^{\dim M}\to\mathrm T_xM)

이에 따라, \mathrm F^kn차원 매끄러운 다양체와 국소 미분 동형 사상들의 범주에서, \operatorname{Jet}(n,k)-매끄러운 주다발을 갖춘 n차원 매끄러운 다양체와 매끄러운 주다발 사상들의 범주로 가는 함자를 이룬다.

3. 4. 접속

일반화 리만 다양체 (M,g)의 직교 틀다발 \mathrm F_{\operatorname O}\mathrm TM에 주접속 \omega가 주어졌다고 하자. 군 표현 \operatorname{O}(p,q;\mathbb R)\to\mathrm T_xM\otimes\mathrm T_x^*M으로부터 선형 사상 \kappa\colon\mathfrak o(p,q;\mathbb R)\otimes\mathcal C^\infty(M;\mathbb R)\to\Gamma(\mathrm TM\otimes\mathrm T^*M)을 정의할 수 있다. 이에 따라, 틀다발의 주접속 \omega로부터 접다발의 코쥘 접속 \nabla\colon\Gamma(\mathrm TM)\to\Gamma(\mathrm TM\otimes\mathrm T^*M)\kappa(\omega(X))=\nabla X와 같이 정의할 수 있다. 이렇게 정의한 접다발의 코쥘 접속의 리만 곡률은 틀다발의 주접속의 곡률과 같은 정보를 담고 있으며, 이 둘은 \kappa 등으로 변환 가능하다.

반대로, 일반화 리만 다양체의 접다발에는 크리스토펠 기호 레비치비타 접속이 이미 정의되어 있다. 따라서 레비치비타 접속으로부터 그 틀다발에 주접속을 정의할 수 있는데, 이를 스핀 접속이라고 한다.

4. G-구조

틀다발의 구조군의 축소는 다양체 위에 추가적인 구조(G-구조)를 정의하는 것과 동등하다. 예를 들어, 리만 다양체는 구조군이 직교군 O(n)으로 축소된 틀다발, 즉 정규 직교 틀다발을 갖는다.

일반적으로, ''M''이 매끄러운 ''n''-다양체이고 ''G''가 GL(n,R)의 리 군의 부분군일 때, ''M''상의 G-구조는 FGL(M)의 구조군을 ''G''로 축소한 것이다.

이러한 관점에서, ''M'' 위의 리만 메트릭은 ''M''에 대한 O(n)-구조를 만든다. 가향 다양체는 ''M''에 대한 GL+(n,R)-구조인 가향 프레임 다발을 가진다. ''M'' 위의 부피 형식은 ''M''에 대한 SL(n,R)-구조를 결정한다. 2''n''-차원 심플렉틱 다양체는 자연스러운 Sp(2n,R)-구조를 가진다. 2''n''-차원 복소 다양체 또는 almost 복소 다양체는 자연스러운 GL(n,C)-구조를 가진다.

많은 경우에, ''M''상의 ''G''-구조는 ''M''에 해당 구조를 고유하게 결정한다. 예를 들어, ''M''에 대한 SL(n,R)-구조는 ''M''에 대한 부피 형식을 결정한다. 그러나 심플렉틱 및 복소 다양체와 같이 일부 경우에서는 추가적인 적분 가능 조건이 필요하다. ''M''에 대한 Sp(2n,R)-구조는 ''M''에 대한 비퇴화 2-형식을 고유하게 결정하지만, ''M''이 심플렉틱이 되려면 이 2-형식은 또한 닫힌 미분 형식이어야 한다.

참조

[1] 서적 Lectures on differential geometry World Scientific 1999-11
[2] 서적 Natural operations in differential geometry http://www.emis.de/m[...] Springer-Verlag 2016-12-18
[3] 논문 Reductive ''G''-structures and Lie derivatives 2003



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