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 |
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2. 정의
''''를 위상 공간 '''' 위에 정의된 랭크 ''''의 실수 벡터 다발이라고 하자. 점 ''''에서의 '''틀'''은 벡터 공간 ''''의 순서 기저이다. 동등하게, 틀은 다음과 같은 선형 동형 사상으로 볼 수 있다.
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''''에서의 모든 틀의 집합은 ''''로 표기하며, 가역적인 '''' 행렬의 일반 선형군 ''''에 의한 자연스러운 오른쪽 작용을 갖는다. 군 원소 ''''는 합성을 통해 틀 ''''에 작용하여 새로운 틀을 생성한다.
:
''''의 ''''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, ''''는 위상 동형이지만, "선호하는 틀"이 없기 때문에 군 구조가 없는 ''''에 위상 동형이다. 공간 ''''는 ''''-토르서라고 한다.
''''의 '''틀 다발'''은 또는 로 표기하며, 모든 ''''의 서로소 합집합이다.
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의 각 점은 ''''의 점 ''''와 ''''에서의 틀 ''''의 쌍 (''x'', ''p'')이다. 자연스러운 사영 가 있는데, 이는 ''''''''''를 ''''로 보낸다. '''' 군은 위에서 언급한 바와 같이 에 오른쪽에서 작용한다. 이 작용은 명백히 자유 작용이며, 궤도는 ''''''''''의 올이다.
2. 1. 틀
실수 벡터 공간 위의 차 '''틀'''(frame영어)은 특정 조건을 만족시키는 미분 동형 사상의 차 제트이다.[1] 이 때, 미분 동형 사상은 선형 변환일 필요는 없다. 차 틀들의 집합은 로 표기하며, 그 위에는 차 제트 군의 자연스러운 오른쪽 작용이 존재한다.특히, 1차 틀은 단순히 전단사 실수 선형 변환이다.[1]
2. 2. 틀다발
위상 공간 위의 차원 벡터 다발 이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 각 에 대하여 올 는 실수 벡터 공간을 이룬다. 이제, 다음과 같은 집합을 생각하자.:
이 위에는 제트 군 의 오른쪽 작용이 다음과 같이 자연스럽게 존재한다.
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이 위에는 다음과 같이 자연스럽게 위상을 줄 수 있다. 구체적으로, 의 국소 자명화 는 부분 집합 및 위상 동형
:
으로 구성된다. 이에 따라, 전단사 함수
:
를 정의할 수 있으며, 이를 통해 에 위상을 부여할 수 있다. 이러한 위상들은 서로 호환되며, 이들을 짜깁기하여 전체에 위상을 줄 수 있다.
그렇다면, 자연스러운 사영 함수
:
:
는 위의, 올 의 올다발을 이룬다. 또한, 의 오른쪽 작용을 통하여 이는 -주다발을 이룬다. 이를 의 차 '''틀다발'''(次-, th-order frame bundle영어)이라고 한다.[2]
흔히, 만약 가 생략되었다면 1차 틀다발 를 뜻한다.
2. 2. 1. 일반적인 틀다발
벡터 다발의 각 점에서 정의된 모든 틀(frame)의 집합은 일반 선형군을 구조군으로 갖는다.''''를 위상 공간 '''' 위에 정의된 랭크 ''''의 실수 벡터 다발이라고 하자. 점 ''''에서의 '''틀'''은 벡터 공간 ''''의 순서 기저이다. 동등하게, 틀은 다음과 같은 선형 동형 사상으로 볼 수 있다.
:
''''에서의 모든 틀의 집합은 ''''로 표기하며, 가역적인 '''' 행렬의 일반 선형군 ''''에 의한 자연스러운 오른쪽 작용을 갖는다. 군 원소 ''''는 합성을 통해 틀 ''''에 작용하여 새로운 틀을 생성한다.
:
''''의 ''''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, ''''는 위상 동형이지만, "선호하는 틀"이 없기 때문에 군 구조가 없는 ''''에 위상 동형이다. 공간 ''''는 ''''-토르서라고 한다.
''''의 '''틀 다발'''은 또는 로 표기하며, 모든 ''''의 서로소 합집합이다.
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의 각 점은 ''''의 점 ''''와 ''''에서의 틀 ''''의 쌍 (''x'', ''p'')이다. 자연스러운 사영 가 있는데, 이는 ''''''''''를 ''''로 보낸다. '''' 군은 위에서 언급한 바와 같이 에 오른쪽에서 작용한다. 이 작용은 명백히 자유 작용이며, 궤도는 ''''''''''의 올이다.
2. 2. 2. 직교 틀다발
다양체 위의 차원 벡터 다발 에 부호수 ()의 내적 가 주어졌다고 하자. 즉, 는 단면 이며, 임의의 에 대하여 는 위의 부호수 의 비퇴화 이차 형식을 이룬다.이러한 상황에서 다음과 같은 집합을 정의할 수 있다.
:
여기서 사용된 표기법은 다음과 같다:
이 집합에는 직교군 의 오른쪽 작용이 자연스럽게 존재하며, 위상을 부여하여 -주다발로 만들 수 있다. 이를 '''직교 틀다발'''(直交-, orthogonal frame bundle영어)이라고 한다.[2]
만약 적절한 가향성 가정이 있다면, 대신 특수 직교군 를 사용하여, -주다발인 '''특수 직교 틀다발'''(特殊直交-, 가향 가능]]하면, 모든 양의 방향을 갖는 정규 직교 프레임의 주 -다발인 '''방향을 갖는 정규 직교 프레임 다발'''()을 정의할 수 있다.
차원 리만 다양체 의 경우, 정규 직교 프레임 다발은 또는 으로 표기하며, 이는 의 접다발과 관련된 정규 직교 프레임 다발이다. 이 가향 가능하면, 방향을 갖는 정규 직교 프레임 다발 도 존재한다.
리만 벡터 다발 의 정규 직교 프레임 다발은 일반 선형 프레임 다발의 주 -부분 다발이다. 즉, 포함 사상 은 주 다발 사상이며, 는 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 직교군2. 2. 4. 복소수 틀다발
위와 마찬가지로, 복소구조가 주어진 2n차원 벡터 다발 E의 경우, '''복소수 틀다발'''(complex frame bundle영어) FℂE을 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
부호수3. 2. 연관 다발과의 관계
다양체마찬가지로,
벡터 다발 ''
어떤 선형 표현 ''
벡터 다발 ''
3. 3. 함자성
국소 미분 동형 사상:
:
\qquad(x\in M,\;f\colon\mathbb R^{\dim M}\to\mathrm T_xM)
이에 따라,
3. 4. 접속
일반화 리만 다양체반대로, 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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