Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의

Manifold series, part 12: starting from the cylinder to fix the total space, base space, fiber and projection, then defining a fiber bundle with local trivializations, transition functions and a structure groupManifold 시리즈 12편: 원기둥에서 출발해 토털 스페이스, 베이스 스페이스, 파이버, 프로젝션을 정하고, 로컬 트리비얼라이제이션과 전이 함수, 구조군으로 파이버 번들을 정의하는 과정

Manifold series매니폴드 시리즈Part 12 of 1818편 중 12번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 12강 Fiber Bundles - Formal Description에 해당합니다. 지난 편까지 매니폴드의 점마다 탄젠트 스페이스와 코탄젠트 스페이스를 하나씩 붙였습니다. 이번 편에서는 그렇게 점마다 무언가를 붙인 구조 전체를 하나의 매니폴드로 묶는 틀, 파이버 번들fiber bundle을 정의합니다. 강의는 정의를 먼저 내놓지 않고 원기둥이라는 예에서 출발해 정의에 도달하는 길을 택하고, 이 글도 같은 순서를 따릅니다.

원기둥에서 출발합니다

위아래로 끝없이 뻗은 속이 빈 원기둥을 떠올립니다. 그 한가운데에서 둘레를 한 바퀴 돈 원을 하나 잡고 S1S^1이라고 부릅니다. SnS^n은 nn차원 구면의 이름이라 S1S^1은 원, S2S^2는 공의 겉면입니다. 원기둥 위의 점은 두 수로 정해집니다. 원 위에서의 위치 a∈S1a \in S^1과, 그 원에서 위로 잰 높이 b∈Rb \in \R입니다. 높이는 원 자리를 0으로 두고 위쪽을 양수, 아래쪽을 음수로 합니다. 원 위의 위치 aa는 0 이상 2π2\pi 미만의 수로 쓰면 되고, 2πn2\pi n만큼 다른 값을 모두 같은 값으로 묶으면 실수와 거의 같은 좌표가 됩니다. 이 묶음은 몫공간이라는 큰 주제와 이어지므로 강의는 여기서 멈추고 나중으로 미룹니다.

원기둥 전체는 이미 하나의 미분 가능 매니폴드입니다. 그런데 방금 만든 짝 (a,b)(a, b) 덕분에 원기둥 안에 매니폴드가 세 개 보입니다. 원기둥 전체를 EE, 원 S1S^1을 BB, 실수선 R\R를 FF라고 쓰고 각각 토털 스페이스total space, 베이스 스페이스base space, 파이버fiber라고 부릅니다. 토털 스페이스의 점은 베이스의 한 점과 파이버의 한 점이 짝을 이룬 것입니다.

E=S1×R={ (a,b)∣a∈S1, b∈R }E = S^1 \times \R = \{\, (a, b) \mid a \in S^1,\ b \in \R \,\}

곱집합으로 적은 원기둥과 아직 없는 위상

기하학적인 원기둥과 이 순서쌍의 집합은 일대일로 대응하므로 같은 대상이라고 보아도 됩니다. 다만 순서쌍의 집합은 말 그대로 집합일 뿐이고 위상을 저절로 갖지는 않습니다. 열린집합들의 곱 U×VU \times V로 만드는 곱 위상product topology을 줄 수 있기는 합니다. 그러나 강의는 이 위상을 쓰지 않겠다고 못 박습니다. 아직 파이버 번들이라고 부를 만한 것을 정의한 것이 아니고, 매니폴드 두 개의 곱집합을 말했을 뿐입니다. 번들에 쓸 위상은 아래에서 따로 정합니다.

또 하나 조심할 점이 있습니다. 원기둥 그림만 보면 베이스인 원이 토털 스페이스 안에 들어 있는 부분집합처럼 보입니다. 그러나 EE의 점은 순서쌍이고, 높이가 0인 순서쌍 (a,0)(a, 0)들의 모임은 원과 비슷할 뿐 베이스 자신이 아닙니다.

프로젝션과 파이버

토털 스페이스의 점 p=(a,b)p = (a, b)에서 베이스의 점을 하나 꺼내는 일은 언제나 쉽습니다. 이 사상을 프로젝션projection이라고 부르고 파이버 번들에서는 늘 π\pi로 씁니다. 원기둥에서는 순서쌍의 첫째 성분만 돌려줍니다.

π:E→B,π(a,b)=a\pi : E \to B, \qquad \pi(a, b) = a

π\pi는 여러 점을 한 점으로 보내므로 거꾸로 가면 점 하나가 나오지 않고 집합이 나옵니다. 베이스의 점 aa에 대해 π−1(a)\pi^{-1}(a)는 그 위에서 수직으로 뻗은 실수선 전체입니다. 다른 점 cc 위에서는 다른 실수선 π−1(c)\pi^{-1}(c)가 서 있습니다. 두 집합은 같지 않지만 둘 다 R\R와 미분동형diffeomorphic입니다. 그래서 파이버라는 말은 두 가지 뜻으로 쓰입니다. 한 점 위의 파이버 π−1(a)\pi^{-1}(a)를 가리키기도 하고, 모든 파이버가 그 복사본인 표준 파이버 FF를 가리키기도 합니다. 번들이 되려면 모든 점 b∈Bb \in B에 대해 π−1(b)\pi^{-1}(b)가 FF와 미분동형이어야 합니다. 원기둥에서는 모든 파이버가 실수선이니 당연히 성립하고, 다른 번들에서는 이 점을 따로 확인해야 합니다.

Q. 베이스 스페이스는 토털 스페이스의 부분집합으로 보면 안 되나요?
A. 보지 않습니다. 토털 스페이스는 베이스와 파이버의 순서쌍을 점으로 갖는 집합이어서, 높이가 0인 순서쌍들이 원처럼 보이더라도 베이스 자신은 원 위의 점들로 이루어져 있고 순서쌍이 하나도 들어 있지 않습니다. 둘을 이어 주는 것은 프로젝션 π\pi이고 부분집합 관계는 없습니다.

프로젝션이 연속이 되도록 만든 위상

이제 EE의 위상을 정합니다. 베이스의 열린집합 UU가 하나 있으면 π\pi가 연속이 되기 위해서는 그 원상 π−1(U)\pi^{-1}(U)가 EE에서 열려 있어야 합니다. 연속의 정의가 값 쪽 열린집합의 원상이 정의역에서 열려 있는 것이기 때문입니다. 그래서 강의는 이 원상들을 모두 모아서 EE의 열린집합으로 삼습니다.

TE={ π−1(U)∣U∈TB }\mathcal{T}_E = \{\, \pi^{-1}(U) \mid U \in \mathcal{T}_B \,\}

TB\mathcal{T}_B는 베이스의 위상입니다. 이것이 위상이 된다는 증명은 강의에서 학생에게 맡깁니다. (원상이 합집합과 교집합을 그대로 보존하므로 π−1(U)\pi^{-1}(U)들의 합집합과 유한 교집합도 다시 이 꼴이어서 위상의 조건을 만족합니다. 이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 원기둥에서 이 위상의 열린집합은 원 위의 열린 구간 위로 위아래 끝없이 뻗은 띠입니다. 원기둥 표면의 아무 작은 영역이나 열린집합으로 치는 보통 위상보다 성긴 위상입니다. 강의는 이 성긴 위상이 π\pi를 연속으로 만들기에 충분하고, 지금 목적에는 더 촘촘한 위상이 필요 없다고 말합니다. (한 파이버 위의 서로 다른 두 점은 이 띠들로 가를 수 없을 만큼 성깁니다. 그래서 EE를 진짜 매니폴드로 다룰 때는 아래의 번들 차트가 위상동형이 되는 더 촘촘한 위상을 쓰게 됩니다. 이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

로컬 트리비얼라이제이션과 번들 차트

원기둥은 베이스 전체에 파이버를 한꺼번에 곱해서 만들 수 있었습니다. 하지만 어떤 번들도 그렇게 만들 수 있지는 않습니다. 언제나 할 수 있는 것은 베이스를 열린 덮개open cover {Ui}\{U_i\}로 덮고, 조각 하나씩만 곱 구조로 만드는 일입니다. 조각 UiU_i의 원상 π−1(Ui)\pi^{-1}(U_i)는 위의 위상으로 EE에서 열려 있고, 번들이 되려면 이것이 곱 Ui×FU_i \times F와 미분동형이어야 한다는 조건을 겁니다.

ϕi:π−1(Ui)→Ui×F\phi_i : \pi^{-1}(U_i) \to U_i \times F

이 사상 ϕi\phi_i를 로컬 트리비얼라이제이션local trivialization이라고 부르고, 짝 (Ui,ϕi)(U_i, \phi_i)를 번들 차트bundle chart라고 부릅니다. 이 사상이 번들 전체에서 하나만 있으면 곱 구조가 전체에 걸쳐 성립하는 것이고, 그런 번들을 트리비얼하다고 합니다. 원기둥은 U=S1U = S^1 하나로 충분하니 트리비얼합니다. 번들이 트리비얼하지 않다면 한 사상으로는 부족하고, 그래서 조각마다 따로 있는 로컬 트리비얼라이제이션만 요구합니다. 책마다 표기가 달라서 강의는 두 가지를 섞어 씁니다. 하나는 위처럼 EE에서 곱으로 가는 ϕi\phi_i이고, 다른 하나는 곱에서 EE로 거꾸로 가는 ψi=ϕi−1\psi_i = \phi_i^{-1}입니다. 같은 미분동형사상을 반대 방향에서 부르는 이름이므로 어느 쪽을 쓰든 같은 이야기입니다. 곱에서 베이스 쪽 성분을 떼어 버리고 FF로 곧바로 보내는 사상으로 쓰기도 합니다.

이 구조 덕분에 EE의 점 pp에는 번들만의 좌표가 하나 더 생깁니다. π(p)\pi(p)를 구하고, 그 점을 품는 UiU_i를 찾고, ϕi(p)=(π(p),f)\phi_i(p) = (\pi(p), f)로 파이버의 점 f∈Ff \in F를 읽습니다. 이것은 EE가 미분 가능 매니폴드라서 원래 갖고 있는 아틀라스의 좌표와는 별개입니다. EE는 그 아틀라스로 좌표를 쓸 수도 있고 번들 차트로 베이스와 파이버를 따로 읽을 수도 있습니다. 이 후자의 구조가 파이버 번들을 보통의 미분 가능 매니폴드와 구별해 줍니다.

Q. 점 pp의 번들 좌표는 하나로 정해지지 않나요?
A. 정해지지 않습니다. pp가 두 덮개 UiU_i와 UjU_j에 함께 들어 있으면 ϕi\phi_i와 ϕj\phi_j가 각각 짝을 하나씩 줍니다. 두 사상이 같을 이유가 없으므로 같은 점이 서로 다른 순서쌍으로 적힙니다. 다음 절에서 이 두 짝을 이어 주는 사상을 정합니다.

겹치는 곳과 전이 함수

두 덮개 UiU_i와 UjU_j가 겹치는 곳 Ui∩UjU_i \cap U_j 위에 있는 점 pp는 두 번들 차트에서 모두 곱의 한 점이 됩니다. 매니폴드에서 한 점이 두 차트에 들어 있으면 좌표를 서로 옮겨 주는 전이 함수를 두었던 것과 똑같이, 여기서도 두 짝을 옮기는 사상을 정합니다. 하나로 가서 다른 하나에서 돌아오는 합성입니다.

ϕj∘ϕi−1:(Ui∩Uj)×F→(Ui∩Uj)×F\phi_j \circ \phi_i^{-1} : (U_i \cap U_j) \times F \to (U_i \cap U_j) \times F

이 합성은 베이스의 점은 그대로 두고 파이버의 점만 옮깁니다. 베이스 성분을 떼어 낸 눈으로 보면 이 사상은 FF에서 FF로 가는 사상입니다. 두 로컬 트리비얼라이제이션이 파이버를 읽는 방식의 차이를 담은 것이고, 이것이 번들의 전이 함수transition function입니다. 두 사상 모두 미분동형사상이므로 합성도 미분동형사상이고, 따라서 전이 함수는 FF에서 FF로 가는 미분동형사상의 군 Diff(F)\mathrm{Diff}(F)의 원소입니다. 강의는 이것을 파이버 번들의 마지막 요구 사항으로 꼽습니다. 모든 전이 함수가 파이버 위의 미분동형사상이어야 한다는 것입니다. (전이 함수는 겹치는 곳의 점 bb마다 하나씩 있으므로 ϕj∘ϕi−1(b,f)=(b,gji(b)(f))\phi_j \circ \phi_i^{-1}(b, f) = (b, g_{ji}(b)(f)) 꼴로 쓸 수 있습니다. 이 식은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. 원기둥은 덮개를 하나만 잡으면 전이 함수가 필요 없는데, 굳이 두 개로 나누어도 되나요?
A. 됩니다. 베이스 전체를 한 덮개로 잡으면 로컬 트리비얼라이제이션이 하나이고 전이 함수가 없습니다. 같은 베이스를 두 덮개로 나누어도 각각에서 자명화를 만들 수 있고, 겹치는 곳에서 두 사상이 어긋나는 정도가 전이 함수입니다. 강의는 번들이 트리비얼하면 이렇게 나누어도 수학적으로 달라질 것이 없어야 한다고 말하고, 트리비얼하지 않은 번들에서는 전이 함수가 더 복잡해진다고 덧붙입니다.

구조군

위의 조건만으로는 아직 부족합니다. 전이 함수가 Diff(F)\mathrm{Diff}(F) 안의 아무 원소여도 된다면 너무 느슨하기 때문입니다. 그래서 번들에 군 G⊆Diff(F)G \subseteq \mathrm{Diff}(F)를 하나 붙이고 이것을 구조군structure group이라고 부릅니다. 모든 전이 함수가 GG의 원소여야 합니다. 구조군은 Diff(F)\mathrm{Diff}(F)보다 훨씬 작을 수 있습니다. 원기둥처럼 전체가 곱인 번들은 덮개를 몇 개로 나누든, 영리하게 잡기만 하면 모든 전이 함수를 항등원으로 만들 수 있으므로 구조군을 원소 하나 {1}\{1\}로 줄일 수 있습니다. 뫼비우스 띠는 그렇게 되지 않습니다. 대부분의 전이 함수를 항등원으로 만들 수는 있어도 적어도 하나는 −1-1을 곱하는 사상이 남으므로 구조군이 {1,−1}\{1, -1\}가 됩니다. 이 예는 다음 편에서 자세히 다룹니다.

그래서 같은 토털 스페이스, 같은 베이스, 같은 파이버를 가지고도 구조군이 다르면 다른 번들이 됩니다. 구조군은 아틀라스를 가장 효율적으로 골랐을 때 나머지 전이 함수가 모두 담기는 가장 단순한 군으로 이해해도 좋습니다.

Q. 전이 함수가 미분동형사상이기만 하면 되는데 구조군을 따로 정해야 하는 까닭이 무엇인가요?
A. 구조군은 번들에 허용되는 전이 함수의 종류를 미리 좁혀 둡니다. 예를 들어 파이버가 실수선일 때 Diff(R)\mathrm{Diff}(\R)에는 비선형인 미분동형사상이 엄청나게 많지만, 구조군을 0을 뺀 실수 곱하기 {b↦gb}\{ b \mapsto gb \}로 두면 번들의 구조가 훨씬 단단해집니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 강의는 구조군이 있어야 모든 번들이 곱이라는 결론으로 빠지지 않는다고만 말합니다.)

아래 장난감으로 이 절들을 한 그림에서 확인해 보세요. 원기둥을 옆으로 펼쳐 점 pp를 끌면 π(p)\pi(p)와 pp가 놓인 파이버, 두 덮개 UiU_i, UjU_j 중 어느 쪽에 들어 있는지, 자명화 좌표가 보입니다. 장난감은 원 위의 위치를 각도 θ\theta로 씁니다. 위쪽 단추로 ϕj\phi_j의 파이버 좌표에 곱할 수 gg를 바꾸면, 두 덮개가 겹치는 진한 곳에서 전이 함수가 (θ,b)↦(θ,gb)(\theta, b) \mapsto (\theta, gb)로 바뀌고 필요한 구조군도 따라서 바뀝니다. 원기둥에서는 어느 gg를 골라도 ϕj\phi_j에 g−1g^{-1}를 곱해 g=1g = 1로 되돌릴 수 있으므로 같은 번들입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

파이버 번들에 필요한 것

강의가 정리한 파이버 번들의 요소를 모으면 다음과 같습니다.

  • 토털 스페이스 EE, 베이스 스페이스 BB, 파이버 FF. 모두 미분 가능 매니폴드입니다.
  • 프로젝션 π:E→B\pi : E \to B. 연속이어야 하고, 모든 b∈Bb \in B에 대해 π−1(b)\pi^{-1}(b)가 FF와 미분동형이어야 합니다.
  • 베이스의 열린 덮개와 그 위의 로컬 트리비얼라이제이션. 각 π−1(Ui)\pi^{-1}(U_i)가 Ui×FU_i \times F와 미분동형이어야 합니다.
  • 구조군 GG. 모든 전이 함수가 GG의 원소여야 합니다.

많은 책에서는 프로젝션 자체를 파이버 번들이라고 부르기도 합니다. 프로젝션이 토털 스페이스에서 베이스로 가는 사상이라는 점은 변하지 않습니다. 이 요소들이 갖추어져야 번들이 되고, 다음 편부터 구체적인 예로 이 구조가 어떻게 돌아가는지 살펴봅니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 12 of the playlist, Fiber Bundles - Formal Description. Up to the previous post we attached a tangent space and a cotangent space to every point of a manifold. This time we define the frame that ties such a point-by-point structure together into one manifold, the fiber bundle. The lecture does not hand us the definition first. It starts from the example of the cylinder and works toward the definition, and this post follows the same order.

Starting from the cylinder

Picture a hollow cylinder that runs up and down forever. Take one circle around its middle and call it S1S^1. SnS^n is the name of the nn-dimensional sphere, so S1S^1 is the circle and S2S^2 is the surface of a ball. A point on the cylinder is fixed by two numbers: its position a∈S1a \in S^1 on the circle and its height b∈Rb \in \R above that circle. We set the circle’s own level to 0, with upward positive and downward negative. The position aa can be written as a number from 0 up to 2π2\pi, and if we treat values that differ by 2πn2\pi n as the same, it becomes almost the same coordinate as a real number. That identification leads to the large topic of quotient spaces, so the lecture stops here and postpones it.

The whole cylinder is already a differentiable manifold. But thanks to the pair (a,b)(a, b) we just built, three manifolds can be seen inside it. Write the whole cylinder as EE, the circle S1S^1 as BB and the real line R\R as FF, and call them the total space, the base space and the fiber. A point of the total space is a pair made of one point of the base and one point of the fiber.

E=S1×R={ (a,b)∣a∈S1, b∈R }E = S^1 \times \R = \{\, (a, b) \mid a \in S^1,\ b \in \R \,\}

The cylinder as a product set, and the missing topology

The geometric cylinder and this set of ordered pairs correspond one to one, so we may regard them as the same object. But the set of ordered pairs is just a set and does not get a topology automatically. We can give it the product topology, built from products U×VU \times V of open sets. The lecture, however, states firmly that it will not use this topology. We have not yet defined anything that deserves the name fiber bundle. All we did was form the product set of two manifolds. The topology for bundles is fixed separately below.

There is one more thing to watch. In the picture of the cylinder, the base circle looks like a subset sitting inside the total space. But a point of EE is an ordered pair, and the collection of pairs (a,0)(a, 0) with height 0 only resembles the circle and is not the base itself.

Projection and fiber

It is always easy to take a point of the base out of a point p=(a,b)p = (a, b) of the total space. This map is called the projection, and for fiber bundles it is always written π\pi. On the cylinder it just returns the first component of the pair.

π:E→B,π(a,b)=a\pi : E \to B, \qquad \pi(a, b) = a

Since π\pi sends many points to one point, going backward gives a set, with no single point to return. For a point aa of the base, π−1(a)\pi^{-1}(a) is the whole real line standing vertically above it. Above another point cc stands a different real line π−1(c)\pi^{-1}(c). The two sets are not equal, but both are diffeomorphic to R\R. So the word fiber is used in two senses. It can mean the fiber π−1(a)\pi^{-1}(a) over one point, or the standard fiber FF, of which all the fibers are copies. To be a bundle, π−1(b)\pi^{-1}(b) must be diffeomorphic to FF for every point b∈Bb \in B. On the cylinder every fiber is a real line, so this holds at once, and for other bundles it has to be checked separately.

Q. Can’t we regard the base space as a subset of the total space?
A. We do not. The total space is a set whose points are ordered pairs of a base point and a fiber point, so even if the pairs with height 0 look like a circle, the base itself is made of the points on the circle and not of ordered pairs. What connects the two is the projection π\pi, and there is no subset relation.

A topology that makes the projection continuous

Now we fix the topology of EE. If UU is an open set of the base, then for π\pi to be continuous its preimage π−1(U)\pi^{-1}(U) must be open in EE, because continuity means that preimages of open sets in the target are open in the domain. So the lecture collects all of these preimages and takes them as the open sets of EE.

TE={ π−1(U)∣U∈TB }\mathcal{T}_E = \{\, \pi^{-1}(U) \mid U \in \mathcal{T}_B \,\}

TB\mathcal{T}_B is the topology of the base. The lecture leaves it to the student to prove that this is a topology. (Preimages preserve unions and intersections exactly, so unions and finite intersections of sets π−1(U)\pi^{-1}(U) again have this form and satisfy the conditions for a topology. This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.) On the cylinder, the open sets of this topology are strips that run up and down forever over open intervals of the circle. It is coarser than the usual topology, in which any small region of the cylinder’s surface counts as open. The lecture says this coarse topology is enough to make π\pi continuous and that we do not need a finer one for our present purpose. (Two different points on one fiber are too coarse to be separated by these strips. So when we treat EE as a true manifold we use a finer topology, in which the bundle charts below are homeomorphisms. This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Local trivializations and bundle charts

The cylinder could be built by multiplying the fiber onto the whole base at once. Not every bundle can be built that way. What we can always do is cover the base with an open cover {Ui}\{U_i\} and give a product structure over one piece at a time. The preimage π−1(Ui)\pi^{-1}(U_i) of a piece UiU_i is open in EE by the topology above, and for a bundle we require that it be diffeomorphic to the product Ui×FU_i \times F.

ϕi:π−1(Ui)→Ui×F\phi_i : \pi^{-1}(U_i) \to U_i \times F

We call this map ϕi\phi_i a local trivialization, and the pair (Ui,ϕi)(U_i, \phi_i) a bundle chart. If one such map exists for the whole bundle, the product structure holds globally and the bundle is called trivial. The cylinder is trivial because the single set U=S1U = S^1 is enough. If a bundle is not trivial, one map is not enough, and so we only require local trivializations that exist piece by piece. Books differ in notation, and the lecture mixes two. One is the ϕi\phi_i above, going from EE to the product. The other goes backward from the product to EE and is ψi=ϕi−1\psi_i = \phi_i^{-1}. They are names for the same diffeomorphism read in opposite directions, so either one tells the same story. The map can also be used with the base component dropped, sending a point straight to FF.

This structure gives a point pp of EE one more coordinate that belongs to the bundle. Compute π(p)\pi(p), find a UiU_i that contains that point, and read the fiber point f∈Ff \in F from ϕi(p)=(π(p),f)\phi_i(p) = (\pi(p), f). This is separate from the coordinates of the atlas that EE has anyway because it is a differentiable manifold. EE can use the coordinates of that atlas, and it can also read the base and the fiber separately through bundle charts. This second structure is what distinguishes a fiber bundle from an ordinary differentiable manifold.

Q. Isn’t the bundle coordinate of a point pp fixed to a single answer?
A. It is not. If pp lies in two cover sets UiU_i and UjU_j together, then ϕi\phi_i and ϕj\phi_j each give a pair. There is no reason for the two maps to agree, so the same point is written as different ordered pairs. In the next section we fix the map that connects these two pairs.

Overlaps and transition functions

A point pp over the overlap Ui∩UjU_i \cap U_j of two cover sets becomes a point of the product in both bundle charts. Just as we had transition functions that carry coordinates between two charts of a manifold, here too we fix a map that carries between the two pairs. It is the composition that goes through one and comes back through the other.

ϕj∘ϕi−1:(Ui∩Uj)×F→(Ui∩Uj)×F\phi_j \circ \phi_i^{-1} : (U_i \cap U_j) \times F \to (U_i \cap U_j) \times F

This composition leaves the base point fixed and moves only the fiber point. If we look at it with the base component removed, it is a map from FF to FF. It carries the difference in how the two local trivializations read the fiber, and it is the transition function of the bundle. Both maps are diffeomorphisms, so the composition is also a diffeomorphism, and therefore a transition function is an element of the group Diff(F)\mathrm{Diff}(F) of diffeomorphisms from FF to FF. The lecture counts this as the last requirement of a fiber bundle: every transition function must be a diffeomorphism of the fiber. (There is one transition function for each point bb of the overlap, so we can write ϕj∘ϕi−1(b,f)=(b,gji(b)(f))\phi_j \circ \phi_i^{-1}(b, f) = (b, g_{ji}(b)(f)). This formula is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Q. A cylinder needs no transition function if we take one cover set, so may we still split it into two?
A. Yes. With one cover set for the whole base there is a single local trivialization and no transition function. Even if we split the same base into two cover sets, we can build a trivialization on each, and the amount by which the two maps disagree on the overlap is the transition function. The lecture says that if the bundle is trivial, splitting it this way should change nothing mathematically, and adds that for a bundle that is not trivial the transition functions get more complicated.

The structure group

The conditions so far are still not enough. If a transition function may be any element of Diff(F)\mathrm{Diff}(F), that is too loose. So we attach to the bundle a group G⊆Diff(F)G \subseteq \mathrm{Diff}(F) and call it the structure group. Every transition function must be an element of GG. The structure group can be much smaller than Diff(F)\mathrm{Diff}(F). For a bundle that is globally a product, like the cylinder, however many cover sets we use, if we choose them cleverly all transition functions can be made the identity, so the structure group can be reduced to the single element {1}\{1\}. The Möbius strip does not work that way. Most of its transition functions can be made the identity, but at least one is left as multiplication by −1-1, so its structure group becomes {1,−1}\{1, -1\}. We treat this example in detail in the next post.

So with the same total space, the same base and the same fiber, a different structure group gives a different bundle. We may understand the structure group as the simplest group that holds all the remaining transition functions once the atlas is chosen as efficiently as possible.

Q. A transition function only has to be a diffeomorphism, so why do we have to fix a structure group separately?
A. The structure group narrows in advance the kinds of transition functions the bundle allows. For example, when the fiber is the real line, Diff(R)\mathrm{Diff}(\R) contains an enormous number of nonlinear diffeomorphisms, but if we set the structure group to multiplication by nonzero numbers {b↦gb}\{ b \mapsto gb \}, the structure of the bundle becomes much firmer. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture. The lecture only says that the structure group keeps us from concluding that every bundle is a product.)

Check these sections in one picture with the toy below. Unroll the cylinder sideways and drag the point pp to see π(p)\pi(p), the fiber that pp sits on, which of the two cover sets UiU_i, UjU_j contain it, and the trivialization coordinates. The toy writes the position on the circle as an angle θ\theta. When you change the number gg multiplied into the fiber coordinate of ϕj\phi_j with the buttons above, the transition function on the dark overlap becomes (θ,b)↦(θ,gb)(\theta, b) \mapsto (\theta, gb) and the required structure group changes accordingly. On the cylinder any choice of gg can be undone by multiplying ϕj\phi_j by g−1g^{-1} to get back to g=1g = 1, so it is the same bundle. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

What a fiber bundle needs

Collecting the elements of a fiber bundle that the lecture summarized, we get the following.

  • The total space EE, the base space BB and the fiber FF. All are differentiable manifolds.
  • The projection π:E→B\pi : E \to B. It must be continuous, and π−1(b)\pi^{-1}(b) must be diffeomorphic to FF for every b∈Bb \in B.
  • An open cover of the base and local trivializations over it. Each π−1(Ui)\pi^{-1}(U_i) must be diffeomorphic to Ui×FU_i \times F.
  • The structure group GG. Every transition function must be an element of GG.

In many books the projection itself is called the fiber bundle. The projection remains a map from the total space to the base. Once these elements are in place we have a bundle, and from the next post on we look at how this structure works in concrete examples.

Comments댓글