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Máster y doctorado

Fibrados y clases características

Un fibrado vectorial coloca un espacio vectorial sobre cada punto de una base. Localmente podemos elegir bases, pero al dar una vuelta esas referencias pueden volver cambiadas. Las clases características detectan parte de ese pegado. Lo veremos con la línea de Möbius y con campos tangentes a la esfera, antes de ordenar grados y coeficientes de las distintas clases.

1. Un fibrado tiene fibras lineales y cambios de referencia que dependen de la base

Un fibrado de rango r tiene cartas π⁻¹(U)≅U×kʳ que son lineales en cada fibra. En un solapamiento, las coordenadas vectoriales se relacionan mediante una matriz invertible que varía continuamente con el punto de la base. En el caso suave se exige suavidad.

Las matrices de transición satisfacen identidades de cociclo: cambiar de referencia por dos pasos debe coincidir con hacerlo directamente. El rango no determina el pegado. La línea producto S¹×R y la línea de Möbius tienen fibras R, pero una admite una referencia global y la otra no.

Comprobar el cociclo en un cambio escalar

En un solapamiento triple, cambios de coordenadas v₁=2v₂ y v₂=3v₃.

  1. Componer

    v₁=2·(3v₃)=6v₃.
  2. Cambio directo

    El cambio de la referencia tres a la uno debe ser multiplicar por seis.

  3. Invertir

    El retorno es multiplicar por 1/6, de modo que el recorrido completo da uno.

Resultado

Las referencias deben ser coherentes en cada triple solapamiento.

Lo comprobamos

Se ha fijado el sentido de los cambios; invertirlo cambia las matrices por sus inversas.

El mismo espacio de fibra permite dos pegados

Extremos de [0,1]×R.

  1. Producto

    Identificar (1, v) con (0, v) conserva la coordenada.

  2. Möbius

    Identificar (1, v) con (0,−v) invierte la referencia.

  3. Comparar

    Localmente ambos son intervalos por R; la diferencia aparece al cerrar la base.

Resultado

La trivialidad local no decide la trivialidad global.

Lo comprobamos

El pegado de Möbius es lineal e invertible en cada fibra, como exige la definición.

2. Una sección elige un vector por punto; un marco elige una base completa

Una sección s: B→E cumple π∘s=\operatorname{id}_B.

La sección cero siempre existe. En una línea, una sección global no nula da una base en cada fibra y trivializa el fibrado. En rango r se necesitan r secciones independientes punto a punto para un marco global.

En una base paracompacta se puede elegir una métrica auxiliar por particiones de la unidad. Una sección no nula separa una dirección trivial y su complemento ortogonal da E≅ε¹⊕E′. En rango mayor que uno, una sola sección no nula no obliga a que el complemento sea trivial.

También se construyen sumas, tensores, duales y pullbacks fibra a fibra.

Una sección no nula trivializa una línea

L línea real y s(b)≠0 para cada b.

  1. Construir

    Enviar (b, t) a t s(b).

  2. En cada fibra

    Todo vector de una recta se escribe de forma única como múltiplo de s(b).

  3. Continuidad

    En una carta, dividir por la coordenada continua no nula de s da la inversa continua.

Resultado

L≅B×R.

Lo comprobamos

La condición no nula se usa para dividir; la sección cero no sirve como base.

Una dirección trivial no borra otra dirección torcida

E=ε¹⊕L, con L la línea de Möbius.

  1. Sección

    s(b)=(1,0) nunca se anula.
  2. Complemento

    Con una métrica producto, el complemento es L.

  3. Obstrucción

    El cambio de referencia es diag(1,−1), con determinante negativo al cerrar la vuelta. No se puede orientar continuamente E como en un producto; E no es trivial.

Resultado

Para un marco de rango dos faltaría una segunda dirección independiente global.

Lo comprobamos

El ejemplo distingue una sección no nula de una trivialización completa.

3. Las clases se transportan por pullback y proceden de objetos universales

Una clase característica κ satisface κ(f*E)=f*κ(E).

Si dos fibrados son isomorfos, sus clases coinciden. Las clases positivas usuales de un fibrado trivial se anulan; una clase no nula puede por tanto demostrar no trivialidad.

Sobre una base CW, los fibrados reales de rango r se clasifican por mapas a BO(r) hasta homotopía y los complejos por mapas a BU(r). Esos espacios se modelan con Grassmannianas infinitas y llevan fibrados universales. Sus clases se tiran hacia la base por el mapa clasificante.

Para líneas complejas, c₁∈H²(B; Z) sí da una clasificación completa; esto no se generaliza a cualquier lista corta de clases de rango mayor.

Tirar Möbius por una vuelta doble

f: S¹→S¹ recorre la base dos veces.

  1. Dos cambios

    La referencia cambia por −1 en cada vuelta.

  2. Componer

    (−1)²=+1: el fibrado de línea tirado tiene pegado positivo.

  3. Clase

    f*w₁(L)=2w₁(L)=0 en F₂; la línea tirada es orientable y trivial.
Resultado

La naturalidad concuerda con el cálculo explícito del pegado.

Lo comprobamos

La base original no se vuelve un intervalo: cambió el mapa usado para el pullback.

Multiplicar el primer Chern mediante un mapa de grado tres

L complejo sobre S² con ⟨c₁(L),[S²]⟩=1; f: S²→S² tiene grado tres.

  1. Naturalidad

    c₁(f*L)=f*c₁(L).
  2. Evaluar

    ⟨f*c₁(L),[S²]⟩=⟨c₁(L), f_*[S²]⟩.
  3. Grado

    f_*[S²]=3[S²], así que la evaluación es tres.
Resultado

El pullback puede cambiar el grado de la línea.

Lo comprobamos

Para líneas complejas sobre S², grados uno y tres distinguen fibrados no isomorfos.

4. w₁ mide si las orientaciones de fibra pueden encajar

Orientar un fibrado real significa elegir continuamente orientación en cada fibra. En referencias compatibles con esa elección, los cambios tienen determinante positivo. Los signos de los determinantes definen un cociclo con valores en ±1, identificado con F₂; su clase es w₁(E)∈H¹(B; F₂).

Se cumple w₁(E)=0 si y solo si E es orientable.

Se está orientando el espacio vectorial de cada fibra, no automáticamente la base o todo el espacio total.

Para E=TM coincide con orientar la variedad.

En rango uno, una orientación permite elegir una sección positiva global y la línea es trivial.

El fibrado trivial tiene w₁ cero

E=B×Rʳ con una referencia global.

  1. Transiciones

    Se puede usar la identidad en todos los solapamientos.

  2. Determinantes

    Todos son +1.

  3. Cociclo

    No hay inversión de orientación; w₁(E)=0.
Resultado

La base puede tener lazos sin que este fibrado gire su orientación.

Lo comprobamos

La conclusión se apoya en la referencia global elegida.

Orientable no significa trivial en rango dos

Tangente TS² con su orientación usual.

  1. Orientación

    La esfera orientada proporciona orientación continua en cada plano tangente.

  2. Primera clase

    w₁(TS²)=0.
  3. Otra obstrucción

    Euler evalúa dos; TS² no admite un marco global y no es trivial.

Resultado

w₁ detecta una pregunta concreta, no todas las preguntas sobre el fibrado.

Lo comprobamos

La línea real era una excepción donde orientabilidad sí bastaba para trivializar.

5. Möbius obliga a que una sección pase por cero

En el modelo ([0,1]×R)/((1, v)∼(0,−v)), una sección se escribe como una función continua f con f(1)=−f(0).

Si f(0)=0, ya tiene un cero.

Si f(0)≠0, los extremos tienen signos contrarios y el valor intermedio obliga a un cero entre ellos.

Una sección de Möbius tiene valores opuestos al cerrar la vuelta
Möbius: f(1)=−f(0)1−1t1/2f(t)=cos(πt)Un cero en la mitad.Ninguna sección evita todos los ceros.
Se dibuja una sección concreta en coordenadas de intervalo, f de t igual a coseno de pi t, con f cero igual a uno y f uno igual a menos uno. Los extremos son compatibles con el pegado de la línea de Möbius. La sección se anula en t igual a un medio. Para cualquier sección con valor inicial no nulo, la relación de extremos obliga a cambiar de signo y el valor intermedio obliga a tener un cero. La sección cero también existe; lo imposible es una sección global no nula.

Por tanto no existe sección global no nula de esa línea. La evaluación de w₁ en una vuelta generadora es uno en F₂, la clase no nula de H¹(S¹; F₂). La sección cero existe, y muchas secciones no idénticamente nulas también: lo que falla es evitar todos los ceros.

Una sección concreta compatible con el pegado

f(t)=cos(πt).

  1. Extremo inicial

    f(0)=1.
  2. Extremo final

    f(1)=−1=−f(0), como exige Möbius.
  3. Cero

    f(1/2)=0; la sección es válida y se anula en la mitad.
Resultado

No ser trivial no significa carecer de toda sección.

Lo comprobamos

La función es continua en el intervalo y su relación de extremos permite descender al fibrado.

Probar la imposibilidad para cualquier sección no nula

Suponer f continua y f(t)≠0 para todo t.

  1. Signo

    Una función continua no nula en [0,1] tiene signo constante.

  2. Pegado

    f(1)=−f(0) obliga a signos contrarios.
  3. Contradicción

    La suposición de no anularse es imposible.

Resultado

La prueba no depende de que la sección tenga forma de coseno.

Lo comprobamos

Si el inicio fuera cero, la propia suposición ya fallaría allí.

6. Euler convierte la orientación de las fibras en una obstrucción a evitar ceros

Para E orientado de rango r, la clase de Thom vive en Hʳ(E, E sin la sección cero; Z) y restringe al generador orientado de cada fibra relativa. Al llevarla a cohomología absoluta y tirar por la sección cero se obtiene e(E)∈Hʳ(B; Z). El grado coincide con el rango.

Una sección global no nula obliga a e(E)=0.

En el caso suave, una sección transversal a cero representa por su conjunto de ceros la clase dual de Euler. Sobre una base de dimensión r, los ceros aislados se cuentan con signos. En general e=0 es una condición necesaria y no se presenta como recíproco universal sin otras hipótesis.

Leer el grado antes de buscar un número

Fibrado orientado de rango cuatro sobre una base B.

  1. Thom

    La clase de Thom tiene grado cuatro, porque las fibras tienen dimensión cuatro.

  2. Sección cero

    El pullback conserva el grado.

  3. Euler

    e(E) pertenece a H⁴(B; Z); todavía no es un número hasta evaluarla en un ciclo de grado cuatro.

Resultado

Una clase y su evaluación sobre un ciclo son objetos distintos.

Lo comprobamos

Evaluar solo un ciclo no garantiza haber determinado toda la clase.

Una sección constante evita los ceros en un fibrado trivial

E=B×R² orientado.

  1. Construir

    s(b)=(1,0) en cada fibra.
  2. Comprobar

    Su norma es uno, nunca cero.

  3. Euler

    La obstrucción e(E) debe anularse; en una sección transversal sin ceros, el conjunto que representaría la clase está vacío.

Resultado

La anulación se justifica construyendo una sección no nula.

Lo comprobamos

No se dedujo una trivialización de un Euler cero desconocido: aquí el fibrado ya era producto.

7. En el tangente, la suma de índices es la característica de Euler

Para una variedad suave cerrada orientada M de dimensión m, \langle e(TM),[M]\rangle=\chi(M). Poincaré–Hopf expresa el mismo número como suma de índices de ceros aislados de un campo tangente. En un cero transversal, el índice es el signo de un determinante y vale +1 o −1.

El campo de altura de la esfera tiene dos ceros de índice positivo
Tangente de S²: χ=2N: índice +1S: índice +1V(x)=ez−z x1+1=2Euler impide un campo sin ceros.
En la esfera unidad, el campo tangente V de x igual a e z menos z por x es la proyección tangente del vector vertical. Se anula en los polos norte y sur y en ningún otro punto. En coordenadas tangentes, la linealización es menos identidad en el norte y más identidad en el sur; ambos determinantes son positivos en dimensión dos, con índice más uno. La suma es dos, igual a la evaluación de Euler. El círculo es una sección meridiana esquemática, no una representación de todas las direcciones tangentes.

La esfera tiene χ=2, así que Euler impide un campo tangente global sin ceros. En el toro χ=0 y además podemos construir un campo constante no nulo en R²/Z². Esa construcción demuestra existencia en el toro; la sola palabra cero no sustituye una construcción en cualquier problema de fibrados.

Ver dos ceros que suman dos en la esfera unidad

V(x)=e_{z}−z x, proyección tangente del vector vertical.

  1. Tangencia

    x·V=z−z‖x‖²=0 en la esfera.
  2. Ceros

    V=0 solo en los polos.

    La linealización tangente es −Id en el norte y +Id en el sur.

  3. Índices

    En dimensión dos ambos determinantes son positivos: +1+1=2.

Resultado

El campo concreto coincide con la evaluación de e(TS²).

Lo comprobamos

Sus dos ceros no son un defecto de este dibujo que se pueda eliminar por otro campo sin contradecir Euler.

Una cota de ceros en género tres

Superficie orientada cerrada de género tres y campo con ceros transversales.

  1. Euler

    χ=2−2·3=−4.
  2. Signos

    Cada cero transversal contribuye +1 o −1.

  3. Cota

    Una suma −4 requiere al menos cuatro ceros; no puede ser un campo sin ceros.

Resultado

La hipótesis transversal permite esta cota contando ceros individuales.

Lo comprobamos

Sin transversalidad un índice aislado puede tener otro valor; no se reutiliza la cota sin revisar esa condición.

8. Cada familia de clases tiene sus grados y coeficientes

Las clases de Stiefel–Whitney w_{i} viven en Hⁱ(B; F₂), se anulan si i supera el rango real y satisfacen w(E⊕F)=w(E)w(F). Para E orientado de rango r, reducir e(E) módulo dos da w_{r}(E). En el marco usual, w₂ de un fibrado orientado es la obstrucción a levantar la estructura a Spin.

Para un fibrado complejo de rango r, c_{j}∈H²ʲ(B; Z), c_{j}=0 si j>r y c(E⊕F)=c(E)c(F).

Para uno real, p_j(E)=(-1)^jc_{2j}(E\otimes_{\mathbb R}\mathbb C) vive en grado 4j. La fórmula multiplicativa de Pontryagin se usa sobre Q o R, o tras invertir dos; sobre Z puede haber correcciones de torsión de orden dos. No se extiende sin ese matiz la regla integral de Chern a todas las clases de Pontryagin.

Calcular Chern de una suma de dos líneas

En CP¹×CP¹, c₁(L)=a y c₁(M)=2b, con a²=b²=0 y ∫ab=1.

  1. Totales

    c(L)=1+a y c(M)=1+2b.
  2. Multiplicar

    c(L⊕M)=1+(a+2b)+2ab.
  3. Separar grados

    c₁=a+2b, de grado dos; c₂=2ab, de grado cuatro y evaluación dos.

Resultado

La clase segunda de una suma no se calcula sumando las clases primeras.

Lo comprobamos

Las letras a, b son clases de grado dos; sus productos no tienen signo menos al intercambiarse.

Sumar dos inversiones de Möbius

L línea de Möbius sobre S¹; a=w₁(L).

  1. Clases totales

    w(L⊕L)=(1+a)²=1+2a+a².
  2. Coeficientes y dimensión

    2a=0 en F₂ y a²=0 porque H²(S¹; F₂)=0.
  3. Orientación

    w₁(L⊕L)=0; las dos inversiones tienen determinante positivo juntas.

Resultado

El rango dos obtenido es orientable.

Lo comprobamos

La anulación de clases por sí sola no se usa como criterio universal de trivialidad; en este caso construiremos un marco.

9. Igualdad de clases, torsión y construcción explícita tienen alcances diferentes

Una clase no nula demuestra una obstrucción concreta. La igualdad de unas pocas clases no clasifica en general todos los fibrados; el mapa clasificante contiene más datos. Para líneas complejas sí vale la clasificación por c₁ sobre CW, una excepción útil que debe declararse.

En fibrados suaves, Chern–Weil representa imágenes reales de Chern y Pontryagin mediante curvatura. Las formas de de Rham no ven torsión integral ni sustituyen una clase módulo dos como w₁. Tampoco anular un único período demuestra que una clase completa sea cero.

Una línea compleja no trivial puede tener Chern real cero

H²(RP²; Z)=Z/2 y la clasificación de líneas complejas permite elegir L con c₁ la clase no nula.

  1. Integral

    c₁(L)≠0 y tiene orden dos.
  2. Pasar a reales

    Un elemento de orden dos se envía a cero en un espacio vectorial real.

  3. Comparar

    L no es trivial por su c₁ integral, aunque su clase de Chern de de Rham sea cero.

Resultado

Los períodos reales pueden perder exactamente la información de torsión.

Lo comprobamos

No se ha afirmado que una forma concreta de curvatura sea idénticamente cero: su clase real es la que se anula.

Construir un marco para L⊕L sobre S¹

En [0,1]×R² con pegado v(1)∼−v(0).

  1. Vectores

    Tomar s₁(t)=(cos πt, sin πt) y s₂(t)=(−sin πt, cos πt).
  2. Extremos

    Cada vector en t=1 es el menos del inicial, así que ambos descienden al cociente.

  3. Independencia

    La matriz de columnas tiene determinante cos²πt+sin²πt=1 en todos los puntos.

Resultado

Este marco global prueba que L⊕L es trivial en este caso.

Lo comprobamos

La prueba aporta las dos secciones independientes y no se limita a observar w₁=0.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Euler de la esfera

Calcula la evaluación de e(TS²).

  1. Identificar el fibrado

    TS² tiene rango dos y la orientación inducida por la esfera orientada.

  2. Usar el teorema

    La evaluación de e(TS²) en [S²] es χ(S²).

  3. Contar celdas

    Una cero-celda y una dos-celda dan 1+1.

  4. Evaluación

    ⟨e(TS²),[S²]⟩=2.
  5. No anulación

    Una clase que evalúa dos no es cero.

  6. Obstrucción

    Un campo tangente global no nulo obligaría a Euler cero y produciría contradicción.

Resultado

La evaluación es 2.

Lo comprobamos

Esto impide un campo tangente global sin ceros.

EJEMPLO RESUELTO 2

La banda de Möbius

Decide si el fibrado de línea de Möbius sobre S¹ tiene w₁=0.

  1. Escribir el pegado

    La línea de Möbius identifica (1, v) con (0,−v).

  2. Recorrer la base

    Una referencia que da una vuelta vuelve con signo contrario.

  3. Orientación

    No puede elegirse una orientación continua de la línea en toda la vuelta.

  4. Evaluar w₁

    La inversión corresponde a uno en F₂.

  5. Grupo de destino

    H¹(S¹; F₂)=F₂ tiene una única clase no nula.
  6. Concluir

    w₁ es esa clase no nula; en particular, no es cero.

Resultado

w₁ es la clase no nula de H¹(S¹;F₂).

Lo comprobamos

La inversión de signo es la obstrucción.

Los símbolos que hemos usado

π:E→B
Fibrado vectorial real o complejo de rango r sobre una base B, aquí de tipo CW o paracompacta según la construcción.
E_b
Fibra vectorial π⁻¹(b), de dimensión r sobre el cuerpo elegido.
gαβ
Funciones de transición en GL_r(R) o GL_r(C) que comparan referencias locales.
εʳ
Fibrado trivial B×kʳ.
wᵢ(E)
Clases de Stiefel–Whitney de un fibrado real, en Hⁱ(B;F₂).
e(E)
Clase de Euler en Hʳ(B;Z) para un fibrado real orientado de rango r.
cⱼ(E)
Clase de Chern de un fibrado complejo, en H²ʲ(B;Z).
pⱼ(E)
Clase de Pontryagin de un fibrado real, en H⁴ʲ(B;Z).
[M]
Clase fundamental integral de una variedad cerrada orientada.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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