Stiefel多様体(Stiefel manifold)とは、$\mathbb{R}^n$ または $\mathbb{C}^n$ の正規直交な $k$ 個のベクトルの組の全体 $V_k$ に相対位相を入れた空間で、$k=1$ では単位球面、$k=n$ では直交群・ユニタリ群になる。コンパクトな滑らかな多様体であり、枠の最初のベクトルへの射影は 1 段小さい Stiefel 多様体をファイバーとする球面上のファイバー束になる。この束から、$V_k(\mathbb{R}^n)$ は $(n-k-1)$ 連結、$V_k(\mathbb{C}^n)$ は $2(n-k)$ 連結であることが従う。無限次元の $V_k$ は可縮で、Grassmann 多様体の上の主束として分類空間 $BO(k)$・$BU(k)$ の模型を与える。
前提知識: 直交群, ユニタリ群, ファイバー束, ホモトピー群, Grassmann多様体
Stiefel多様体(Stiefel manifold)$V_k(\mathbb{R}^n)$ は、$\mathbb{R}^n$ の正規直交な $k$ 個のベクトルの組(正規直交 $k$ 枠)の全体である。$k=1$ なら単位球面 $S^{n-1}$、$k=n$ なら直交群 $O(n)$ であり、その間を埋める空間の族になっている。枠の最初のベクトルだけを取り出す写像は球面 $S^{n-1}$ 上のファイバー束で、ファイバーは 1 段小さい Stiefel 多様体である。この束を繰り返し使うと、$V_k(\mathbb{R}^n)$ のホモトピー群が低い次数で消えることがわかる。さらに無限次元の $V_k(\mathbb{R}^\infty)$ は可縮で、枠にその張る部分空間を対応させる写像は Grassmann 多様体の上の普遍な主束になる。こうして Stiefel 多様体は、分類空間 $BO(k)$・$BU(k)$ の具体的な模型と、ベクトル場の個数や特性類の障害理論の基礎を与える。
以下、$\mathbb{K}$ は $\mathbb{R}$ または $\mathbb{C}$ とし、$c:=\dim_{\mathbb{R}}\mathbb{K}$($1$ または $2$)とおく。$\mathbb{K}^n$ の内積を $\langle x,y\rangle:=\sum_i\overline{x_i}y_i$($\mathbb{K}=\mathbb{R}$ では共役は恒等)とし、$e_1,\dots,e_n$ を標準基底とする。$\mathbb{K}=\mathbb{R}$ のとき $U_{\mathbb{K}}(n):=O(n)$、$\mathbb{K}=\mathbb{C}$ のとき $U_{\mathbb{K}}(n):=U(n)$ と書く。
$1\le k\le n$ とする。$\mathbb{K}^n$ のベクトルの組 $(v_1,\dots,v_k)$ で $\langle v_i,v_j\rangle=\delta_{ij}$ を満たすものを正規直交 $k$ 枠といい、その全体
$$
V_k(\mathbb{K}^n):=\{(v_1,\dots,v_k)\in(\mathbb{K}^n)^k\mid\langle v_i,v_j\rangle=\delta_{ij}\}
$$
に $(\mathbb{K}^n)^k$ の相対位相を入れたものを Stiefel 多様体という。$\mathbb{K}=\mathbb{C}$ のときは複素 Stiefel 多様体ともいう。
$V_k(\mathbb{K}^n)$ は連続関数の等式で定まるので閉集合であり、単位球面の $k$ 個の積に含まれて有界なので、コンパクトである。枠のベクトルを列に並べると、$V_k(\mathbb{K}^n)$ は $A^*A=I_k$ を満たす $n\times k$ 行列 $A$ の全体と同じものになる($A^*$ は共役転置)。
文献によっては、正規直交とは限らない線形独立な $k$ 個の組の全体 $\widetilde V_k(\mathbb{K}^n)$ を Stiefel 多様体とよぶ(MS74 §5、p. 56)。$\widetilde V_k(\mathbb{K}^n)$ は $(\mathbb{K}^n)^k$ の開集合である。Gram–Schmidt の直交化(Gram–Schmidtの直交化)
$$
\mathrm{GS}(y_1,\dots,y_k):=(v_1,\dots,v_k),\qquad v_j:=\frac{u_j}{\|u_j\|},\quad u_j:=y_j-\sum_{i< j}\langle v_i,y_j\rangle v_i
$$
は、係数が内積と($0$ でない)ノルムの連続関数なので連続な写像 $\widetilde V_k\to V_k$ であり、正規直交枠を動かさない。$y_t:=(1-t)y+t\,\mathrm{GS}(y)$ の第 $j$ 成分は、$v_j$ が $y_1,\dots,y_j$ の一次結合で $y_j$ の係数が $1/\|u_j\|>0$ であることから、$y_1,\dots,y_j$ の一次結合で $y_j$ の係数が正である。よって $y_t$ は $t\in[0,1]$ で線形独立のままであり、$V_k(\mathbb{K}^n)$ は $\widetilde V_k(\mathbb{K}^n)$ の変形レトラクトであり、二つの流儀は同じホモトピー型を与える。
$V_k(\mathbb{R}^n)$ は $\mathbb{R}^{nk}$ のコンパクトな滑らかな部分多様体で、次元は $nk-\tfrac12k(k+1)$ である。$V_k(\mathbb{C}^n)$ は $\mathbb{C}^{nk}=\mathbb{R}^{2nk}$ のコンパクトな滑らかな部分多様体で、実次元は $2nk-k^2$ である。
要点:写像 $A\mapsto A^*A$ に対して $I_k$ が正則値であることを、微分の全射性で示す。
$n\times k$ 行列の空間 $M_{n,k}(\mathbb{K})$ から $k$ 次の Hermite 行列($\mathbb{K}=\mathbb{R}$ なら対称行列)の実ベクトル空間 $\mathcal{S}_k$ への滑らかな写像 $F(A):=A^*A$ を考えると、$V_k(\mathbb{K}^n)=F^{-1}(I_k)$ である。$F$ の $A$ での微分は $dF_A(B)=A^*B+B^*A$ である。$A\in F^{-1}(I_k)$ と $S\in\mathcal{S}_k$ に対し $B:=\tfrac12AS$ とおくと、$A^*A=I_k$、$S^*=S$ から $dF_A(B)=\tfrac12S+\tfrac12S=S$ となるので、$dF_A$ は全射である。よって $I_k$ は $F$ の正則値であり、正則値定理 により $F^{-1}(I_k)$ は余次元 $\dim_{\mathbb{R}}\mathcal{S}_k$ の部分多様体である。$\dim_{\mathbb{R}}\mathcal{S}_k$ は実対称行列なら $\tfrac12k(k+1)$、Hermite 行列なら $k^2$(実の対角成分 $k$ 個と複素の上三角成分 $\tfrac12k(k-1)$ 個)なので、主張の次元を得る。コンパクト性は上で見た。$\square$
$k=n$ とすると $\dim O(n)=\tfrac12n(n-1)$、$\dim U(n)=n^2$ が再び得られる。
写像 $\Theta\colon U_{\mathbb{K}}(n)\to V_k(\mathbb{K}^n)$、$g\mapsto(ge_1,\dots,ge_k)$ は連続な全射で、$\Theta(g)=\Theta(h)$ となるのは $h^{-1}g$ が $e_1,\dots,e_k$ を固定するとき、すなわち $h^{-1}g\in\{I_k\}\times U_{\mathbb{K}}(n-k)$ のときに限る。したがって $\Theta$ は同相写像
$$
U_{\mathbb{K}}(n)/U_{\mathbb{K}}(n-k)\xrightarrow{\ \cong\ }V_k(\mathbb{K}^n)
$$
を誘導する。
要点:正規直交枠は正規直交基底に延ばせるので全射であり、コンパクト空間から Hausdorff 空間への連続な全単射は同相写像である。
連続性は明らかである。正規直交枠 $(v_1,\dots,v_k)$ は正規直交基底 $(v_1,\dots,v_n)$ に延ばせる(Gram–Schmidtの直交化)ので、列が $v_1,\dots,v_n$ の行列 $g$ について $\Theta(g)=(v_1,\dots,v_k)$ であり、全射である。$ge_i=he_i$($i\le k$)は $h^{-1}ge_i=e_i$ と同じであり、ユニタリな $h^{-1}g$ が $e_1,\dots,e_k$ を固定すれば、その直交補 $\mathbb{K}^{n-k}$ を保つので $h^{-1}g\in\{I_k\}\times U_{\mathbb{K}}(n-k)$ である。誘導される写像はコンパクト空間 $U_{\mathbb{K}}(n)/U_{\mathbb{K}}(n-k)$(コンパクト群の商)から Hausdorff 空間への連続な全単射なので、同相写像である。$\square$
この表示は Hus94 第 8 章 Theorem 1.3(p. 89)にある。
$2\le k\le n$ とする。$p(v_1,\dots,v_k):=v_1$ で定まる写像 $p\colon V_k(\mathbb{K}^n)\to S^{cn-1}$ は、ファイバーが $V_{k-1}(\mathbb{K}^{n-1})$ と同相なファイバー束である。
$x_0\in S^{cn-1}$ を固定する。$x_0$ を第 1 列とするユニタリ行列($\mathbb{K}=\mathbb{R}$ なら直交行列)$s_0=(x_0,b_2,\dots,b_n)$ を一つとる。
$$
U:=\{x\in S^{cn-1}\mid\langle x_0,x\rangle\ne0\}
$$
は $x_0$ を含む開集合である。$x\in U$ なら $(x,b_2,\dots,b_n)$ は線形独立である。実際、$x$ を基底 $(x_0,b_2,\dots,b_n)$ で展開したときの $x_0$ の係数は $\langle x_0,x\rangle\ne0$ である。そこで
$$
s(x):=\mathrm{GS}(x,b_2,\dots,b_n),\qquad g(x):=s(x)\,s_0^{-1}\qquad(x\in U)
$$
とおく。$\|x\|=1$ なので $s(x)$ の第 1 列は $x$ であり、$s(x)$ はユニタリ行列、$g\colon U\to U_{\mathbb{K}}(n)$ は連続、$g(x)x_0=x$、$g(x_0)=I_n$ である。
$x_0$ の上のファイバー $p^{-1}(x_0)$ は、$x_0^\perp$ の中の正規直交 $(k-1)$ 枠 $(w_2,\dots,w_k)$ の全体 $F$ と同一視でき、$x_0^\perp\cong\mathbb{K}^{n-1}$ なので $F\cong V_{k-1}(\mathbb{K}^{n-1})$ である。
$$
\varphi\colon U\times F\to p^{-1}(U),\qquad\varphi(x,(w_2,\dots,w_k)):=(x,g(x)w_2,\dots,g(x)w_k)
$$
を考える。$g(x)$ はユニタリで $x_0$ を $x$ に送るので $x_0^\perp$ を $x^\perp$ に送り、$\varphi$ の値は $x$ で始まる正規直交枠である。逆写像は $(v_1,\dots,v_k)\mapsto(v_1,(g(v_1)^{-1}v_2,\dots,g(v_1)^{-1}v_k))$ で、$g(v_1)^{-1}=g(v_1)^*$ は $v_1$ について連続である。$\varphi$ と逆写像はともに連続で $p\circ\varphi=\mathrm{pr}_1$ を満たすので、$\varphi$ は $U$ の上の局所自明化である。$x_0$ は任意なので $p$ はファイバー束である。$\square$
同じ議論で、最初の $m$ 本を取り出す写像 $V_k(\mathbb{K}^n)\to V_m(\mathbb{K}^n)$($m< k$)もファイバー $V_{k-m}(\mathbb{K}^{n-m})$ のファイバー束である(Hat02 Example 4.54、p. 383。$m=k-1$ の場合は Hus94 第 8 章 Theorem 3.8、p. 93)。
$1\le k\le n$ とする。$0\le i\le c(n-k+1)-2$ のとき $\pi_i(V_k(\mathbb{K}^n))=0$ である。すなわち
$$
V_k(\mathbb{R}^n)\ \text{は}\ (n-k-1)\text{ 連結},\qquad V_k(\mathbb{C}^n)\ \text{は}\ 2(n-k)\text{ 連結}
$$
である($i=0$ の場合は弧状連結であることを意味し、基点はどこにとってもよい)。
$N(n,k):=c(n-k+1)-2$ とおく。$k=1$ のとき $V_1(\mathbb{K}^n)=S^{cn-1}$ であり、$N(n,1)=cn-2$ なので、主張は $i< cn-1$ で $\pi_i(S^{cn-1})=0$ であること(Hat02 Corollary 4.9、p. 349)にほかならない。
$k\ge2$ とし、$k-1$ まで主張が成り立つとする。$N(n,k)<0$ なら示すことはない。$N(n,k)\ge0$ とする。thm-stiefel-bundle のファイバー束 $V_{k-1}(\mathbb{K}^{n-1})\to V_k(\mathbb{K}^n)\xrightarrow{p}S^{cn-1}$ は CW 対についてホモトピー持ち上げ性質をもつ(Hat02 Proposition 4.48、p. 379)。底空間の次元について $cn-1\ge c(n-k+1)-1=N(n,k)+1\ge1$ なので底空間は弧状連結であり、ホモトピー群の長完全列
$$
\pi_i(V_{k-1}(\mathbb{K}^{n-1}))\to\pi_i(V_k(\mathbb{K}^n))\to\pi_i(S^{cn-1})\quad(i\ge1),\qquad\pi_0(V_{k-1}(\mathbb{K}^{n-1}))\to\pi_0(V_k(\mathbb{K}^n))\to0
$$
が成り立つ(Hat02 Theorem 4.41、p. 376)。$N(n-1,k-1)=c(n-k+1)-2=N(n,k)$ なので、帰納法の仮定により $i\le N(n,k)$ でファイバーの $\pi_i$ は $0$ である。また $i\le N(n,k)\le cn-2$ なので $\pi_i(S^{cn-1})=0$ である。完全性により $1\le i\le N(n,k)$ で $\pi_i(V_k(\mathbb{K}^n))=0$ であり、$i=0$ ではファイバーが弧状連結なので $V_k(\mathbb{K}^n)$ も弧状連結である。$\square$
この主張は Hus94 第 8 章 Theorem 5.1(p. 95)、Hat02 Example 4.53–4.54(pp. 381–383)にある。次の 2 つの場合には、範囲をこれ以上広げられない。$k=1$ では $\pi_{cn-1}(S^{cn-1})\cong\mathbb{Z}$ であり、$k=n$、$\mathbb{K}=\mathbb{R}$ では範囲は $i\le-1$ となって何も主張せず、実際 $V_n(\mathbb{R}^n)=O(n)$ は連結でない(ex-stiefel-table)。
$S^{n-1}$ の点 $x$ での接空間は $x^\perp$ なので、$p\colon V_{k+1}(\mathbb{R}^n)\to S^{n-1}$ の連続な切断 $x\mapsto(x,w_1(x),\dots,w_k(x))$ は、$S^{n-1}$ 上の各点で正規直交な $k$ 個の連続な接ベクトル場と同じものである。各点で線形独立な $k$ 個の接ベクトル場があれば、各点で Gram–Schmidt の直交化を施して正規直交にできる($\mathrm{GS}(x,w_1,\dots,w_k)$ の第 1 列は $x$ のまま)。こうして「$S^{n-1}$ 上に各点で線形独立な $k$ 個の接ベクトル場があるか」という問題は、ファイバー束 $p$ の切断の存在の問題になる。
$n\ge2$ とする。$p\colon V_2(\mathbb{R}^n)\to S^{n-1}$ が連続な切断をもつための必要十分条件は、$n$ が偶数であることである。
上で見たように、切断は $S^{n-1}$ 上の長さ $1$ の連続な接ベクトル場と同じものであり、零点をもたない連続な接ベクトル場 $w$ があれば $w/\|w\|$ が長さ $1$ の場になる。毛玉の定理 の定理「毛玉の定理」により、$S^{n-1}$ 上に零点をもたない連続な接ベクトル場が存在するのは $n-1$ が奇数のときに限る。$n=2m$ のときは、$\mathbb{R}^{2m}=\mathbb{C}^m$ とみて $w(x):=ix$ が実際の場を与える($\langle x,ix\rangle_{\mathbb{R}}=\operatorname{Re}(\overline{x}\cdot ix)$ の和は $\operatorname{Re}(i\|x\|^2)=0$)。$\square$
一般の $k$ について、$S^{n-1}$ 上に線形独立な接ベクトル場が最大何本とれるかは Adams によって決定され、その証明には位相的 K 理論(位相的K理論)と Adams 演算が使われる(Hus94 第 16 章、pp. 217–242)。
ベクトル束 $E$ の各ファイバーの Stiefel 多様体をまとめた束 $V_k(E)$ の切断は、$E$ の各点で線形独立な $k$ 個の切断である。Stiefel と Whitney は、底空間が CW 複体のとき、ファイバー $V_k(\mathbb{R}^n)$ が $(n-k-1)$ 連結であることを使って $(n-k)$ 骨格の上の切断を作り、$(n-k+1)$ 骨格へ延ばすときの障害類を考えた。その法 $2$ の還元が Stiefel–Whitney 類 $w_{n-k+1}(E)$ に等しい(MS74 §12 Theorem 12.1、pp. 139–140。この記事では証明しない)。Stiefel–Whitney類 の記事は、この類を射影束と公理から構成している。
ベクトル束 の記事の定義「無限 Grassmann 多様体と普遍束」に従い、$\mathbb{K}^\infty$ を有限個を除いて $0$ である数列の空間に直極限位相を入れたものとし、$\mathbb{K}^1\subset\mathbb{K}^2\subset\cdots$ と同一視する。$(\mathbb{K}^\infty)^k$ には直積位相を入れる。同じ記事の補題「無限次元の数空間の直積」により、$\mathbb{K}^l\times(\mathbb{K}^\infty)^k$ の部分集合が開(閉)であることは、各 $\mathbb{K}^l\times(\mathbb{K}^N)^k$ との共通部分が開(閉)であることと同値であり、和・スカラー倍・内積は連続である。
$\mathbb{K}^\infty$ の正規直交 $k$ 枠の全体 $V_k(\mathbb{K}^\infty)=\bigcup_NV_k(\mathbb{K}^N)$ に $(\mathbb{K}^\infty)^k$ の相対位相を入れたものを無限 Stiefel 多様体という。$p(v_1,\dots,v_k)$ を $v_1,\dots,v_k$ の張る部分空間とする写像 $p\colon V_k(\mathbb{K}^\infty)\to\mathrm{Gr}_k(\mathbb{K}^\infty)$ を考え、$U_{\mathbb{K}}(k)$ を枠に右から $(v_1,\dots,v_k)a:=(\sum_iv_ia_{i1},\dots,\sum_iv_ia_{ik})$ で作用させる。
$V_k(\mathbb{K}^\infty)$ と各 $(\mathbb{K}^N)^k$ の共通部分 $V_k(\mathbb{K}^N)$ は閉なので、$V_k(\mathbb{K}^\infty)$ は $(\mathbb{K}^\infty)^k$ の閉集合であり、その位相は $V_k(\mathbb{K}^N)$ たちの直極限位相と一致する。
$V_k(\mathbb{K}^\infty)$ は可縮である。
線形写像 $d_{\mathrm{o}}\colon\mathbb{K}^\infty\to\mathbb{K}^\infty$ を $d_{\mathrm{o}}(e_j):=e_{2j-1}$ で定め、固定した枠 $\epsilon:=(e_2,e_4,\dots,e_{2k})$ をとる。$v=(v_1,\dots,v_k)\in V_k(\mathbb{K}^\infty)$ と $t\in[0,1]$ に対し
$$
a_t(v):=\bigl((1-t)v_j+t\,d_{\mathrm{o}}v_j\bigr)_{j},\qquad b_t(v):=\bigl((1-t)d_{\mathrm{o}}v_j+t\,e_{2j}\bigr)_{j}
$$
とおく。どちらも線形独立な $k$ 個の組であることを示す。$\lambda_1,\dots,\lambda_k\in\mathbb{K}$ について $w:=\sum_j\lambda_jv_j$ とおくと、$d_{\mathrm{o}}$ の線形性から $\sum_j\lambda_ja_t(v)_j=(1-t)w+t\,d_{\mathrm{o}}w$ である。$w\ne0$ のとき、$w$ の $0$ でない成分の番号の最大値を $m$ とする。$m=1$ なら $d_{\mathrm{o}}w=w$ なので値は $w\ne0$ である。$m\ge2$ なら $2m-1>m$ なので $w_{2m-1}=0$、$(d_{\mathrm{o}}w)_{2m-1}=w_m$ であり、値の第 $2m-1$ 成分は $tw_m$ で、$t>0$ なら $0$ でなく、$t=0$ なら値は $w$ である。よって $\sum_j\lambda_ja_t(v)_j=0$ なら $w=0$、$v$ の線形独立性から $\lambda=0$ である。次に $\sum_j\lambda_jb_t(v)_j=(1-t)d_{\mathrm{o}}w+t\sum_j\lambda_je_{2j}$ の奇数番目の成分は $(1-t)d_{\mathrm{o}}w$、偶数番目の成分は $t\sum_j\lambda_je_{2j}$ である。これが $0$ なら、$t>0$ のとき $\lambda=0$、$t=0$ のとき $d_{\mathrm{o}}w=0$ から $w=0$、$\lambda=0$ である。
そこで $H(v,t)$ を、$t\in[0,\tfrac12]$ で $\mathrm{GS}(a_{2t}(v))$、$t\in[\tfrac12,1]$ で $\mathrm{GS}(b_{2t-1}(v))$ と定める。$t=\tfrac12$ では両方とも $\mathrm{GS}(d_{\mathrm{o}}v)$ で一致する。$H(v,0)=\mathrm{GS}(v)=v$、$H(v,1)=\mathrm{GS}(\epsilon)=\epsilon$ である。各 $V_k(\mathbb{K}^N)\times[0,1]$ の上では $H$ は $V_k(\mathbb{K}^{2N})$ に値をとる有限次元の連続写像(和・スカラー倍・内積・$0$ でないノルムでの割り算の合成)である。$V_k(\mathbb{K}^\infty)\times[0,1]$ は $\mathbb{K}\times(\mathbb{K}^\infty)^k$ の閉集合で($[0,1]\subset\mathbb{R}\subset\mathbb{K}$)、閉集合 $C$ の逆像 $H^{-1}(C)$ は各段との共通部分が閉なので閉である。よって $H$ は連続であり、恒等写像と定値写像を結ぶホモトピーである。$\square$
これは Hat02 Example 4.53(p. 382)の可縮性の証明と同じ考え方で、ずらし方だけを ベクトル束 の記事の定理「ファイバーごとに単射な写像の存在と一意性」の証明に合わせた。
$p\colon V_k(\mathbb{K}^\infty)\to\mathrm{Gr}_k(\mathbb{K}^\infty)$ は主 $U_{\mathbb{K}}(k)$ 束である。$n<\infty$ の $p\colon V_k(\mathbb{K}^n)\to\mathrm{Gr}_k(\mathbb{K}^n)$ についても同じである。
要点:トートロジー束の局所枠を Gram–Schmidt で正規直交にして局所切断を作る。
$p$ は線形独立な組から部分空間への商写像(ベクトル束 の命題「普遍束と Gauss 写像」の 1)の制限なので連続である。$a\in U_{\mathbb{K}}(k)$ による作用は張る部分空間を変えず、同じ部分空間の 2 つの正規直交基底はただ一つのユニタリ行列で移り合うので、作用はファイバーの上で単純推移的である。
局所自明性:同じ命題の 2 により $\gamma^k$ はベクトル束なので、各点 $X_0$ の開近傍 $U$ と、$U$ 上の $\gamma^k$ の局所枠 $X\mapsto(X,s_i(X))$ がある。$s_i\colon U\to\mathbb{K}^\infty$ は連続で、$s_1(X),\dots,s_k(X)$ は $X$ の基底である。$\sigma(X):=\mathrm{GS}(s_1(X),\dots,s_k(X))$ は $U$ 上の連続な切断 $U\to V_k(\mathbb{K}^\infty)$ である。$$\psi\colon U\times U_{\mathbb{K}}(k)\to p^{-1}(U),\qquad\psi(X,a):=\sigma(X)a$$は連続で同変な全単射であり、逆写像は $v\mapsto\bigl(p(v),(\langle\sigma(p(v))_i,v_j\rangle)_{i,j}\bigr)$ で、これも連続である。よって $\psi$ は局所自明化である。$n<\infty$ でも同じである。$\square$
$V_k(\mathbb{K}^\infty)\to\mathrm{Gr}_k(\mathbb{K}^\infty)$ は普遍 $U_{\mathbb{K}}(k)$ 束であり、$BO(k)\simeq\mathrm{Gr}_k(\mathbb{R}^\infty)$、$BU(k)\simeq\mathrm{Gr}_k(\mathbb{C}^\infty)$ である。また $\pi_i(O(k))\cong\pi_{i+1}(\mathrm{Gr}_k(\mathbb{R}^\infty))$、$\pi_i(U(k))\cong\pi_{i+1}(\mathrm{Gr}_k(\mathbb{C}^\infty))$($i\ge0$)である。
thm-stiefel-contractible と prop-stiefel-principal により、全空間が可縮な主束である。実の場合、底空間 $\mathrm{Gr}_k(\mathbb{R}^\infty)$ は CW 複体なので(MS74 Theorem 6.4、p. 79)パラコンパクト Hausdorff であり(パラコンパクト空間 の定理「CW 複体のパラコンパクト性」)、主束は可算被覆的である。よって 分類空間 の定理「普遍束の可縮性による判定」により普遍束である。複素の場合も含めて普遍束であることは Hus94 第 8 章 Theorem 6.1(pp. 95–96)が述べている(複素の場合の可算被覆性はこの記事では証明しない)。ホモトピー群の同型は、ファイバー束の長完全列(Hat02 Theorem 4.41、Proposition 4.48)で全空間のホモトピー群が消えることから従う。$\square$
分類空間 の記事は、この主束と可縮性を例「ユニタリ群とGrassmann多様体」で引用している。この記事の thm-stiefel-contractible と prop-stiefel-principal がその証明である。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| ホモトピー群の次数が $c(n-k+1)-2$ 以下(thm-stiefel-connected) | $V_n(\mathbb{R}^n)=O(n)$ の $i=0$(範囲は $i\le-1$) | $\pi_i(V_k(\mathbb{K}^n))=0$ |
| 空間が無限次元(thm-stiefel-contractible) | $V_1(\mathbb{R}^n)=S^{n-1}$ | $V_k$ は可縮 |
| $n$ が偶数(prop-stiefel-section) | $V_2(\mathbb{R}^3)\to S^2$ | $p$ は切断をもつ |
1 行目:$\det\colon O(n)\to\{\pm1\}$ は連続な全射なので、$O(n)$ は弧状連結でない。一方 $V_n(\mathbb{C}^n)=U(n)$ は $c(n-n+1)-2=0$ により弧状連結であり、ここでは実と複素で範囲がちょうど 1 ずれる。
2 行目:$S^{n-1}$ は可縮でない。可縮なら $\tilde H_{n-1}(S^{n-1})=0$ となるが、$\tilde H_{n-1}(S^{n-1})\cong\mathbb{Z}$ である(Hat02 Corollary 2.14、p. 114)。$V_1(\mathbb{R}^\infty)=S^\infty$ は thm-stiefel-contractible により可縮である。
3 行目:$S^2$ 上の連続な接ベクトル場はどこかで $0$ になる(毛玉の定理)ので、prop-stiefel-section の証明のとおり切断はない。
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