Chern指標

同義語:Chern characterチャーン指標

概要

Chern指標(Chern character)とは、複素ベクトル束 $E$ に対して、Chern 根 $x_1,\dots,x_r$ を使えば形式的に $\operatorname{ch}(E)=e^{x_1}+\cdots+e^{x_r}$ と書ける有理コホモロジー類であり、その $2k$ 次の成分は、冪和を Chern 類の整数係数の多項式で表したものを $k!$ で割って定める。直和を和に、テンソル積を積に変えるので、位相的 $K$ 群から有理コホモロジーへの環準同型を与える。Todd 類とともに Hirzebruch–Riemann–Roch の定理 $\chi(V,W)=\langle\operatorname{ch}(W)\operatorname{td}(TV),[V]\rangle$ に現れる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: Chern類, 分裂原理, Newtonの恒等式, 特異コホモロジー

何を捉える量か

Chern類 は束の直和を積に変える:$c(E\oplus F)=c(E)\,c(F)$。一方、束の不変量として扱いやすいのは、直和を和に、テンソル積を積に変えるもの、すなわち束の「足し算と掛け算」を数の足し算と掛け算に移すものである。直線束 $L$ なら $c_1(L\otimes M)=c_1(L)+c_1(M)$ なので、指数関数 $e^{c_1(L)}$ をとれば積が積に移る。Chern 指標 はこれを一般の束に広げたもので、Chern 根 $x_1,\dots,x_r$ を形式的に使えば $\operatorname{ch}(E)=e^{x_1}+\cdots+e^{x_r}$ である。この記事では次のことを示す。

問い答え
Chern 類だけで定義できるか冪和 $x_1^k+\cdots+x_r^k$ は Chern 類の整数係数の多項式 $s_k(E)$ であり、$\operatorname{ch}_k(E):=s_k(E)/k!$ と定める(def-ch-main)
直和・テンソル積とどう関わるか$\operatorname{ch}(E\oplus F)=\operatorname{ch}(E)+\operatorname{ch}(F)$、$\operatorname{ch}(E\otimes F)=\operatorname{ch}(E)\operatorname{ch}(F)$(thm-ch-main)
何に使うか位相的 $K$ 群から有理コホモロジーへの環準同型を与え(cor-ch-ring)、Todd 類とともに Riemann–Roch の定理に現れる(thm-ch-hrr)

記号と規約は Chern類 の記事にそろえる。$X$ はパラコンパクト Hausdorff 空間、ベクトル束は有限で一定の階数の複素ベクトル束、$H^*(X;\mathbb{Z})$ は特異コホモロジーにカップ積を入れた環で、積の記号は省く。$c_i(E)\in H^{2i}(X;\mathbb{Z})$ は $E$ の第 $i$ Chern 類、$c(E)=\sum_ic_i(E)$ は全 Chern 類である。係数を $\mathbb{Z}\to\mathbb{Q}$ で取り替える環準同型を $\alpha\mapsto\alpha_{\mathbb{Q}}$ と書く。無限和を扱うため、偶数次の有理コホモロジーの直積
$$ H^{**}(X;\mathbb{Q}):=\prod_{k\ge0}H^{2k}(X;\mathbb{Q}) $$
を、次数ごとのカップ積を集めた積で可換環とみる(偶数次なので積は可換である)。$X$ が有限次元の CW 複体なら、これは偶数次の部分 $\bigoplus_kH^{2k}(X;\mathbb{Q})$ に一致する。
Chern類 の記事から次の事実を使う。

  • 自然性と Whitney の和公式:$c(f^*E)=f^*c(E)$、$c(E\oplus F)=c(E)\,c(F)$。自明束の全 Chern 類は $1$(同記事の例「自明束と自明な直和因子」)。
  • 直線束 $L,M$ について $c(L)=1+c_1(L)$、$c_1(L\otimes M)=c_1(L)+c_1(M)$、$c_1(L^\vee)=-c_1(L)$(同記事の命題「直線束のテンソル積」と系「直線束の全Chern類と双対」)。
  • 分裂原理:有限個の束 $E_1,\dots,E_m$ に対し、パラコンパクト Hausdorff 空間 $Y$ と連続写像 $p\colon Y\to X$ で、$p^*\colon H^*(X;\mathbb{Z})\to H^*(Y;\mathbb{Z})$ が単射であり、各 $p^*E_j$ が直線束の直和に同型になるものがある。1 つの束については Chern類 の定理「Chern類の分裂原理」である。$Y$ として旗束がとれ(分裂原理 の注意「複素ベクトル束の場合」)、旗束はパラコンパクト Hausdorff である(同記事の定理「分裂原理」の 3)。$E_1$ を分裂させた $Y_1$ の上で $p_1^*E_2$ を分裂させる、という操作をくり返せば有限個の束を同時に分裂させられる(直線束の直和の引き戻しは直線束の直和で、単射の合成は単射である)。有限個の束を同時に分裂させる形は Hir66 Lemma 4.4.1(p. 63)にもある。分裂原理はこの記事では証明しない。

定義

Newtonの恒等式 の定理「Newton の恒等式」により、$r$ 変数の冪和 $P_k=x_1^k+\cdots+x_r^k$ と基本対称式 $e_i=e_i(x_1,\dots,x_r)$($i>r$ では $e_i=0$)は、任意の可換環の上で
$$ P_k=\sum_{i=1}^{k-1}(-1)^{i-1}e_iP_{k-i}+(-1)^{k-1}k\,e_k\qquad(k\ge1) $$
を満たす。そこで整数係数の多項式 $\mathsf{N}_k\in\mathbb{Z}[e_1,\dots,e_k]$ を、$\mathsf{N}_1:=e_1$ と同じ漸化式 $\mathsf{N}_k:=\sum_{i=1}^{k-1}(-1)^{i-1}e_i\mathsf{N}_{k-i}+(-1)^{k-1}k\,e_k$ で定めると、$k$ についての帰納法により、変数の個数 $r$ によらず
$$ \mathsf{N}_k\bigl(e_1(x),\dots,e_k(x)\bigr)=x_1^k+\cdots+x_r^k $$
が成り立つ(以下、この等式を冪和の公式と呼ぶ)。$\mathsf{N}_2=e_1^2-2e_2$、$\mathsf{N}_3=e_1^3-3e_1e_2+3e_3$ である。

Chern指標

$E$ を $X$ 上の階数 $r$ の複素ベクトル束とする。$k\ge1$ に対し
$$ s_k(E):=\mathsf{N}_k\bigl(c_1(E),\dots,c_k(E)\bigr)\in H^{2k}(X;\mathbb{Z}),\qquad s_0(E):=r $$
とおき、
$$ \operatorname{ch}_k(E):=\frac{1}{k!}\,s_k(E)_{\mathbb{Q}}\in H^{2k}(X;\mathbb{Q}),\qquad\operatorname{ch}(E):=\sum_{k\ge0}\operatorname{ch}_k(E)\in H^{**}(X;\mathbb{Q}) $$
を $E$ の Chern 指標(Chern character)という。$\operatorname{ch}_k(E)$ をその $2k$ 次の成分という。

低い次数では、$c_i=c_i(E)$ と書いて
$$ \operatorname{ch}(E)=r+c_1+\tfrac12\bigl(c_1^2-2c_2\bigr)+\tfrac16\bigl(c_1^3-3c_1c_2+3c_3\bigr)+\cdots $$
である(右辺の $c_i$ は有理係数に移したもの)。$\operatorname{ch}_0(E)=r$ と $\operatorname{ch}_1(E)=c_1(E)_{\mathbb{Q}}$ は整係数の類の像だが、$k\ge2$ では一般にそうでない(ex-ch-counter)。$k!\operatorname{ch}_k(E)$ はつねに整係数の類 $s_k(E)$ の像である。
この定義は Chern 類の多項式なので、引き戻しと可換である:連続写像 $f\colon X'\to X$ について $\operatorname{ch}(f^*E)=f^*\operatorname{ch}(E)$。とくに同型な束の Chern 指標は等しい。Hir66 §10.1(pp. 91–92)は、Chern 根による形式的な分解 $\sum_ic_ix^i=\prod_j(1+\gamma_jx)$ を使って同じ量を $\operatorname{ch}(E)=\sum_je^{\gamma_j}$ と定義している。

直線束と冪和

直線束のChern指標

直線束 $L$ について $s_k(L)=c_1(L)^k$ であり、
$$ \operatorname{ch}(L)=\exp\bigl(c_1(L)\bigr):=\sum_{k\ge0}\frac{1}{k!}\,c_1(L)_{\mathbb{Q}}^{\,k} $$
である。

$c_i(L)=0$($i\ge2$)なので、$e_i=0$($i\ge2$)とおいた漸化式は $\mathsf{N}_k(e_1,0,\dots,0)=e_1\mathsf{N}_{k-1}(e_1,0,\dots,0)$($k\ge2$)、$\mathsf{N}_1=e_1$ となり、帰納法で $\mathsf{N}_k(e_1,0,\dots,0)=e_1^k$ である。よって $s_k(L)=c_1(L)^k$ で、$k!$ で割ればよい。$\square$

次の補題が、一般の束の計算を直線束に帰着させる。

Chern根による冪和

$p\colon Y\to X$ を連続写像($Y$ はパラコンパクト Hausdorff)とし、$p^*E\cong L_1\oplus\cdots\oplus L_r$($L_a$ は直線束)とする。$x_a:=c_1(L_a)\in H^2(Y;\mathbb{Z})$ とおくと、
$$ p^*c_i(E)=e_i(x_1,\dots,x_r),\qquad p^*s_k(E)=x_1^k+\cdots+x_r^k\quad(k\ge1) $$
が $H^*(Y;\mathbb{Z})$ で成り立つ。

自然性・Whitney の和公式・$c(L_a)=1+x_a$ から $p^*c(E)=c(p^*E)=\prod_a(1+x_a)$ で、その $2i$ 次の成分が $e_i(x)$ である。偶数次のコホモロジー類は互いに可換なので、冪和の公式に $x_a$ を代入でき、$p^*s_k(E)=\mathsf{N}_k(p^*c_1(E),\dots)=\mathsf{N}_k(e_1(x),\dots)=\sum_ax_a^k$ である。$\square$

主定理:和と積

Chern指標の加法性と乗法性

$E,F$ を $X$ 上の複素ベクトル束とする。

  1. $\operatorname{ch}(E\oplus F)=\operatorname{ch}(E)+\operatorname{ch}(F)$。
  2. $\operatorname{ch}(E\otimes F)=\operatorname{ch}(E)\,\operatorname{ch}(F)$。
  3. $\operatorname{ch}_k(E^\vee)=(-1)^k\operatorname{ch}_k(E)$($E^\vee$ は双対束)。
  4. 階数 $r$ の自明束について $\operatorname{ch}(\underline{\mathbb{C}}^r)=r$。
    1〜3 は整係数でも成り立つ:$s_k(E\oplus F)=s_k(E)+s_k(F)$、$s_k(E\otimes F)=\sum_{i=0}^k\binom{k}{i}s_i(E)\,s_{k-i}(F)$、$s_k(E^\vee)=(-1)^ks_k(E)$。

整係数の等式を示せば、$k!$ で割って 1〜3 が得られる。2 については
$$ \frac{1}{k!}\sum_{i=0}^k\binom{k}{i}s_i(E)\,s_{k-i}(F)=\sum_{i=0}^k\frac{s_i(E)}{i!}\cdot\frac{s_{k-i}(F)}{(k-i)!} $$
であり、右辺は $\operatorname{ch}(E)\operatorname{ch}(F)$ の $2k$ 次の成分である。
分裂原理により、$E$ と $F$ を同時に分裂させる $p\colon Y\to X$ をとる:$p^*E\cong\bigoplus_{a=1}^rL_a$、$p^*F\cong\bigoplus_{b=1}^{r'}M_b$。$x_a:=c_1(L_a)$、$y_b:=c_1(M_b)$ とおく。引き戻しは直和・テンソル積・双対と可換なので
$$ p^*(E\oplus F)\cong\bigoplus_aL_a\oplus\bigoplus_bM_b,\qquad p^*(E\otimes F)\cong\bigoplus_{a,b}L_a\otimes M_b,\qquad p^*E^\vee\cong\bigoplus_aL_a^\vee $$
であり、$c_1(L_a\otimes M_b)=x_a+y_b$、$c_1(L_a^\vee)=-x_a$ である。lem-ch-power-sum を左辺の束に当てると
$$ p^*s_k(E\oplus F)=\sum_ax_a^k+\sum_by_b^k,\qquad p^*s_k(E\otimes F)=\sum_{a,b}(x_a+y_b)^k,\qquad p^*s_k(E^\vee)=\sum_a(-x_a)^k $$
を得る。二項定理により $\sum_{a,b}(x_a+y_b)^k=\sum_i\binom{k}{i}\bigl(\sum_ax_a^i\bigr)\bigl(\sum_by_b^{k-i}\bigr)$ で、$i=0$ の項の $\sum_ax_a^0$ は $r=s_0(E)$ である。再び補題により、3 つの式の右辺はそれぞれ $p^*\bigl(s_k(E)+s_k(F)\bigr)$、$p^*\bigl(\sum_i\binom{k}{i}s_i(E)s_{k-i}(F)\bigr)$、$p^*\bigl((-1)^ks_k(E)\bigr)$ に等しい。$p^*$ は $H^*(\,\cdot\,;\mathbb{Z})$ で単射なので、整係数の 3 つの等式が $X$ の上で成り立つ。
4:自明束の Chern 類は $c_i=0$($i\ge1$)なので、$\mathsf{N}_k$ が定数項をもたないことから $s_k=0$($k\ge1$)である。$\square$

直和を積に変える全 Chern 類とは対照的に、Chern 指標は直和を和に変える。この違いは $\mathbb{CP}^1$ 上の $E=F=\mathcal{O}(1)$ で見える:超平面類を $h$ とすると $c(E\oplus F)=(1+h)^2=1+2h$ は $c(E)+c(F)=2+2h$ と異なるが、$\operatorname{ch}(E\oplus F)=2+2h=\operatorname{ch}(E)+\operatorname{ch}(F)$ である($h^2=0$)。

位相的K群から有理コホモロジーへ

$X$ をコンパクト Hausdorff 空間とする。$X$ 上の複素ベクトル束の同型類の集合は、直和を和、テンソル積を積として可換な半環になる。その加法モノイドの Grothendieck群 を $K(X)$ と書き、テンソル積から誘導される積で可換環とみる(位相的K理論)。ここでは階数一定の束から $K(X)$ を作るため、$X$ は連結とする。

Chern指標の環準同型

連結なコンパクト Hausdorff 空間 $X$ について、$[E]\mapsto\operatorname{ch}(E)$ は環準同型
$$ \operatorname{ch}\colon K(X)\to H^{**}(X;\mathbb{Q}) $$
に一意に延びる。連続写像 $f\colon X'\to X$($X'$ も連結なコンパクト Hausdorff 空間)について $\operatorname{ch}\circ f^*=f^*\circ\operatorname{ch}$ である。

thm-ch-main の 1 により、同型類の上の $\operatorname{ch}$ は加法モノイドの準同型なので、Grothendieck 群の普遍性(Grothendieck群)により $K(X)$ からの群準同型 $\operatorname{ch}([E]-[F]):=\operatorname{ch}(E)-\operatorname{ch}(F)$ に一意に延びる。積については、$K(X)$ の積 $([E]-[F])([E']-[F'])=[E\otimes E']-[E\otimes F']-[F\otimes E']+[F\otimes F']$ と thm-ch-main の 2 から $\operatorname{ch}$ が積を保つ。単位元 $[\underline{\mathbb{C}}]$ は 4 により $1$ に写る。自然性は $\operatorname{ch}(f^*E)=f^*\operatorname{ch}(E)$ からである。$\square$

例

複素射影空間

$\mathbb{CP}^n$ の超平面類を $h$($h^{n+1}=0$)とする。

  • $\mathcal{O}(a)$($a\in\mathbb{Z}$)は $c_1=ah$ なので(Chern類 の系「直線束の全Chern類と双対」)、prop-ch-line により $\operatorname{ch}(\mathcal{O}(a))=e^{ah}=\sum_{k=0}^n\frac{a^k}{k!}h^k$ である。
  • 接束:Chern類 の例「複素射影空間の接束」で示された同型 $\underline{\mathbb{C}}\oplus T\mathbb{CP}^n\cong\mathcal{O}(1)^{\oplus(n+1)}$ と thm-ch-main の 1・4 から
    $$ \operatorname{ch}(T\mathbb{CP}^n)=(n+1)e^h-1=n+(n+1)h+\frac{n+1}{2}h^2+\cdots $$
    である。$n=1$ では $1+2h$ で、$T\mathbb{CP}^1\cong\mathcal{O}(2)$ の $e^{2h}=1+2h$ と一致する。
  • $E:=\mathcal{O}(1)\oplus\mathcal{O}(-1)$ について $\operatorname{ch}(E)=e^h+e^{-h}=2+h^2+\cdots$ である。低次の公式 $\operatorname{ch}_2=\frac12(c_1^2-2c_2)$ と比べると $c_1(E)=0$、$c_2(E)=-h^2$ となり、Whitney の和公式による $c(E)=(1+h)(1-h)=1-h^2$ と一致する。

Todd 類と Riemann–Roch の定理

Riemann–Roch の定理では、Chern 指標と組になってもう一つの特性類が現れる。形式的冪級数
$$ Q(x):=\frac{x}{1-e^{-x}}=1+\frac{x}{2}+\frac{x^2}{12}-\frac{x^4}{720}+\cdots\in\mathbb{Q}[\![x]\!] $$
をとる。$r$ 変数の積 $Q(x_1)\cdots Q(x_r)$ の $k$ 次の部分は有理係数の対称多項式なので、対称多項式 の定理「対称多項式の基本定理」により($r\ge k$ なら)基本対称式 $e_1,\dots,e_k$ の有理係数の多項式 $\mathsf{T}_k$ でただ一通りに書ける(重みの斉次性から $e_{k+1},\dots$ は現れない)。$Q(0)=1$ なので、変数を増やして余分な変数に $0$ を代入すると元の積に戻り、$\mathsf{T}_k$ は $r$ によらない。

Todd類

$X$ 上の複素ベクトル束 $E$ に対し
$$ \operatorname{td}(E):=\sum_{k\ge0}\mathsf{T}_k\bigl(c_1(E),\dots,c_k(E)\bigr)_{\mathbb{Q}}\in H^{**}(X;\mathbb{Q}) $$
を $E$ の Todd 類(Todd class)という。低い次数では
$$ \operatorname{td}(E)=1+\tfrac12c_1+\tfrac1{12}\bigl(c_1^2+c_2\bigr)+\tfrac1{24}c_1c_2+\cdots $$
である。

低次の式は次のように確かめられる。$Q(x_1)\cdots Q(x_r)$ の 2 次の部分は $\frac1{12}\sum_ax_a^2+\frac14\sum_{a< b}x_ax_b=\frac1{12}(e_1^2-2e_2)+\frac14e_2=\frac1{12}(e_1^2+e_2)$ である。3 次の部分は、$Q$ の 3 次の係数が $0$ なので $\frac1{24}\sum_{a\ne b}x_a^2x_b+\frac18e_3=\frac1{24}(e_1e_2-3e_3)+\frac18e_3=\frac1{24}e_1e_2$ である。

Todd類の乗法性

$\operatorname{td}(E\oplus F)=\operatorname{td}(E)\operatorname{td}(F)$ であり、直線束 $L$ について $\operatorname{td}(L)=Q(c_1(L))$ である。自明束の Todd 類は $1$ である。

要点:分母を払って整係数の等式にし、thm-ch-main の証明と同じく分裂原理で確かめる。

詳しい証明を開く

$k$ を固定し、$\mathsf{T}_0,\dots,\mathsf{T}_k$ の係数の分母の公倍数 $D_k$ をとって $D_k\mathsf{T}_i$、$D_k^2\mathsf{T}_i\mathsf{T}_{k-i}$ を整数係数にする。示すべき等式の $D_k^2$ 倍 $$D_k^2\,\mathsf{T}_k\bigl(c(E\oplus F)\bigr)-\sum_{i=0}^kD_k\mathsf{T}_i\bigl(c(E)\bigr)\,D_k\mathsf{T}_{k-i}\bigl(c(F)\bigr)$$ は整係数の類である。$E,F$ を同時に分裂させる $p$ をとると、lem-ch-power-sum の前半により $p^*c_i(E\oplus F)=e_i(x,y)$、$p^*c_i(E)=e_i(x)$、$p^*c_i(F)=e_i(y)$ なので、この類の $p^*$ は、$\prod_aQ(x_a)\prod_bQ(y_b)$ の $k$ 次の部分と、$\prod_aQ(x_a)$ の $i$ 次の部分と $\prod_bQ(y_b)$ の $k-i$ 次の部分の積の和との差の $D_k^2$ 倍であり、多項式として $0$ である。$p^*$ の単射性からこの整係数の類は $0$ で、$\mathbb{Q}$ に移して $D_k^2$ で割れば乗法性を得る。直線束では、$Q$ の $k$ 次の係数を $b_k$ とすると 1 変数の $\mathsf{T}_k(e_1)$ は $b_ke_1^k$ であり、$\operatorname{td}(L)=\sum_kb_kc_1(L)^k=Q(c_1(L))$ である。自明束では $c_i=0$ で、$\mathsf{T}_k$($k\ge1$)は定数項をもたない。$\square$

Hirzebruch–Riemann–Rochの定理

$V$ を $\mathbb{C}$ 上の $n$ 次元の非特異射影多様体、$W$ を $V$ 上の正則ベクトル束とする。層係数のコホモロジー $H^q(V,W)$ は有限次元で、その Euler 標数について
$$ \chi(V,W):=\sum_{q=0}^n(-1)^q\dim_{\mathbb{C}}H^q(V,W)=\bigl\langle\operatorname{ch}(W)\operatorname{td}(TV),\,[V]\bigr\rangle $$
が成り立つ。右辺は $\operatorname{ch}(W)\operatorname{td}(TV)$ の $2n$ 次の成分を $V$ の基本類で評価したものである。

Riemann–Rochの定理の出典

この定理は Hir66 Theorem 21.1.1(p. 155)であり、この記事では証明しない。同書では、右辺は Chern 根による形式的な分解を使って書かれている。

以下は右辺の計算で、左辺は別に知られた値と比べる。

  • $V$ が種数 $g$ の曲線($n=1$)、$W$ が次数 $d$ の直線束 $L$ のとき、$\langle c_1(L),[V]\rangle=d$、$\langle c_1(TV),[V]\rangle=2-2g$(最高次の Chern 類は実化の Euler 類であり、その値は Euler 標数である。Euler類 の定理「接束の Euler 数と Euler 標数」)なので、右辺は $\langle(1+c_1(L))(1+\frac12c_1(TV)),[V]\rangle=d+1-g$ となり、曲線の Riemann–Rochの定理 の形になる。
  • $V=\mathbb{CP}^1$、$W=\mathcal{O}(k)$ では $\langle(1+kh)(1+h),[\mathbb{CP}^1]\rangle=k+1$ である。$k\ge0$ では、代数的な層係数コホモロジーについて $\dim H^0=k+1$、$H^1=0$ であり(Har77 III, Theorem 5.1、p. 225)、その Euler 標数と一致する。
  • $V$ が曲面($n=2$)で $W=\mathcal{O}_V$ なら、右辺は $\operatorname{td}$ の 2 次の項 $\frac1{12}\langle c_1^2+c_2,[V]\rangle$ であり、$\chi(\mathcal{O}_V)=\frac1{12}(c_1^2+c_2)[V]$ は Noetherの公式 である(Hir66 20.7、pp. 153–154)。
  • $V=\mathbb{CP}^n$、$W=\mathcal{O}$ では、ex-ch-projective と同じく $\operatorname{td}(T\mathbb{CP}^n)=Q(h)^{n+1}$ である。$n=1$ では $h$ の係数は $2\cdot\frac12=1$、$n=2$ では $h^2$ の係数は $3\cdot\frac1{12}+3\cdot\frac14=1$ であり、どちらも $\chi(\mathcal{O})=1$ に合う。

反例:Chern指標で束は決まるか

直線束については、Chern 指標で束が決まる場合がある。

直線束の判別

$X$ を CW 複体とし、係数の取り替え $H^2(X;\mathbb{Z})\to H^2(X;\mathbb{Q})$ が単射であるとする。$X$ 上の複素直線束 $L,M$ について $\operatorname{ch}(L)=\operatorname{ch}(M)$ ならば $L\cong M$ である。

$\operatorname{ch}_1(L)=c_1(L)_{\mathbb{Q}}$ なので、仮定から $c_1(L)=c_1(M)$ である。Chern類 の定理「直線束の分類」により、$c_1$ は直線束の同型類から $H^2(X;\mathbb{Z})$ への全単射なので $L\cong M$ である。$\square$

この命題と、Chern 指標の整数性の条件を 1 つずつ外す。

外す条件反例成り立たなくなること
$H^2(X;\mathbb{Z})\to H^2(X;\mathbb{Q})$ が単射$X=\mathbb{R}\mathrm{P}^2$ 上の自明でない複素直線束 $L$$\operatorname{ch}(L)=1=\operatorname{ch}(\underline{\mathbb{C}})$ だが $L\not\cong\underline{\mathbb{C}}$
直線束である$S^6$ 上の自明でない階数 2 の複素ベクトル束 $E$$\operatorname{ch}(E)=2=\operatorname{ch}(\underline{\mathbb{C}}^2)$ だが $E\not\cong\underline{\mathbb{C}}^2$
次数 $k\le1$($\operatorname{ch}_0,\operatorname{ch}_1$ は整係数の類の像)$\mathbb{CP}^2$ 上の $\mathcal{O}(1)$$\operatorname{ch}_2=\frac12h^2$ は整係数の類の像でない
表の反例の確かめ

1 行目:$\mathbb{R}\mathrm{P}^2$ の整係数ホモロジーは $H_1=\mathbb{Z}/2$、$H_2=0$ なので(Hat02 Example 2.42、p. 144)、普遍係数定理(Hat02 Theorem 3.2、p. 195)により $H^2(\mathbb{R}\mathrm{P}^2;\mathbb{Z})\cong\mathbb{Z}/2$、$H^2(\mathbb{R}\mathrm{P}^2;\mathbb{Q})=0$ である。Chern類 の定理「直線束の分類」により、$c_1(L)$ が $\mathbb{Z}/2$ の生成元である直線束 $L$ があり、$c_1(L)\ne0$ なので $L$ は自明でない。$H^2(\mathbb{R}\mathrm{P}^2;\mathbb{Q})=0$ より $\operatorname{ch}_1(L)=0$ で、$\operatorname{ch}_k(L)$($k\ge1$)はすべて $0$ である($\mathbb{R}\mathrm{P}^2$ は 2 次元の CW 複体)。
2 行目:Chern類 の例「反例:Chern類が等しいが同型でない束」の 1 にある束で、$c(E)=1$ である。Chern 指標は Chern 類の多項式なので、$\operatorname{ch}(E)=\operatorname{ch}(\underline{\mathbb{C}}^2)=2$ である。$H^2(S^6;\mathbb{Z})=0$ なので 1 行目の条件は満たされている。
3 行目:$H^4(\mathbb{CP}^2;\mathbb{Z})=\mathbb{Z}h^2$(Hat02 Theorem 3.19、p. 220)の $\mathbb{Q}$ への像は $\mathbb{Z}h^2_{\mathbb{Q}}$ で、$\frac12h^2$ を含まない。$k!\operatorname{ch}_k=s_k$ が整係数であることとは矛盾しない。

関連項目

参考文献

[1]
Friedrich Hirzebruch, Topological Methods in Algebraic Geometry, Springer, 1995, Lemma 4.4.1(p. 63、有限個の束の同時の分裂)、§10.1(pp. 91–92、Todd 類と Chern 指標)、20.7(pp. 153–154、曲面の Riemann–Roch と Noether の公式)、Theorem 21.1.1(p. 155、Riemann–Roch の定理)
[2]
Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, Example 2.42(p. 144、実射影空間のホモロジー)、Theorem 3.2(p. 195、普遍係数定理)、Theorem 3.19(p. 220、射影空間のコホモロジー環)
[3]
Robin Hartshorne, Algebraic Geometry, Springer, 1977, III, Theorem 5.1(p. 225、射影空間上の直線束のコホモロジー)

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