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Fibrati vettoriali III.1. Fibrati di fferenziabili

Il fibrato tangente `e un esempio della struttura pi`u generale di fibrato vettoriale che definiamo ed esaminiamo in questo paragrafo. A loro volta, i fibrati vettoriali sono particolari fibrati differenziabili localmente banali:

Definizione III.1.1. Un fibrato differenziabile ξ `e il dato di una variet`a dif-ferenziabile E = E(ξ), che si dice il suo spazio totale, di una variet`a differen-ziabile B = B(ξ), che si dice la sua base, e di una sommersione differenziabile π = π(ξ) : E → B, che si dice la sua proiezione sulla base.

Per ogni punto p ∈ B, l’insieme Ep = Ep(ξ) = π−1(b) `e una sottovariet`a differenziabile di E, che si dice la fibra di ξ su p.

Definizione III.1.2. Diciamo che un fibrato differenziabile ξ `e localmente ba-nale con fibra tipica Fse

(a) F `e una variet`a differenziabile;

(b) per ogni p ∈ B esistono un intorno aperto U di p in B ed una φU ∈ C(U, F) che renda commutativo il diagramma

(3.1.1) π−1(U) π×φU // π ##F F F F F F F F F U × F prU ||yyyyyy yyy U.

Un diffeomorfismo φUche renda commutativo il diagramma (3.1.1) si dice una trivializzazionedi ξ su U.

Un atlante di trivializzazione di ξ `e una collezione A = {(Ua, φa) | a ∈ A} formata da aperti Uadi B e da trivializzazioni locali

E|Ua = π−1(Ua) 3 q −→ (π(q), φU(q)) ∈ Ua× F, con B= Sa∈AUa.

A volte scriveremo E −−→ B per il fibrato diπ fferenziabile ξ con E(ξ) = E, B(ξ) = B e π(ξ) = π. La notazione E −→π

F Bsignificher`a che, inoltre, il fibrato differenziabile ξ `e localmente banale, con fibra tipica F.

Definizione III.1.3. Una sezione differenziabile di ξ su un aperto U di B(ξ) `e un’applicazione s ∈C(U, E(ξ)) tale che π(ξ)◦ s(x)= x per ogni x ∈ U. L’insieme

di tutte le sezioni differenziabili di ξ su U si indica con (3.1.2) Γξ(U, E)= {s ∈ C

(U, E(ξ)) | π(ξ) ◦ s(p)= p, ∀p ∈ U}.

Lemma III.1.4. Sia ξ un fibrato differenziabile, τ0 ∈ E(ξ) e p0 = π(ξ)(τ0). Allora esistono un intorno aperto U di p0 in B(ξ) ed una sezione s ∈Γξ(U, E(ξ)) con s(p0)= τ0.

Dimostrazione. Poich´e π(ξ) `e una sommersione differenziabile in tutti i punti di E(ξ), la tesi segue dal teorema delle funzioni implicite (vedi la Proposizione

I.8.3 del Capitolo I). 

Proposizione III.1.5 (un criterio di banalit`a locale). Siano E e B variet`a dif-ferenziabili, con B connessa. Allora ogni sommersione differenziabile propria π : E → B definisce un fibrato differenziabile localmente banale.

Dimostrazione. Ricordiamo che il fatto che π sia propria significa che π `e continua, chiusa, e che π−1(K) `e compatto in E per ogni compatto K di B.

Fissiamo un punto p0 ∈ B. L’insieme Ep0 = π−1(p0) `e una sottovariet`a com-patta di E. Essa `e un retratto differenziabile d’intorno. Possiamo trovare cio`e un intorno aperto W di Ep0 in E ed un’applicazione differenziabile r : W → Ep0 con r(v)= v per ogni v ∈ Ep0. Poich´e π(E \ W) `e un chiuso di B che non contiene p0, possiamo supporre che W sia un aperto della forma W = π−1(U0), per un intorno aperto U0di p0in B. Possiamo allora definire

Φ : EU0 = π−1(U0) 3 v → (π(v), r(v)) ∈ U0× Ep0.

Poich´e π `e una sommersione differenziabile, la Φ `e un diffeomorfismo locale in tutti i punti v ∈ Ep0. L’insieme dei punti di EU0in cuiΦ `e un diffeomorfismo locale `e un aperto. Quindi, a meno di sotituire ad U0 un intorno pi`u piccolo di p0 in B, possiamo supporre che laΦ sia un diffeomorfismo locale in tutti i punti di EU0.

Dico che esiste un intorno aperto U di p0in U0tale che ΦU : π−1(U) 3 v →Φ(v) = (π(v), r(v)) ∈ U × Ep0

sia un diffeomorfismo.

Indichiamo con pr2 : U0× Ep0 → Ep0 la proiezione sul secondo fattore. L’in-sieme dei punti p ∈ U0 tali che pr2(Φ(Ep)) = Ep0 `e un intorno aperto di p0. Possiamo quindi supporre, a meno di sostituire ad U0un intorno pi`u piccolo di p0, che laΦ sia un diffeomorfismo locale surgettivo.

Ci resta da verificare che, se U `e sufficientemente piccolo, la φU `e anche iniet-tiva. A questo scopo osserviamo che, poich´e Φ `e un diffeomorfismo locale, l’in-sieme Q = {(v, w) ∈ EU0 × EU0 | v , w, Φ(v) = Φ(w)} `e in EU0 × EU0 un chiuso disgiunto da Ep0 × Ep0. Sia infatti {Uν |ν ∈ N} un sistema fondamentale di intorni relativamente compatti di p0 in U0, con Uν+1 b Uν per ogni intero ν ≥ 0. Per la propriet`a dell’intersezione finita, esister`a un indice ν1 tale che π−1( ¯Uν) × π−1( ¯Uν) non intersechi Q.

Per completare la dimostrazione, baster`a osservare che le fibre Ep= π−1(p) so-no tutte diffeomorfe tra loro. Ci`o segue dalla connessione di B e dal fatto che dalla

III.1. FIBRATI DIFFERENZIABILI 49

prima parte della dimostrazione si ricava che, fissato un punto p0 ∈ B, l’insieme dei p ∈ B per cui la fibra Ep`e diffeomorfa ad Ep0 `e aperto e chiuso in B.  Proposizione III.1.6. Sia ξ un fibrato differenziabile ed M una sottovariet`a differenziabile di B(ξ). Definiamo

(3.1.3) E|M = π(ξ)−1(M), π|M: E|M3τ → π(ξ)(τ) ∈ M. Alloraξ|M = (E|M

π|M

−−→ M) `e un fibrato differenziabile con base M.  Definizione III.1.7. Il fibrato ξ|M descritto nella Proposizione III.1.6 si dice la restrizione ad Mdel fibrato ξ.

Proposizione III.1.8. Se ξ e ζ sono fibrati differenziabili, allora, posto E(ξ × ζ)= E(ξ) × E(ζ),

B(ξ × ζ)= B(ξ) × B(ζ),

π(ξ × ζ) : E(ξ × ζ) 3 (α, β) → (π(ξ)(α), π(ζ)(β)) ∈ B(ξ × ζ), ξ × ζ = (E(ξ × ζ)−−−−−π(ξ×ζ)→ B(ξ × ζ)) `e un fibrato differenziabile.

Seξ e ζ sono localmente banali con fibre tipiche F(ξ) ed F(ζ) rispettivamente, allora ancheξ × ζ `e localmente banale, con fibra tipica F(ξ) × F(ζ).

Definizione III.1.9. Il fibrato differenziabile ξ × ζ descritto nella Proposizione III.1.8 si dice prodotto cartesiano dei fibrati ξ e ζ.

Proposizione III.1.10 (pullback). Sia ξ un fibrato differenziabile, M una variet`a differenziabile ed f : M → B(ξ) un’applicazione differenziabile. Poniamo

E( fξ) = {(p, τ) ∈ M × E(ξ) | f (p) = π(ξ)(τ)}, π( fξ) : E 3 (p, τ) −→ p ∈ M.

Allora fξ = E( fξ)−−−−−π( fξ)→ M `e un fibrato differenziabile con base M.

Se ξ `e localmente banale con fibra tipica F, anche fξ `e localmente banale con fibra tipica F.

Definizione III.1.11. Il fibrato fξ descritto nella Proposizione III.1.10 si dice l’immagine inversa, o pullback, di ξ mediante l’applicazione f .

Definizione III.1.12. Siano ξ1 e ξ2 due fibrati differenziabili sulla stessa base B(ξ1)= B(ξ2)= M. Chiamiamo somma di Whitney dei fibrati ξ1e ξ2, ed indichia-mo con ξ1M ξ2, l’immagine inversa del fibrato ξ1 ×ξ2 mediante l’immersione canonica ι : M 3 p → (p, p) ∈ M × M di M nella diagonale di M × M.

Abbiamo, in modo canonico,

E(ξ1Mξ2) ' {(τ1, τ2) ∈ E(ξ1) × E(ξ2) | π(ξ1)(τ1)= π(ξ2)(τ2)}, π(ξ1Mξ2)(τ1, τ2)= π(ξ1)(τ1)= π(ξ2)(τ2)}, ∀(τ1, τ2) ∈ E(ξ1Mξ2). Osserviamo che, per le Proposizioni III.1.6, III.1.8, III.1.10, se ξ1 e ξ2 sono localmente banali con fibre tipiche F1 ed F2 rispettivamente, la loro somma di Whitney ξ1Mξ2`e ancora localmente banale, con fibra tipica F1× F2.

Definizione III.1.13. Siano ξ1 e ξ2 due fibrati differenziabili. Un morfismo di fibrati differenziabili ( f, φ) : ξ1 → ξ2 `e il dato di una coppia di applicazioni differenziabili f : E(ξ1) → E(ξ2) e φ : B(ξ1) → B(ξ2) che rendano commutativo il diagramma (3.1.4) E(ξ1) −−−−−→ E(ξf 2) π(ξ1)      y      yπ(ξ2) B(ξ1) −−−−−→ φ B(ξ1). Abbiamo

Lemma III.1.14. Siano ξ12due fibrati differenziabili. Se f : E(ξ1) → E(ξ2) `e un’applicazione differenziabile ed

f(E(ξ1)p) ⊂ E(ξ2)f(p), ∀p ∈ B(ξ1),

allora esiste un unico morfismo di fibrati differenziabili ( f, φ) : ξ1→ξ2che induca f sugli spazi totali.

Dimostrazione. L’unicit`a `e ovvia, in quanto la φ si ottiene per passaggio al quoziente rispetto alle proiezioni sulle basi. Per dimostrare che φ `e differenziabile, basta osservare che, se s ∈ Γξ1(U, E(ξ1)) per un aperto U di B(ξ1), allora φ|U =

π(ξ2) ◦ s, onde φ `e differenziabile su U. 

Proposizione III.1.15. Sia ( f, φ) : ξ1 → ξ2 un morfismo di fibrati di fferenzia-bili. Se f : E(ξ1) → E(ξ2) `e un diffeomorfismo, anche φ : B(ξ1) → B(ξ2) `e un diffeomorfismo, e la ( f−1, φ−1) : ξ2→ξ1 `e un morfismo di fibrati differenziabili.

Dimostrazione. Chiaramente φ `e bigettiva. Se W `e un aperto di B(ξ2) ed s2 ∈ Γξ2(W, E(ξ2)), allora φ−1|W = f−1◦ s2dimostra che φ−1`e anche differenziabile.  Definizione III.1.16. Un isomorfismo di fibrati differenziabili `e un morfismo ( f , φ) : ξ1→ξ2per cui f : E(ξ1) → E(ξ2) sia un diffeomorfismo.

Un isomorfismo di fibrati differenziabili ( f, φ) : ξ1 →ξ2con B(ξ1) = B(ξ2) = Me φ= idM si dice un’equivalenza.

III.2. Fibrati vettoriali differenziabili

Definizione III.2.1. Un fibrato vettoriale differenziabile di rango n `e il dato di un fibrato differenziabile ξ = E −→ B di rango n e di una struttura di spazioπ vettoriale reale di dimensione n su ogni fibra Ex := π−1(x), compatibile con la struttura differenziabile. Ci`o significa che le applicazioni

       E ⊕ME 3(v, w) → v+ w ∈ E, R × E 3 (k, v) → k · v ∈ E sono differenziabili.

Proposizione III.2.2. Ogni fibrato vettoriale differenziabile di rango n `e local-mente banale con fibra tipica Rn.

III.3. MORFISMI E OPERAZIONI DI FIBRATI VETTORIALI 51

Dimostrazione. Sia ξ = E → B un fibrato differenziabile vettoriale di rango−π n. Dato un punto p0 ∈ B, fissiamo una R-base e1, . . . , en di Ep0. Per il Lemma III.1.4 possiamo trovare un intorno aperto U di p0in B e sezioni ηi∈Γξ(U, E) con ηi(p0) = ei per i = 1, . . . , n. Per continuit`a, l’insieme U0dei punti p di U in cui η1(p), . . . , ηn(p) sono ancora linearmente indipendenti `e un intorno aperto di p0in B. Allora la

U0× Rn 3 (p; v1, . . . , vn

) −→Xn

i=1v

iηi(p) ∈ π−1(U0)

`e una trivializzazione locale differenziabile di ξ in un intorno aperto del punto

p0. 

Se V, W sono spazi vettoriali reali della stessa dimensione n, indichiamo con IsoR(V, W) l’insieme degli isomorfismi R-lineari di V in W.

Definizione III.2.3. Una trivializzazione locale di un fibrato vettoriale diffe-renziabileξ = (E−→ B) `e una trivializzazione localeπ

(3.2.1) φ : U × Rn

→ E|U

di ξ compatibile con la struttura lineare, che sia cio`e lineare sulle fibre. Potremo quindi scrivere1

(3.2.2) φ(p, v) = φ(p)v, con σ(p) ∈ IsoR(Rn, Ep) ∀p ∈ U.

Un atlante di trivializzazione di un fibrato vettoriale differenziabile ξ `e un atlante di trivializzazione di ξ in cui tutte le trivializzazioni locali siano compatibili con la struttura lineare.

Chiameremo funzioni di transizione dell’atlante di trivializzazioneA = {(Ua, φa)} del fibrato vettoriale differenziabile ξ = (E→ B), le applicazioni−π 2gα,β ∈C(Ua∩ Ub, GL(n, R)), definite da

(3.2.3) ga,b(p)= φα(p)−1◦φb(p), ∀p ∈ Ua∩ Ub

si dicono le funzioni di transizione dell’atlanteA .

III.3. Morfismi e operazioni di fibrati vettoriali Siano ξ1e ξ2due fibrati vettoriali differenziabili.

Definizione III.3.1. Un morfismo di fibrati differenziabili ( f, φ) : ξ1 → ξ2 si dice un morfismo di fibrati vettoriali reali differenziabili se `e lineare sulle fibre, se cio`e per ogni p ∈ B(ξ1) l’applicazione E(ξ1)p3 v → f (v) ∈ E(ξ2)φ(p) `e lineare.

Se inoltre la f : E(ξ1) → E(ξ2) `e un diffeomorfismo, allora anche ( f−1, φ−1) : ξ2→ξ1 `e un morfismo di fibrati vettoriali differenziabili.

In questo caso diremo che ( f , φ) : ξ1→ξ2`e un isomorfismo di fibrati vettoriali reali differenziabili.

1Le p → φ(p) sono sezioni del fibrato vettoriale ξ ⊗B ξ∗, che sar`a definito nel paragrafo successivo.

2Osserviamo che GL(n, R) `e un aperto di Rn2

, e quindi una variet`a differenziabile di dimensione n2.

Se, ancora, B(ξ1) = B(ξ2) = M e φ = idM, diremo che la ( f , idM) : ξ1 →ξ2 `e un’equivalenza di fibrati vettoriali reali.

Dire che un fibrato differenziabile ξ di rango n `e trivializzabile equivale dunque a dire che `e isomorfo al fibrato differenziale triviale B(ξ)×V, con V spazio vettoriale reale di dimensione n.

Le costruzioni dell’algebra lineare si estendono in modo naturale ai fibrati vettoriali.

Fibrato duale. Sia ξ= E −→ B un fibrato vettoriale reale di rango n. Siaπ E=Gp∈BEp

l’unione disgiunta dei duali degli spazi vettoriali Ep, al variare di p nella base B. Indichiamo ancora con π : E → B l’applicazione che associa il punto p ∈ B ad η ∈ Ep⊂ E.

SeA = {(Ua, ψa) | a ∈ A} `e un atlante di trivializzazione per ξ, per ogni punto p ∈ Uala

ψa(p) : Rn3 v →ψa(p, v) ∈ Ep

`e un isomorfismo lineare. La sua trasposta (ψ(p)): Ep → (Rn)' Rn`e ancora un isomorfismo lineare.

Possiamo cos`ı definire su ξ= E∗ π−→ B un’unica struttura di fibrato vettoriale differenziabile, per cui A= {(Ua, ψ

a) | a ∈ A}, ove ψ

a : Ua× Rn 3 (p, v) → [(ψa(p))]−1v∈ E|Ua, sia un atlante di trivializzazione.

Definizione III.3.2. Dato un fibrato vettoriale differenziabile ξ, il fibrato vetto-riale differenziabile ξdefinito sopra si dice il fibrato duale di ξ.

Proposizione III.3.3. Ogni fibrato vettoriale `e equivalente al suo fibrato duale. Dimostrazione. Sia ξ un fibrato vettoriale di rango n ed A = {(Ua, ψa) | a ∈ A} un suo atlante di trivializzazione. Sia {φa} una partizione dell’unit`a subordinata ad {Ua | a ∈ A} con φa ∈C(B(ξ)) e φa ≥ 0 su B(ξ). Definiamo un prodotto scalare sulle fibre di ξ mediante

(v1|v2)=Xp∈U

a

φa(p) · (prRna(v1)|prRna(v2))Rn, ∀p ∈ B(ξ), ∀v1, v2∈ E(ξ)p.

Il prodotto scalare definisce un isomorfismo (di Riesz) ρp : Ep → Ep per ogni

p ∈ M, che ci d`a un’equivalenza (ρ, idB) : ξ → ξ. 

Definizione III.3.4. Sia M una variet`a differenziabile e T M −→ M il suo fi-π brato tangente. Il fibrato duale TM → M del fibrato tangente si dice il fibrato−π cotangentesu M.

III.4. FIBRATI VETTORIALI E FIBRATO TANGENTE 53

Somma diretta. Se ξ1, ξ2 sono fibrati vettoriali, di ranghi n1 ed n2 rispetti-vamente, allora il prodotto ξ2×ξ2ha una struttura naturale di fibrato vettoriale di rango n1+ n2, con fibra sopra il punto (p1, p2) ∈ B(ξ1) × B(ξ2) uguale allo spazio vettoriale somma diretta E(ξ1)p1⊕ E(ξ2)p2.

Se ξ1e ξ2hanno la stessa base B(ξ1)= B(ξ2)= M, allora la somma di Whitney ξ1Mξ2 `e un fibrato vettoriale differenziabile di rango n1+ n2.

Prodotto tensoriale. Dati due fibrati vettoriali differenziabili ξ1, ξ2, di ranghi n1 ed n2 rispettivamente, con basi B(ξ1) = B1 e B(ξ2) = B2, definiamo il loro prodotto tensorialeξ1⊗ξ2 come il fibrato vettoriale differenziabile di rango n1n2 con base B1× B2 e fibra su E(ξ1)p1RE(ξ2)p2 sul punto (p1, p2) ∈ B1× B2. Se B1 = B2 = M, indichiamo con ξ ⊗M ξ2 l’immagine inversa di ξ1 ⊗ξ2 rispetto all’immersione p → (p, p) di M nella diagonale di M × M. Esso si dice prodotto di Whitneydei fibrati ξ1e ξ2.

Fibrati tensoriali. Le operazioni di somme dirette, prodotti tensoriali, som-me e prodotti di Whitney di fibrati vettoriali differenziabili sono associative e commutative, a meno di equivalenze.

In particolare, fissati due interi non negativi r, s possiamo definire, a partire da un fibrato vettoriale reale ξ= E −→ B di rango n, un fibrato vettoriale differenziabileπ τr,s(ξ) sulla stessa base B, di rango n(r+ s), con spazio totale

Tr,s(E)=G p∈BEp⊗ · · · ⊗ Ep | {z } rvolte ⊗ Ep⊗ · · · ⊗ Ep | {z } svolte .

Possiamo descrivere la sua struttura di fibrato vettoriale differenziabile a partire da un atlante di trivializzazioneA = {(Ua, ψa) | a ∈ A} di ξ. L’atlante corrispondente Tr,sA = {(Ua, ψ(r,s)

a ) | a ∈ A} di τr,s(ξ) consiste delle carte

Ua× (Rn)⊗r⊗ (Rn)s 3 (p, t, σ) → (ψa(p))rt ⊗([ψa(p)]−1)sσ ∈ Tr,s(E)|Ua. Il fibrato vettoriale τr,s(ξ) ha rango n(r + s) e si dice la potenza tensoriale r-covariante ed s-controvariantedi ξ.

Definizione III.3.5. Se M `e una variet`a differenziabile di dimensione m, il fi-brato τr,s(T M −→ M) si indica con Tπ r,sM −→ M e si dice il fibrato dei tensoriπ r-covarianti ed s-controvarianti su M.

III.4. Fibrati vettoriali e fibrato tangente

Definizione III.4.1. Sia ξ = E −→ M un fibrato differenziabile. Il fibratoπ verticalesu E `e il nucleo del differenziale della proiezione sulla base:

(3.4.1) V E= {v ∈ T E | dπ(v) = 0}.

Supponiamo ora che E−→ M sia un fibrato vettoriale. Possiamo identificare Mπ alla sezione nulla di E, mediante l’applicazione

(3.4.2) ι : M 3 x → 0x ∈ E.

Proposizione III.4.2. Ogni fibrato vettoriale ξ = E −→ M `e equivalente alπ pullback su M, mediante l’inclusione(3.4.2), del suo fibrato verticale.

Dimostrazione. Sia x ∈ M e v ∈ E. Associamo a v il vettore ~v ∈ V0xEdefinito da

~v f = d

dtf(t v)|t=0.

Otteniamo cos`ı un’applicazione E → V E|M = ι(V E), che si verifica facilmente

essere un’equivalenza di fibrati vettoriali. 

Proposizione III.4.3. Se ξ = E→ M `e un fibrato vettoriale differenziabile, al-−π lora la restrizione di T E ad M (cio`e il suo pullback mediante l’inclusione(3.4.2)) `e equivalente alla somma diretta di T M e della restrizione ad M del fibrato verticale:

(3.4.3) T E|M' T M ⊕MV E|M. 

Utilizzando le proposizioni III.4.2 e III.4.3 ed il teorema d’immersione di Whitney otteniamo il

Teorema III.4.4. Sia ξ1= E1 π1

−−→ M un fibrato vettoriale differenziabile. Pos-siamo allora trovare un fibrato vettoriale differenziabile ξ2= E2

π2

−−→ M sulla stessa base M tale che la somma di Whitneyξ1Mξ2sia equivalente ad un fibrato banale. Dimostrazione. Per il teorema d’immersione di Whitney possiamo trovare un diffeomorfismo Φ : E1→ Q ⊂ R`tra E1ed una sottovariet`a differenziabile propria Q di uno spazio Euclideo R`. Per ogni punto y ∈ Q identifichiamo lo spazio tangente TyQ ad un sottospazio dello spazio Euclideo R`. Definiamo quindi il fibrato vettoriale NQ mediante

(3.4.4) NQ= {(y, w) ∈ Q × R` | w ⊥ TyQ}.

In ogni punto y di Q abbiamo allora TyR`

' R` = TyQ ⊕ NyQ.

D’altra parte, se x ∈ M, nel punto y= Φ(x) ∈ Φ(M) ⊂ Q, abbiamo TyQ= dΦ(TxM) ⊕Φ(VxE1),

da cui ricaviamo che Φ

(T R`|Φ(M)) ' V E1|MMT M ⊕M

NQ|Φ(M)) ' E1M T M ⊕M

NQ|Φ(M)).

Poich´e T R` ' R` × R` `e un fibrato banale, ed il pullback di un fibrato banale `e

III.6. CLASSI DI ISOMORFISMO DI FIBRATI VETTORIALI 55

III.5. Norme differenziabili e strutture Euclidee

Sia ξ= (E −−→ B) un fibrato vettoriale. Indichiamo con 0π Ela sua sezione nulla. Definizione III.5.1. Una norma differenziabile su ξ `e un’applicazione reale continua e non negativa k kE ∈C0(E, R) che goda delle propriet`a:

kqkE > 0 se q < 0E, (3.5.1) kk qkE = |k| kqkE ∀k ∈ R, ∀q ∈ E, (3.5.2) kq1+ q2kE ≤ kq1kE+ kq2kE, ∀p ∈ B, ∀q1, q2∈ Ep, k k2 E ∈C (E). (3.5.3)

Definizione III.5.2. Una struttura Euclidea su ξ `e un’applicazione differenzia-bile

E ⊕BE 3(q1, q2) −→ (q1|q2)E ∈ R bilineare simmetrica, definita positiva. Valgono cio`e

(q1, q2)E = (q2|q1)E, ∀(q1, q2) ∈ E ⊕BE, (3.5.4) (q1+ q2, q3)E = (q1|q3)E + (q2|q3)E, ∀p ∈ B, ∀q1, q2, q3∈ Ep, (3.5.5) (kq1|q2)E = k(q1|q2)E, ∀k ∈ R, ∀(q1, q2) ∈ E ⊕BE, (3.5.6) (q|q)E > 0 ∀q ∈ E \ OE. (3.5.7)

Osserviamo che, data una struttura Euclidea ( | )Esu ξ, la kqkE = p(q|q)E ≥ 0 `e una norma differenziabile su ξ.

L’esistenza di norme differenziabili `e garantita quindi dalla

Proposizione III.5.3. Ogni fibrato vettoriale ξ ammette una struttura Euclidea. Dimostrazione. Sia A = {(Ui, φi)}i∈I un atlante di trivializzazione di ξ. Se ξ ha rango k, per ogni i la

φi: π−1(Ui) 3 q −→ (π(q), φi(q)) ∈ Ui× Rk

`e un’equivalenza di fibrati vettoriali. Se {χi} ⊂C(B) `e una partizione dell’unit`a su B subordinata al ricoprimento {Ui}i∈I, la

(q1|q2)E =X

π(q1)∈Ui

χi(π(q1)) (φi(q1)|φi(q2))Rk, ∀(q1, q2) ∈ E ⊕BE,

definisce una struttura Euclidea su ξ. 

Definizione III.5.4. Una struttura Euclidea sul fibrato tangente di una variet`a Msi dice una struttura Riemanniana su M.

III.6. Classi di isomorfismo di fibrati vettoriali

Ricordiamo che, se ξ= E−→ M `e un fibrato vettoriale diπ fferenziabile di rango k, con base M, data un’altra variet`a differenziabile N ed un’applicazione differen-ziabile f : N → M di N nella base di ξ, il pullback fξ `e il fibrato differenziabile di rango k su N, con spazio totale fEe proiezione πf definiti da

(3.6.1)        fE:= E( fξ) = {(x, v) ∈ N × E | π(v) = f (x)}, πf := π( fξ)(x, v) = x, ∀(x, v) ∈ E( fξ).

Se abbiamo una composizione di applicazioni differenziabili M00 −−−−−→ Mg 0 −−−−−→ Mf

ed un fibrato vettoriale ξ= E−→ M su M, alloraπ ( f ◦ g)ξ ≡ g

fξ sono canonicamente equivalenti: infatti

E(( f ◦ g)ξ) = {(x, v) ∈ M00

× E | f (g(x))= π(v)}, E(gfξ) = {(x, (y, v)) ∈ M00

× M0× E | g(x)= y, f (y) = π(v)} e l’equivalenza `e definita dall’applicazione (x, (y, v))= (x, ( f (x), v)) → (x, v).

Indichiamo con Veck(M) la collezione delle classi di isomorfismo dei fibra-ti vettoriali di rango k sulla variet`a M. Possiamo considerarlo come un insieme puntato, ove il punto base `e costituito dalla classe d’equivalenza del fibrato banale M × Rk −−→ M. L’osservazione che abbiamo fatto sopra si pu`o esprimere medianteπM la

Proposizione III.6.1. Veck( · ) `e un funtore dalla categoria delle variet`a ed applicazioni differenziabili alla categoria degli spazi puntati e delle applicazioni che preservano i punti base.

Abbiamo la

Proposizione III.6.2 (propriet`a d’omotopia dei fibrati vettoriali). Siano M ed N variet`a differenziabili, con M compatta. Se f0, f1 : M → N sono due applicazioni differenziabili omotope e ξ = E πN

−−→ N `e un fibrato vettoriale su N, allora i fibrati f0ξ ed f

1ξ sono isomorfi.

Dimostrazione. Sia F : M × I 3 (x, t) → ft(x) ∈ N un’omotopia di classe Ctra f0 ed f1. Indichiamo con prM : M × I 3 (x, t) → x ∈ M la proiezione sul primo fattore. Per dimostrare il teorema, sar`a sufficiente verificare che, se per un t0 ∈ [0, 1] il fibrato ftξ `e isomorfo ad un fibrato vettoriale ζ su M, ci`o `e ancora vero per tutti i fibrati ftξ con t ∈ [0, 1] e |t − t0|<  per qualche  > 0.

Consideriamo sulla variet`a compatta con bordo3 M × I i due fibrati vettoriali Fξ e pr

Mζ e il fibrato principale Iso(Fξ, pr

Mζ), la cui fibra su (x, t) `e l’insieme di tutti gli isomorfismi lineari λx : E( ftξ)x → E(ζ)x. Per ipotesi questo fibrato ha una sezione σ su M × {t0}. Il fibrato principale Iso( fE, p

MF) `e un aperto del fibrato vettoriale

η = Hom(Fξ, pr

Mζ) = (pr Mζ)

M×I Fξ.

La sezione σ si estende a una sezione globale ˜σ di η su M × I. La ˜σ sar`a ancora una sezione di Iso(Fξ, pr

Mζ) su un intorno aperto di M × t0. Per la compattezza di M, questo intorno conterr`a M × t per tutti i t ∈ [0, 1] con |t − t0|<  per qualche

 > 0. 

3Per evitare di utilizzare nella dimostrazione la variet`a compatta a bordo M × I, possiamo osservare che l’omotopia F = ( ft) : M × I → N si estende ad un’applicazione differenziabile

˜

III.7. FIBRATI VETTORIALI SULLE SFERE 57

Osservazione III.6.3. La proposizione vale anche senza l’ipotesi di compat-tezza su M. Ricordiamo che tutte le variet`a che consideriamo supponiamo siano paracompatte.

Corollario III.6.4. Ogni fibrato vettoriale sopra una variet`a contrattile `e iso-morfo al fibrato banale.

Esempio III.6.5. Veck(S1) si pu`o identificare alle classi di omotopia di applica-zioni f : {±1} → GL(k, R) che mandano il punto 1 in Ik. Esso consiste quindi di due punti se k ≥ 1. Nel caso k = 1 i due fibrati corrispondono rispettivamente al cilindro (caso orientabile) e al nastro di M¨obius (caso non orientabile).

III.7. Fibrati vettoriali sulle sfere Decomponiamo la sfera Sn = (x0, x1, . . . , xn) Xn h=0x 2 h= 1 ⊂ Rn+1

nell’unione di due celle chiuse: Sn = Dn

+∪ Dn, con Dn+= {x ∈ Sn| x0 ≥ 0}, Dn= {x ∈ Sn | x0≤ 0}. Sia

Sn−1= Dn

+∩ Dn= {x ∈ Sn| x0 = 0}.

Data un’applicazione continua f : Sn−1 → GL(k, R), possiamo definire un fibrato vettoriale di rango r su Snincollando i fibrati banali D+

n × Rke Dn × Rk mediante la funzione d’incollamento che associa ad (x, v) ∈ Sn−1× Rk ⊂ D+

n× Rkl’elemento (x, f (x)v) ∈ Sn−1× Rk ⊂ Dn × Rk. La f `e detta la funzione di clutching4. Si dimostra facilmente che

Lemma III.7.1. Siano f0, f1: Sn−1→ GL(k, R) due funzioni di clutching. Se f0

ed f1sono omotope, allora i fibrati vettoriali Ef1ed Ef2 sono equivalenti. Abbiamo quindi un’applicazione naturale

(3.7.1) π(Sn−1, GL(k, R)) −→ Veck(Sn).

Poich´e Dn+ e Dn sono contrattili, i fibrati vettoriali con basi Dn+ e Dn sono banali. Da questa osservazione segue il

Lemma III.7.2. L’applicazione (3.7.1) `e surgettiva.

Lo studio dell’applicazione (3.7.1) `e complicato dal fatto che il gruppo GL(k, R) ha due componenti connesse. `E quindi conveniente considerare dapprima i fibrati vettoriali orientati.

Indichiamo con Vec+

k(M) le classi di equivalenza di fibrati vettoriali orientati di rango k sulla variet`a differenziabile M. Sia GL+(k, R) il gruppo degli endomorfismi lineari di Rkcon determinante positivo. Abbiamo allora

Proposizione III.7.3. L’applicazione π(Sn−1, GL+(k, R)) → Vec+k(Sn) `e biget-tiva.

Per analizzare Veck(Sn), introduciamo lo spazio Vec0k(Sn) che consiste delle classi di equivalenza di fibrati vettoriali di rango k su Snche hanno un’orientazione assegnata sul punto e1 ∈ Sn−1 ⊂ Sn. Scegliendo le trivializzazioni su Dn± che mantengono questa orientazione assegnata, le abbiamo fissate entrambe a meno di omotopia. Otteniamo cos`ı

Lemma III.7.4. Vi `e una bigezione naturale

π(Sn−1, e1; GL(k, R), GL+(k, R)) → Vec0 k(Sn). Se n ≥ 2, Sn−1`e connesso ed abbiamo quindi:

Lemma III.7.5. Se n ≥ 2, vi `e una bigezione naturale π(Sn−1, GL+(k, R)) → Vec0

k(Sn). Quindi l’applicazione naturale Vec+

k(Sn) → Vec0k(Sn) `e una bigezione. Ne segue che

Proposizione III.7.6. Se n ≥ 2, ogni fibrato vettoriale reale `e orientabile, ed ha esattamente due orientazioni, che dipendono dalla scelta dell’orientazione su una singola fibra. L’applicazione(3.7.1) ha fibre che hanno al pi`u due elementi. Hanno un solo elemento le fibre che corrispondono a fibrati vettoriali che ammettono un automorfismo che inverte l’orientazione delle fibre, due elementi altrimenti.

Osservazione III.7.7. Poich´e SO(k) `e un retratto di deformazione di GL+(k, R), abbiamo

CAPITOLO IV

Forme differenziali negli spazi Euclidei

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