S ÉMINAIRE N. B OURBAKI A NDRÉ G RAMAIN L’invariance topologique des classes de Pontrjagin rationnelles Séminaire N. Bourbaki, 1964-1966, exp. no 304, p. 391-406 <http://www.numdam.org/item?id=SB_1964-1966__9__391_0> © Association des collaborateurs de Nicolas Bourbaki, 1964-1966, tous droits réservés. L’accès aux archives du séminaire Bourbaki (http://www.bourbaki. ens.fr/) implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ Séminaire BOURBAKI 18e année, 1965/66, Février 1966 n° 304 L’INVARIANCE TOPOLOGIQUE des CLASSES de PONTRJAGIN RATIONNELLES (d’après Siebenmann) S. P. Novikov et L. C. par André GRAMAIN est de démontrer l’invariance exposé Le but de cet topologique Pontrjagin tangentes des variétés différentiables, c’est-à-dire le THÉORÈME 0.- Soient morphisme de V les classes de Thom V Pontrjagin tangentes ( d’autre part sont pas (voir Nous exposons ici résultat plus Dans sa santes pour Milnor /"4~7 ) été démontré a une un h~ : H*(V’,Q) -> H*(V,Q) celles de ont h4i(p.(V’)) V : déjà démontré des variétés que les classes de homéoenvoie = p.(Y) . l’invariance combi- triangulées. On sait Pontrjagin à coefficients général thèse ( en que le /"9_7 ), qu’une variété sur premier lieu par S. P. Novikov démonstration due à L. Siebenmann, qui W entiers l’avantage (ci-dessous Proposition Théorème 0 (voir 3 et /*6_7 ). de donner son Corollaire). nécessaires et suffi- différentiable ouverte soit ltintérieur d’une variété l’algèbre Z(G) Pour démontrer le théorème a L. Siebenmann donne des conditions dans le groupe de Grothendieck type fini sur Pontrjagin rationnelles différentiable compacte à bord. Plus de V’ h et topologiquement invariantes. Le Théorème 0 un de RohIin-Svarc ( /"7_7 ) et C°~, deux variétés différentiables V’ V’ ; l’application induite sur natoire des classes de ne et des classes de précisément, K°(Z(G)) d’un ci-dessus, il trouve une obstruction à valeurs des classes stables de modules certain nous groupe utiliserons 391 G attaché à la un cas projectifs variété W . particulier du résultat de Siebenmann, qu’on peut énoncer ainsi : THEOREME 1.- Soit au W une M Rk , où produit variété différentiable de dimension M est une n + variété topologique compacte k ,y homéomorphe connexe sans bord,y rv de dimension %(W) par structure sans N n. k -1 n ~ 5 , et que le nombre de définitions d’où ce (§ 1) nous = 0 , (où G est le produit la structure différentiable de il existe N produit La démonstration de (§ 2), Z) exemplaires de une soit W variété différentiable N difféomorphe à W , B) (Il en de est une compacte résulte que M.) même type d’homotopie que Théorème1 K°(Z(G)) si produit : autrement dit,y bord, telle a Si esquissée au § certain théorème sera qui permettront d’énoncer des conséquences du nous déduirons (§ 3) l’invariance 4. Nous donnerons topologique des un classes de Pontrjagin. § 1. Microfibrés topologiques. propriétés (voir 1. Définition et Un microfibré ques B La deux applications la "section nulle" EXEMPLES.E = 1) E> "projection" j : telles que leur composée j * i : 0 i i la donnée de deux espaces topologi- continues : B , B ~ E , soit l’application identique de B . Microfibré produit de fibre Rn , ~4"’ ). topologique de base B , est E,y et de et Milnor Rn . est effectivement la section nulle et j la projection sur B . 2) Microfibré tangent à La base est l’application diagonale 3) Microfibré E et V , variété topologique V. une V de V est sous-jacent 9. dans un V ; j x est la prêtre projection, et i est V X V . fibre vectoriel localement trivial, La définition est évidente. Un prémorphisme au-dessus d’une du microfibré application de la section nulle de E f : B dans dans le .-~ 8’ , est une E’ , compatible application avec (B’ ,E’ ,i’ ,j’) microfibré g d’un voisinage ~ f, c’est-à-dire qui rende commutatif le diagramme :s Deux prémorphismes dans un au-dessus de f définissent le m8me morphisme, s’ils coïncident voisinage de la section nulle, contenu dans l’intersection de leurs nages de définition. La composition On voit sans peine table par un de celle de des morphismes, le qu’un isomorphisme, morphisme identique sont des notions évidentes~ (morphisme qui admet un inverse) homéomorphisme d’un voisinage de la section nulle de E E’ , au-dessus d’un homéomorphisme entre deux microfibrés de même base B, est tion identique de .B. De même que pour les un de B sur B’ . Un est représen- sur un voisinage B-isomorphisme isomorphisme au-dessus de l’applica- fibres, peut définir les notions de microfibl:é image réciproque et de microfibré induit. Un microfibré trivial de rang est un microfibré isomorphe lement trivial de rang au microfibré produit de fibre n, est voisinage au-dessus duquel un Un microfibré loca- microfibré tel, que tout point de la base ait le microfibré induit soit trivial de rang Nous n. n un ne nous intéresserons qu’aux microfibrés localement triviaux. Les exemples donnés ci-dessus sont des microfibrés localement triviaux. Comm~ pour les somme de de deux Whitney microfibrés ; d’un microfibré par deux applications tion de microfibré tangent à microfibré sous-jacent isomorphe au au une démontre on fibrés, aussi que les on sait la images réciproques homo topes sont isomorphes. Enfin, variété topologique est définir justifiée dénominar- la par le fait que le fibre tangent d’une variété différentiable paracompacte est microfibré tangent à cette variété. 2. "Classification" des microfibrés. Nous donnerons sans démonstration les résultats, suivants, qui utilisent la classique théorie simpliciale (voir Soit Top(n) le groupe simplicial dont du microfibré trivial de rang n,y de base le les p-simplexes sont les automorphismes microfibré de rang n , ayant pour base la réalisation simplicial B,y on peut associer Top(n). Inversement, pour base un un topologique de rang géométrique ( H.~1 fibre principal simplicial de base à tout fibre simplicial principal de groupe ensemble simplicial localement fini n , de base bijection entre l’ensemble des 1Bf, B, A tout topologique simplexe on de telle sorte d’un ensemble B ~ de groupe Top(n) , peut associer un ayant microfibré qu’on établisse ainsi classes de microfibrés de rang n, de base une ~H) , et Top(n) , l’ensemble des classes de fibres principaux de groupe ble fini). localement simplicial On sait alors que sont en bijection dans un certain ensemble simplicial avec les classes ces de base classes de fibres n groupe simplicial 0(n) variables). 0(n) lité de W , W(Top(n)) W(Top(n)) (défini des classes dans un s’identifie à avec au espaces de dimension q) 0(n) , W(0) et Top et 0, 0 Top(n) , d’où, par fonctoria- ~(1 q (W(Top(n))) dans s’identifie à l’ensemble de l’ensemble W(Top(n)) . Donc, 9T Q simplicial (W(Top(n))) et ~0394q+1 est On en a l’application naturelle est un les limites inductives par sous-groupe de suspension de Top. Nous noterons HO et Top(n) BTOP et les W(Top) . caractéristiques. Tout microfibré de base donne foncteur "microfibré sous-jacent". Le groupe 3. Classes nous l’ensemble des classes de microfibrés de rang n, de base Nous noterons 0(n) . sous-groupe de d’homotopie d’applications (simpliciales) raisonnement analogue pour correspond un triviaux, complexe singulier du groupe orthogonal de complexe de Kan, donc un (sphère simpliciale bijection est le B application une est (qui simpliciaux d’homotopie d’applications simpliciales de La même construction pour les fibres vectoriels localement un (ensem- B Î topologique de base B, définit (réalisation géométrique du un microfibré complexe singulier de (image réciproque) B,), donc une classe d’applications simpliciales d’où un homomorphisme Les éléments de Dans le l’image de ~p~’(n) , Lorsqu’il s’agit nômes en fibres surjective ; que du ne de que du microfibré sous-jacent. H*(BO,Q) cohomologie rationnelle, appelées de la Proposition est une classes rationnelles de 3), que de poly- Pontrjagin. c~~ : Pontrjagin d’un fibre les classes rationnelles de algèbre ne dépendent donc microfibré sous-jacent. directement qui, dans mod. des classes de le cas 2 , le résultat est Stiefel-Whitney tions de Steenrod, et l’isomorphisme pour les w. microfibrés.) (Voir une plus précis : ~ Hi(B,Z2) où le microfibré provient d’un fibré. La construction est donnée par effet, caractéristiques qui proviennent toutes les classes dépendent p. i ~ (Corollaire Pour la cohomologie ce y des classes Nous démontrerons est se H*(W(O(n))) : Il est clair que, pour les de du microfibré. caractéristiques sont les classes où le microfibré provient d’un fibré vectoriel, cette application cas factorise par f* de l’image fibré, /"10_7 )- (Le sait construire pour tout formule de Thom. on microfibré, sont les classes de S.-W. de classique utilisant les opéra- théorème de Thom-Gysin vaut, en § Une 2. Structures différentiables conséquence Sn . fibres de base sur du Théorème 1 est la PROPOSITION 1,- Pour toute structure différentiable sur Sn x n ~5, y le fibré tangent est stablement trivial. Démonstration. D’après un (voir résultat d’Adams, /"3_7 ) tangent stablement trivial. Mais, d’après tiable 8k sur tangent à ,~, parce que abélien libre = 0 , et X If que sphère d’homotopie a un fibré Théorème 1, toute structure différen- le structure produit une et le fibré d’homotopie ; s’applique est toute E x , X où est une n-sphère est stablement trivial. Le Théorème 1 K°(z(G)) est nul si G est un groupe (voir _ r12~ ). PROPOSITION 2.- Tout fibre de base Sn (quel que soit n ), dont le microfibré sous- jacent est stablement trivial, est lui-même stablement trivial. Démonstration. Il suffit de démontrer la fibré a dans sa classe un proposition pour un fibré différent.iable, puisque tout fibre différentiable. On peut aussi supposer que le microfi- bré sous-jacent est trivial. n ~ 5 . Soit 1 = (E,Snfp) microfibré sous-jacent à ~ voisinage ouvert un fibré différentiable de rang k . sur le microfibré trivial est W C E de la section nulle de 03BE tion et la section nulle : sur un L’isomorphisme homéomorphisme h du d’un respectant la fibra- Le fibre T(W) tangent est stablement trivial part calculer T(W) ; c’est la d’autre T(W) de somme la Whitney Proposition (p~(~) à la section nulle de ~ est donc isomorphe à la ~, On sait ® de k. La :restrictior et du fibre trivial de rang l’image réciproque de ~ par de d’âpres de Whitney de somme et d’un fibre trivial. Ceci prouve que ~ est stablement trivial. n ,= (ou 2) . 1 Il y a deux classes stables de fibres de base deux classes sont caractérisées par leur classe de Si le microfibré sous-jacent à 03BE est S1 (resp. SZ ) ~ Stiefel-Whitney w (resp. cee w2), trivial, cette classe est nulle, et 03BE est stablement trivial. est nul, il n ~ 3 . Comme S3 et tout fibre de base n=4. ° = par la classe de Pontrjagin Soit 1 un un montrons que = P2(C) de son ‘ÏÎ (Q) voisinage ouvert de p. (~) = fibre tangent est S~ , Z ; canonique de S4 , dont le la section nulle 0 . Comme pour 1 les fibrés de base a4 sont classifiés p~1 6. l’espace projectif complexe Chern du fibre = fibre différentiable de base trivial,, et W y qu’une classe stable de fibres de base a est stablement trivial. 03C04(BO) On sait que n’y n à 5, de dimension nous microfibré sous-jacent de 03BE , homéomorphe .à utilisons le Théorème 1. Soit 2 ; la classe totale de Pontrjagin 3x~ , où x E !f(P2(C),Z) est la bas e P2(C). Le produit W X P2(C) + est première a classe de même cohomologie P 2 (C) ~ que car il n’y a D’après N est une T(W et la classe totale de Pontrjagin de P 2 (C)) x est : pas de torsion. le Théorème Wx 1~ P 2 (C) difféomorphe à est variété compacte de dimension 8 qui L’index de la variété conclure que : 7p - Une forme produit = équivalente 15y.i 0 , soit même cohomologie que de la 0 , donc = Proposition 2,y est où N x est nul, et le théorème de l’index d’Hirzebruch N p~ 2 a un y = permet de 0 . la : PROPOSITION 2’.- L’application naturelle : est injective pour En en n ~ correspondance biunivoque r = /"4_7 que est infini (22p-1 - 1).num.( l’injectivité 2) avec Dans le même de (resp. de microfilmés) (resp. ~T (BTOP) (BO) n’est pas surjective pour n générateur de d’un p. où B est le Bp p écrit sous prouve article, Milnor construit de base S~ ~ sont ), = cyclique, est divisible dans Bp p) , tp. Tt l’image par le numérateur de et . 1 ) L’application 03C6n démontré dans rème de Bot ) 1 les classes stables de fibres effet, REMARQUES.a tout 4p. En effet, Milnor qui par l’entier nombre de forme irréductible. Pour p 2, r > 1 , n’est pas un CW-complexe X ~ pour lequel l’analo- gue de la Proposition de dimension l’entier r 4p par 2 est fausse. On l’obtient une (cf. Remarque 1)). Compte de démontrer que, pour cet espace fibré, base de application X , est stablement trivial ; il y a degré en q,y où q tenu de la Remarque q une diviseur cellule de est un 1), il n’est pas difficile tout microfibré de base cependant S4~’~ attachant à premier X,y sous-jacent à un classes stables de fibrés de X. § 3. Invariance topologique des classes rationnelles de Pontrjagin. PROPOSITION 3.- Pour tout est induite nr l’application injective. COROLLAIRE.- Pour tout n, l’application induite par ,y est surjective. Le Corollaire est nous avons fibré ne dit au § 1 p tes d’une variété de la il entraîne que les classes de que du dépendent conséquence immédiate une Proposition 3. D’après ce que Pontrjagin rationnelles d’un microfibré sous-jacent. En particulier, les classes tangen- différentiable, que de la structure de variété ne dépendant que du microfibré tangent, ne dépendent topologique. Démonstration de la Proposition 3. Soit Rn G(n) sur l’un des groupes R2n au couple simpliciaux (y,Y) , Top(n) ou 0(n) . (xi)1~i~n L’isomorphisme de , y = 1~i n , associe z avec = homomorphisme déduit permet une 1) + x G(n) simpliciaux G(n) --y G(n suspensions on en de groupes = z2p-11 sur et BO X W(G(n)) BTOP, par , permet de définir G(n)---~ G(2n) , compatible G(2n) ~ G(2n et application simpliciale de définir = z2p y , , 2) . + les avec Par fonctorialité de W(G(2n)) . X passage à la un limite, deux W ~ Ceci lois de compo- sition, respectées par l’application cp : B0 ~ BTOP . Les réalisations géométriques de BO dans BTOP et un sens un rement sont donc munies de lois de large : peu composition continues ; mais leurs restrictions Comme BO et BTOP quence de la faible sont des aux Proposition précédent, complexes de Kan, 2’ et du Lemme suivant mais que, pour sont, ne La leur nous font des H-espaces effet, pas nécessai- en homologie Proposition 3 (valable simplifier, en (voir sont continues compacts réalisations géométriques. sont celles de leurs sens lois de ces composition qui et leur est donc pour les homotopie une H-espaces énoncerons pour le cas consé- dans le de H-espaces) : LEMME.- Soient continue est alors Y avec deux H-espaces connexes, les lois de H-espaces. Si et f : X ---j Y une application l’application induite l’application injective. Le Lemme g : T et compatible injective, est aussi X ---~ Y , se démontre en construisant de telle sorte que nie à l’aide de la loi de un espace auxiliaire l’application composée H-espace de Y , induise un X x T , et T ~--~ Y isomorphisme x une sur application Y 2014~. Y défi- les groupes T d’homotopie rationnels. On prend pour espace de dimension impaire, et d’espaces des lacets de S.On utilise !l2n H-espaces, on peut produit S sphères infini de qui ont le type d’homotopie de l’espace ensuite le théorème de J. H. C. Whitehead modulo (voir la classe des groupes abéliens de torsion des un se ramener aux Serre hypothèses du X Comme sont Y et théorème de Whitehead concernant les groupes fondamentaux. REMARQUE. - On peut montrer que les associatives. On aurait donc pu démontrer la Milnor et Moore page § Le Théorème |BO|I et|BTOP|1 H-lois de sont homotopiquement Proposition 3 à l’aide d’un théorème de 263). 4. Démonstration du Théorème 1. se démontre par récurrence sur k. Pour k 1 = la démonstration , n’est autre que celle du théorème principal de la thèse de L. C. Siebenmann cinq chapitres de Elle occupe seulement bV qu’on construit, connexe, -> Hi(,b) qui contienne par un (V) 03C01 (v) ~ 03C01 et 0 , = sa bV thèse, et chirurgie, nous ne une M x ~ a,oo [ isomorphismes, et à est difféomorphe un cas un LEMME.- Soit peu de groupe Z W C W , telle que que, pour tout sont les revêtements universels de est ensuite facile à voir, à l’aide du Théorème.du W Signalons ici. sous-variété connexe V de V , à bord ouvert de la forme soient des l’exposer pouvons pas (/~9~/). s-cobordiame V et i 2 , bV). Il (voir ,(2-%), que à bV X R . Signalons aussi que la même démonstration s’applique plus général, et permet de démontrer le une variété différentiable d’une variété connexe sans topologique compacte bord, qui est le connexe sans bord. Si revêtement est nul, alors Ce Lemme manière W est difféomorphe servira nous différente, au cours un produit N R . x de la récurrence. Il a aussi été démontré, d’une par S. P. Novikov. Remarquons tout de suite que, des groupes dans celle des groupes entraîne à est comme un foncteur de la catégorie abéliens, l’hypothèse (par rétraction) Récurrence. Supposons thèses Rk , le Théorème établi théorème. Soient S du et le homéomorphe à S X phisme de Rk M le cercle unité du complémentaire Si sur produit Vx W , V’ un revêtement soit V 1) C’est = celle de x S x V’ -> W’ W’ plan est l’ouvert de = par ( $3 = z 4 W = ... = (g 1 = ~ ) = 0). W , image i 1 (W) X Z, de W vérifiant les hypo- 0) = de L’es pace Test M x T est xk par l’homéomor- difféomorphe à un récurrence. de 8k.-1 par M X R , On munit V’ p. Notons V X~1, correspond par homéo- de la structure la sous-variété différentiable V X 0 de W’ , p(V) . Il existe une p : k - 1 . Soit l’hyperplan d’après l’hypothèse image réciproque de et de comme Au revêtement évident de M morphisme jusqu’à l’ordre une variété différentiable conséquence immédiate de la N telle que définition de V, V soit difféomorphe à et du Lemme précédent. N x R . 2) W x est difféomorphe à V id) : V (V (où 1 correspond W est W LEMME.est une difféomorphe à une . est = Admettons variété différentiable homéomorphe à L’espace 8k un bord, connexe sans s’identifie à B x M suite, ces deux W) B et soit M un k-disque (muni ouvert de W ; celui-ci un est M X , k ~ 2 , où de difféomorphe à W ,y si * B lemme ; soit ce W. Soit Bw difféomorphisme de B X M est difféomorphe à La variété B X M dans le revêtement k-disque relèvement de B BxM sur T . k-disque contenu dans un un T . Pour la même raison de Par o . difféomorphe à est p : W’ . la structure différentiable induite par 1 (W)) W~ -~ W’ ). difféomorphe à V X revêtement au variété topologique compacte ouvert de le revêtement effet, composition : W’ revêtements sont isomorphes, et en W’ . Il correspond à l’homomorphisme = obtenu par la -> Z Considérons, . 2014r> V x la dernière flèche 3) ~ 1 x W’ . w Enfin, p induit B X M . Ceci achève la démonstration.du Théorème 1. Démonstration du Lemme. W - (B X M) est différentiable F il en est de même pour sous-variété de Il X R n’y a W Sk-1 homéomorphe à (identifions (B - y et pas de difficulté à rétracter (F et F ~P ~ ) X M , bordée par F X M X qui F’ , U x est U sur R , et possède 0) C W ). Si donc P difféomorphe à est F un ou une structure point de B, F’ X R . Soit U la est un h-cQbordisme entre F’ . Soit A = (B x F M) - et F’ . U ; c’est l’intérieur d’une variété de bord A est difféomorphe à B K M : il suffit alors F’ X F’ . (B X M) - A est effet en difféomorphe à le théorème d’unicité des d’appliquer voisinages tubulaires, A U A (U - F) (U - F) est est difféomorphe à est h-cobordismes A difféomorphe à (voir pour la même raison. difféomorphe à W , lJ(U - F) : encore X [0,1 [ F’ pour la même d’après un raison, et parce théorème classique sur que les /"2_7). BIBLIOGRAPHIE [1] [2] H. CARTAN - Séminaire, 9e année (1956/57). Exposés M. KERVAIRE - Le théorème de 1963/64, [3] Barden-Mazur-Stallings. Séminaire (1963), Groups of homotopy-spheres 504-537. [4] J. MILNOR - Microbundles. [5] J. MILNOR et J. MOORE - On the structure of Vol. 81 [6] (1965), V. ROHLIN et A. Dokl, Akad. [8] Topology, Vol. 3 supp. 1 (Part 1), (juillet 64), Hopf algebras. Ann. Ann. of Math. 53-80. of Math. 211-264. S. P. NOVIKOV - Topological invariance of rational Pontrjagin classes. Dokl. Akad. Nauk [7] G. de Rham Lausanne. M. KERVAIRE et J. MILNOR - Vol. 77 1 et 4. URSS, 163 0160VAR010C - (1965), Combinatorial invariance of the Nauk URSS, 114 J.-P. SERRE - Groupes Math. Vol. 58 298-300. (1957), d’homotopie (1953), et 258-294. Pontrjagin classes. 490-493. classes de groupes abéliens. Ann. of [9] L. SIEBENMANN - The obstruction to of dimension finding a boundary for (multigraphié). greater than five. Thèse Princeton [10] R. THOM - [11] R. THOM - Les classes open manifold an Espaces fibrés en sphères et carrés de Steenrod. Ann. Sci. Norm. Sup. Vol. 69 (1952), 109-182. Symp, Intern. [12] caractéristiques de Top. alg. de Pontrjagin des variétés triangulées. (Mexico 1956), C. T. C. WALL - Finiteness conditions for 81 (1965), Ecole 54-67. CW-complexes. Ann. of Math. Vol. 56-69. ERRATA 2 et 3 Page 304-06 - Lignes de Whitney...et du p*(~ ® T(Sn))/W âpres fibré de la le diagramme, remplacer "c’est trivial de rang k." somme de Whitney de § la somme par "c’est l’image réciproque et du fibré tangent à Sn." Ligne 5, remplacer "et d’un fibré trivial." par "et d’un fibre’ stablement trivial." Pages 304-12 et 304-14 - Dans les lemmes, ajouter l’hypothèse Idim(W)6." 406