Espaces fibrés vectoriels et invariance homotopique

9.8. Invariance homotopique 319
9.8 Invariance homotopique
[sec:pullback-fibre-homotopie]
416 Dénition. Une application continue π:EBest un Rk-bré vectoriel
localement trivial, si pour tout xB,π1(x)(la bre au dessus de x) est
un R-espace vectoriel et s’il existe des ouverts Ui(iI) recouvrant B, et des
homéomorphismes ψi:π1(Ui)Ui×Rk, tels que :
le diagramme :
π1(Ui)ψi
π
Ui×Rk
p1
B
soit commutatif (pour tout i),
pour tout iet chaque xUi,p2ψi:π1(x)Rkest un isomorphisme
R-linéaire.
L’expression « bré vectoriel » signiera désormais bré vectoriel localement tri-
vial, chaque bre étant un R-espace vectoriel de dimension nie.
Les Uide la dénition ci-dessus sont appelés des « ouverts trivialisants ». Un
bré π:EBest dit « trivial » si Blui-même est un ouvert trivialisant.
L’homéomorphisme ψi:π1(Ui)Ui×Rkest appelé une « trivialisation » du
bré πau dessus de Ui.
On utilisera d’autres brés (non vectoriels). La dénition est essentiellement la
même, sauf que Rkest remplacé par une paire topologique (F, F ) (Fest parfois
vide), et évidemment on ne demande plus que les ϕisoient linéaires sur chaque
bre.
Soit f:BBune application continue. Soit π:EBun bré. Le pullback
de πle long de fest π:EB, où :
E={(x, y)B×E|f(x) = π(y)},
et où π(x, y) = x. La topologie de Eest celle induite par la topologie produit
sur B×E. Le couple (f, ˜
f), où ˜
f:EEest déni par ˜
f(x, y)=y, est un
morphisme de brés, qui est un isomorphisme sur chaque bre.
E
π
˜
fE
π
Bf
B
320 9. Espaces brés
417 Lemme. Si un morphisme de brés vectoriels :[lem:fibre-pullback-iso-fibre]
E
π
fE
π
Bf
B
est tel que finduise un isomorphisme d’espaces vectoriels π1(x)π1(f(x))
pour tout xB, alors le carré ci-dessus est cartésien.
Démonstration. Complétons le diagramme de l’énoncé de la façon suivante :
E
ψ
π
fE
π
E��
π��
B
1
fB
Bf
π�� est un pullback de πle long de f. Comme πf=fπ=f1π,
il existe une unique application continue ψ:EE�� rendant le diagramme
commutatif. Il y a juste à montrer que ψest un isomorphisme de Top, c’est-à-
dire un homéomorphisme.
Comme ψest continue et clairement bijective, il sut de montrer que ψest
une application ouverte. Comme c’est un problème local, on peut maintenant
supposer que les brés πet π�� sont triviaux. Dès lors, ψs’écrit :
B×RnψB×Rn
(x, y)(x, ϕ(x, y))
ϕ:B×RnRnest continue, et où pour tout xB,θ(x) = (y→ ϕ(x, y))
est un élément de GL(Rn). D’après le lemme 510 (page 398), θ:BGL(Rn)
est continue, et il en est donc de même de sa composition x→ θ(x)1avec
l’inversion des automorphismes linéaires qui est elle aussi continue. Comme Rnest
localement compact, le même lemme montre que la décurryée λ:B×RnRn
de x→ θ1(x) est continue. Il sut alors de poser ψ(x, y) = (x, λ(x, y)) pour
avoir un inverse continu pour ψ.
Un bré qui est trivial au dessus d’un ouvert Upeut être trivialisé de diérentes
manières. En eet, donnons-nous une application continue θ:UGL(Rk). On
peut alors considérer la composition :
π1(U)ψ
U×RkΛ
U×Rk,
9.8. Invariance homotopique 321
ψtrivialise le bré au dessus de U,etoùΛ(x, y)=(x, θ(x)(y)). C’est claire-
ment une autre trivialisation du bré au dessus de U. Réciproquement, si ψet
ψsont deux trivialisations d’un bré au dessus de U, l’application θ:
x→ (y→ p2ψψ�−1(x, y))
(qui est continue) envoie Udans GL(Rk). Il est clair que deux trivialisation au
dessus de U« dièrent » par une unique application continue θ:UGL(Rk),
qu’on appelera leur « diérence ». La diérence θentre la trivialisation ψet la
trivialisation ψest caractérisée par l’équation :
ψ(x, y)=(x, θ(x)(p2ψ(x, y))).
418 Lemme. Soit π:EB×I(où I= [a, b]R,a < b) un bré vectoriel,
qui est trivial au dessus de B1=B×[a, c]et au dessus de B2=B×[c, b](avec
a<c<b). Alors il est trivial au dessus de B×I.
Démonstration. Le résultat est immédiat quand les trivialisations au dessus
de B1et de B2sont égales au dessus de B1B2. Il sut donc de se ramener à ce
cas. Soit θ:B1B2GL(Rk) la diérence entre la trivialisation provenant de
B1et celle provenant de B2. On peut prolonger θàB2en posant (pour t[c, b]) :
θ(x, t)=θ(x, c).
Ceci permet de changer de trivialisation au dessus de B2, et de satisfaire la
condition demandée.
419 Lemme. Soit π:EB×Iun bré vectoriel. Alors, pour chaque
xB, il existe un voisinage Ude xdans B, tel que le bré soit trivial au dessus
de U×I.
Démonstration. Pour chaque tI, choisissons un pavé ouvert Ut×Itde B×I
au dessus duquel le bré est trivial, et contenant (x, t). Par compacité de I, il
existe un entier n, tel que chaque intervalle [ k
n,k+1
n](0k < n) soit contenu
dans un Itk(lemme de Lebesgue). Posons :
U=
n1
k=0
Utk.
n1 applications du lemme précédent donnent le résultat.
420 Lemme. Soit π:EB×Iun bré vectoriel, où Best compact. Soit
p:B×IB×Il’application dénie par p(x, t) = (x, 1). Alors les brés πet
p(π)sont isomorphes.
322 9. Espaces brés
Démonstration. Le lemme précédent permet de recouvrir Bpar des ouverts
Uitels que le bré soit trivial au dessus de Ui×I. Par compacité de B, on
peut supposer la famille des Uinie, et se donner, pour chaque i, une fonction
continue λi:B[0,1], dont le support supp(λi) (i.e. l’adhérence de λ1((0,1]))
soit contenu dans Ui, et telles que pour tout xde B, on ait :( 8)
sup
iI
λi(x) = 1
Pour chaque i, considérons l’application αi:B×IB×I, dénie par :
αi(x, t)=(x, sup(t, λi(x)))
Alors αiest homotope à l’application identique et est même égale à l’application
identique en dehors de Ui×I. De plus, α
i(π) est isomorphe à π. En eet, soit
ϕ:π1(Ui×I)Ui×I×Rnune trivialisation de πau dessus de Ui×I(où n
est la dimension du bré π). On dénit ψ:EEpar :
ψ(y)=(ϕ1(αi×1) ϕ)(y) si π(y)Ui×I
ψ(y)=ysi π(y)∈ supp(λi)×I
L’application ψest bien dénie et continue, car Ui×Iet le complémentaire
de supp(λi)×Isont deux ouverts couvrant B×I, et parce que si π(y) ap-
partient à leur intersection, on a (ϕ1(αi×1) ϕ)(y) = y, puisqu’alors
αi(π(y), t) = (π(y), t). Par ailleurs, on vérie à vue sur la dénition de ψque
π(ψ(y))=αi(π(y)), autrement-dit, qu’on a le carré commutatif :
E
π
ψE
π
B×Iαi
B×I
Comme ψinduit un isomorphisme sur chaque bre, ce carré est cartésien (lemme
417 (page 320)), ce qui montre que πest isomorphe à α
i(π).
Pour terminer, on peut composer les αi(dans un ordre quelconque). Notons α
cette composition. Alors α(π) est isomorphe à π, mais par ailleurs, il est clair
que α=p, puisque αi(x, 1) = (x, 1), et puisque pour tout xB, il existe itel
que λi(x) = 1.
421 Corollaire. Soit π:EBun bré vectoriel. Soient f, g :BB
[coro:pullback-fibre-homotopie]
deux applications continues homotopes, où Best supposé compact. Alors les
brés f(π)et g(π)sont isomorphes.
8. Une telle famille s’appelle une « enveloppe de l’unité ». Elle est facilement construite à
partir d’une partition de l’unité µipar la formule λi(x) = µi(x)
supjµj(x).
9.8. Invariance homotopique 323
Démonstration. pétant comme dans le lemme précédent, notons h:B×IB
une homotopie de fàg, et notons i0, i1:BB×Iles applications dénies par
i0(x) = (x, 0) et i1(x) = (x, 1). On a f(π)=i
0(h(π)) i
0ph(π)=i
1h(π) =
g(π).
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