Klassifizierender Raum von U(n)

Der klassifizierende Raum $\operatorname {BU} (n)$ der $n$-ten unitären Lie-Gruppe $\operatorname {U} (n)$ klassifiziert $\operatorname {U} (n)$-Prinzipalbündel (auch $\operatorname {U} (n)$-Hauptfaserbündel genannt). Das bedeutet, dass ein $\operatorname {U} (n)$-Prinzipalbündel über einem parakompakten topologischen Raum eineindeutig einer Homotopieklasse einer stetigen Abbildung von diesem nach $\operatorname {BU} (n)$ entspricht. $\operatorname {BU} (n)$ ist selbst der Basisraum (eng. base space) eines $\operatorname {U} (n)$-Prinzipalbündels, woraus sich die Notation ergibt.

Definition

Es gibt eine kanonische Inklusion von komplexen Grassmann-Mannigfaltigkeiten gegeben durch $\operatorname {Gr} _{n}(\mathbb {C} ^{k})\hookrightarrow \operatorname {Gr} _{n}(\mathbb {C} ^{k+1}),V\mapsto V\times \{0\}$. Deren direkter Limes ist:

$\operatorname {BU} (n):=\operatorname {Gr} _{n}(\mathbb {C} ^{\infty }):=\lim _{n\rightarrow \infty }\operatorname {Gr} _{n}(\mathbb {C} ^{k}).$

Da reelle Graßmann-Mannigfaltigkeiten sich als homogene Räume ausdrücken lassen durch:

$\operatorname {Gr} _{n}(\mathbb {C} ^{k})=\operatorname {U} (n+k)/(\operatorname {U} (n)\times \operatorname {U} (k))$

überträgt sich die Gruppenstruktur auf $\operatorname {BU} (n)$.

Grundlegender Zusammenhang

Zur Erklärung des obigen Zusammenhangs ist ein weiterer Raum notwendig: Der totale Raum $\operatorname {EU} (n)$ der $n$-ten unitären Lie-Gruppe $\operatorname {U} (n)$ ist schwach zusammenziehbar und verfügt über eine Gruppenwirkung von $\operatorname {U} (n)$, wobei der Orbitraum $\operatorname {EU} (n)/\operatorname {U} (n)$ genau $\operatorname {BU} (n)$ ist. Durch Projektion auf Äquivalenzklassen gibt es daher das spezielle $\operatorname {U} (n)$-Prinzipalbündel $\operatorname {EU} (n)\rightarrow \operatorname {BU} (n),x\mapsto [x]$ mit Faser $\operatorname {U} (n)$, welches universelles $\operatorname {U} (n)$-Hauptfaserbündel genannt wird. Jedes $\operatorname {U} (n)$-Hauptfaserbündel auf einem parakompakten topologischen Raum $X$ lässt sich nun durch Rückzug von diesem entlang einer stetigen Abbildung $X\rightarrow \operatorname {BU} (n)$ erhalten, wobei homotope Abbildungen das gleiche $\operatorname {U} (n)$-Prinzipalbündel erzeugen. Dadurch existiert eine Bijektion:

$\operatorname {Bund} _{\operatorname {U} (n)}(X):=\left\{\operatorname {U} (n){\text{-Prinzipalbündel über }}X\right\}/\sim _{\mathrm {iso} }\cong [X,\operatorname {BU} (n)].$

Kleinster klassifizierender Raum

Es ist $\operatorname {U} (1)\cong S^{1}$, wobei $\operatorname {BU} (1)=\mathbb {C} P^{\infty }=\lim _{n\rightarrow \infty }\mathbb {C} P^{n}$ der unendliche komplexe projektive Raum ist und $\operatorname {EU} (1)=S^{\infty }=\lim _{n\rightarrow \infty }S^{n}$ die $\infty$-Sphäre ist. Beide entstehen jeweils als direkter/induktiver Limes der kanonischen Inklusionen $\mathbb {C} P^{n}\hookrightarrow \mathbb {C} P^{n+1}$ beziehungsweise $S^{n}\hookrightarrow S^{n+1}$. Erstaunlicherweise ist die $\infty$-Sphäre $S^{\infty }$ wie oben erwähnt tatsächlich schwach zusammenziehbar, sogar zusammenziehbar, obwohl keine der Sphären $S^{n}$ (schwach) zusammenziehbar ist.

Kohomologie

Für den Kohomologiering von $\operatorname {BU} (n)$ gilt:

$H^{*}(\operatorname {BU} (n);\mathbb {Z} )=\mathbb {Z} [c_{1},\ldots ,c_{n}].$

Unendlicher klassifizierender Raum

Die kanonische Inklusionen $\operatorname {U} (n)\hookrightarrow \operatorname {U} (n+1)$ induzieren kanonische Inklusionen $\operatorname {BU} (n)\hookrightarrow \operatorname {BU} (n+1)$ auf ihren jeweiligen klassifizierenden Räumen. Die direkten Limiten dieser beiden Ketten an Inklusionen werden jeweils als:

$\operatorname {U} :=\lim _{n\rightarrow \infty }\operatorname {U} (n)$

$\operatorname {BU} :=\lim _{n\rightarrow \infty }\operatorname {BU} (n)$

bezeichnet. $\operatorname {BU}$ ist dabei tatsächlich der klassifizierende Raum von $\operatorname {U}$.

Siehe auch

• Klassifizierender Raum
• Klassifizierender Raum von O(n)
• Klassifizierender Raum von SO(n)
• Klassifizierender Raum von SU(n)

Literatur

• Allen Hatcher: Algebraic topology. Cambridge University Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-79160-X (englisch, cornell.edu). 
• Stephen Mitchell: Universal principal bundles and classifying spaces. August 2001 (englisch, mit.edu [PDF]). 

Weblinks

• classifying space auf nLab (englisch)
• BU(n) auf nLab (englisch)