Rahmenbündel

In der Mathematik im Teilgebiet der Differentialgeometrie ist ein Rahmenbündel ein Hauptfaserbündel, das zu einem Vektorbündel zugeordnet ist. Grob gesagt entspricht das Rahmenbündel der Menge aller Basen des zugeordneten Vektorbündeln. Die Elemente eines Rahmenbündels werden als Rahmen bezeichnet. Von besonderem Interesse ist das Rahmenbündel, das dem Tangentialbündel einer glatten Mannigfaltigkeit zugeordnet wird.

Präziser ausgedrückt ist die Faser eines Rahmenbündels die Menge aller geordneten Basen. Somit operiert die allgemeine lineare Gruppe auf einem Rahmenbündel mittels Basiswechsel, wodurch das Rahmenbündel die Struktur eines $\operatorname {GL} (n)$-Hauptfaserbündels erhält.

Auf einem Prähilbertraum, also einem Vektorraum mit Skalarprodukt, ist der Begriff der Orthonormalbasis definiert. Entsprechend kann man einem Vektorbündel mit einer Fasermetrik ein orthonormales Rahmenbündel zuordnen, die Elemente des Raums heißen dann orthonormale Rahmen.

Definition

Es sei $\pi _{\mathcal {E}}\colon {\mathcal {E}}\to B$ ein Vektorbündel des Rangs $n$ über dem topologischen Raum $B$. Mit $\pi _{\operatorname {GL} ({\mathcal {E}})}\colon \operatorname {GL} ({\mathcal {E}})\to B$ wird im Folgenden das Vektorbündel bezeichnet, dessen Faser über dem Punkt $x\in B$ dem Raum aller invertierbaren linearen Abbildungen von $\mathbb {R} ^{n}$ nach ${\mathcal {E}}_{x}$ entspricht. Das Vektorbündel $\operatorname {GL} ({\mathcal {E}})$ ist ein Hauptfaserbündel bezüglich der allgemeinen linearen Gruppe $\operatorname {GL} (n)$ und der Gruppenaktion $(p\cdot g)(v):=p(g\cdot v)$ mit $p\colon \mathbb {R} ^{n}\to {\mathcal {E}}_{x}$, $g\in \operatorname {GL} (n)$ und $v\in \mathbb {R} ^{n}$. Außerdem ist ${\mathcal {E}}$ natürlich isomorph zu dem zu $\operatorname {GL} ({\mathcal {E}})$ bezüglich der Gruppe $\operatorname {GL} (n)$ assoziierten Bündel. Das heißt also ${\mathcal {E}}\cong \operatorname {GL} ({\mathcal {E}})\times _{\operatorname {GL} (n)}\mathbb {R} ^{n}$.

Das konstruierte Hauptfaserbündel $\pi _{\operatorname {GL} ({\mathcal {E}})}\colon \operatorname {GL} ({\mathcal {E}})\to B$ mit den zuvor genannten Eigenschaften wird Rahmenbündel genannt. Die Elemente eines Rahmenbündels werden am Rahmen bezeichnet.

Orthogonales Rahmenbündel

Sei nun $\pi _{\mathcal {E}}\colon {\mathcal {E}}\to B$ ein Vektorbündel mit einer Metrik, so dass die Fasern des Bündels ein Prähilbertraum sind. Dann können auch orthonormale Basen auf den Prähilberträumen betrachtet werden.

Ein orthonormales Rahmenbündel von ${\mathcal {E}}$ ist dann die Menge aller orthonormalen Vektorraumbasen über jedem Punkt $x$ des Basisraums $B$. Das orthonormale Rahmenbündel kann auch analog zu dem gewöhnlichen Rahmenbündel als zu dem zu $O({\mathcal {E}})$ bezüglich der orthogonalen Gruppe $O(n)$ assoziierten Bündel definiert werden. Es gilt also ${\mathcal {E}}\cong O({\mathcal {E}})\times _{O(n)}\mathbb {R} ^{n}$, wobei $O({\mathcal {E}})$ also das Vektorbündel ist, dessen Fasern die Menge alle geordneten orthonormalen Basen ist.

Somit ist auch das orthonormale Rahmenbündel ein Hauptfaserbündel mit der orthogonalen Gruppe $O(n)$ als Strukturgruppe.

Literatur

• L. A. Cordero, C.T. Dodson, Manuel de León: Differential Geometry of Frame Bundles. Springer Science & Business Media, 1988, ISBN 0-7923-0012-2.