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Espace de twisteurs d'une variete presque hermitienne de dimension 6

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Academic year: 2021

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(1)

HAL Id: hal-00004382

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00004382v3

Preprint submitted on 22 Dec 2006

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Espace de twisteurs d’une variete presque hermitienne de dimension 6

Jean-Baptiste Butruille

To cite this version:

Jean-Baptiste Butruille. Espace de twisteurs d’une variete presque hermitienne de dimension 6. 2006.

�hal-00004382v3�

(2)

hal-00004382, version 3 - 22 Dec 2006

hermitienne de dimension 6

Jean-Baptiste Butruille

Résumé

Ons'intéresseàl'espaedetwisteursréduitd'unevariétépresqueher-

mitienne,enrelisantunartiledeN.R.O'BrianetJ.H.Rawnsley[24 ℄.On

traitelaquestionlaissée ouvertedeladimension6.Cet espaeest muni

d'unestruturepresqueomplexe

J

enutilisant ladistributionhorizon- taledelaonnexionhermitienneanonique.Onmontrequ'uneondition

nééssaire d'intégrabilité de

J

est que lavariété soit detype

W

1

⊕ W

4

danslalassiationdeGrayetHervella[14℄.Dansladeuxièmepartieon

montrealorsquelesseulesvariétésdetype

W

1

⊕ W

4endimension6sont

les variétés loalement onformément nearly Kähler. Finalement la

struturepresqueomplexedel'espae detwisteursréduitestintégrable

sietseulement silavariétéestloalement onformeàlasphère

S

6 ouà unevariétékählerienne,Bohner-plate.

Introdution

LathéoriedestwisteursinventéeparR.Penrose(voirl'artilefondateur[23℄)

estunmoyend'utiliserlestehniqueseaesdelagéométrieholomorphepour

résoudredesproblèmesdegéométrieriemannienneoupseudo-riemannienne.

Soit

M

unevariétédedimensionpaire

m = 2n

.Onpartd'unevariétéom-

plexe

Z

,donnéeaveunesubmersionàbresomplexes

π : Z → M

.Onassoie

àtoutpoint

j

de

Z

unendomorphismedearré-1de

T

π(j)

M

(ouàtoutesetion,

unestruture presqueomplexe de

M

)en transportantlamultipliationpar

i

de

T

j

Z

par l'isomorphismedépendant dupoint

)

j

: T

j

Z/V

j

→ T

π(j)

M

,

V

estladistributionvertiale.Soit

Z

lebréde

M

dontlabreau-dessusde

x

estl'ensembledesendomorphismesdearré-1de

T

x

M

.Onnote

π

0

: Z → M

la

projetionanonique.Onadonuneappliation

ϕ

de

Z

dans

Z

,préservantles

bres.D'autrepart,il estonnuque

Z

x

= π

0−1

(x)

est isomorpheentoutpoint

àl'espae symétriquehermitien

GL(m, R )/GL(n, C )

et admetpar onséquent

une struturepresque omplexenaturelle intégrable. Alorsondemande que

ϕ

soitinjetiveetquepourtout

x ∈ M

larestritionde

ϕ

à

Z

xsoituneinjetion

holomorphe.Danse as,

Z

estappeléunespaede twisteurs omplexede

M

.

Réiproquement, pourobtenirun espaede twisteurs omplexe sur

M

,on

prend

Z

une sous-variétéde

Z

telle quela restrition de

π

0 à

Z

est toujours

unebrationetpourtout

x ∈ M

,

Z

xest unesous-variétéomplexe de

Z

x.On

(3)

onstruitune struturepresqueomplexe

J

sur

Z

,enseservantd'unesetion

delasuiteexate

0 → V → T Z → T Z/V → 0

donnéed'habitudeparuneonnexionsur

M

.Alors

Z

estunespaedetwisteurs

omplexe,ave

ϕ

l'injetionanonique,siet seulementsi

J

estintégrable.

Le parfait exemple d'une telle situation est la bration à bres

C P

1 de

l'espaeprojetif omplexe

C P

3 surlasphère

S

4 dontlesvertusfurentdéou-

vertes par Atiyah, Hithin et Singerdans [1℄. Les mêmes auteurs ont herhé

unegénéralisationauxvariétésriemanniennesdedimension4,enposantapri-

orique

Z

est lasous-variétéde

Z

onstituéedesstruturespresqueomplexes

ompatiblesave lamétrique.Celapeutd'ailleurs êtrefaiten dimensionpaire

supérieuremaisdèsladimension6laonditionobtenuepourl'intégrabilitéde

J

estquelavariétésoitonformémentplatetandisqu'endimension4ellealieu pourtoutelarihelassedesvariétésauto-duales,enraisond'unesingularitéde

ladéompositionen omposantesirrédutibles, en

m = 4

,de laréprésentation de

SO(m)

surl'espaedestenseursdeourbureriemannienne abstraits.

O'Brian et Rawnsley[24℄ regardent, eux, desespaesde twisteurs assoiés

à une

G

-struture et une

G

-onnexion.Le as originel orrespond bien sûr à

G = SO(m)

et la onnexion de Levi-Civita. Ils se sont partiulièrement in- téressés au as

G = U (n)

. A leur suite, on onsidère une variété presque

hermitienne

(M, g, J

0

)

. On demande que lessetions de

Z

soient ompatibles

ave

g

etommutentave

J

0 etonabesoinpouronstruire

J

d'uneonnexion

hermitienne

∇ e

. Lesonditionsd'intégrabilitérappelées setion2 portentalors nonseulementsurlaourburede

∇ e

maissursatorsion,qui n'estpasnulleen

général. Par ailleurs on montre setion 3 qu'on peut sans perte de généralité

pournotreproblèmehoisirlaonnexion hermitienneanonique

.

Endimensionsupérieureà

10

,

J

estintégrablesietseulementsilavariétéest

loalementonformeàunevariétékählerienne(LCK)dontletenseurdeBohner

estnul.Cettelassedevariétésprésenteelle-mêmeungrandintérêt.Leurétude

diile est abordée par exempledans [4℄ (voiraussi [10℄). On s'intéresseii à

ladimension6.Onmontre quelesonditionsimposéesàlatorsionsontmoins

stritesen ette dimensionpuisque outre les variétés LCK,toutes les variétés

detype

W

1

⊕ W

4danslalassiationdeGray-Hervella[14℄lessatisfont.Parmi elles-iontrouveenpartiulierlesvariétésstritementnearlyKähler(NK).

Mais laforme de laourbure dees dernières est si partiulière en dimension

6que lesonditionsimposéesàelle-i(proposition2.3)nelaissentnalement

quelasphère

S

6.

Oronmontre,setion5,que

Théorème1. Lesvariétéspresquehermitiennesdetype

W

1

⊕W

4endimension

6sontloalementonformesàune variétéNK.

Ce théorème et la disussion préédente permettent de onlure, ompte-

tenude l'invarianeonformedel'espaedetwisteurs réduitet desastruture

presqueomplexe:

Théorème 2. Soient

M

une variété presque hermitienne de dimension 6,

Z

sonespae de twisteursréduit,

J

la struture presqueomplexe sur

Z

assoiée

(4)

àla onnexion hermitienne anonique :

J

est intégrable siet seulement si

M

estloalementonforme àunevariétékählerienne Bohner-plate ouàla sphère

S

6 muniede sastrutureNK.

L'artile est organisé en deux parties, orrespondant aux deux théorèmes

prinipaux1et2,quasimentindépendantes.Larésolutionomplèteduproblème

soulevédanslapremièrepartieamotivél'érituredelaseondepartie.

La méthode utilisée à la setion 5 s'inspire de l'étude des variétés NK de

dimension 6. A. Gray amontré dans [13℄ que elles-i sont soit kähleriennes,

soit stritementNK(SNK). Dans ledernieras ellesadmettentune rédution

naturelle à

SU (3)

. C'est de tenir toujours unmeilleur ompte de ette stru-

ture

SU (3)

quesontvenuslesderniersrésultatslesonernant.D'abordReyes-

Carrion[25℄amontréquelaonnexionhermitienneanoniqueétaitenfaitune

onnexion

SU(3)

. Puis il a déouvert, e que Hithin a rendu expliite dans

[18℄,quetoutel'informationpourlastruture

SU (3)

, yomprislamétriqueet

lastruturepresqueomplexe,estomprisedansladonnéededeuxformes:la

formedeKähler

ω

et laformevolumeomplexe

Ψ

(oudans eas ladiéren-

tielledelaformedeKähler

),equipermetdearatériserlesvariétésSNK

en dimension6 parune équation diérentielle simple portant sur lastruture

SU (3)

.

Ii on s'intéresse à d'autres variétés presque hermitiennes de dimension 6

qu'onappellespéiales'est-à-direàd'autresstrutures

U (3)

quiinduisentune

struture

SU (3)

sur lavariétéparl'intermédiaire de

. Salamon,Chiossi[8℄,

prolongeantletravailde Gray,Hervellaontlassié lesvariétés

SU (3)

enon-

sidérantlatorsionintrinséque.Celle-iestdonnéeparladéompositionentypes

de

,

. Les variétés

W

1

⊕ W

4 sontalors aratérisées par deux équations diérentiellesportantnotammentsurlaformedeLee

θ

etonpeutmontrerque

elle-iestfermée,'est-à-direreprésenteloalement(parlelemmedePoinaré)

unhangementonformedemétriqueparlequellavariétéestissued'unevariété

NK.

Setion6,vuel'invarianeonformedeladénitiondel'espaedetwisteurs,

réduit ou non, on reformule les résultats de la setion 5 en onsidérant des

variétéspresquehermitiennesonformes.Onlaisseouvertelaquestiondesavoir

si un théorème tel que 1 a lieu en toute dimension et pour d'autres lasses

de variétés presque hermitiennes, stables par transformation onforme. Cette

question est liée à l'existene des variétés de type

G

1,

G

2 de Hervella, Vidal

[15℄. On donne seulement, setion 7, unrésultat d'existene loale de variétés

detype

W

1

⊕ W

2

⊕ W

4dedimension6nonloalementonformesàdesvariétés

detype

W

1

⊕ W

2.

1 Préliminaires

On souhaite donner ii quelquesdénitions générales et quelquesrésultats

simplesoulassiquessurlesvariétéspresquehermitiennes.

D'abordxonsquelquesnotations.Soient

M

une variétédedimension

m

et

GL(M )

le bré prinipal sur

M

de groupe

GL(m)

(le bré des repères). Les

(5)

représentationsde

GL(m)

fournissent desbrés assoiésde

GL(M )

, lesbrés

detenseursde

M

,parmilesquels:

T M

,lebrétangentoulesbrésextérieurs

Λ

p.

Maintenant,si

M

est unevariétériemannienneorientée,onaune première rédutionde

GL(M )

à

SO(m)

: soit

SO(M )

lebré des repères orthonormés diretsde

M

.Onnote

so(M )

sonbréadjoint'est-à-direlebrédesendomor- phismesantisymétriquesde

T M

.Plusgénéralement,soient

G

ungroupedeLie,

G ⊂ SO(m)

,d'algèbredeLie

g

et

g

l'orthogonalde

g

dans

so(m)

.Onsuppose

que

M

admetunerédutionà

G

,'est-à-direqu'ilexisteunsous-bréprinipal

G(M )

degroupe

G

de

SO(M )

.Alors onnote

g(M )

lebré adjointde

G(M )

.

Demême

g

(M )

désigneralebréassoiéàlareprésentation

g

de

G

.

Dans et artile on onsidère des variétés presque hermitiennes. Une telle

variétéest dénie en dimension paire

m = 2n

par une rédution dubré des

repèresà

U(n)

,notée

U (M )

,ouautrementparunemétrique

g

etunestruture

presqueomplexe

J

,orthogonale,

∀X, Y ∈ T M, g(JX, JY ) = g(X, Y ),

dénissantune 2-forme

ω

,appeléeforme de Kähler :

∀X, Y ∈ T M, ω(X, Y ) = g(JX, Y )

Soit

T

1,0

⊂ T

C

M

lesous-brédesveteursomplexesdetype(1,0)parrapport

à

J

.Demême,soit

T

0,1lebrédesveteursdetype(0,1).Autrementdit,quel

quesoit

x ∈ M

,

T

x1,0(resp.

T

x0,1)estlesous-espaepropre(omplexe)de

J

xpour

lavaleurpropre

i

(resp.

−i

). Letenseurde Nijenhuis

N

mesurel'intégrabilité delastruture presqueomplexe

J

oude ladistribution

T

1,0. Ilest déni,en

vertuduthéorèmedeFrobenius,par

∀X, Y ∈ T M, N (X, Y ) + iJN (X, Y ) = [X

1,0

, Y

1,0

]

0,1

,

(1)

pour tout

X ∈ T

C

M

,

X

1,0

=

12

(X − iJX)

et

X

0,1

=

12

(X + iJX )

désig-

nent les projetionsde

X

sur

T

1,0,

T

0,1, respetivement. Soit don

(M, g, J)

une variétépresque hermitienne. Le bré

u(M )

(resp.

u(M )

) est lebré des

endomorphismesantisymétriquesde

T M

quiommutent(resp.antiommutent) à

J

.

Onrappelleaussiquepourtoutbréprinipal

P

ilexisteuneationnaturelle

dubréintérieur sur lesbrésassoiés.En partiulier si

P

est unsous-bré

de

GL(M )

surlesbrésdetenseurs.Ilexisteaussiuneationdérivéedubré

adjoint.On note

Φs

(resp.

A.s

) l'ation d'un automorphisme vertial

Φ

de

P

(resp.d'unesetion

A

dubréadjoint)surunhampdetenseurs

s

.Onsouhaite

expliiteretteationdansleas

s

estuntenseurdetype(2,1):quelsque

soient

X, Y, Z ∈ T M

,

Φs(X, Y ) = Φ s(Φ

−1

X, Φ

−1

Y )

A.s(X, Y ) = As(X, Y ) − s(AX, Y ) − s(X, AY )

(6)

Orlastruturepresqueomplexe

J

peut-êtrevuealternativementommeunen- domorphismeorthogonalde

T M

ouommeunendomorphismeantisymétrique, 'est-à-direune setion dubré adjoint

so(M )

. Paronséquent, ellepeutagir

dees deuxfaçonset puisque

J

2

= −Id

,

Js(X, Y, Z) = J s(JX, JY )

Lesreprésentationsd'ungroupe,ii

U (n)

,interviennentdanslaonstrution des brés assoiés. On utilise la notation de Salamon [26℄. Soit

V

un espae

dereprésentationomplexe. On ditque

V

est de typeomplexe si

V

n'est pas

isomorpheàsononjugué

V

.Alors

[[V ]]

désignesimplementl'espaevetoriel(ou

l'espaedereprésentation)réelsous-jaent.Auontraire

V

estditdetyperéels'il

admetune struture réelle, soit un endomorphisme de arré1antiommutant

à

i

. En partiulier

V ≃ V

. Alors on note

[V ]

le sous-espae propre de et

endomorphismepourlavaleur

1

.Ils'agit d'un espaevetorielréel qui admet

V

ommeomplexiation:

V ≃ [V ] ⊗

R

C

.SelonlesasonadondimR

[[V ]] = 2

dimC

V

oudimR

[V ] =

dimC

V

.De plusonnote

[[ V ]]

ou

[ V ]

le bréassoiéde

U (M )

orrespondant.

L'exemplefondamentalpournousestl'espaedesformesdetype

(p, q)

.On

saitquel'intersetiondeetespae

λ

p,q avelesr-formesréelles(

r = p + q

)est

nullesi

p 6= q

.Enrevanhe

λ

p,q

⊕ λ

q,pestlaomplexiationde

[[λ

p,q

]]

,l'espae

desformesréellesdetype

(p, q)+(q, p)

.Del'autresi

p = q

onadiretement

que

λ

p,p estlaomplexiationde

p,p

]

.

Pourunevariétériemannienne,lamétriquefournitunisomorphisme

SO(m)

-

invariant des deux brés

so(M )

et

Λ

2. Pour une variété presque hermitienne

(M, g, J )

onaenoutrelesisomorphismes

U (n)

-invariants:

u(M ) ≃ [ λ

1,1

]

et

u(M )

≃ [[ λ

2,0

]]

Soit

laonnexiondeLevi-Civita de

g

. Grayet Hervella[14℄regardentla

dérivéeovariantedelaformedeKähler

∇ω

.C'estunesetionde

Λ

1

⊗ [[ λ

2,0

]]

.

Eneet

J

2

= −Id

implique

(∇

X

J )J + J (∇

X

J ) = 0

(2)

don

∇J

estunesetionde

Λ

1

⊗u(M )

.Onpeutvoiretenseurommeledéfaut

pour

M

d'êtrekählerienne.Envuedelassierlesvariétéspresquehermitiennes Grayet Hervelladéomposent

Λ

1

⊗ [[λ

2,0

]]

sousl'ationde

U (n)

:

Λ

1

⊗ [[λ

2,0

]] = [[λ

1,0

⊗ λ

2,0

]] ⊕ [[λ

0,1

⊗ λ

2,0

]]

= [[λ

1,0

⊗ λ

2,0

]] ⊕ [[λ

2,1

]]

Ilexisteunsous-espae

U

1,

U(n)

-invarianttelque

λ

1,0

⊗ λ

2,0

≃ λ

3,0

⊕ U

1

Alors

Λ

1

⊗ [[λ

2,0

]] ≃ [[λ

3,0

]] ⊕ [[U

1

]] ⊕ [[λ

2,10

]] ⊕ Λ

1 (3)

(7)

estladéompositionenomposantesirrédutiblesdelareprésentationde

U (n)

endimensionsupérieureouégaleà6.Pourunedémonstration,onsereportera

à[14℄enidentiant,avelesnotationsdesauteurs

W

1

≃ [[λ

3,0

]], W

2

≃ [[U

1

]], W

3

≃ [[λ

2,10

]]

et

W

4

≃ Λ

1

Endimension4,

W

1,

W

3sontréduitsà

{0}

.Lamêmedéompositionestalulée parFalitelli,Farinola,Salamon[11℄enseservantdel'algorithmededéompo-

sition des produits tensoriels exposé au hapitre 6 de [26℄ (gure 6.5). C'est

égalementlaproéduresuivie danset artilepourobtenirlesdéompositions

donnéessansdémonstration àlasetion 4(la preuveomplète est développée

auhapitre2,setion3de[6℄).

Aulieudedemanderquelapremièredérivéede

ω

satisfasseertainesondi-

tions,ondemandera,danselangage,que

∇ω

prennesesvaleursdansertains

sous-espaesinvariantsdénispar(3):

Dénition1.1. Soit

I ⊂ {1, 2, 3, 4}

.On appelle variétéde type

L

i∈I

W

i,une

variété presque hermitienne

(M, g, J)

telle que la dérivée ovariante pour la

onnexion de Levi-Civita de la forme de Kähler

∇ω

est une setion du bré

L

i∈I

W

i

⊂ Λ

1

⊗ [[ λ

2,0

]]

.De plus,on appelle lasse

L

i∈I

W

i l'ensemble de es

variétés.

Pourinformationetpourexemple,lalasse

W

3

⊕W

4estlalassedesvariétés

hermitiennes, et

W

2 est la lasse des variétés sympletiques. Comme on voit, l'intersetiondees deuxlassesest forméedevariétésvériant

∇ω = 0

equi

orrespondàladénitionalternativedesvariétéskähleriennes:ladiérentielle

delaforme deKähleretletenseurdeNijenhuissontnuls enmêmetemps.On

verrasetion 5une interprétation utiledesomposantesde

∇ω

enfontionde

N

,

(voirgure1).

Ondénitlaonnexionhermitienneanonique

par

X

= ∇

X

− 1

2 J(∇

X

J)

(4)

Onvérieque

∇J = 0

.En outrequelquesoit

X ∈ T M

,

δ

X

= ∇

X

− ∇

X

= 1

2 J(∇

X

J )

(5)

antiommuteà

J

àausede(2).Laonnexion

estenfaitl'uniqueonnexion

hermitienneayantettepropriété.Eneetsi

∇ e

estuneautreonnexionhermi-

tienne,

X

− ∇ e

X ommuteà

J

quelquesoit

X ∈ T M

.Onpeutdontoujours

déomposer

∇ − ∇ e = (∇ − ∇) + (∇ − ∇) e

Λ

1

⊗ so(M ) = Λ

1

⊗ u(M )

⊕ Λ

1

⊗ u(M )

(6)

Cettepropriétéaratériselaonnexionintrinsèquedelastruture

U(n)

,dénie

pour toute

G

-struture,

G ⊂ SO(m)

. Le tenseur

δ = ∇ − ∇

est appelé (par

(8)

abus delangage) torsion intrinsèque de la struture

U (n)

. En eet, pour une

onnexionmétrique

∇ e

,l'appliationquià

δ e = ∇ − ∇ e

assoielatorsion

T

:

T (X, Y ) = e δ

X

Y − e δ

Y

X

est un isomorphisme. Maintenant,

δ

est envoyésur

∇ω

par un isomorphisme

U (n)

-invariant. On peut don aussi regarder les omposantes de e tenseur dans la déomposition (3). Par là, la déomposition de Gray-Hervella peut-

êtregénéraliséeàtoute

G

-struture.Lesartiles[8,20℄serontitésdanslasuite

pourleas

G = SU (n)

(lepremierseulementpour

G = SU (3)

).Onmentionne

égalementsuresujetl'artileantérieur[3℄deBor, HernándezLamoneda.

Première partie

2 L'espaede twisteurs réduitet sastruture presque

omplexe

Soit

Z (n)

l'ensemble desendomorphismesunitairesde arré

−1

de

C

n. Un élément

J

de

Z(n)

al'inverse

J

−1

=

t

J ¯

maisaussi,puisque

J

2

= −1

,

J

−1

= −J

d'où

J +

t

J ¯ = 0

. Par etteremarque,

Z(n)

est l'intersetion

U (n) ∩ u(n)

du

groupeunitaireetdesonalgèbredeLie.Ladonnéed'untelendomorphismedi-

agonalisableestéquivalenteàladonnéed'unoupledesous-espaesomplexes

orthogonaux

(F, F

)

,lessous-espaespropresde

J

pourlesvaleurspropres

i

et

−i

.Enlassantsuivantladimension

p

de

F

,onvoitque

Z(n)

aplusieursom-

posantesonnexes,hauneisomorpheàuneGrassmanienneomplexe

G

p

( C

n

)

.

Legroupe

U (n)

agittransitivementpar

(g, J) 7→ gJg

−1

surhaqueomposanteonnexequis'identieainsiàl'espaehomogène

U (n)/U(p)×

U (n − p)

. En partiulier la omposante orrespondantà

p = 1

est isomorphe

à

C P

n−1. En revanhe, on élimine les omposantes singulières orrespondant àla multipliation par

i

et

−i

de

C

n. De plus

Z(n)

est munid'une struture

presqueomplexe anonique

U (n)

-invariantenotée

J

n, donnéeparlamultipli-

ationàgauhepar

J

surhaqueespaetangent

T

J

Z(n)

,identiéàl'ensemble

desendomorphismesde

u(n)

quiantiommutentà

J

(f[24℄).

Dénition2.1. Soit

(M, g, J

0

)

une variétépresque hermitiennede dimension

m = 2n

(NB : par éonomie de notation, on appelle

J

0, dans ette partie, la

struturepresqueomplexe de la variété).L'espae de twisteursréduit

Z

de

M

estlebréassoiédubréprinipal

U(M )

pour l'ationde

U (n)

sur

Z(n)

.

Cette dénition prend plae dans un adre très général. Il s'agit d'un as

partiulierd'uneonstrutionnaturelled'espaesdetwisteurssurdes

G

-variétés

utiliséedans[2,24℄(voiraussi[7℄pourleasdesespaessymétriques).

Le sous-bré vertial

T

V

Z

(tangent aux bres) est muni d'un endomor-

phisme

J

V dearré

−1

opiésur

J

n.

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