В алгебраической топологии, разделе математики, сингулярной гомологии относится к изучению определенного набора алгебраических инвариантов топологического пространства X, так называемых групп гомологии Интуитивно, сингулярная гомология считает для каждого измерения n n-мерные дыры в пространстве. Сингулярные гомологии - это частный пример теории гомологий, которая теперь превратилась в довольно обширное собрание теорий. Из различных теорий это, пожалуй, одна из самых простых для понимания, поскольку она построена на довольно конкретных конструкциях.
Вкратце, сингулярные гомологии строятся путем преобразования отображений стандартного n-симплекса в топологическое пространство и их компоновки в формальные суммы, называемые особые цепи . Граничная операция - отображение каждого n-мерного симплекса на его (n − 1) -мерную границу - индуцирует сингулярный цепной комплекс . Тогда особые гомологии - это гомологии цепного комплекса. Полученные группы гомологий одинаковы для всех гомотопически эквивалентных пространств, что и является причиной их изучения. Эти конструкции могут применяться ко всем топологическим пространствам, и поэтому особые гомологии могут быть выражены в терминах теории категорий, где гомологии выражаются в виде функтора из категории топологических пространства в категорию градуированных абелевых групп.
A сингулярный n-симплекс в топологическом пространстве X - это непрерывная функция (также называемая картой) из стандарта n- симплекс до X, записывается Эта карта не обязательно должна быть инъективной, и могут быть неэквивалентные сингулярные симплексы с тем же изображением в X.
Граница обозначается как определяется как формальная сумма сингулярных (n - 1) -симплексов, представленных ограничением к граням стандартного n-симплекса с чередованием знака для учета ориентации. (Формальная сумма - это элемент свободной абелевой группы на симплексах. Основой группы является бесконечное множество всех возможных сингулярных симплексов. Групповая операция - это «сложение», а сумма симплекса a с симплексом b обычно обозначается просто как a + b, но a + a = 2a и т. д. Каждый симплекс a имеет отрицательный −a.) Таким образом, если мы обозначим вершинами
соответствующий вершины стандартного n-симплекса (какой из конечно, не полностью определяет сингулярный симплекс, полученный с помощью ), тогда
- формальная сумма из определенным образом обозначенные лица симплексного изображения. (То есть конкретное лицо должно быть ограничено лицом , который зависит от порядка, в котором перечислены его вершины.) Таким образом, например, граница (кривая, идущая от до ) - формальная сумма (или «формальная разница») .
Обычное построение сингулярных гомологий продолжается путем определения формальных сумм симплексов, которые можно понимать как элементы свободной абелевой группы, а затем показа, что мы можем определить некоторую группу, группа гомологий топологического пространства, включающая граничный оператор.
Сначала рассмотрим множество всех возможных сингулярных n-симплексов на топологическом пространстве X. Этот набор может использоваться в качестве основы свободной абелевой группы, так что каждый сингулярный n-симплекс является генератором группы. Этот набор генераторов, конечно, обычно бесконечен, часто несчетный, так как существует много способов отображения симплекса в типичное топологическое пространство. Свободная абелева группа, порожденная этим базисом, обычно обозначается как . Элементы называются сингулярными n-цепями ; они представляют собой формальные суммы сингулярных симплексов с целыми коэффициентами.
граница легко расширяется для воздействия на сингулярные n-цепи. Расширение, называемое граничным оператором, записывается как
является гомоморфизмом групп. Граничный оператор вместе с образуют цепной комплекс абелевых групп, называемый сингулярным комплексом . Его часто обозначают как или проще .
Ядро граничного оператора: , и называется группой особых n-циклов . Образ граничного оператора: и называется группой сингулярных n-границ .
. Также можно показать, что . -я группа гомологии затем определяется как факторная группа
Элементы называются классами гомологии .
Если X и Y - два топологических пространства с одним и тем же гомотопическим типом (т. Е. гомотопический эквивалент ), тогда
для все n ≥ 0. Это означает, что группы гомологий являются топологическими инвариантами.
В частности, если X - связное стягиваемое пространство, то все его группы гомологий равны 0, кроме .
Доказательство гомотопической инвариантности сингулярных групп гомологий можно набросать следующим образом. Непрерывное отображение f: X → Y индуцирует гомоморфизм
Сразу можно проверить, что
т.е. f # - это цепное отображение , которое спускается до гомоморфизмов на гомологиях
Теперь мы покажем, что если f и g гомотопически эквивалентны, то f * = г *. Отсюда следует, что если f - гомотопическая эквивалентность, то f * - изоморфизм.
Пусть F: X × [0, 1] → Y - гомотопия, переводящая f в g. На уровне цепочек определите гомоморфизм
который, говоря геометрически, переводит базисный элемент σ: Δ → X в C n (X) в «призму» P (σ): Δ × I → Y. Граница P (σ) можно выразить как
Итак, если α в C n (X) является n-циклом, тогда f # (α) и g # (α) отличаются границей:
т.е. они гомологичны. Это доказывает утверждение.
Вышеупомянутая конструкция может быть определена для любого топологического пространства и сохраняется за счет действия непрерывных отображений. Эта общность подразумевает, что теорию сингулярных гомологий можно переформулировать на языке теории категорий. В частности, группу гомологий можно понимать как функтор из категории топологических пространств Top в категорию абелевых групп Ab.
Сначала рассмотрим, что - это отображение топологических пространств на свободные абелевы группы. Это говорит о том, что можно рассматривать как функтор, если можно понять его действие на морфизмы из Верх . Теперь морфизмы Top являются непрерывными функциями, поэтому, если является непрерывной картой топологических пространств, его можно расширить до гомоморфизма групп
путем определения
где - симплекс в единственном числе, а является сингулярной n-цепочкой, то есть элементом . Это показывает, что является функтором
из категории топологических пространств в категорию абелевых групп.
Граничный оператор коммутирует с непрерывными отображениями, так что . Это позволяет рассматривать весь цепной комплекс как функтор. В частности, это показывает, что карта является функтором
из категории топологических пространств в категорию абелевых групп. Согласно аксиоме гомотопии, также является функтором, называемым функтором гомологии, действующим на hTop, фактор гомотопическая категория :
Это отличает сингулярную гомологию от других теорий гомологии, где по-прежнему является функтором, но не обязательно определен на всем Top . В некотором смысле, особые гомологии являются «наибольшей» теорией гомологий, поскольку каждая теория гомологий в подкатегории из Top согласуется с сингулярными гомологиями в этой подкатегории. С другой стороны, особые гомологии не обладают чистейшими категориальными свойствами; такая очистка мотивирует развитие других теорий гомологии, таких как клеточная гомология.
В более общем смысле, функтор гомологии определяется аксиоматически, как функтор на абелевой категории или, альтернативно, как функтор на цепных комплексах, удовлетворяющий аксиомам, требующим граничного морфизма, который превращает короткие точные последовательности в длинные точные последовательности. В случае особых гомологий функтор гомологии может быть разложен на две части: топологический и алгебраический. Топологическая часть задается формулой
, которая отображает топологические пространства как и непрерывные функции как . Итак, здесь понимается как сингулярный цепной функтор, который отображает топологические пространства в категорию цепных комплексов Comp (или Kom ). Категория цепных комплексов имеет цепные комплексы в качестве объектов, а отображает как свои морфизмы.
Вторая, алгебраическая часть - это функтор гомологии
, который отображает
и переводит цепные отображения в отображения абелевых групп. Именно этот функтор гомологии может быть определен аксиоматически, так что он стоит сам по себе как функтор в категории цепных комплексов.
Гомотопические карты снова входят в картину, определяя гомотопически эквивалентные цепные карты. Таким образом, можно определить факторную категорию hComp или K, гомотопическую категорию цепных комплексов.
Для любого кольца с единицей R множество сингулярных n-симплексов на топологическом пространстве можно взять в качестве генераторов свободного R-модуля. То есть вместо того, чтобы выполнять вышеупомянутые конструкции с начальной точки свободных абелевых групп, вместо них используются свободные R-модули. Все конструкции проходят практически без изменений. Результатом этого является
, который теперь является R-модулем. Конечно, обычно это не бесплатный модуль. Обычная группа гомологий восстанавливается, если заметить, что
если принять кольцо за кольцо целых чисел. Обозначение H n (X, R) не следует путать с почти идентичным обозначением H n (X, A), которое обозначает относительную гомологию (ниже).
Для подпространства , относительная гомология Hn(X, A) понимается как гомология частного цепных комплексов, то есть
где фактор цепных комплексов задается короткой точной последовательностью
Путем дуализации гомологии цепного комплекса ( т.е. применяя функтор Hom (-, R), R - любое кольцо), мы получаем комплекс коцепей с кограничным отображением . Группы когомологий комплекса X определяются как группы гомологий этого комплекса; в шутку, «когомологии - это гомологии ко [двойственного комплекса]».
Группы когомологий имеют более богатую или, по крайней мере, более знакомую алгебраическую структуру, чем группы гомологий. Во-первых, они образуют дифференциальную градуированную алгебру следующим образом:
Существуют дополнительные операции когомологий, а алгебра когомологий имеет сложение структура mod p (как и раньше, когомологии mod p являются когомологиями коцепного комплекса mod p, а не редукцией когомологий mod p), в частности структура алгебры Стинрода.
Поскольку количество теорий гомологии стало большим (см. Категория: теория гомологий ), термины Гомологии Бетти и когомологии Бетти иногда применяются (в частности, авторами, пишущими по алгебраической геометрии ) к сингулярной теории, поскольку они приводят к числам Бетти наиболее известных пространств, таких как симплициальные комплексы и замкнутые многообразия.
Если определить теорию гомологий аксиоматически (через аксиомы Эйленберга – Стинрода ), а затем ослабляет одну из аксиом (аксиому размерности), получается обобщенная теория, называемая теорией экстраординарной гомологии. Первоначально они возникли в форме необычных теорий когомологий, а именно K-теории и теории кобордизмов. В этом контексте сингулярная гомология называется обычной гомологией.