Сингулярная гомология

редактировать

В алгебраической топологии, разделе математики, сингулярной гомологии относится к изучению определенного набора алгебраических инвариантов топологического пространства X, так называемых групп гомологии H n (X). {\ displaystyle H_ {n} (X).}{\ displaystyle H_ {n} (X).} 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.

Содержание
  • 1 Сингулярные симплексы
  • 2 Сингулярный цепной комплекс
  • 3 Гомотопическая инвариантность
  • 4 Функториальность
  • 5 Коэффициенты в R
  • 6 Относительные гомологии
  • 7 Когомологии
  • 8 Гомологии и когомологии Бетти
  • 9 Экстраординарные гомологии
  • 10 См. Также
  • 11 Ссылки
Особые симплексы
Стандартные 2-симплексы Δ в R

A сингулярный n-симплекс в топологическом пространстве X - это непрерывная функция (также называемая картой) σ {\ displaystyle \ sigma}\ sigma из стандарта n- симплекс Δ n {\ displaystyle \ Delta ^ {n}}\ Delta ^ {n} до X, записывается σ: Δ n → X. {\ displaystyle \ sigma: \ Delta ^ {n} \ to X.}{\ displaystyle \ sigma: \ Delta ^ {n} \ to X.} Эта карта не обязательно должна быть инъективной, и могут быть неэквивалентные сингулярные симплексы с тем же изображением в X.

Граница σ, {\ displaystyle \ sigma,}\ sigma, обозначается как ∂ n σ, {\ displaystyle \ partial _ {n} \ sigma, }{\ displaystyle \ partial _ {n} \ sigma,} определяется как формальная сумма сингулярных (n - 1) -симплексов, представленных ограничением σ {\ displaystyle \ sigma}\ sigma 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 σ {\ displaystyle \ sigma}\ sigma вершинами

[p 0, p 1,…, pn] = [σ (e 0), σ (e 1),…, σ (en)] {\ displaystyle [p_ {0}, p_ {1}, \ ldots, p_ {n}] = [\ sigma (e_ {0}), \ sigma (e_ {1}), \ ldots, \ sigma (e_ {n})]}{\ displaystyle [p_ {0}, p_ {1}, \ ldots, p_ {n}] = [\ sigma (e_ {0}), \ sigma (e_ {1}), \ ldots, \ sigma (e_ {n})]}

соответствующий вершины ek {\ displaystyle e_ {k}}e_ {k} стандартного n-симплекса Δ n {\ displaystyle \ Delta ^ {n}}\ Delta ^ {n} (какой из конечно, не полностью определяет сингулярный симплекс, полученный с помощью σ {\ displaystyle \ sigma}\ sigma ), тогда

∂ n σ = ∑ k = 0 n (- 1) k σ ∣ [p 0,…, pk - 1, pk + 1,…, pn] {\ displaystyle \ partial _ {n} \ sigma = \ sum _ {k = 0} ^ {n} (- 1) ^ {k} \ sigma \ mid _ {[p_ {0}, \ ldots, p_ {k-1}, p_ {k + 1}, \ ldots, p_ {n}]}}{\ displaystyle \ partial _ {n} \ sigma = \ sum _ {k = 0} ^ {n} (- 1) ^ {k} \ sigma \ mid _ { [p_ {0}, \ ldots, p_ {k-1}, p_ {k + 1}, \ ldots, p_ {n}]}}

- формальная сумма из определенным образом обозначенные лица симплексного изображения. (То есть конкретное лицо должно быть ограничено σ {\ displaystyle \ sigma}\ sigma лицом Δ n {\ displaystyle \ Delta ^ {n}}\ Delta ^ {n} , который зависит от порядка, в котором перечислены его вершины.) Таким образом, например, граница σ = [p 0, p 1] {\ displaystyle \ sigma = [p_ {0}, p_ { 1}]}\ sigma = [p_0, p_1] (кривая, идущая от p 0 {\ displaystyle p_ {0}}p_{0}до p 1 {\ displaystyle p_ {1}}p_ {1} ) - формальная сумма (или «формальная разница») [p 1] - [p 0] {\ displaystyle [p_ {1}] - [p_ {0}]}[p_1] - [p_0] .

Сингулярная цепочка комплекс

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 σ n (X) {\ displaystyle \ sigma _ {n} (X)}{\ displaystyle \ sigma _ {n} (X)} 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 C n (X) {\ displaystyle C_ {n} (X)}C_n (X) . Элементы C n (X) {\ displaystyle C_ {n} (X)}C_n (X) называются сингулярными n-цепями ; они представляют собой формальные суммы сингулярных симплексов с целыми коэффициентами.

граница ∂ {\ displaystyle \ partial}\ partial легко расширяется для воздействия на сингулярные n-цепи. Расширение, называемое граничным оператором, записывается как

∂ n: C n → C n - 1, {\ displaystyle \ partial _ {n}: C_ {n} \ to C_ {n- 1},}\ partial_n: C_n \ to C_ {n-1},

является гомоморфизмом групп. Граничный оператор вместе с C n {\ displaystyle C_ {n}}C_ {n} образуют цепной комплекс абелевых групп, называемый сингулярным комплексом . Его часто обозначают как (C ∙ (X), ∂ ∙) {\ displaystyle (C _ {\ bullet} (X), \ partial _ {\ bullet})}(C_ \ bullet (X), \ partial_ \ bullet) или проще С ∙ (Икс) {\ displaystyle C _ {\ bullet} (X)}C_ \ bullet (X) .

Ядро граничного оператора: Z n (X) = ker ⁡ (∂ n) {\ displaystyle Z_ {n } (X) = \ ker (\ partial _ {n})}Z_n (X) = \ ker (\ partial_ {n}) , и называется группой особых n-циклов . Образ граничного оператора: B n (X) = im ⁡ (∂ n + 1) {\ displaystyle B_ {n} (X) = \ operatorname {im} (\ partial _ {n + 1}) }B_n (X) = \ operatorname {im} (\ partial_ {n + 1 }) и называется группой сингулярных n-границ .

. Также можно показать, что ∂ n ∘ ∂ n + 1 = 0 {\ displaystyle \ partial _ {n } \ circ \ partial _ {n + 1} = 0}\ partial_n \ circ \ partial_ {n + 1} = 0 . n {\ displaystyle n}n -я группа гомологии X {\ displaystyle X}X затем определяется как факторная группа

H п (Х) = Z n (X) / B n (X). {\ displaystyle H_ {n} (X) = Z_ {n} (X) / B_ {n} (X).}H_ {n} (X) = Z_n (X) / B_n (X).

Элементы H n (X) {\ displaystyle H_ {n} ( X)}H_n (X) называются классами гомологии .

Гомотопическая инвариантность

Если X и Y - два топологических пространства с одним и тем же гомотопическим типом (т. Е. гомотопический эквивалент ), тогда

H n (X) ≅ H n (Y) {\ displaystyle H_ {n} (X) \ cong H_ {n} (Y) \,}{\ displaystyle H_ {n} ( X) \ cong H_ {n} (Y) \,}

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 H 0 ( X) ≅ Z {\ displaystyle H_ {0} (X) \ cong \ mathbb {Z}}{\ displaystyle H_ {0} (X) \ cong \ mathbb {Z}} .

Доказательство гомотопической инвариантности сингулярных групп гомологий можно набросать следующим образом. Непрерывное отображение f: X → Y индуцирует гомоморфизм

f ♯: C n (X) → C n (Y). {\ displaystyle f _ {\ Sharp}: C_ {n} (X) \ rightarrow C_ {n} (Y).}f _ {\ sharp}: C_n (X) \ rightarrow C_n (Y).

Сразу можно проверить, что

∂ f ♯ = f ♯ ∂, {\ displaystyle \ partial f _ {\ sharp} = f _ {\ sharp} \ partial,}\ partial f _ {\ sharp} = f _ {\ sharp} \ partial,

т.е. f # - это цепное отображение , которое спускается до гомоморфизмов на гомологиях

f ∗: H n (X) → H n (Y). {\ displaystyle f _ {*}: H_ {n} (X) \ rightarrow H_ {n} (Y).}f_ *: H_n (X) \ rightarrow H_n (Y).

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

P: C n (X) → C n + 1 (Y) {\ displaystyle P: C_ {n} (X) \ rightarrow C_ {n + 1} (Y) }P: C_n (X) \ rightarrow C_ {n + 1} (Y)

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

∂ P (σ) = f ♯ (σ) - g ♯ (σ) - P (∂ σ). {\ displaystyle \ partial P (\ sigma) = f _ {\ sharp} (\ sigma) -g _ {\ sharp} (\ sigma) -P (\ partial \ sigma).}{\ displaystyle \ partial P (\ sigma) = f _ {\ sharp} (\ sigma) -g _ {\ sharp} ( \ sigma) -P (\ partial \ sigma).}

Итак, если α в C n (X) является n-циклом, тогда f # (α) и g # (α) отличаются границей:

f ♯ (α) - г ♯ (α) знак равно ∂ п (α), {\ displaystyle f _ {\ sharp} (\ alpha) -g _ {\ sharp} (\ alpha) = \ partial P (\ alpha),}f _ {\ sharp} (\ alpha) - g _ {\ sharp} (\ alpha) = \ partial P (\ alpha),

т.е. они гомологичны. Это доказывает утверждение.

Функториальность

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 X ↦ C n (X) {\ displaystyle X \ mapsto C_ {n} (X)}X \ mapsto C_n (X) - это отображение топологических пространств на свободные абелевы группы. Это говорит о том, что C n (X) {\ displaystyle C_ {n} (X)}C_n (X) можно рассматривать как функтор, если можно понять его действие на морфизмы из Верх . Теперь морфизмы Top являются непрерывными функциями, поэтому, если f: X → Y {\ displaystyle f: X \ to Y}f: X \ to Y является непрерывной картой топологических пространств, его можно расширить до гомоморфизма групп

f ∗: C n (X) → C n (Y) {\ displaystyle f _ {*}: C_ {n} (X) \ to C_ {n} (Y) \,}f _ *: C_n (X) \ to C_n (Y) \,

путем определения

f * (∑ iai σ i) = ∑ iai (f ∘ σ i) {\ displaystyle f _ {*} \ left (\ sum _ {i} a_ {i} \ sigma _ {i} \ right) = \ сумма _ {i} a_ {i} (f \ circ \ sigma _ {i})}f _ * \ left (\ sum_i a_i \ sigma_i \ right) = \ sum_i a_i (f \ circ \ sigma_i)

где σ i: Δ n → X {\ displaystyle \ sigma _ {i}: \ Delta ^ {n} \ to X}\ sigma_i: \ Delta ^ n \ to X - симплекс в единственном числе, а ∑ iai σ i {\ displaystyle \ sum _ {i} a_ {i} \ sigma _ { i} \,}\ sum_i a_i \ sigma_i \, является сингулярной n-цепочкой, то есть элементом C n (X) {\ displaystyle C_ {n} (X)}C_n (X) . Это показывает, что C n {\ displaystyle C_ {n}}C_ {n} является функтором

C n: T op → A b {\ displaystyle C_ {n}: \ mathbf {Top} \ в \ mathbf {Ab}}{\ displaystyle C_ {n}: \ mathbf {Top} \ to \ mathbf {Ab}}

из категории топологических пространств в категорию абелевых групп.

Граничный оператор коммутирует с непрерывными отображениями, так что ∂ nf ∗ знак равно е * ∂ N {\ Displaystyle \ partial _ {n} f _ {*} = f _ {*} \ partial _ {n}}\ partial_n f _ * = f _ * \ partial_n . Это позволяет рассматривать весь цепной комплекс как функтор. В частности, это показывает, что карта X ↦ H n (X) {\ displaystyle X \ mapsto H_ {n} (X)}X \ mapsto H_n (X) является функтором

H n: T op → A b {\ displaystyle H_ {n}: \ mathbf {Top} \ to \ mathbf {Ab}}{\ displaystyle H_ {n}: \ mathbf {Top} \ to \ mathbf {Ab}}

из категории топологических пространств в категорию абелевых групп. Согласно аксиоме гомотопии, H n {\ displaystyle H_ {n}}H_ {n} также является функтором, называемым функтором гомологии, действующим на hTop, фактор гомотопическая категория :

H n: h T op → A b. {\ displaystyle H_ {n}: \ mathbf {hTop} \ to \ mathbf {Ab}.}{\ displaystyle H_ {n}: \ mathbf {hTop} \ to \ mathbf {Ab}.}

Это отличает сингулярную гомологию от других теорий гомологии, где H n {\ displaystyle H_ {n}}H_ {n} 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

C ∙: T op → C omp {\ displaystyle C _ {\ bullet}: \ mathbf {Top} \ to \ mathbf {Comp}}{\ displaystyle C _ {\ bullet}: \ mathbf {Top} \ to \ mathbf {Comp}}

, которая отображает топологические пространства как Икс ↦ (C ∙ (X), ∂ ∙) {\ displaystyle X \ mapsto (C _ {\ bullet} (X), \ partial _ {\ bullet})}X \ mapsto (C_ \ bullet (X), \ partial_ \ bullet) и непрерывные функции как е ↦ е * {\ Displaystyle е \ mapsto f _ {*}}f \ mapsto f_ * . Итак, здесь C ∙ {\ displaystyle C _ {\ bullet}}C_ \ bullet 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

H n : C omp → A b {\ displaystyle H_ {n}: \ mathbf {Comp} \ to \ mathbf {Ab}}{\ displaystyle H_ {n}: \ mathbf {Comp} \ to \ mathbf {Ab}}

, который отображает

C ∙ ↦ H n (C ∙) = Z n (C ∙) / B N (C ∙) {\ displaystyle C _ {\ bullet} \ mapsto H_ {n} (C _ {\ bullet}) = Z_ {n} (C _ {\ bullet}) / B_ {n} (C _ {\ bullet})}C_ \ bullet \ mapsto H_n (C_ \ bullet) = Z_n (C_ \ bullet) / B_n (C_ \ bullet)

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.

Коэффициенты в R

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

H n (X, R) {\ displaystyle H_ {n} (X, R) \}H_n (X, R) \

, который теперь является R-модулем. Конечно, обычно это не бесплатный модуль. Обычная группа гомологий восстанавливается, если заметить, что

H n (X, Z) = H n (X) {\ displaystyle H_ {n} (X, \ mathbb {Z}) = H_ {n} (X)}H_n(X,\mathbb{Z})=H_n(X)

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).

Относительная гомология

Для подпространства A ⊂ X {\ displaystyle A \ subset X}A \ subset X , относительная гомология Hn(X, A) понимается как гомология частного цепных комплексов, то есть

H n (X, A) = H n (C ∙ (X) / C ∙ (A)) {\ displaystyle H_ { n} (X, A) = H_ {n} (C _ {\ bullet} (X) / C _ {\ bullet} (A))}H_n(X,A)=H_n(C_\bullet(X)/C_\bullet(A))

где фактор цепных комплексов задается короткой точной последовательностью

0 → C ∙ (A) → C ∙ (X) → C ∙ (X) / C ∙ (A) → 0. {\ displaystyle 0 \ to C _ {\ bullet} (A) \ to C _ {\ bullet} (X) \ to C _ {\ bullet} (X) / C _ {\ bullet} (A) \ to 0.}0 \ to C_ \ bullet (A) \ to C_ \ bullet (X) \ to C_ \ bullet (X) / C_ \ bullet (A) \ до 0.
Когомологии

Путем дуализации гомологии цепного комплекса ( т.е. применяя функтор Hom (-, R), R - любое кольцо), мы получаем комплекс коцепей с кограничным отображением δ {\ displaystyle \ delta}\ дельта . 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.

Гомологии и когомологии Бетти

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.

Экстраординарные гомологии

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.

См. Также
Ссылки
  • Аллен Хэтчер, Алгебраическая топология. Cambridge University Press, ISBN 0-521-79160-X и ISBN 0-521-79540-0
  • JP Мэй, Краткий курс алгебраической топологии, Издательство Чикагского университета ISBN 0-226-51183-9
  • Джозеф Дж. Ротман, Введение в алгебраическую топологию, Springer-Verlag, ISBN 0-387-96678-1
Последняя правка сделана 2021-06-08 02:48:34
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте