Гомология (математика)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Гомоло́гии — одно из основных понятий алгебраической топологии.

Даёт возможность строить алгебраический объект (группу или кольцо) который является топологическим инвариантом пространства.

Замкнутая линия на поверхности гомологична нулю, если при разрезании вдоль этой линии поверхность распадётся на части.

Например, на сфере любая замкнутая линия является таковой, а на торе, хотя и сущeствуют гомологичные нулю замкнутые линии, но разрез по меридиану или параллели не приведет к отделению куска поверхности.

Симплициальные гомологии[править | править вики-текст]

Симплициальные гомологии определяются наиболее просто. Вначале введем некоторые понятия.

Симплексы и компле́ксы[править | править вики-текст]

Симплексом размерности k будем называть выпуклую оболочку точек \langle a_0, a_1,...~a_k\rangle, не лежащих в одном (k-1)—мерном подпространстве. 0-мерный симплекс \langle a_0\rangle является точкой, 1-мерный \langle a_0, a_1\rangle отрезком, 2-мерный \langle a_0, a_1, a_2\rangle треугольником, 3-мерный \langle a_0, a_1, a_2, a_3\rangle тетраэдром и т. д. Симплекс, порождённый частью точек \langle a_i\rangle, называется гранью большого симплекса.

Затем введём понятие симплициального компле́кса (с ударением на е). Компле́ксом K называется множество симплексов, с каждым из которых в комплекс входят все его грани, и любые два симплекса либо вообще не имеют общей точки, либо пересекаются только по целой грани некоторой размерности, причем только по одной грани. Обычно требуют ещё, чтобы любая точка комплекса имела окрестность, пересекающуюся не более чем с конечным числом симплексов (т. н. локальная конечность).

Цепи компле́ксов[править | править вики-текст]

Рассмотрим градуированную абелеву группу с целочисленными коэффициентами, порождённую симплексами компле́кса, т. н. группу цепей C(K), являющуюся прямой суммой групп цепей размерности k:\; C_k(K).

Симплексы считаем имеющими ориентацию и симплекс \langle a_0, a_1,...~a_k\rangle будем считать равным \langle a_{\sigma(0)}, a_{\sigma(1)},...~a_{\sigma(k)}\rangle, если перестановка \sigma чётная и имеющим противоположный знак, если она нечётная.

Грани цепи[править | править вики-текст]

Определим оператор взятия геометрической i-й грани:

\langle a_0,...~a_i,...~a_k\rangle\to (-1)^i\langle a_0,...~\hat{a_i},...~a_k\rangle, где \hat{a_i} означает, что i-я вершина должна быть пропущена.

Оператор взятия геометрической грани зависит только от самого симплекса, но не от порядка вершин, задающих симплекс.

Для этого достаточно доказать, что оператор взятия i-й грани не изменится при перестановке двух вершин (транспозиции). Если эта транспозиция не затрагивает a_i, то это очевидно. Если она переставляет a_i на j-е место, то имеем (пусть, например, j<i):

\begin{matrix}\langle a_0,...~a_j,...~a_i,...~a_k\rangle = -\langle a_0,...~a_i,...~a_j,...~a_k\rangle \to -(-1)^j\langle a_0,...~\hat{a_i},...~a_{i-1},~a_j,...~a_k\rangle = \\ = -(-1)^j(-1)^{i-j-1}\langle a_0,...a_j,...~a_{i-1},\hat{a_i}...~a_k\rangle = (-1)^i\langle a_0,...~a_j,...~\hat{a_i},...~a_k\rangle\end{matrix}

— что и ожидалось (возвращая \hat{a_i} на старое место, надо сделать i-j+1 транспозицию, соответственно столько же раз поменять знак).

Определим оператор ориентированной границы симплекса следующим образом:

\partial_k\langle a_0,...~a_k\rangle=\sum(-1)^i\langle a_0,...~\hat{a_i},...~a_k\rangle

Взятие граничного оператора понижает размерность на 1. Для 0-мерного симплекса (точки) A считаем \partial{A}=0. По линейности распространим оператор \partial на любую цепь. Основным свойством граничного оператора является следующее:

\partial_{k-1}\partial_k=0

Применение \partial_{k-1}\partial_k к симплексу \langle a_0, a_1,...~a_k\rangle приводит к удалению двух вершин последнего. Предположим, что j<i.

Симплекс \langle a_0,...~\hat{a_j},...~\hat{a_i},...~a_k\rangle входит в результат первого действия оператора (-1)^i \partial\langle \hat{a_i}\rangle со знаком (-1)^{i+j}, а в (-1)^j \partial\langle \hat{a_j}\rangle со знаком (-1)^{i+j-1}, так как по удалению \hat{a_j} вершина \hat{a_i} будет уже не на i—ом месте, а на (i-1)—ом. Эти знаки противоположны, значит \partial_{k-1}\partial_k будет равен нулю для любого симплекса, а по линейности — для любой цепи.

Симплициальные гомологии на комплексах и полиэдрах[править | править вики-текст]

Полиэдром (в широком смысле) называется топологическое пространство, гомеоморфное комплексу.

Фиксация такого гомеоморфизма называется триангуляцией.

На комплексах и полиэдрах вводятся симплициальные гомологии следующим образом:

Рассмотрим группу цепей размерности k из симплексов нашего комплекса K, обозначаемую C_k(K).

Цепь c, на которой значение граничного оператора \partial_k c=0 равно нулю (иначе говоря, c \in \operatorname{Ker}\; \partial_k) называется циклом; их множество обозначим Z_k(K).

Если для некоторой цепи c' выполняется c=\partial_{k+1}c' (иначе говоря, c \in \operatorname{Im}\; \partial_{k+1}), то цепь c называется границей; множество границ обозначим B_k(K).

Так как оператор \partial линеен, то и границы, и циклы образуют подгруппы группы цепей. Из того, что \partial\partial=0 ясно, что любая граница является циклом, то есть, B_k\subseteq Z_k.

Две цепи называются гомологичными, если они отличаются на границу. Это записывается x\sim y (то есть x=y+\partial z).

Факторгруппа H_k=Z_k(K)/B_k(K)=\operatorname{Ker}\;\partial_k/ \operatorname{Im}\;\partial_{k+1} называется группой k-мерных симплициальных гомологий комплекса.

Пример[править | править вики-текст]

Пусть S_1 — одномерный комплекс, являющийся границей двумерного симплекса (треугольника) \langle a_0, a_1, a_2\rangle. Найдём его гомологии.

B_1=0, так как в комплексе двумерных симплексов нет. Поэтому H_1=Z_1/B_1=Z_1. Узнаем теперь, когда одномерная цепь может быть циклом.

Возьмём произвольную цепь c=x\langle a_0, a_1\rangle + y\langle a_1,a_2\rangle + z\langle a_2,a_0\rangle. Имеем:

\partial c=(z-x)\langle a_0\rangle + (x-y)\langle a_1\rangle + (y-z)\langle a_2\rangle=0.

Значит, z-x=x-y=y-z=0;\quad x=y=z. Поэтому любой одномерный цикл c имеет вид

x(\langle a_0, a_1\rangle + \langle a_1, a_2 \rangle + \langle a_2, a_0 \rangle)

— значит H_1=Z_1 есть просто бесконечная циклическая группа \mathbb{Z}.

Найдём нульмерные гомологии. Так как \partial_0=0, то Z_0=C_0. Из равенства \partial\langle a_0, a_1\rangle=\langle a_1\rangle-\langle a_0\rangle следует, что \langle a_1\rangle и \langle a_0\rangle отличаются на границу. Аналогично \langle a_1\rangle и \langle a_2\rangle отличаются на границу, поэтому с точностью до границы любая нульмерная цепь имеет вид t\langle a_0\rangle. То есть, C_0является просто бесконечной циклической группой \mathbb{Z}. Если она сама является границей, то есть t\langle a_0\rangle=\partial c=(z-x)\langle a_0\rangle + (x-y)\langle a_1\rangle + (y-z)\langle a_2\rangle, то имеем, что x-y=y-z=0;\quad x=y=z;\quad t=z-x=0, поэтому B_0=0 и H_0=C_0/B_0=\mathbb{Z}.

Итого, для границы двумерного симплекса H_0=H_1=\mathbb{Z}.

Некоторые свойства гомологий[править | править вики-текст]

Если гомологии комплекса K определены, то они же считаются гомологиями полиэдра |K|, соответствующего этому комплексу.

Однако следует доказать независимость групп гомологий от выбора триангуляции.

Можно доказать что непрерывному отображению полиэдров f:|K|\to|L| соответствует гомоморфизм f_*:H_k(K)\to H_k(L), причём это соответствие, как говорят, функториально, то есть композиции непрерывных отображений соответствует композиция гомоморфизмов групп гомологий (fg)_*=f_* g_*, а тождественному отображению соответствует тождественный гомоморфизм (id)_*=id_*.

Если комплекс состоит из конечного числа симплексов, то группа гомологий будет иметь конечное число образующих.

В этом случае она представляется в виде прямой суммы нескольких экземпляров группы целых чисел \mathbb{Z} (их число, то есть ранг группы гомологий называется числом Бетти) и конечных циклических групп \mathbb{Z}_{a_0}, \mathbb{Z}_{a_1},...~\mathbb{Z}_{a_i},...~\mathbb{Z}_{a_k} где каждое a_i является делителем a_{i-1} (эти числа называются коэффициентами кручения). Число Бетти и коэффициенты кручения определяются однозначно.

Первоначально А.Пуанкаре как раз их и ввёл для характеристики топологических свойств.

Э.Нётер показала важность перехода к изучению самих групп гомологий.

Сингулярные гомологии[править | править вики-текст]

Симплициальные гомологии были даны только для полиэдров, причём доказательство их инвариантности и функториальности довольно сложно.

Сингулярные гомологии вводятся так, что их инвариантность и функториальность сразу становятся очевидными.

Пусть X — любое топологическое пространство.

Сингулярный симплекс размерности k — это пара (\Delta^k , f) где \Delta^k — это стандартный симплекс \langle a_0,a_1,...~a_k\rangle, а f — его непрерывное отображение в X; f : \Delta^k\to X.

Группу сингулярных цепей определим как множество формальных линейных комбинаций:

c_k=\sum_i z_i(\Delta^k,f_i) с целыми (обычно их полагают также ограниченными) коэффициентами z_i.

При этом для линейного отображения s_\pi:\Delta^k\to\Delta_k определяемого перестановкой \pi точек (a_0,a_1,...~a_k) полагают (\Delta^k,f)=(-1)^\pi(\Delta^k,f\circ s_\pi).

Граничный оператор \partial определяется на сингулярном симплексе (\Delta_k,f) так:

\partial(\Delta_k,f)=\sum_i (-1)^i(\Delta_{k-1},f_i),

где \Delta_{k-1} стандартный (k-1)-мерный симплекс, а f_i=f\circ\epsilon_i, где \epsilon_i — это его отображение на i-ю грань стандартного симплекса \Delta^k (\langle a_0,...~\hat{a_i},...~a_k\rangle).

Аналогично симплициальным гомологиям доказывается что \partial\partial=0.

Как и раньше вводятся понятия сингулярных циклов — таких цепей c_k, что \partial{c_k}=0, и границ — цепей c_k=\partial{c_{k+1}} для некоторого c_{k+1}.

Факторгруппа группы циклов по группе границ H_k=Z_k/B_k называется группой сингулярных гомологий.

Пример[править | править вики-текст]

Найдём, к примеру, сингулярные гомологии пространства из одной точки X=*.

Для каждой размерности существует только одно-единственное отображение f^k:\Delta^k\to *.

Граница симплекса \partial_k(\Delta^k,f^k)=\sum(-1)^i(\Delta^{k-1},f^{k-1}_i), где все f^{k-1}_i равны, так как отображают симплекс в одну точку (обозначим f^{k-1}).

Значит:

\partial(\Delta^k,f^k)=0, если k нечетно (число членов в сумме четно, а знаки чередуются);
\partial(\Delta^k,f^k)=(\Delta^{k-1},f^{k-1}), если k\not=0 и четно;
\partial(\Delta^k,f^k)=0, если k=0.

Отсюда получаем для нулевой размерности: Z_0=C_0=\mathbb{Z};\quad B_0=0;\quad H_0=\mathbb{Z}.

Для нечётной размерности k=2n-1: Z_k=C_k=\mathbb{Z};\quad B_k=\mathbb{Z};\quad H_k=0.

Для чётной размерности k=2n\not=0: Z_k=0;\quad B_k=0;\quad H_k=0.

То есть группа гомологий равна \mathbb{Z} для нулевой размерности и равна нулю для всех положительных размерностей.

Можно доказать, что на множестве полиэдров сингулярные гомологии совпадают с ранее определенными симплициальными.

История[править | править вики-текст]

Сингулярные гомологии были введены Лефшецом.

Гомологии с коэффициентами в произвольных группах[править | править вики-текст]

Можно определять гомологии, позволяя коэффициентам при симплексах в цепях быть элементами любой абелевой группы G. Группы гомологий (симплициальные, сингулярные и т. д.) пространства X с коэффициентами в группе G обозначаются H_k(X;G). Обычно применяют группу действительных чисел \mathbb{R}, рациональных чисел \mathbb{Q}, или циклическую группу вычетов по модулю m — \mathbb{Z}_m, причём обычно берётся m=p — простое число, тогда \mathbb{Z}_p является полем.

Когомологии[править | править вики-текст]

Кроме цепей можно ввести понятие коцепей — отображений векторного пространства цепей в группу G. То есть, пространство коцепей C^k(X)=\operatorname{Hom}(C_k(X),G).

Граничный оператор \delta^k:C^k\to C^{k+1} определяется по формуле: (\delta^k x)(c)=x(d_{k+1}c) (где x\in C^k,\; c\in C_{k+1}). Для такого граничного оператора также выполняется

\delta^{k+1}\delta^k=0, а именно
(\delta^{k+1}\delta^k(x))(c)=\delta^k x(d_{k+2}c)=x(d_{k+1}d_{k+2}c)=x(0)=0.

Поэтому аналогично тому, что было сказано выше, можно ввести понятия коциклов Z^k(X,G)=Ker \delta^k, кограниц B^k(X,G)=\operatorname{Im} \delta^{k-1} и когомологий H^k(X,G)=Z^k(X,G)/B^k(X,G).

Понятие когомологии двойственно понятию гомологии.

Если G — кольцо, то в группе когомологий H^*(X,G) определено естественное умножение (произведение Колмогорова — Александера или \cup-npоизведение), превращающее эту группу в градуированное кольцо, называемое кольцо когомологий.

В случае, когда X — дифференцируемое многообразие, кольцо когомологий H^*(X,\mathbb{R}) может быть вычислено при помощи дифференциальных форм на X (см. Теорема де Рама).

Понятие когомологии было введено Александером и Колмогоровым.

Относительные гомологии и точная гомологическая последовательность[править | править вики-текст]

Возьмём случай двух топологических пространств Y\sub X. Группа цепей C_k(Y)\sub C_k(X) (цепи могут быть как с целочисленными коэффициентами, так и с коэффициентами в любой группе G). Относительными цепями будут называться элементы факторгруппы C_k(X,Y)=C_k(X)/C_k(Y). Так как граничный оператор d на группе гомологий подпространства Y переводит d_k\colon C_k(Y)\to C_{k-1}(Y), то можно определить на факторгруппе C_k(X,Y) граничный оператор (мы его обозначим так же) d_k\colon C_k(X,Y)\to C_{k-1}(X,Y).

Те относительные цепи, которые он переводит в 0 будут называться относительными циклами Z_k(X,Y), а цепи, которые являются его значениями — относительными границами B_k(X,Y). Так как dd=0 на абсолютных цепях, то это же будет верно для относительных, отсюда B_k(X,Y)\sub Z_k(X,Y). Факторгруппа H_k(X,Y)=Z_k(X,Y)/B_k(X,Y) называется группой относительных гомологий.

Так как каждый абсолютный цикл в H_k(X) является также и относительным то имеем гомоморфизм j_k:H_k(X)\to H_k(X,Y) По функториальному свойству вложение i_k:Y\to X приводит к гомоморфизму i_*:H_k(Y)\to H_k(X).

В свою очередь можно построить гомоморфизм d_{* k}:H_k(X,Y)\to H_{k-1}(Y), который мы определим следующим образом. Пусть c_k\in C_k(X,Y) — относительная цепь, которая определяет цикл из H_k(X,Y). Рассмотрим её как абсолютную цепь в C_k(X) (с точностью до элементов C_k(Y)). Так как это относительный цикл, то d_k c будет равен нулю с точностью до некоторой цепи c_{k-1}\in C_{k-1}(Y). Положим d_{* k} равным классу гомологий цепи c_{k-1}=d_k c \in Z_{k-1}(Y).

Если мы возьмём другую абсолютную цепь c'_k\in C_k(X), определяющую тот же относительный цикл, то мы будем иметь c=c'+u, где u\in C_k(Y). Имеем d_k c=d_k c'+d_k u, но так как d_k u является границей в Z_{k-1}(Y) то d_k c и d_k c' определяют один и тот же элемент в группе гомологий H_{k-1}(Y). Если взять другой относительный цикл c'', дающий тот же элемент в группе относительных гомологий c=c''+b, где b — относительная граница, то в силу того, что b граница для относительных гомологий b=d_{k+1}x+v, где v\in C_k(Y) , отсюда d_k c=d_k c''+d_k d_{k+1}x+d_k v, но dd=0, а d_k v — граница в Z_{k-1}(Y).

Поэтому класс гомологий d_{* k}c_k определен однозначно. Ясно по линейности оператора d_{* k}, что он является гомоморфизмом. Итак мы имеем гомоморфизмы:

i_{* k}\colon H_k(Y)\to H_k(X);
j_{* k}\colon H_k(X)\to H_k(X,Y) и
d_{* k}\colon H_k(X,Y)\to H_{k-1}(Y);
...\to H_k(Y)\to H_k(X)\to H_k(X,Y)\to H_{k-1}(Y)\to...

Можно доказать, что эта последовательность точна, то есть образ любого гомоморфизма равен ядру следующего гомоморфизма.

Аксиомы Стинрода — Эйленберга[править | править вики-текст]

Помимо уже известных нам симплициальных и сингулярных гомологий существуют ещё другие теории гомологий и когомологий, например клеточные гомологии, когомологии Чеха, когомологии де Рама и т. д. Стинрод и Эйленберг определили систему аксиом теории (ко)гомологий. Вначале они определяют т. н. допустимый класс пар D топологических пространств, удовлетворяющий следующим свойствам:

  1. Если (X,Y)\in D, то (X,X)\in D, (X,\varnothing)\in D, (Y,Y)\in D и (Y,\varnothing)\in D.
  2. Если (X,Y)\in D,, то и (X\times I,Y\times I)\in D, где I — замкнутый интервал [0,1].
  3. (*,\varnothing)\in D, где * — одноточечное пространство.

В теории гомологий по Стинроду — Эйленбергу каждой допустимой паре и любому целому числу k соответствует абелева группа H_k(X,Y) и непрерывному отображению пар f\colon (X,Y)\to(X',Y') соответствует гомоморфизм f_{*k}\colon H_k(X,Y) \to H_k(X',Y') (Пространство X отождествляется с парой (X,\varnothing)), а H_k(X) с H_k(X,\varnothing)), причём выполняются следующие аксиомы:

  1. Тождественному отображению пары id соответствует тождественный гомоморфизм id_{*k}.
  2. (gf)_{*k} = g_{*k}f_{*k} (функториальность)
  3. Определен граничный гомоморфизм d_{*k}\colon H_k(X,Y) \to H_{k-1}(Y), причём если f\colon (X,Y)\to(X',Y'), то для соответствующего гомоморфизма f_{*k}\colon H_k(X,Y) \to H_k(X',Y') верно d_{*k}f_{*k} = f_{*k-1}d_{*k} для любой размерности k.
  4. Пусть i\colon Y\to X и j\colon X\to (X,Y) — вложения, i_{*k}\colon H_k(Y)\to H_k(X) и j_{*k}\colon H_k(X)\to H_k(X,Y) — соответствующие гомоморфизмы, d_{*k}\colon H_k(X,Y)\to H_{k-1}(Y) — граничный гомоморфизм. Тогда определяемая ими последовательность
    \ldots \to H_k(Y) \to H_k(X) \to H_k(X,Y) \to H_{k-1}(Y) \to \ldots
    точна (аксиома точности).
  5. Если отображения f,g\colon (X,Y)\to(X',Y') гомотопны, то соответствующие гомоморфизмы равны f_{*k}=g_{*k} для любой размерности k (аксиома гомотопической инвариантности).
  6. Пусть U\sub X — открытое подмножество X, причём его замыкание содержится во внутренности множества Y, тогда если пары (X\setminus U, Y\setminus U) и (X,Y) принадлежат допустимому классу, то для любой размерности k вложению (X\setminus U, Y\setminus U) \hookrightarrow (X,Y) соответствует изоморфизм H_k(X\setminus U, Y\setminus U) \simeq H_k(X,Y) (аксиома вырезания).
  7. Для одноточечного пространства H_k(*)=0 для всех размерностей k\geqslant 0. Абелева группа G=H_0(*) называется группой коэффициентов (аксиома размерности).

Для сингулярных гомологий допустимый класс пар состоит из всех пар топологических пространств. Ранее определенные группы сингулярных гомологий с коэффициентами в группе G их отображения и граничный гомоморфизм d_* удовлетворяют всем этим аксиомам. Если в качестве допустимого класса взять класс полиэдров, то можно доказать, что гомологии, определенные с помощью данной системы аксиом, совпадают с симплициальными.

Аналогично можно ввести систему аксиом для когомологий, которая полностью аналогична.

Необходимо только иметь в виду, что отображению f\colon (X,Y)\to(X',Y') соответствует f^{*k}\colon H^k(X',Y') \to H^k(X,Y) (контравариантность) и что кограничный гомоморфизм \delta^{*k}\colon H^{k-1}(Y) \to H^k(X,Y) увеличивает размерность.

Экстраординарные гомологии[править | править вики-текст]

В системе аксиом Стинрода — Эйленберга аксиома размерности оказывается не столь важна, как остальные.

Теории (ко)гомологий, которые могут иметь ненулевые группы (ко)гомологий одноточечного пространства для размерностей k>0, называются экстраординарными или обобщёнными. Наиболее важными экстраординарными теориями являются K-теория Атьи (надо отметить важный вклад в эту теорию Хирцебруха, Ботта и Адамса) и теория бордизмов Р.Тома.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Вик Дж. У. Теория гомологий. Введение в алгебраическую топологию. — М.: МЦНМО, 2005
  • Дольд А. Лекции по алгебраической топологии. — М.: Мир, 1976
  • Дубровин Б. А., Новиков С. П., Фоменко А. Т. Современная геометрия: Методы теории гомологий. — М.: Наука, 1984
  • Зейферт Г., Трельфалль В. Топология. — Ижевск: РХД, 2001
  • Лефшец С. Алгебраическая топология. — М.: ИЛ, 1949
  • Новиков П. С. Топология. — 2 изд. испр. и доп. — Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002
  • Прасолов В. В. Элементы теории гомологий. — М.: МЦНМО, 2006
  • Свитцер Р. М. Алгебраическая топология. — гомотопии и гомологии. — М.: Наука, 1985
  • Спеньер Э. Алгебраическая топология. — М.: Мир, 1971
  • Стинрод Н., Эйленберг С. Основания алгебраической топологии. — М.: Физматгиз, 1958
  • Фоменко А. Т., Фукс Д. Б. Курс гомотопической топологии. — М.: Наука, 1989