Гомология (топология)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск

Гомоло́гия — одно из основных понятий алгебраической топологии. Даёт возможность строить алгебраический объект (группу или кольцо) который является топологическим инвариантом пространства.

Простейший пример: на поверхности, замкнутая линия гомологична нулю, если она ограничивает кусок поверхности, который отделяется от неё, если мы произведём разрез по этой линии. 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. Ниже мы рассмотрим более общие и строгие определения этого понятия.

Содержание

[править] Симплициальные гомологии

Симплициальные гомологии определяются наиболее просто. Вначале определим некоторые понятия.

[править] Симплексы и компле́ксы

Симплексом размерности k будем называть выпуклую оболочку точек \langle a_0, a_1,...~a_k\rangle, таких, которые не лежат в каком-нибудь (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 симплекса.

Далее вводится понятие симплициального компле́кса (с ударением на е). Компле́ксом K называется множество симплексов, причём с любым из которых в комплекс входят все его грани и любые два симплекса либо вообще не имеют общей точки, либо они пересекаются только по целой грани какой-то 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).

[править] Цепи комплексов

Мы будем рассматривать градуированную абелеву группу с целочисленными коэффициентами, порождённую симплексами комплекса, 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 σ чётная и имеющим противоположный знак, если она нечётная.

[править] Грани цепи

Определим оператор взятия 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.

Этот оператор зависит только от самого симплекса, а не фиксированного порядка вершин. Для этого достаточно доказать, что оператор взятия i-й грани не изменится при перестановке двух вершин (транспозиции). Если эта транспозиция не затрагивает ai, то это очевидно. Если она переставляет ai 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 ij + 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

Независимость этого определения относительно перестановок вершин уже доказана, поэтому это определение строго. 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

В результате применения \partial_{k-1}\partial_k к симплексу \langle a_0, a_1,...~a_k\rangle результатом будет цепь симплексов с двумя выброшенными вершинами. 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.

[править] Симплициальные гомологии на комплексах и полиэдрах

Полиэдром (в широком смысле) называется множество, гомеоморфное комплексу. Этот гомеоморфизм называется триангуляцией. На комплексах и полиэдрах вводятся симплициальные гомологии следующим образом:

Рассмотрим группу цепей размерности k из симплексов нашего комплекса K, обозначаемую Ck(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 Zk(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 Bk(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).

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

[править] Пример

Пусть S1 - одномерный комплекс, являющийся границей двумерного симплекса (треугольника) \langle a_0, a_1, a_2\rangle. Найдём его гомологии.

B1 = 0, так как в комплексе двумерных симплексов нет. Поэтому H1 = Z1 / B1 = B1. 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 H1 = Z1 есть просто бесконечная циклическая группа \mathbb{Z}.

Найдём нульмерные гомологии. Так как \partial_0=0, то Z0 = C0. 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, C0является 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 B0 = 0 и H_0=C_0/B_0=\mathbb{Z}.

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

[править] Некоторые свойства гомологий

Если гомологии комплекса K определены, то они же считаются гомологиями полиэдра | K | , соответствующего этому комплексу. Тут возникает проблема — данный полиэдр можно триангулировать по-разному. Однако можно доказать что непрерывному отображению полиэдров f:|K|\to|L| сооветствует гомоморфизм f_*:H_k(K)\to H_k(L), причём это соответствие, как говорят, функториально, то есть произведению непрерывных отображений соответствует произведение гомоморфизмов групп гомологий (fg) * = f * g * , а тождественному отображению соответствует тождественный гомоморфизм (id) * = id * . Из этого следует, что группа гомологий полиэдра полностью определяется им самим.

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 ai является делителем ai − 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.

[править] Сингулярные гомологии

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 k,f) где Δk — 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:

ck = zik,fi)
i

с целыми (обычно их полагают также ограниченными) коэффициентами zi. При этом для линейного отображения s_\pi:\Delta^k\to\Delta_k определяемого перестановкой π 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 k,f) так:

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

где Δk − 1 стандартный (k − 1)-мерный симплекс, а f_i=f\circ\epsilon_i, где εi — 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 ck, что \partial{c_k}=0, и границ — цепей c_k=\partial{c_{k+1}} для некоторого ck + 1. Фактор-группа группы циклов по группе границ Hk = Zk / Bk называется группой сингулярных гомологий.

[править] Пример

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_i), где все f^k_i равны, так как отображают симплекс в одну точку (обозначим fk − 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.

[править] История

Сингулярные гомологии были введены Лефшецом.

[править] Гомологии с коэффициентами в произвольных группах

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 Hk(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.

[править] Когомологии

Кроме цепей можно ввести понятие коцепей — линейных форм на цепях со значением в группе G для каждой размерности k. 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: kx)(c) = x(dk + 1c) (где x\in C^k,\; c\in C_{k+1}). Для такого граничного оператора также выполняется

δk + 1δk = 0, а именно
k + 1δk(x))(c) = δkx(dk + 2c) = x(dk + 1dk + 2c) = x(0) = 0.

Поэтому аналогично тому, что было сказано выше, можно ввести понятия коциклов Zk(X,G) = Kerδk, кограниц B^k(X,G)=\operatorname{Im} \delta^{k-1} и когомологий Hk(X,G) = Zk(X,G) / Bk(X,G). Понятие когомологии двойственно понятию гомологии. Если Gкольцо, 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.

[править] Относительные гомологии и точная гомологическая последовательность

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 Ck(X,Y) = Ck(X) / Ck(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 Ck(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 Zk(X,Y), а цепи, которые являются его значениями — относительными границами Bk(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 Hk(X,Y) = Zk(X,Y) / Bk(X,Y) называется группой относительных гомологий.

Так как каждый абсолютный цикл в Hk(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 Hk(X,Y). Рассмотрим её как абсолютную цепь в Ck(X) (с точностью до элементов Ck(Y)). Так как это относительный цикл, то dkc 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 dkc = dkc' + dku, но так как dku является границей в Zk − 1(Y) то dkc и dkc' определяют один и тот же элемент в группе гомологий Hk − 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 = dk + 1x + v, где v\in C_k(Y) , отсюда dkc = dkc'' + dkdk + 1x + dkv, но dd = 0, а dkv — граница в Zk − 1(Y). Поэтому класс гомологий d * kck 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.

[править] Аксиомы Стинрода — Эйленберга

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 Hk(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 Hk(X) с H_k(X,\varnothing)), причём выполняются следующие аксиомы:

  1. Тождественному отображению пары id соответствует тождественный гомоморфизм id * k.
  2. (gf) * k = g * kf * 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 * kf * k = f * k − 1d * 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 Hk( * ) = 0 для всех размерностей k\geqslant 0. Абелева группа G = H0( * ) 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.

[править] Экстраординарные гомологии

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.

[править] Литература

  • 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

[править] См. также

На других языках