Гомология (топология)
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
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
, таких, которые не лежат в каком-нибудь (k − 1)—мерном подпространстве. 0-мерный симплекс
является точкой, 1-мерный
отрезком, 2-мерный
треугольником, 3-мерный
тетраэдром и т. д. Симплекс, порождённый частью точек
, 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
. Симплексы считаем имеющими ориентацию и симплекс
будем считать равным
, если перестановка σ чётная и имеющим противоположный знак, если она нечётная.
[править] Грани цепи
Определим оператор взятия i-й грани:
, где
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):
— что и ожидалось (возвращая
на старое место, надо сделать i − j + 1 транспозицию, соответственно столько же раз поменять знак).
Определим оператор ориентированной границы симплекса следующим образом:
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
. По линейности распространим оператор
на любую цепь. Основным свойством граничного оператора является следующее:
В результате применения
к симплексу
результатом будет цепь симплексов с двумя выброшенными вершинами. Предположим, что j < i. Симплекс
входит в результат первого действия оператора
со знаком ( − 1)i + j, а в
со знаком ( − 1)i + j − 1, так как по удалению
вершина
будет уже не на i—ом месте, а на (i − 1)—ом. Эти знаки противоположны, значит
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
равно нулю (иначе говоря,
) называется циклом; их множество обозначим Zk(K).
Если для некоторой цепи c' выполняется
(иначе говоря,
), то цепь c называется границей; множество границ обозначим Bk(K). Так как оператор
линеен, то и границы, и циклы образуют подгруппы группы цепей. Из того, что
ясно, что любая граница является циклом, то есть,
.
Две цепи называются гомологичными, если они отличаются на границу.Это записывается
(то есть
).
Фактор-группа
называется группой k-мерных симплициальных гомологий комплекса.
[править] Пример
Пусть S1 - одномерный комплекс, являющийся границей двумерного симплекса (треугольника)
. 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
. Имеем:
.
Значит,
. Поэтому любой одномерный цикл c имеет вид
— значит H1 = Z1 есть просто бесконечная циклическая группа
.
Найдём нульмерные гомологии. Так как
, то Z0 = C0. Из равенства
следует, что
и
отличаются на границу. Аналогично
и
отличаются на границу, поэтому с точностью до границы любая нульмерная цепь имеет вид
. То есть, C0является просто бесконечной циклической группой
. Если она сама является границей, то есть
, то имеем, что
, поэтому B0 = 0 и
.
Итого, для границы двумерного симплекса
.
[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
сооветствует гомоморфизм
, 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
(их число, то есть ранг группы гомологий называется числом Бетти) и конечных циклических групп
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 (Δk,f) где Δk — это стандартный симплекс
, а f — его непрерывное отображение в X;
. Группу сингулярных цепей определим как множество формальных линейных комбинаций:
| ck = | ∑ | zi(Δk,fi) |
| i |
с целыми (обычно их полагают также ограниченными) коэффициентами zi. При этом для линейного отображения
определяемого перестановкой π точек
полагают
. Граничный оператор
определяется на сингулярном симплексе (Δk,f) так:
где Δk − 1 стандартный (k − 1)-мерный симплекс, а
, где εi — это его отображение на i-ю грань стандартного симплекса
. Аналогично симплициальным гомологиям доказывается что
. Как и раньше вводятся понятия сингулярных циклов — таких цепей ck, что
, и границ — цепей
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
. Граница симплекса
, где все
равны, так как отображают симплекс в одну точку (обозначим fk − 1). Значит:
, если k нечетно (число членов в сумме четно, а знаки чередуются);
, если
и четно;
, если k = 0.
Отсюда получаем для нулевой размерности:
.
Для нечётной размерности
.
Для чётной размерности
.
То есть группа гомологий равна
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
, рациональных чисел
, или циклическую группу вычетов по модулю m —
, причём обычно берётся m = p — простое число, тогда
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
.
Граничный оператор
определяется по формуле: (δkx)(c) = x(dk + 1c) (где
). Для такого граничного оператора также выполняется
- δk + 1δk = 0, а именно
- (δk + 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
и когомологий Hk(X,G) = Zk(X,G) / Bk(X,G). Понятие когомологии двойственно понятию гомологии. Если G — кольцо, то в группе когомологий H * (X,G) определено естественное умножение (произведение Колмогорова — Александера или
-npоизведение), превращающее эту группу в градуированное кольцо, называемое кольцо когомологий. В случае, когда X — дифференцируемое многообразие, кольцо когомологий
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
. Группа цепей
(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
, то можно определить на факторгруппе Ck(X,Y) граничный оператор (мы его обозначим так же)
.
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
. 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
По функториальному свойству вложение
приводит к гомоморфизму
.
В свою очередь можно построить гомоморфизм
, который мы определим следующим образом. Пусть
— 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
. Положим d * k равным классу гомологий цепи
.
Если мы возьмём другую абсолютную цепь
, определяющую тот же относительный цикл, то мы будем иметь c = c' + u, где
. 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
, 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:
;
и
;
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:
- Если
то
и 
- Если
, то и
где I — замкнутый интервал [0,1].
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
соответствует гомоморфизм
(Пространство X отождествляется с парой
), а Hk(X) с
), причём выполняются следующие аксиомы:
- Тождественному отображению пары id соответствует тождественный гомоморфизм id * k.
- (gf) * k = g * kf * k (функториальность)
- Определен граничный гомоморфизм
причём если
то для соответствующего гомоморфизма
верно d * kf * k = f * k − 1d * k для любой размерности k. - Пусть
и
— вложения,
и
— соответствующие гомоморфизмы,
— граничный гомоморфизм. Тогда определяемая ими последовательность

точна (аксиома точности). - Если отображения
гомотопны, то соответствующие гомоморфизмы равны f * k = g * k для любой размерности k (аксиома гомотопической инвариантности). - Пусть
— открытое подмножество X, причём его замыкание содержится во внутренности множества Y, тогда если пары
и (X,Y) принадлежат допустимому классу, то для любой размерности k вложению
соответствует изоморфизм
(аксиома вырезания). - Для одноточечного пространства Hk( * ) = 0 для всех размерностей
. 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
соответствует
(контравариантность) и что кограничный гомоморфизм
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







