词条 | 同调论 |
释义 | tongdiaolun 同调论(卷名:数学) homology theory 代数拓扑学中的一个主要组成部分,研究与同调概念有关的课题。 考虑带有方向的曲面(块)与曲线(段),如图1、图2中的圆盘均由旋转箭头定向。圆周Z与Z′是比D与D′低一维的图形,作为曲线,它们各按所标的箭头定向。规定D的边缘为Z,记作嬠D=Z;对于D′,则应有嬠D′=-Z′。无底圆筒 C与它的上下边界W1与W0按所标箭头定向后有嬠C=W1-W0(图3)。在图 4环面T中,圆圈Z为曲面块 A的边缘,嬠A=Z,这时称闭曲线Z在环面T上同调于零,记作Z~0。闭曲线W在T上不同调于零,但嬠B=W-W1,这时称闭曲线W同调于W1,记作W~W1。同调概念就是在这种定向图形之间的边缘关系上建立起来的。 ![]() ![]() ![]() ![]() 在图5 ![]() 将图6 ![]() ![]() ![]() H.庞加莱从1895年起,为了对同调概念做一般的讨论,引进了可剖分为复形的空间,从此产生了组合拓扑学。 n维单形 0维单形是一个点,一维单形是一条线段,二维单形是一个三角形,三维单形是一个四面体,n维单形是一个具有n+1个顶点的广义四面体。 定向单形 除0维单形不给定向外,其他维的单形可以有两个定向。例如,一维单形的定向可以用从起点到终点的箭头给出,二维单形的定向可以用一个旋转方向给出(图7 ![]() 单纯复形 是由有限个单形很好地拼凑起来而组成的。例如,图8 ![]() 单纯复形的n维链 形如 ![]() ![]() 边缘算子 规定0维单形的边缘为零,一维定向单形(A,B)的边缘为B-A,二维定向单形(A,B,C)的边缘为(B,C)-(A,C)+(A,B),三维定向单形(A,B,C,D)的边缘为(B,C,D)-(A,C,D)+(A,B,D)-(A,B,C),等等。可类似地定义n维定向单形的边缘。以符号嬠写在定向单形的前面表示它的边缘。对于每一个n维链 ![]() ![]() n维闭链 满足嬠x=0的n维链x叫n维闭链。例如,图8a中的单纯复形,一维链(C,D)-(B,D)+(B,C)就是一个一维闭链。单纯复形K的所有n维闭链所组成的交换群叫K的n维闭链群,记作Zn(K)。 n维边缘链 如果一个n维链是某一个 n+1维链的边缘,则称此链为n维边缘链(即一个n维图形是n+1维图形的边缘)。例如图8a中的单纯复形,一维链(C,D)-(B,D)+(B,C)=嬠(B,C,D)就是一个一维边缘链。单纯复形K的所有n维边缘链所组成的交换群叫K的n维边缘链群,记作Bn(K)。由于边缘链一定是闭链,因而Bn(K)是Zn(K)的子群。 n维同调群 由于Bn(K)是 Zn(K)的子群,把商群Zn(K)/Bn(K)叫做单纯复形K的n维(下)同调群,记作Hn(K)。Hn(K)中的每一个元素叫做一个n维同调类。如果两个n维闭链zń,z怽的差为一个边缘链时,就叫zń与z怽同调。如果zn是边缘链,则称zn同调于零。例如,图8b中的单纯复形,2个一维闭链(A,B)+(C,A)+(B,C),(A′,B′)+(C′,A′)+(B′,C′)有嬠((A,B,A′)+(A′,B,B′)+(B,C,B′)-(C,B′,C′)-(C,C′,A′)-(C,A′,A))=((A,B)+(C,A)+(B,C))-((A′,B′)+(C′,A′)+(B′,C′))。因而这两个闭链同调(而它们都不同调于零)。同调群 Hn(K)的秩叫做K的n维贝蒂数。如果在n维链群的定义中,用任意的一个交换群G中的元素代替整数,可以得到以G为系数的n维链群 Cn(K;G)。相似地有以G为系数的n维边缘群Bn(K;G),n维闭链群Zn(K;G)。由此定义以G为系数的n维同调群Hn(K;G)。 多面体 单纯复形 K的全体单形的并集叫做一个多面体,记作│K│。对于多面体的同调群Hn(|K|;G)可以用Hn(K;G)来定义,即令Hn(|K|;G)=Hn(K;G)。 单纯映射 给定了两个单纯复形K,L,且指定了K的每一个顶点(0维单形)到L的某个顶点的一个对应,并把K中的属于同一个单形的所有顶点对应到L的同在一个单形中的顶点,这个对应叫从K到L的单纯映射。单纯映射ƒ:K→L把 K中的每一个定向单形(顶点的一个顺序)映射到L中的一个定向单形(得到对应顶点的一个顺序,若有两个顶点的像重合,则理解为对应到0),由此产生了一个从Cn(K;G)到 Cn(L;G)的同态,并且可以证明它把Zn(K;G)映射到Zn(L;G),Bn(K;G)映射到Bn(L;G)。从这个同态可以导出一个从Hn(K;G)到Hn(L;G)的同态。 连续映射导出的同态 给了两个多面体|K|、|L|之间的一个连续映射F:│K│→│L│,可以将K适当重分成另一复形K′,并用一个单纯映射去逼近F。利用这个单纯映射导出的同调群之间的同态得到Hn(│K′│;G)到Hn(│L│;G)的同态,并且可以证明,Hn(│K′│;G)与Hn(|K|;G)自然地同构。 于是记此同态为Fn:Hn(|K|;G)→Hn(│L│;G)。 上同调群 G为任一交换群,Hom(Cn(K),G)为所有从Cn(K)到G的群同态所组成的群,这个群叫做K的以G为系数的 n维上链群,记作Cn(K;G)。利用K 的边缘算子嬠:Cn(K)→Cn-1(K)可得对偶同态δ:Cn-1(K;G)→Cn(K;G)。定义如下:设ƒ∈Cn-1(K;G),规定δƒ=ƒ嬠:Cn(K)→G。这个δ叫上边缘算子,具有δδ=0的性质。与同调群的定义相似,可以定义以G为系数的上闭链群Zn(K;G),上边缘链群Bn(K;G),上同调群Hn(K;G)。当G为整数加群Z时,省去符号Z,简单记为 Cn(K),Zn(K),Bn(K),Hn(K),等等。对于连续映射F:│K│→│L│,利用单纯映射去逼近,可得到同态 ![]() ![]() J.W.亚历山大在1915年证明了多面体的同调群的拓扑不变性,即如果两个多面体│K│,│L│同胚,那么这个同胚诱导它们的上同调群、同调群的同构。实际上,如果│K│,│L│伦型相同,其同伦等价也诱导它们的上同调群、同调群的同构。 利用同调群可以解决不少几何问题。例如,布劳威尔不动点定理(见不动点理论),可以找到欧拉示性数与贝蒂数之间的关系式: ![]() ![]() 单纯复形的整系数同调群是个有限生成的交换群。因此,它同构于 ![]() 简单的单纯复形的同调群的计算,可以通过叫做“挤到边上去”的方法直观地解决。一般单纯复形同调群的计算,可以用矩阵变换的方法经有限多次的算术运算解决,不过具体实现这种计算是非常困难的。 带系数群G的同调群的构造,可由整系数同调群与G按照“泛系数”公式来求。上同调群的计算也有其相应的公式。 同调论的公理 S.艾伦伯格和N.E.斯廷罗德提出了同调群、上同调群满足的公理,并证明了在多面体的情形下满足公理的同调群、上同调群是惟一的。 在一般的拓扑空间上引进同调群主要有两种方式。利用有序单形映射到拓扑空间,来定义这个拓扑空间的同调群,称为这个拓扑空间的奇异同调群;利用单纯复形来逼近一个拓扑空间,用极限来定义这个拓扑空间的同调群,称为这个拓扑空间的切赫同调群。在紧多面体的情况,这两种同调群都同构于按单纯剖分得到的同调群。 在以某种环为系数的上同调群中可以引入乘法使之成为上同调环。为了更好地利用上同调群,在其上引入了所谓上同调运算的额外结构,例如斯廷罗德幂,庞特里亚金幂等等。由斯廷罗德幂发展成为斯廷罗德代数的研究,大大丰富了同调论的内容。 参考书目 江泽涵著:《拓扑学引论》,上海科学技术出版社,上海,1978。 R.M. Switzer,Algebraic Topology-Homotopy and Homology, Springer-Verlag, New York, 1975. |
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