環面
球面
理解基本群概念的一種簡單方法是從一個具體的例子開始。讓我們考慮二維球面 S 2 {\displaystyle S^{2}} 和環面的表面。
讓我們開始考慮環面上的兩種型別的迴路(起點和終點相同的路徑)。似乎繞環面“臂”的路徑與“區域性”簡單迴路有本質區別:一個不能變形為另一個。另一方面,在球面上,似乎所有的迴路都可以變形為任何其他迴路。這兩個空間中的“迴路型別”集合是不同的:環面似乎比球面表面具有更豐富的“迴路型別”集合。這種型別的思路構成了基本群定義的基礎,並解釋了不同型別的拓撲空間之間的本質區別。基本群使這個想法在數學上變得嚴格。
定義: 令 X {\displaystyle X} 為拓撲空間,並令 p {\displaystyle p} 和 q {\displaystyle q} 為 X {\displaystyle X} 中的點。那麼,兩條路徑 f : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle f:[0,1]\rightarrow X} 和 g : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle g:[0,1]\rightarrow X} 被認為是等價的,如果存在一個同倫 H : [ 0 , 1 ] 2 → X {\displaystyle H:[0,1]^{2}\rightarrow X} 使得對於任何 a ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle a\in [0,1]} , H ( x , a ) {\displaystyle H(x,a)} 都是從 p {\displaystyle p} 到 q {\displaystyle q} 的路徑。很容易驗證這是一種等價關係。
定義: 定義路徑的組合 f 1 {\displaystyle f_{1}} 從 x {\displaystyle x} 到 y {\displaystyle y} ,然後 f 2 {\displaystyle f_{2}} 從 y {\displaystyle y} 到 z {\displaystyle z} ,僅僅是與路徑連通性部分中相同的路徑拼接。
f ( x ) = { f 1 ( 2 x ) if x ∈ [ 0 , 1 2 ] f 2 ( 2 x − 1 ) if x ∈ [ 1 2 , 1 ] {\displaystyle f(x)=\left\{{\begin{array}{ll}f_{1}(2x)&{\text{if }}x\in [0,{\frac {1}{2}}]\\f_{2}(2x-1)&{\text{if }}x\in [{\frac {1}{2}},1]\\\end{array}}\right.}
我們將用 f ( x ) ∗ g ( x ) {\displaystyle f(x)*g(x)} 表示兩條路徑 f ( x ) {\displaystyle f(x)} 和 g ( x ) {\displaystyle g(x)} 的組合。
定義: 令 f : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle f:[0,1]\rightarrow X} 為一條路徑。將反向路徑(不要與反函式混淆)定義為 f − 1 ( x ) = f ( 1 − x ) {\displaystyle f^{-1}(x)=f(1-x)} ,即反向的路徑。
定義: 令 X {\displaystyle X} 為一個拓撲空間,令 p {\displaystyle p} 為 X {\displaystyle X} 中的一個點。然後定義 C p {\displaystyle C_{p}} 為常數路徑 f : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle f:[0,1]\rightarrow X} ,其中 f ( x ) = p {\displaystyle f(x)=p} 。
現在考慮路徑的等價類集合。定義兩個等價類的合成是任何兩個路徑的合成的等價類。定義一個等價類的逆是該等價類中任何路徑的逆的等價類。定義 [ C p ] {\displaystyle [C_{p}]} 為包含 C p {\displaystyle C_{p}} 的等價類。
我們可以很容易地檢查這些操作是否定義良好。
現在,在基本群中,我們將使用迴圈。因此,我們定義迴圈的等價性、合成和逆與路徑的定義相同,等價類的合成和逆也相同。
定義: 基點 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的迴圈等價類集合,在連線路徑的操作下是一個群。這個群叫做 X {\displaystyle X} 在基點 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的基本群 。
為了證明這是一個群,我們需要證明
1) 結合律: [ α ] ∗ ( [ β ] ∗ [ γ ] ) = ( [ α ] ∗ [ β ] ) ∗ [ γ ] {\displaystyle [\alpha ]*([\beta ]*[\gamma ])=([\alpha ]*[\beta ])*[\gamma ]} ;
2) 單位元: [ α ] ∗ [ 1 ] = [ 1 ] ∗ [ α ] = [ α ] {\displaystyle [\alpha ]*[1]=[1]*[\alpha ]=[\alpha ]} ;
3) 逆元: [ α ] ∗ [ α ¯ ] = [ α ¯ ] ∗ [ α ] = [ 1 ] {\displaystyle [\alpha ]*[{\overline {\alpha }}]=[{\overline {\alpha }}]*[\alpha ]=[1]} .
1) 很明顯,當您從 a {\displaystyle a} 到 b {\displaystyle b} 有路徑,然後從 b {\displaystyle b} 到 c {\displaystyle c} 有路徑,最後從 c {\displaystyle c} 到 d {\displaystyle d} 有路徑,則從 a {\displaystyle a} 到 b {\displaystyle b} 和 b {\displaystyle b} 到 d {\displaystyle d} 路徑的拼接,與從 a {\displaystyle a} 到 c {\displaystyle c} 然後從 c {\displaystyle c} 到 d {\displaystyle d} 拼接得到的路徑相同。
事實上,關於 [ α ] ∗ ( [ β ] ∗ [ γ ] ) {\displaystyle [\alpha ]*([\beta ]*[\gamma ])} 和 ( [ α ] ∗ [ β ] ) ∗ [ γ ] {\displaystyle ([\alpha ]*[\beta ])*[\gamma ]} 的明確同倫可以由以下公式給出
F ( t , s ) = { α ( 4 t s + 1 ) , if 0 ≤ t ≤ s + 1 4 β ( 4 t − s − 1 ) , if s + 1 4 ≤ t ≤ s + 2 4 γ ( 4 t − s − 2 2 − s ) , if s + 2 4 ≤ t ≤ 1 {\displaystyle F(t,s)={\begin{cases}\alpha ({\frac {4t}{s+1}}),&{\mbox{if }}0\leq t\leq {\frac {s+1}{4}}\\\beta (4t-s-1),&{\mbox{if }}{\frac {s+1}{4}}\leq t\leq {\frac {s+2}{4}}\\\gamma ({\frac {4t-s-2}{2-s}}),&{\mbox{if }}{\frac {s+2}{4}}\leq t\leq 1\end{cases}}} .
2) [ C x 0 ] {\displaystyle [C_{x_{0}}]} 是單位元。可以很容易地驗證這個常數迴路與另一個迴路的乘積與原迴路同倫。
3) 之前定義的等價關係的逆元作為群中的逆元。兩個路徑的組合 f ( x ) {\displaystyle f(x)} 和 f − 1 ( x ) {\displaystyle f^{-1}(x)} 簡化為常數路徑,可以透過以下同倫輕鬆驗證
h ( x , y ) = f ( x y ) ∗ f − 1 ( x y ) {\displaystyle h(x,y)=f(xy)*f^{-1}(xy)}
◻ {\displaystyle \Box }
我們現在有了我們的基本群,但瞭解基本群如何依賴於基點會很有趣,因為根據我們的定義,基本群依賴於基點。然而,由於在任何路徑連通的拓撲空間中,其所有基本群都同構的非常重要的定理,我們能夠對任何路徑連通的拓撲空間談論拓撲空間的基本群 。
讓我們取同一個路徑連通分量的 x 0 , x 1 ∈ X {\displaystyle x_{0},x_{1}\in X} 在 X {\displaystyle X} 中。在這種情況下,可以找到 π 1 ( X , x 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})} 和 π 1 ( X , x 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(X,x_{1})} 之間的關係。令 h : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle h:\left[0,1\right]\to X} 是從 x 0 {\displaystyle x_{0}} 到 x 1 {\displaystyle x_{1}} 的路徑,並且 h ¯ ( s ) = 1 − s {\displaystyle {\overline {h}}(s)=1-s} 是從 x 1 {\displaystyle x_{1}} 返回到 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的路徑。由 β h [ f ] = [ h f h ¯ ] {\displaystyle \beta _{h}[f]=[hf{\overline {h}}]} 定義的對映 β h : π 1 ( X , x 1 ) → π 1 ( X , x 0 ) {\displaystyle \beta _{h}:\pi _{1}(X,x_{1})\to \pi _{1}(X,x_{0})} 是一個同構。因此,如果 X {\displaystyle X} 是路徑連通的,則群 π 1 ( X , x 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})} 與基點 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的選擇無關,最多相差一個同構。
當一個拓撲空間的所有基本群都同構時,記號 π 1 ( X , x 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})} 可以簡寫為 π 1 ( X ) {\displaystyle \pi _{1}(X)} 。
定義: 如果一個拓撲空間 X {\displaystyle X} 是路徑連通的並且具有平凡基本群,則稱它為單連通。
圓周 S 1 {\displaystyle S^{1}} 的基本群[ 編輯 | 編輯原始碼 ]
本節致力於計算圓周 S 1 {\displaystyle S^{1}} 的基本群,可以將其視為復拓撲空間的一部分。我們再次可以從直觀的方法開始。
很容易想象繞圓周的一圈路徑與平凡路徑不同倫。同樣很容易想象繞兩圈的路徑與繞一圈的路徑不同倫。直觀的感覺似乎是 S 1 {\displaystyle S^{1}} 的基本群與圈數有關。然而, π 1 ( S 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})} 的嚴格計算涉及一些困難。
我們定義 p : R → S 1 ⊂ C , p ( t ) = e 2 i π t {\displaystyle p:\mathbb {R} \to S^{1}\subset \mathbb {C} ,p(t)=e^{2i\pi t}} 。可以證明以下結果
引理 1: 設 f : [ 0 , 1 ] → S 1 ⊂ C {\displaystyle f:\left[0,1\right]\to S^{1}\subset \mathbb {C} } 為一條路徑。則存在 f ¯ : [ 0 , 1 ] → R {\displaystyle {\overline {f}}:\left[0,1\right]\to \mathbb {R} } 使得 p ∘ f ¯ = f {\displaystyle p\circ {\overline {f}}=f} 。此外,如果 f ( 0 ) = x 0 ∧ z 0 ∈ p − 1 ( x 0 ) {\displaystyle f(0)=x_{0}\land z_{0}\in p^{-1}(x_{0})} ,則 f ¯ {\displaystyle {\overline {f}}} 是唯一的,稱為 f {\displaystyle f} 的 **提升**。
引理 2: 設 F : [ 0 , 1 ] × [ 0 , 1 ] → S 1 ⊂ C {\displaystyle F:\left[0,1\right]\times \left[0,1\right]\to S^{1}\subset \mathbb {C} } 是一個以起點 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的路徑的同倫。設 z 0 ∈ p − 1 ( x 0 ) {\displaystyle z_{0}\in p^{-1}(x_{0})} 。則存在唯一的同倫 F ¯ : [ 0 , 1 ] × [ 0 , 1 ] → R {\displaystyle {\overline {F}}:\left[0,1\right]\times \left[0,1\right]\to \mathbb {R} } 是以起點 z 0 {\displaystyle z_{0}} 的路徑的同倫,使得 p ∘ F ¯ = F {\displaystyle p\circ {\overline {F}}=F} 。
注意: 這些引理保證了同倫的環路有同倫的提升。
更多資訊請參閱 維基百科 。
定理: π 1 ( S 1 , ( 1 , 0 ) ) ≃ Z {\displaystyle \pi _{1}(S^{1},(1,0))\simeq \mathbb {Z} } .
證明: 設 α {\displaystyle \alpha } 是一個以 ( 1 , 0 ) {\displaystyle (1,0)} 為基點的環路,且 [ α ] ∈ π 1 ( S 1 , ( 1 , 0 ) ) {\displaystyle [\alpha ]\in \pi _{1}(S^{1},(1,0))} 。設 z 0 = 0 {\displaystyle z_{0}=0} ,並定義
π 1 ( S 1 , ( 1 , 0 ) ) → Z v ( [ α ] ) = α ¯ ( 1 ) . {\displaystyle \pi _{1}(S^{1},(1,0))\to \mathbb {Z} \;\;\;v([\alpha ])={\overline {\alpha }}(1).}
此應用的良好定義源於在 [ 0 , 1 ] {\displaystyle \left[0,1\right]} 到 S 1 {\displaystyle S^{1}} 定義的同倫環具有同倫提升。我們有 p ( α ¯ ( 1 ) ) = α ( 1 ) = x 0 {\displaystyle p({\overline {\alpha }}(1))=\alpha (1)=x_{0}} 。因此, α ¯ ( 1 ) = k {\displaystyle {\overline {\alpha }}(1)=k} 對於某個 k ∈ Z {\displaystyle k\in \mathbb {Z} } 。因此, v ( [ α ] ) ∈ Z {\displaystyle v([\alpha ])\in \mathbb {Z} } .
1) v {\displaystyle v} 是滿射的。對於 N ∈ Z {\displaystyle N\in \mathbb {Z} } ,我們定義環 α N ( t ) = e 2 i π N t {\displaystyle \alpha _{N}(t)=e^{2i\pi Nt}} 。然後我們有 α ¯ N ( t ) = N t {\displaystyle {\overline {\alpha }}_{N}(t)=Nt} 以及 v ( [ α N ] ) = N {\displaystyle v([\alpha _{N}])=N} ;
2) v {\displaystyle v} 是單射。設 v ( [ α ] ) = v ( [ β ] ) {\displaystyle v([\alpha ])=v([\beta ])} 。那麼, ( α ¯ ( 1 ) = β ¯ ( 1 ) ) ∧ ( α ¯ ( 0 ) = β ¯ ( 0 ) = 0 ) {\displaystyle ({\overline {\alpha }}(1)={\overline {\beta }}(1))\land ({\overline {\alpha }}(0)={\overline {\beta }}(0)=0)} 。然後我們有 F ( t , s ) = p ( ( 1 − s ) α ¯ ( t ) + s β ¯ ( t ) ) {\displaystyle F(t,s)=p((1-s){\overline {\alpha }}(t)+s{\overline {\beta }}(t))} 是 α {\displaystyle \alpha } 和 β {\displaystyle \beta } 之間的同倫,或者 [ α ] = [ β ] {\displaystyle [\alpha ]=[\beta ]} ;
3) v {\displaystyle v} 是同態。我們想證明 v ( [ α ] ∗ [ β ] ) = v ( [ α ] + v ( [ β ] {\displaystyle v([\alpha ]*[\beta ])=v([\alpha ]+v([\beta ]} 。考慮
γ ( t ) = { α ¯ ( 2 t ) , if 0 ≤ t ≤ 1 2 β ¯ ( 2 t − 1 ) + α ¯ ( 1 ) , if 1 2 ≤ t ≤ 1 {\displaystyle \gamma (t)={\begin{cases}{\overline {\alpha }}(2t),&{\mbox{if }}0\leq t\leq {\frac {1}{2}}\\{\overline {\beta }}(2t-1)+{\overline {\alpha }}(1),&{\mbox{if }}{\frac {1}{2}}\leq t\leq 1\end{cases}}} .
α ¯ ( 1 ) {\displaystyle {\overline {\alpha }}(1)} 是一個整數,且 p ∘ γ = α ∗ β {\displaystyle p\circ \gamma =\alpha *\beta } 。然後我們有, γ = α ∗ β ¯ {\displaystyle \gamma ={\overline {\alpha *\beta }}} 且
v ( [ α ] ∗ [ β ] ) = v ( [ α ∗ β ] ) = γ ( 1 ) = α ¯ ( 1 ) + β ¯ ( 1 ) = v ( [ α ] ) + v ( [ β ] ) {\displaystyle v([\alpha ]*[\beta ])=v([\alpha *\beta ])=\gamma (1)={\overline {\alpha }}(1)+{\overline {\beta }}(1)=v([\alpha ])+v([\beta ])}
我們可以注意到,所有迴圈都與 α N ( t ) = e 2 i π N t {\displaystyle \alpha _{N}(t)=e^{2i\pi Nt}} 同倫,其中 N ∈ Z {\displaystyle N\in \mathbb {Z} } ,或者換句話說,所有迴圈,在同倫意義下,都是繞圈一定次數。
我們可以透過以下方案來理解這個證明:
◻ {\displaystyle \Box }
研究基本群的一個最有用的工具是覆蓋空間 。直觀地說,給定空間 X {\displaystyle X} 的覆蓋空間是一個“看起來像” X {\displaystyle X} 的不相交併集在 X {\displaystyle X} 中任何一點的足夠小的鄰域中,但不一定在全域性上。
本節將正式定義覆蓋空間,陳述覆蓋空間的重要提升定理 ,然後說明它們對基本群的影響。
定義: 假設 X {\displaystyle X} 是一個拓撲空間。如果我們給定一個連續對映 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} ,並具有以下性質:對於任何 x ∈ X {\displaystyle x\in X} ,存在一個開鄰域 U ∋ x {\displaystyle U\ni x} ,使得
(i) p − 1 ( U ) {\displaystyle p^{-1}(U)} 是 Z {\displaystyle Z} 中開子集的不相交併集 ∐ α ∈ A V α {\displaystyle \coprod _{\alpha \in A}V_{\alpha }} ;
(ii) p {\displaystyle p} 對這些開子集的任何一個 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 的限制是 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 到 U 的同胚。
毫不奇怪,我們稱 p {\displaystyle p} 為覆蓋對映 。
示例: 事實上,我們已經看到了覆蓋空間的一個例子。在計算 π 1 ( S 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})} 時,我們隱式地利用了實數線 R {\displaystyle \mathbb {R} } 是 S 1 {\displaystyle S^{1}} 的覆蓋空間的事實。對映 p : R → S 1 , t ↦ e 2 π i t {\displaystyle p:\mathbb {R} \rightarrow S^{1},t\mapsto e^{2\pi it}} 是覆蓋對映。我們如何檢驗這一點?回想一下 e 2 π i t 1 = e 2 π i t 2 {\displaystyle e^{2\pi it_{1}}=e^{2\pi it_{2}}} 當且僅當差值 t 1 − t 2 {\displaystyle t_{1}-t_{2}} 是一個整數。所以,假設我們給定一個點 x ∈ S 1 {\displaystyle x\in S^{1}} 。令 U x = S 1 − { − x } {\displaystyle U_{x}=S^{1}-\{-x\}} - 也就是說,包含整個圓圈除 x {\displaystyle x} 的對映點之外的所有點的集合。那麼經過一番思考就會發現,如果 A r g ( x ) = t x {\displaystyle Arg(x)=t_{x}} ,我們有 p − 1 ( U ) = R − { t x + Z } {\displaystyle p^{-1}(U)=\mathbb {R} -\{t_{x}+\mathbb {Z} \}} 。換句話說, U {\displaystyle U} 的原像包含整個實數線,除了每個點 t x + n , n ∈ Z {\displaystyle t_{x}+n,n\in \mathbb {Z} } 處的“洞”。
很明顯(畫個圖!),這個集合是子區間的互不相交的並集,可以檢驗指數函式將每個子區間同胚對映到 U x {\displaystyle U_{x}} 上。所以我們確實有一個覆蓋對映。太棒了! ◻ {\displaystyle \square }
現在我們來介紹一個定理,它乍一看可能有點深奧,但實際上它使我們能夠在覆蓋空間上做很多事情。
定理(同倫提升): 假設 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} 是空間 X {\displaystyle X} 的覆蓋對映。令 f : I n → X {\displaystyle f:I^{n}\rightarrow X} 是從單位 n {\displaystyle n} -立方體到 X {\displaystyle X} 的對映,而 F : I n + 1 → X {\displaystyle F:I^{n+1}\rightarrow X} 是 f {\displaystyle f} 到另一個對映 f ′ : I n → X {\displaystyle f':I^{n}\rightarrow X} 的同倫。假設(最後一次!) ϕ : I n → Z {\displaystyle \phi :I^{n}\rightarrow Z} 是一個滿足 p ⋅ ϕ = f {\displaystyle p\cdot \phi =f} 的對映。那麼存在一個唯一的對映 Φ : I n + 1 → Z {\displaystyle \Phi :I^{n+1}\rightarrow Z} 滿足以下條件
(i) Φ | I n = ϕ {\displaystyle \Phi |_{I^{n}}=\phi } ;
(ii) p ⋅ Φ = F {\displaystyle p\cdot \Phi =F} . ◻ {\displaystyle \square }
證明相當技術性,但很直接,因此省略了。任何關於代數拓撲的入門書籍都應該會提供它——例如,參見 Armstrong 的“基本拓撲”(施普林格)。乍一看,這相當令人望而生畏,所以讓我們舉一個具體例子來使其更容易理解。假設 n = 0 {\displaystyle n=0} ——那麼 I n {\displaystyle I^{n}} 只是一個點,因此 f : I n → X {\displaystyle f:I^{n}\rightarrow X} 只是一個選擇 X {\displaystyle X} 中特定點的函式。因此 f {\displaystyle f} 可以與其影像,一個點 x 0 ∈ X {\displaystyle x_{0}\in X} ,等同。現在,從 f {\displaystyle f} 到另一個對映的同倫(回顧同倫的定義)只是一個對映 F : I → X {\displaystyle F:I\rightarrow X} ,使得 F ( 0 ) = x 0 {\displaystyle F(0)=x_{0}} ;因此,只不過是 X {\displaystyle X} 中從 x 0 {\displaystyle x_{0}} 開始的一條路徑。定理告訴我們關於覆蓋對映 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} 的什麼資訊?
它說(檢查一下!),如果 z 0 ∈ Z {\displaystyle z_{0}\in Z} 是一個點,使得 p ( z 0 ) = x 0 {\displaystyle p(z_{0})=x_{0}} ,並且 γ {\displaystyle \gamma } 是 X {\displaystyle X} 中從 x 0 {\displaystyle x_{0}} 開始的一條路徑,那麼在 Z {\displaystyle Z} 中存在一條唯一 的路徑 γ ′ {\displaystyle \gamma '} ,從 z 0 {\displaystyle z_{0}} 開始,使得 p γ ˙ ′ = γ {\displaystyle p{\dot {\gamma }}'=\gamma } 。用更復雜(更寬泛)的術語來說,我們說 X {\displaystyle X} 中的一條路徑有一個唯一 的提升到 Z {\displaystyle Z} ,一旦提升的起點被選定。
回顧一下,這個結果——有時被稱為路徑提升定理 ——並不那麼令人驚訝。將覆蓋空間想象成基空間 X {\displaystyle X} 的“摺疊”版本,如圖 XXXX 所示。如果我們觀察一個小的開集 U ⊂ X {\displaystyle U\subset X} ,它在 Z {\displaystyle Z} 中的原像是一個不交併集,每個開集都與它同胚。如果我們只關注 γ {\displaystyle \gamma } 在 U {\displaystyle U} 內的部分,現在很明顯,對於每個不交集 V α {\displaystyle V_{\alpha }} ,在 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 中存在一條唯一的路徑,它透過覆蓋對映 p {\displaystyle p} 對映到 γ {\displaystyle \gamma } 。因此,為了指定一個提升,我們只需要選擇它所在的 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 集合(這相當於在 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的原像中選擇一個點,如上所述)。現在,整個路徑 γ {\displaystyle \gamma } 可以分解成一個有限的“鏈”,這些鏈由位於像 U {\displaystyle U} 這樣“小”開集內的短路徑組成(驗證一下!),因此有限歸納法表明整個提升是唯一確定的。
現在我們來談談覆蓋空間和基本群之間的聯絡,這是一個非常重要的聯絡。
定理: 給定一個覆蓋空間 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} ,對映 p {\displaystyle p} 誘匯出一個對映 p ∗ : π 1 ( Z ) → π 1 ( X ) {\displaystyle p_{*}:\pi _{1}(Z)\rightarrow \pi _{1}(X)} ,這是一個單射(即 1-1)群同態。
證明(概述): 首先,考慮一條路徑 γ {\displaystyle \gamma } 在 Z {\displaystyle Z} 中:它是一個連續對映 γ : I → Z {\displaystyle \gamma :I\rightarrow Z} ,因此我們可以將它與覆蓋對映 p {\displaystyle p} 合成,得到一條路徑 p ⋅ γ {\displaystyle p\cdot \gamma } 在 X {\displaystyle X} 中。因此我們得到了一個對映
p ′ : {\displaystyle p':} Z → {\displaystyle Z\rightarrow } X {\displaystyle X} 中的路徑。
我們想證明這可以用來定義一個對映
p ∗ : {\displaystyle p*:} Z {\displaystyle Z} 中以 z 0 → {\displaystyle z_{0}\rightarrow } 為基點的環的同倫類 → {\displaystyle \rightarrow } X {\displaystyle X} 中以 x 0 {\displaystyle x_{0}} 為基點的路徑的同倫類。
這聽起來很複雜,但實際上一點也不復雜:想法是,給定一個同倫 H : I × I → Z {\displaystyle H:I\times I\rightarrow Z} 在兩個路徑 γ 1 {\displaystyle \gamma _{1}} 和 γ 2 {\displaystyle \gamma _{2}} 之間 Z {\displaystyle Z} ,組合 p ⋅ H {\displaystyle p\cdot H} 是在 X {\displaystyle X} 中它們影像 p ′ ( γ 1 ) {\displaystyle p'(\gamma _{1})} 和 p ′ ( γ 2 ) {\displaystyle p'(\gamma _{2})} 之間的同倫。(如果這看起來仍然很模糊,請務必檢查細節。)此外,基於 z 0 {\displaystyle z_{0}} 的迴圈顯然對映到基於 p ( z 0 ) {\displaystyle p(z_{0})} 的迴圈。
所以,我們得到了我們想要的對映 p ∗ {\displaystyle p*} ,它將 π 1 ( Z , z 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(Z,z_{0})} 對映到 π 1 ( X , p ( z 0 ) ) . {\displaystyle \pi _{1}(X,p(z_{0})).} 我們還需要證明 (a) 它是一個群同態,以及 (b) 它是一個單射。
(a) 很容易。為了證明它,選擇 π 1 ( Z , z 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(Z,z_{0})} 的兩個元素。這些是基於迴圈的同倫類,因此我們可以選擇迴圈來表示它們。我們需要看到的是,如果我們連線這些迴圈,然後檢視此連線在 X {\displaystyle X} 中的影像,結果與我們首先透過 p ′ {\displaystyle p'} 對映每個迴圈,然後連線它們所得到的迴圈是同倫的。說服你自己這是真的。
(b) is more tricky. To prove it, we must show that the kernel of the homomorphism p ∗ {\displaystyle p*} described above consists just of the identity element of p i 1 ( Z , z 0 ) {\displaystyle pi_{1}(Z,z_{0})} . So, suppose we have a path γ {\displaystyle \gamma } representing an element [ γ ] {\displaystyle [\gamma ]} in the kernel: so p ∗ ( [ γ ] ) {\displaystyle p*([\gamma ])} is the identity of π 1 ( X , p ( z 0 ) ) {\displaystyle \pi _{1}(X,p(z_{0}))} . By definition of p ∗ {\displaystyle p*} , this means that p ′ ( γ ) {\displaystyle p'(\gamma )} is homotopic in X {\displaystyle X} to the constant path at p ( z 0 ) {\displaystyle p(z_{0})} . So suppose F : I × I → X {\displaystyle F:I\times I\rightarrow X} is such a homotopy: the trick is to use the homotopy lifting theorem (above) to 'lift' F {\displaystyle F} to F ′ {\displaystyle F'} , a homotopy in Z {\displaystyle Z} from γ {\displaystyle \gamma } to the constant path at z 0 {\displaystyle z_{0}} . (Again, one should check the details of this!) Since such a homotopy F ′ {\displaystyle F'} exists, this shows that the homotopy class [ γ ] {\displaystyle [\gamma ]} is the identity element of π 1 ( Z , z 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(Z,z_{0})} . So the only element in the kernel of p ∗ {\displaystyle p*} is the identity element of π 1 ( Z , z 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(Z,z_{0})} , so p ∗ {\displaystyle p*} is injective, as required. ◻ {\displaystyle \square }
讓我們花點時間思考一下這個結果的意義。群的單射同態 G → H {\displaystyle G\rightarrow H} 本質上等同於一個子群 G H ⊂ H {\displaystyle G_{H}\subset H} ,因此定理告訴我們的一點是,對於給定的空間 X {\displaystyle X} ,其可能的覆蓋空間存在一個重要的限制: Z {\displaystyle Z} 只有當 π 1 ( Z ) {\displaystyle \pi _{1}(Z)} 是 π 1 ( X ) {\displaystyle \pi _{1}(X)} 的子群時,才能成為 X {\displaystyle X} 的覆蓋空間。 這直接排除了許多對映成為覆蓋對映的可能性。 例如,不存在從圓 S 1 {\displaystyle S^{1}} 到實數線 R {\displaystyle \mathbb {R} } 的覆蓋對映,因為圓的基團與整數同構,正如我們上面所見,而實數線的基團是平凡的(為什麼?)。 同樣地,不存在從環面 S 1 × S 1 {\displaystyle S^{1}\times S^{1}} 到二維球面 S 2 {\displaystyle S^{2}} 的覆蓋對映,後者的基團是平凡的,而前者的基團是 Z 2 {\displaystyle \mathbb {Z} ^{2}} (兩個整數副本的直和)。 等等,無窮無盡。
我認為,後一個例子特別好,因為它表明,透過檢視空間的代數不變式(在本例中,是基團),而不是我們對空間本身的幾何“心理影像”,可以大大簡化關於空間之間特定型別對映的存在或形式的論證。 你能給出簡單的幾何論證來證明,不可能將 S 2 {\displaystyle S^{2}} 繞著環面“包裹”起來,使得每個點都被覆蓋相同的次數? 你能對三維球面 S 3 {\displaystyle S^{3}} 做同樣的事情嗎? 對於 S n {\displaystyle S^{n}} 呢?(如果是這樣,我向你致敬。)
示例: 現在讓我們來看一個具體的覆蓋空間,並看看我們上面提到的同態對映 p ∗ {\displaystyle p*} 在具體情況下究竟是什麼 。把圓 S 1 {\displaystyle S^{1}} 視為複平面上的單位圓: s 1 = { z ∈ C : | z | = 1 } {\displaystyle s^{1}=\{z\in \mathbb {C} :|z|=1\}} 。然後我們可以定義一個連續對映 p : S 1 → S 1 {\displaystyle p:S^{1}\rightarrow S^{1}} ,透過 p ( z ) = z 2 {\displaystyle p(z)=z^{2}} 。
我認為 p {\displaystyle p} 是一個覆蓋對映。要看清這一點,想象一個點 e i θ {\displaystyle e^{i\theta }} 屬於 S 1 {\displaystyle S^{1}} (其中 0 ≤ θ < 2 π {\displaystyle 0\leq \theta <2\pi } )。不難看出,正好有兩個點 z ′ ∈ S 1 {\displaystyle z'\in S^{1}} 使得 p(z') = z;此外,如果我們看一個圍繞 z {\displaystyle z} 的“足夠小”的圓弧,它在 p {\displaystyle p} 下的原像將由兩個不相交的圓弧組成,每個圓弧包含 z {\displaystyle z} 的兩個原像之一,並且每個圓弧在 p {\displaystyle p} 的作用下同胚對映到我們最初的圓弧上。(檢查這些細節!)
所以, p {\displaystyle p} 是一個覆蓋對映,因此上述定理告訴我們 p ∗ {\displaystyle p*} 是從圓的基本群到它自身的群同態。用符號表示,我們有 p ∗ : Z → Z {\displaystyle p^{*}:\mathbb {Z} \rightarrow \mathbb {Z} } 。但是它是什麼?為了回答這個問題,考慮一條路徑 γ {\displaystyle \gamma } 在 S 1 {\displaystyle S^{1}} 中繞原點旋轉一次。正如我們在上一節中看到的,這種路徑的等價類被對映到元素 1 ∈ Z {\displaystyle 1\in \mathbb {Z} } 在同構 π 1 ( S 1 ) ≅ Z {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})\cong \mathbb {Z} } 下。現在,要算出 p ∗ [ γ ] {\displaystyle p*[\gamma ]} ,我們檢視路徑 p ⋅ γ {\displaystyle p\cdot \gamma } 在 S 1 {\displaystyle S^{1}} 中的等價類(這只是 p ∗ {\displaystyle p*} 的定義)。很容易檢查(自己試試!) p ⋅ γ {\displaystyle p\cdot \gamma } 是一條在 S 1 {\displaystyle S^{1}} 中繞原點旋轉兩次的路徑,因此它的等價類是 [ γ ] ∗ [ γ ] {\displaystyle [\gamma ]*[\gamma ]} 。所以我們有 p ∗ ( [ γ ] ) = [ γ ] ∗ [ γ ] {\displaystyle p*([\gamma ])=[\gamma ]*[\gamma ]} 。將 π 1 ( S 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})} 看作整數群,我們有 p ∗ ( 1 ) = 2 {\displaystyle p*(1)=2} 。所以 p ∗ : Z → Z {\displaystyle p^{*}:\mathbb {Z} \rightarrow \mathbb {Z} } 只是倍增對映!
當然,引入覆蓋空間之類的概念很好,但除非我們的新概念在某種程度上被證明有用,否則不會有什麼作用。覆蓋空間確實在很多方面被證明有用,但希望以下示例足以說明這一點。
定理(Nielsen-Schreier): 自由群的任何子群都是自由的。
證明(概要): 查閱維基百科以獲得對“自由群”的嚴格定義:大致來說,它是一個非平凡元素組合不等於單位元的群。現在,證明策略如下
1) 給定一個自由群 F {\displaystyle F} ,找到一個圖 X {\displaystyle X} 使得 π 1 ( X ) = F {\displaystyle \pi _{1}(X)=F} 。(注意:一個圖 是一個拓撲空間,它由一組離散點組成,這些點連線著一族線段。請再次參考維基百科以瞭解嚴格定義。)
2) 證明對於一個空間 X {\displaystyle X} 和一個子群 H < π 1 ( X ) {\displaystyle H<\pi _{1}(X)} ,存在一個 X {\displaystyle X} 的覆蓋空間 Z {\displaystyle Z} ,使得 π 1 ( Z ) = H {\displaystyle \pi _{1}(Z)=H} 。
3) 證明任何圖的覆蓋空間本身也是一個圖。
4) 證明圖的基本群是一個自由群。
定理:設 f 是一個在複數 C {\displaystyle \mathbb {C} } 上具有係數的非零多項式。那麼該多項式在 C {\displaystyle \mathbb {C} } 中存在一個根。用代數語言來說,複數集 C {\displaystyle \mathbb {C} } 是代數閉的。
Suppose that p ∈ C [ z ] {\displaystyle p\in \mathbb {C} [z]} has no roots in C {\displaystyle \mathbb {C} } . Without loss of generality, we may assume p {\displaystyle p} is monic (if not, then make an appropriate change of variables), and thus we write p ( z ) = z n + ∑ i = 1 n a i z n − i {\displaystyle p(z)=z^{n}+\sum _{i=1}^{n}a_{i}z^{n-i}} . Given q ∈ C [ z ] {\displaystyle q\in \mathbb {C} [z]} with no roots, define a function f q : [ 0 , ∞ ) → Ω ( S 1 , 1 ) {\displaystyle f_{q}:[0,\infty )\rightarrow \Omega (S^{1},1)} by f q ( r ) ( s ) = q ( r exp ( 2 π i s ) ) / q ( r ) | q ( r exp ( 2 π ) i s ) / q ( r ) | . {\displaystyle {\begin{aligned}f_{q}(r)(s)={\frac {q(r\exp(2\pi is))/q(r)}{\vert q(r\exp(2\pi )is)/q(r)\vert }}.\end{aligned}}} It is readily checked that f q ( r ) {\displaystyle f_{q}(r)} is a well defined loop in S 1 {\displaystyle S^{1}} for all choices of r {\displaystyle r} . Given any r ′ ∈ [ 0 , ∞ ) {\displaystyle r^{\prime }\in [0,\infty )} , we may construct a path homotopy H r ′ : I × I → S 1 {\displaystyle H_{r^{\prime }}:I\times I\rightarrow S^{1}} from f p ( 0 ) {\displaystyle f_{p}(0)} to f p ( r ′ ) {\displaystyle f_{p}(r^{\prime })} by H r ′ ( s , t ) = f p ( t r ) ( s ) {\displaystyle H_{r^{\prime }}(s,t)=f_{p}(tr)(s)} . But f p ( 0 ) {\displaystyle f_{p}(0)} is the constant loop at 1 ∈ S 1 {\displaystyle 1\in S^{1}} , so f p ( r ) {\displaystyle f_{p}(r)} is null-homotopic for all r {\displaystyle r} .
現在我們證明,對於 r {\displaystyle r} 的特定選擇, f p ( r ) {\displaystyle f_{p}(r)} 與迴圈 ω n : I → S 1 {\displaystyle \omega _{n}:I\rightarrow S^{1}} 同倫,其中 ω n ( s ) = exp ( 2 π i n s ) {\displaystyle \omega _{n}(s)=\exp(2\pi ins)} , n {\displaystyle n} 是 p {\displaystyle p} 的次數。由於 ω := ω 1 {\displaystyle \omega :=\omega _{1}} 是 π 1 ( S 1 , 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(S^{1},1)} 的生成元, ω n {\displaystyle \omega _{n}} 與 ω n {\displaystyle \omega ^{n}} 道路同倫,並且我們已經知道 f p ( r ) {\displaystyle f_{p}(r)} 是零同倫的,這將意味著 n = 0 {\displaystyle n=0} ,因此 p {\displaystyle p} 是一個常數多項式。
為此,固定 r 0 > max { 1 , ∑ i = 1 n | a i | } {\displaystyle r_{0}>\max \lbrace 1,\sum _{i=1}^{n}\vert a_{i}\vert \rbrace } ,並令 C {\displaystyle C} 為複平面中半徑為 r 0 {\displaystyle r_{0}} 的圓。對於所有 z ∈ C {\displaystyle z\in C} 和所有 t ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle t\in [0,1]} ,我們有 | z n | > | z n − 1 | ∑ i = 1 n | a i | > ∑ i = 1 n | a i z n − i | ≥ | ∑ i = 1 n a i z n − i | ≥ t | ∑ i = 1 n a i z n − i | . {\displaystyle {\begin{aligned}\vert z^{n}\vert >&\vert z^{n-1}\vert \sum _{i=1}^{n}\vert a_{i}\vert \\>&\sum _{i=1}^{n}\vert a_{i}z^{n-i}\vert \\\geq &\left\vert \sum _{i=1}^{n}a_{i}z^{n-i}\right\vert \\\geq &t\left\vert \sum _{i=1}^{n}a_{i}z^{n-i}\right\vert .\\\end{aligned}}}
這意味著對於所有 t ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle t\in [0,1]} ,多項式 p t ( z ) := z n + t ∑ i = 1 n a i z n − i {\displaystyle p_{t}(z):=z^{n}+t\sum _{i=1}^{n}a_{i}z^{n-i}} 在 C {\displaystyle C} 上沒有根,因為如果有,這意味著 | z n | = | t | | ∑ i = 1 n a i z n − i | {\displaystyle \vert z^{n}\vert =\vert t\vert \left\vert \sum _{i=1}^{n}a_{i}z^{n-i}\right\vert } ,這與上述(嚴格)不等式矛盾。現在定義 J : I × I → S 1 {\displaystyle J:I\times I\rightarrow S^{1}} 為 J ( s , t ) = f p t ( s ) {\displaystyle J(s,t)=f_{p_{t}}(s)} 。很容易驗證 J {\displaystyle J} 是從 ω n {\displaystyle \omega _{n}} 到 f p ( r 0 ) {\displaystyle f_{p}(r_{0})} 的路徑同倫,我們已經證明了它是零同倫的。因此 n = 0 {\displaystyle n=0} ,證明完畢。