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拓撲學/基本群

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拓撲學
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基本群的基本概念

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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 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。

基本群的定義

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定義: 為拓撲空間,並令 中的點。那麼,兩條路徑 被認為是等價的,如果存在一個同倫 使得對於任何 都是從 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 ,然後 ,僅僅是與路徑連通性部分中相同的路徑拼接。

我們將用 表示兩條路徑 的組合。

定義: 為一條路徑。將反向路徑(不要與反函式混淆)定義為 ,即反向的路徑。

定義: 為一個拓撲空間,令 中的一個點。然後定義 為常數路徑 ,其中

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 為包含 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 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 在基點 基本群

為了證明這是一個群,我們需要證明

1) 結合律:;

2) 單位元:;

3) 逆元:.

1) 很明顯,當您從 有路徑,然後從 有路徑,最後從 有路徑,則從 路徑的拼接,與從 然後從 拼接得到的路徑相同。

事實上,關於 的明確同倫可以由以下公式給出

.

2) 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 簡化為常數路徑,可以透過以下同倫輕鬆驗證

基點的依賴性

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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 中。在這種情況下,可以找到 之間的關係。令 是從 的路徑,並且 是從 返回到 的路徑。由 定義的對映 是一個同構。因此,如果 是路徑連通的,則群 與基點 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 可以簡寫為


定義:如果一個拓撲空間 是路徑連通的並且具有平凡基本群,則稱它為單連通。

圓周 的基本群

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本節致力於計算圓周 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 的基本群與圈數有關。然而, 的嚴格計算涉及一些困難。

我們定義 。可以證明以下結果


引理 1: 為一條路徑。則存在 使得 。此外,如果 ,則 是唯一的,稱為 的 **提升**。


引理 2: 是一個以起點 的路徑的同倫。設 。則存在唯一的同倫 是以起點 的路徑的同倫,使得


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:.

證明: 是一個以 為基點的環路,且 。設 ,並定義

此應用的良好定義源於在 定義的同倫環具有同倫提升。我們有 。因此, 對於某個 。因此,.

1) 是滿射的。對於 ,我們定義環 。然後我們有 以及

2) 是單射。設 。那麼,。然後我們有 之間的同倫,或者

3) 是同態。我們想證明 。考慮

.

是一個整數,且 。然後我們有,

我們可以注意到,所有迴圈都與 同倫,其中 ,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:

覆蓋空間和基本群

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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 的覆蓋空間是一個“看起來像” 的不相交併集在 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 是一個拓撲空間。如果我們給定一個連續對映 ,並具有以下性質:對於任何 ,存在一個開鄰域 ,使得

(i) 中開子集的不相交併集

(ii) 對這些開子集的任何一個 的限制是 到 U 的同胚。


毫不奇怪,我們稱 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 時,我們隱式地利用了實數線 的覆蓋空間的事實。對映 是覆蓋對映。我們如何檢驗這一點?回想一下 當且僅當差值 是一個整數。所以,假設我們給定一個點 。令 - 也就是說,包含整個圓圈除 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 ,我們有 。換句話說, 的原像包含整個實數線,除了每個點 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 上。所以我們確實有一個覆蓋對映。太棒了!

同倫提升

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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 是空間 的覆蓋對映。令 是從單位 -立方體到 的對映,而 到另一個對映 的同倫。假設(最後一次!) 是一個滿足 的對映。那麼存在一個唯一的對映 滿足以下條件

(i) ;

(ii).


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 ——那麼 只是一個點,因此 只是一個選擇 中特定點的函式。因此 可以與其影像,一個點 ,等同。現在,從 到另一個對映的同倫(回顧同倫的定義)只是一個對映 ,使得 ;因此,只不過是 中從 開始的一條路徑。定理告訴我們關於覆蓋對映 的什麼資訊?

它說(檢查一下!),如果 是一個點,使得 ,並且 中從 開始的一條路徑,那麼在 中存在一條唯一的路徑 ,從 開始,使得 。用更復雜(更寬泛)的術語來說,我們說 中的一條路徑有一個唯一的提升到 ,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 的“摺疊”版本,如圖 XXXX 所示。如果我們觀察一個小的開集 ,它在 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 內的部分,現在很明顯,對於每個不交集 ,在 中存在一條唯一的路徑,它透過覆蓋對映 對映到 。因此,為了指定一個提升,我們只需要選擇它所在的 集合(這相當於在 的原像中選擇一個點,如上所述)。現在,整個路徑 可以分解成一個有限的“鏈”,這些鏈由位於像 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。

覆蓋空間和

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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 ,對映 誘匯出一個對映 ,這是一個單射(即 1-1)群同態。

證明(概述): 首先,考慮一條路徑 中:它是一個連續對映 ,因此我們可以將它與覆蓋對映 合成,得到一條路徑 中。因此我們得到了一個對映

中的路徑。

我們想證明這可以用來定義一個對映

中以 為基點的環的同倫類 中以 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 在兩個路徑 之間 ,組合 是在 中它們影像 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 的迴圈顯然對映到基於 的迴圈。

所以,我們得到了我們想要的對映 ,它將 對映到 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 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 中的影像,結果與我們首先透過 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 described above consists just of the identity element of . So, suppose we have a path representing an element in the kernel: so is the identity of . By definition of , this means that is homotopic in to the constant path at . So suppose is such a homotopy: the trick is to use the homotopy lifting theorem (above) to 'lift' to , a homotopy in from to the constant path at . (Again, one should check the details of this!) Since such a homotopy exists, this shows that the homotopy class is the identity element of . So the only element in the kernel of is the identity element of , so is injective, as required.

讓我們花點時間思考一下這個結果的意義。群的單射同態本質上等同於一個子群,因此定理告訴我們的一點是,對於給定的空間,其可能的覆蓋空間存在一個重要的限制: 只有當 的子群時,才能成為 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 到實數線 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 到二維球面 的覆蓋對映,後者的基團是平凡的,而前者的基團是(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 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 做同樣的事情嗎? 對於 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 在具體情況下究竟是什麼。把圓 視為複平面上的單位圓:。然後我們可以定義一個連續對映 ,透過

我認為 是一個覆蓋對映。要看清這一點,想象一個點 屬於 (其中 )。不難看出,正好有兩個點 使得 p(z') = z;此外,如果我們看一個圍繞 的“足夠小”的圓弧,它在 下的原像將由兩個不相交的圓弧組成,每個圓弧包含 的兩個原像之一,並且每個圓弧在 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, 是一個覆蓋對映,因此上述定理告訴我們 是從圓的基本群到它自身的群同態。用符號表示,我們有 。但是它是什麼?為了回答這個問題,考慮一條路徑 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 在同構 下。現在,要算出 ,我們檢視路徑 中的等價類(這只是 的定義)。很容易檢查(自己試試!) 是一條在 中繞原點旋轉兩次的路徑,因此它的等價類是 。所以我們有 。將 看作整數群,我們有 。所以 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 ,找到一個圖 使得 。(注意:一個是一個拓撲空間,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 和一個子群 ,存在一個 的覆蓋空間 ,使得

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。

代數基本定理

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定理:設 f 是一個在複數 上具有係數的非零多項式。那麼該多項式在 中存在一個根。用代數語言來說,複數集 是代數閉的。

證明

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Suppose that has no roots in . Without loss of generality, we may assume is monic (if not, then make an appropriate change of variables), and thus we write . Given with no roots, define a function by It is readily checked that is a well defined loop in for all choices of . Given any , we may construct a path homotopy from to by . But is the constant loop at , so is null-homotopic for all .

現在我們證明,對於 的特定選擇, 與迴圈 同倫,其中 的次數。由於 的生成元, 道路同倫,並且我們已經知道 是零同倫的,這將意味著 ,因此 是一個常數多項式。

為此,固定 ,並令 為複平面中半徑為 的圓。對於所有 和所有 ,我們有

這意味著對於所有 ,多項式 上沒有根,因為如果有,這意味著 ,這與上述(嚴格)不等式矛盾。現在定義 。很容易驗證 是從 的路徑同倫,我們已經證明了它是零同倫的。因此 ,證明完畢。


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