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拓扑学/基本群

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拓扑学
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基本群的基本概念

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环面
球面

理解基本群概念的一种简单方法是从一个具体的例子开始。让我们考虑二维球面 和环面的表面。

让我们开始考虑环面上的两种类型的回路(起点和终点相同的路径)。似乎绕环面“臂”的路径与“局部”简单回路有本质区别:一个不能变形为另一个。另一方面,在球面上,似乎所有的回路都可以变形为任何其他回路。这两个空间中的“回路类型”集合是不同的:环面似乎比球面表面具有更丰富的“回路类型”集合。这种类型的思路构成了基本群定义的基础,并解释了不同类型的拓扑空间之间的本质区别。基本群使这个想法在数学上变得严格。

基本群的定义

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定义: 为拓扑空间,并令 中的点。那么,两条路径 被认为是等价的,如果存在一个同伦 使得对于任何 都是从 的路径。很容易验证这是一种等价关系。

定义: 定义路径的组合 ,然后 ,仅仅是与路径连通性部分中相同的路径拼接。

我们将用 表示两条路径 的组合。

定义: 为一条路径。将反向路径(不要与反函数混淆)定义为 ,即反向的路径。

定义: 为一个拓扑空间,令 中的一个点。然后定义 为常数路径 ,其中

现在考虑路径的等价类集合。定义两个等价类的合成是任何两个路径的合成的等价类。定义一个等价类的逆是该等价类中任何路径的逆的等价类。定义 为包含 的等价类。

我们可以很容易地检查这些操作是否定义良好。

现在,在基本群中,我们将使用循环。因此,我们定义循环的等价性、合成和逆与路径的定义相同,等价类的合成和逆也相同。

定义: 基点 的循环等价类集合,在连接路径的操作下是一个群。这个群叫做 在基点 基本群

为了证明这是一个群,我们需要证明

1) 结合律:;

2) 单位元:;

3) 逆元:.

1) 很明显,当您从 有路径,然后从 有路径,最后从 有路径,则从 路径的拼接,与从 然后从 拼接得到的路径相同。

事实上,关于 的明确同伦可以由以下公式给出

.

2) 是单位元。可以很容易地验证这个常数回路与另一个回路的乘积与原回路同伦。

3) 之前定义的等价关系的逆元作为群中的逆元。两个路径的组合 简化为常数路径,可以通过以下同伦轻松验证

基点的依赖性

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我们现在有了我们的基本群,但了解基本群如何依赖于基点会很有趣,因为根据我们的定义,基本群依赖于基点。然而,由于在任何路径连通的拓扑空间中,其所有基本群都同构的非常重要的定理,我们能够对任何路径连通的拓扑空间谈论拓扑空间的基本群

让我们取同一个路径连通分量的 中。在这种情况下,可以找到 之间的关系。令 是从 的路径,并且 是从 返回到 的路径。由 定义的映射 是一个同构。因此,如果 是路径连通的,则群 与基点 的选择无关,最多相差一个同构。

当一个拓扑空间的所有基本群都同构时,记号 可以简写为


定义:如果一个拓扑空间 是路径连通的并且具有平凡基本群,则称它为单连通。

圆周 的基本群

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本节致力于计算圆周 的基本群,可以将其视为复拓扑空间的一部分。我们再次可以从直观的方法开始。

很容易想象绕圆周的一圈路径与平凡路径不同伦。同样很容易想象绕两圈的路径与绕一圈的路径不同伦。直观的感觉似乎是 的基本群与圈数有关。然而, 的严格计算涉及一些困难。

我们定义 。可以证明以下结果


引理 1: 为一条路径。则存在 使得 。此外,如果 ,则 是唯一的,称为 的 **提升**。


引理 2: 是一个以起点 的路径的同伦。设 。则存在唯一的同伦 是以起点 的路径的同伦,使得


注意: 这些引理保证了同伦的环路有同伦的提升。

更多信息请参阅 维基百科


定理:.

证明: 是一个以 为基点的环路,且 。设 ,并定义

此应用的良好定义源于在 定义的同伦环具有同伦提升。我们有 。因此, 对于某个 。因此,.

1) 是满射的。对于 ,我们定义环 。然后我们有 以及

2) 是单射。设 。那么,。然后我们有 之间的同伦,或者

3) 是同态。我们想证明 。考虑

.

是一个整数,且 。然后我们有,

我们可以注意到,所有循环都与 同伦,其中 ,或者换句话说,所有循环,在同伦意义下,都是绕圈一定次数。

我们可以通过以下方案来理解这个证明:

覆盖空间和基本群

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研究基本群的一个最有用的工具是覆盖空间。直观地说,给定空间 的覆盖空间是一个“看起来像” 的不相交并集在 中任何一点的足够小的邻域中,但不一定在全局上。

本节将正式定义覆盖空间,陈述覆盖空间的重要提升定理,然后说明它们对基本群的影响。


定义:假设 是一个拓扑空间。如果我们给定一个连续映射 ,并具有以下性质:对于任何 ,存在一个开邻域 ,使得

(i) 中开子集的不相交并集

(ii) 对这些开子集的任何一个 的限制是 到 U 的同胚。


毫不奇怪,我们称 覆盖映射


示例: 事实上,我们已经看到了覆盖空间的一个例子。在计算 时,我们隐式地利用了实数线 的覆盖空间的事实。映射 是覆盖映射。我们如何检验这一点?回想一下 当且仅当差值 是一个整数。所以,假设我们给定一个点 。令 - 也就是说,包含整个圆圈除 的对映点之外的所有点的集合。那么经过一番思考就会发现,如果 ,我们有 。换句话说, 的原像包含整个实数线,除了每个点 处的“洞”。

很明显(画个图!),这个集合是子区间的互不相交的并集,可以检验指数函数将每个子区间同胚映射到 上。所以我们确实有一个覆盖映射。太棒了!

同伦提升

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现在我们来介绍一个定理,它乍一看可能有点深奥,但实际上它使我们能够在覆盖空间上做很多事情。

定理(同伦提升): 假设 是空间 的覆盖映射。令 是从单位 -立方体到 的映射,而 到另一个映射 的同伦。假设(最后一次!) 是一个满足 的映射。那么存在一个唯一的映射 满足以下条件

(i) ;

(ii).


证明相当技术性,但很直接,因此省略了。任何关于代数拓扑的入门书籍都应该会提供它——例如,参见 Armstrong 的“基本拓扑”(施普林格)。乍一看,这相当令人望而生畏,所以让我们举一个具体例子来使其更容易理解。假设 ——那么 只是一个点,因此 只是一个选择 中特定点的函数。因此 可以与其图像,一个点 ,等同。现在,从 到另一个映射的同伦(回顾同伦的定义)只是一个映射 ,使得 ;因此,只不过是 中从 开始的一条路径。定理告诉我们关于覆盖映射 的什么信息?

它说(检查一下!),如果 是一个点,使得 ,并且 中从 开始的一条路径,那么在 中存在一条唯一的路径 ,从 开始,使得 。用更复杂(更宽泛)的术语来说,我们说 中的一条路径有一个唯一的提升到 ,一旦提升的起点被选定。

回顾一下,这个结果——有时被称为路径提升定理——并不那么令人惊讶。将覆盖空间想象成基空间 的“折叠”版本,如图 XXXX 所示。如果我们观察一个小的开集 ,它在 中的原像是一个不交并集,每个开集都与它同胚。如果我们只关注 内的部分,现在很明显,对于每个不交集 ,在 中存在一条唯一的路径,它通过覆盖映射 映射到 。因此,为了指定一个提升,我们只需要选择它所在的 集合(这相当于在 的原像中选择一个点,如上所述)。现在,整个路径 可以分解成一个有限的“链”,这些链由位于像 这样“小”开集内的短路径组成(验证一下!),因此有限归纳法表明整个提升是唯一确定的。

覆盖空间和

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现在我们来谈谈覆盖空间和基本群之间的联系,这是一个非常重要的联系。

定理:给定一个覆盖空间 ,映射 诱导出一个映射 ,这是一个单射(即 1-1)群同态。

证明(概述): 首先,考虑一条路径 中:它是一个连续映射 ,因此我们可以将它与覆盖映射 合成,得到一条路径 中。因此我们得到了一个映射

中的路径。

我们想证明这可以用来定义一个映射

中以 为基点的环的同伦类 中以 为基点的路径的同伦类。

这听起来很复杂,但实际上一点也不复杂:想法是,给定一个同伦 在两个路径 之间 ,组合 是在 中它们图像 之间的同伦。(如果这看起来仍然很模糊,请务必检查细节。)此外,基于 的循环显然映射到基于 的循环。

所以,我们得到了我们想要的映射 ,它将 映射到 我们还需要证明 (a) 它是一个群同态,以及 (b) 它是一个单射。

(a) 很容易。为了证明它,选择 的两个元素。这些是基于循环的同伦类,因此我们可以选择循环来表示它们。我们需要看到的是,如果我们连接这些循环,然后查看此连接在 中的图像,结果与我们首先通过 映射每个循环,然后连接它们所得到的循环是同伦的。说服你自己这是真的。

(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.

让我们花点时间思考一下这个结果的意义。群的单射同态本质上等同于一个子群,因此定理告诉我们的一点是,对于给定的空间,其可能的覆盖空间存在一个重要的限制: 只有当 的子群时,才能成为 的覆盖空间。 这直接排除了许多映射成为覆盖映射的可能性。 例如,不存在从圆 到实数线 的覆盖映射,因为圆的基团与整数同构,正如我们上面所见,而实数线的基团是平凡的(为什么?)。 同样地,不存在从环面 到二维球面 的覆盖映射,后者的基团是平凡的,而前者的基团是(两个整数副本的直和)。 等等,无穷无尽。

我认为,后一个例子特别好,因为它表明,通过查看空间的代数不变式(在本例中,是基团),而不是我们对空间本身的几何“心理图像”,可以大大简化关于空间之间特定类型映射的存在或形式的论证。 你能给出简单的几何论证来证明,不可能将 绕着环面“包裹”起来,使得每个点都被覆盖相同的次数? 你能对三维球面 做同样的事情吗? 对于 呢?(如果是这样,我向你致敬。)

示例: 现在让我们来看一个具体的覆盖空间,并看看我们上面提到的同态映射 在具体情况下究竟是什么。把圆 视为复平面上的单位圆:。然后我们可以定义一个连续映射 ,通过

我认为 是一个覆盖映射。要看清这一点,想象一个点 属于 (其中 )。不难看出,正好有两个点 使得 p(z') = z;此外,如果我们看一个围绕 的“足够小”的圆弧,它在 下的原像将由两个不相交的圆弧组成,每个圆弧包含 的两个原像之一,并且每个圆弧在 的作用下同胚映射到我们最初的圆弧上。(检查这些细节!)

所以, 是一个覆盖映射,因此上述定理告诉我们 是从圆的基本群到它自身的群同态。用符号表示,我们有 。但是它是什么?为了回答这个问题,考虑一条路径 中绕原点旋转一次。正如我们在上一节中看到的,这种路径的等价类被映射到元素 在同构 下。现在,要算出 ,我们查看路径 中的等价类(这只是 的定义)。很容易检查(自己试试!) 是一条在 中绕原点旋转两次的路径,因此它的等价类是 。所以我们有 。将 看作整数群,我们有 。所以 只是倍增映射!

当然,引入覆盖空间之类的概念很好,但除非我们的新概念在某种程度上被证明有用,否则不会有什么作用。覆盖空间确实在很多方面被证明有用,但希望以下示例足以说明这一点。

定理(Nielsen-Schreier):自由群的任何子群都是自由的。

证明(概要):查阅维基百科以获得对“自由群”的严格定义:大致来说,它是一个非平凡元素组合不等于单位元的群。现在,证明策略如下

1) 给定一个自由群 ,找到一个图 使得 。(注意:一个是一个拓扑空间,它由一组离散点组成,这些点连接着一族线段。请再次参考维基百科以了解严格定义。)

2) 证明对于一个空间 和一个子群 ,存在一个 的覆盖空间 ,使得

3) 证明任何图的覆盖空间本身也是一个图。

4) 证明图的基本群是一个自由群。

代数基本定理

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定理:设 f 是一个在复数 上具有系数的非零多项式。那么该多项式在 中存在一个根。用代数语言来说,复数集 是代数闭的。

证明

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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 .

现在我们证明,对于 的特定选择, 与循环 同伦,其中 的次数。由于 的生成元, 道路同伦,并且我们已经知道 是零同伦的,这将意味着 ,因此 是一个常数多项式。

为此,固定 ,并令 为复平面中半径为 的圆。对于所有 和所有 ,我们有

这意味着对于所有 ,多项式 上没有根,因为如果有,这意味着 ,这与上述(严格)不等式矛盾。现在定义 。很容易验证 是从 的路径同伦,我们已经证明了它是零同伦的。因此 ,证明完毕。


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