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 S 2 {\displaystyle S^{2}} 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。
定义: 令 X {\displaystyle X} 为拓扑空间,并令 p {\displaystyle p} 和 q {\displaystyle q} 为 X {\displaystyle X} 中的点。那么,两条路径 f : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle f:[0,1]\rightarrow X} 和 g : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle g:[0,1]\rightarrow X} 被认为是等价的,如果存在一个同伦 H : [ 0 , 1 ] 2 → X {\displaystyle H:[0,1]^{2}\rightarrow X} 使得对于任何 a ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle a\in [0,1]} , H ( x , a ) {\displaystyle H(x,a)} 都是从 p {\displaystyle p} 到 q {\displaystyle q} 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 f 1 {\displaystyle f_{1}} 从 x {\displaystyle x} 到 y {\displaystyle y} ,然后 f 2 {\displaystyle f_{2}} 从 y {\displaystyle y} 到 z {\displaystyle z} ,仅仅是与路径连通性部分中相同的路径拼接。
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.}
我们将用 f ( x ) ∗ g ( x ) {\displaystyle f(x)*g(x)} 表示两条路径 f ( x ) {\displaystyle f(x)} 和 g ( x ) {\displaystyle g(x)} 的组合。
定义: 令 f : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle f:[0,1]\rightarrow X} 为一条路径。将反向路径(不要与反函数混淆)定义为 f − 1 ( x ) = f ( 1 − x ) {\displaystyle f^{-1}(x)=f(1-x)} ,即反向的路径。
定义: 令 X {\displaystyle X} 为一个拓扑空间,令 p {\displaystyle p} 为 X {\displaystyle X} 中的一个点。然后定义 C p {\displaystyle C_{p}} 为常数路径 f : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle f:[0,1]\rightarrow X} ,其中 f ( x ) = p {\displaystyle f(x)=p} 。
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 [ C p ] {\displaystyle [C_{p}]} 为包含 C p {\displaystyle C_{p}} 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 x 0 {\displaystyle x_{0}} 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 X {\displaystyle X} 在基点 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的基本群 。
为了证明这是一个群,我们需要证明
1) 结合律: [ α ] ∗ ( [ β ] ∗ [ γ ] ) = ( [ α ] ∗ [ β ] ) ∗ [ γ ] {\displaystyle [\alpha ]*([\beta ]*[\gamma ])=([\alpha ]*[\beta ])*[\gamma ]} ;
2) 单位元: [ 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) 很明显,当您从 a {\displaystyle a} 到 b {\displaystyle b} 有路径,然后从 b {\displaystyle b} 到 c {\displaystyle c} 有路径,最后从 c {\displaystyle c} 到 d {\displaystyle d} 有路径,则从 a {\displaystyle a} 到 b {\displaystyle b} 和 b {\displaystyle b} 到 d {\displaystyle d} 路径的拼接,与从 a {\displaystyle a} 到 c {\displaystyle c} 然后从 c {\displaystyle c} 到 d {\displaystyle d} 拼接得到的路径相同。
事实上,关于 [ α ] ∗ ( [ β ] ∗ [ γ ] ) {\displaystyle [\alpha ]*([\beta ]*[\gamma ])} 和 ( [ α ] ∗ [ β ] ) ∗ [ γ ] {\displaystyle ([\alpha ]*[\beta ])*[\gamma ]} 的明确同伦可以由以下公式给出
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 f ( x ) {\displaystyle f(x)} 和 f − 1 ( x ) {\displaystyle f^{-1}(x)} 简化为常数路径,可以通过以下同伦轻松验证
h ( x , y ) = f ( x y ) ∗ f − 1 ( x y ) {\displaystyle h(x,y)=f(xy)*f^{-1}(xy)}
◻ {\displaystyle \Box }
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 x 0 , x 1 ∈ X {\displaystyle x_{0},x_{1}\in X} 在 X {\displaystyle X} 中。在这种情况下,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})} 之间的关系。令 h : [ 0 , 1 ] → X {\displaystyle h:\left[0,1\right]\to X} 是从 x 0 {\displaystyle x_{0}} 到 x 1 {\displaystyle x_{1}} 的路径,并且 h ¯ ( s ) = 1 − s {\displaystyle {\overline {h}}(s)=1-s} 是从 x 1 {\displaystyle x_{1}} 返回到 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的路径。由 β h [ f ] = [ h f h ¯ ] {\displaystyle \beta _{h}[f]=[hf{\overline {h}}]} 定义的映射 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})} 是一个同构。因此,如果 X {\displaystyle X} 是路径连通的,则群 π 1 ( X , x 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})} 与基点 x 0 {\displaystyle x_{0}} 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 π 1 ( X , x 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})} 可以简写为 π 1 ( X ) {\displaystyle \pi _{1}(X)} 。
定义: 如果一个拓扑空间 X {\displaystyle X} 是路径连通的并且具有平凡基本群,则称它为单连通。
圆周 S 1 {\displaystyle S^{1}} 的基本群[ 编辑 | 编辑源代码 ]
本节致力于计算圆周 S 1 {\displaystyle S^{1}} 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 S 1 {\displaystyle S^{1}} 的基本群与圈数有关。然而, π 1 ( S 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})} 的严格计算涉及一些困难。
我们定义 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}} 。可以证明以下结果
引理 1: 设 f : [ 0 , 1 ] → S 1 ⊂ C {\displaystyle f:\left[0,1\right]\to S^{1}\subset \mathbb {C} } 为一条路径。则存在 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})} ,则 f ¯ {\displaystyle {\overline {f}}} 是唯一的,称为 f {\displaystyle f} 的 **提升**。
引理 2: 设 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} } 是一个以起点 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的路径的同伦。设 z 0 ∈ p − 1 ( x 0 ) {\displaystyle z_{0}\in p^{-1}(x_{0})} 。则存在唯一的同伦 F ¯ : [ 0 , 1 ] × [ 0 , 1 ] → R {\displaystyle {\overline {F}}:\left[0,1\right]\times \left[0,1\right]\to \mathbb {R} } 是以起点 z 0 {\displaystyle z_{0}} 的路径的同伦,使得 p ∘ F ¯ = F {\displaystyle p\circ {\overline {F}}=F} 。
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: π 1 ( S 1 , ( 1 , 0 ) ) ≃ Z {\displaystyle \pi _{1}(S^{1},(1,0))\simeq \mathbb {Z} } .
证明: 设 α {\displaystyle \alpha } 是一个以 ( 1 , 0 ) {\displaystyle (1,0)} 为基点的环路,且 [ α ] ∈ π 1 ( S 1 , ( 1 , 0 ) ) {\displaystyle [\alpha ]\in \pi _{1}(S^{1},(1,0))} 。设 z 0 = 0 {\displaystyle z_{0}=0} ,并定义
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).}
此应用的良好定义源于在 [ 0 , 1 ] {\displaystyle \left[0,1\right]} 到 S 1 {\displaystyle S^{1}} 定义的同伦环具有同伦提升。我们有 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} 对于某个 k ∈ Z {\displaystyle k\in \mathbb {Z} } 。因此, v ( [ α ] ) ∈ Z {\displaystyle v([\alpha ])\in \mathbb {Z} } .
1) v {\displaystyle v} 是满射的。对于 N ∈ Z {\displaystyle N\in \mathbb {Z} } ,我们定义环 α N ( t ) = e 2 i π N t {\displaystyle \alpha _{N}(t)=e^{2i\pi Nt}} 。然后我们有 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} 是单射。设 v ( [ α ] ) = v ( [ β ] ) {\displaystyle v([\alpha ])=v([\beta ])} 。那么, ( α ¯ ( 1 ) = β ¯ ( 1 ) ) ∧ ( α ¯ ( 0 ) = β ¯ ( 0 ) = 0 ) {\displaystyle ({\overline {\alpha }}(1)={\overline {\beta }}(1))\land ({\overline {\alpha }}(0)={\overline {\beta }}(0)=0)} 。然后我们有 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 } 之间的同伦,或者 [ α ] = [ β ] {\displaystyle [\alpha ]=[\beta ]} ;
3) v {\displaystyle v} 是同态。我们想证明 v ( [ α ] ∗ [ β ] ) = v ( [ α ] + v ( [ β ] {\displaystyle v([\alpha ]*[\beta ])=v([\alpha ]+v([\beta ]} 。考虑
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)} 是一个整数,且 p ∘ γ = α ∗ β {\displaystyle p\circ \gamma =\alpha *\beta } 。然后我们有, 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 ])}
我们可以注意到,所有循环都与 α N ( t ) = e 2 i π N t {\displaystyle \alpha _{N}(t)=e^{2i\pi Nt}} 同伦,其中 N ∈ Z {\displaystyle N\in \mathbb {Z} } ,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:
◻ {\displaystyle \Box }
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 X {\displaystyle X} 的覆盖空间是一个“看起来像” X {\displaystyle X} 的不相交并集在 X {\displaystyle X} 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 X {\displaystyle X} 是一个拓扑空间。如果我们给定一个连续映射 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} ,并具有以下性质:对于任何 x ∈ X {\displaystyle x\in X} ,存在一个开邻域 U ∋ x {\displaystyle U\ni x} ,使得
(i) p − 1 ( U ) {\displaystyle p^{-1}(U)} 是 Z {\displaystyle Z} 中开子集的不相交并集 ∐ α ∈ A V α {\displaystyle \coprod _{\alpha \in A}V_{\alpha }} ;
(ii) p {\displaystyle p} 对这些开子集的任何一个 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 的限制是 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 到 U 的同胚。
毫不奇怪,我们称 p {\displaystyle p} 为覆盖映射 。
示例: 事实上,我们已经看到了覆盖空间的一个例子。在计算 π 1 ( S 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})} 时,我们隐式地利用了实数线 R {\displaystyle \mathbb {R} } 是 S 1 {\displaystyle S^{1}} 的覆盖空间的事实。映射 p : R → S 1 , t ↦ e 2 π i t {\displaystyle p:\mathbb {R} \rightarrow S^{1},t\mapsto e^{2\pi it}} 是覆盖映射。我们如何检验这一点?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}}} 当且仅当差值 t 1 − t 2 {\displaystyle t_{1}-t_{2}} 是一个整数。所以,假设我们给定一个点 x ∈ S 1 {\displaystyle x\in S^{1}} 。令 U x = S 1 − { − x } {\displaystyle U_{x}=S^{1}-\{-x\}} - 也就是说,包含整个圆圈除 x {\displaystyle x} 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 A r g ( x ) = t x {\displaystyle Arg(x)=t_{x}} ,我们有 p − 1 ( U ) = R − { t x + Z } {\displaystyle p^{-1}(U)=\mathbb {R} -\{t_{x}+\mathbb {Z} \}} 。换句话说, U {\displaystyle U} 的原像包含整个实数线,除了每个点 t x + n , n ∈ Z {\displaystyle t_{x}+n,n\in \mathbb {Z} } 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 U x {\displaystyle U_{x}} 上。所以我们确实有一个覆盖映射。太棒了! ◻ {\displaystyle \square }
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 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} 是空间 X {\displaystyle X} 的覆盖映射。令 f : I n → X {\displaystyle f:I^{n}\rightarrow X} 是从单位 n {\displaystyle n} -立方体到 X {\displaystyle X} 的映射,而 F : I n + 1 → X {\displaystyle F:I^{n+1}\rightarrow X} 是 f {\displaystyle f} 到另一个映射 f ′ : I n → X {\displaystyle f':I^{n}\rightarrow X} 的同伦。假设(最后一次!) ϕ : I n → Z {\displaystyle \phi :I^{n}\rightarrow Z} 是一个满足 p ⋅ ϕ = f {\displaystyle p\cdot \phi =f} 的映射。那么存在一个唯一的映射 Φ : I n + 1 → Z {\displaystyle \Phi :I^{n+1}\rightarrow Z} 满足以下条件
(i) Φ | I n = ϕ {\displaystyle \Phi |_{I^{n}}=\phi } ;
(ii) p ⋅ Φ = F {\displaystyle p\cdot \Phi =F} . ◻ {\displaystyle \square }
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 n = 0 {\displaystyle n=0} ——那么 I n {\displaystyle I^{n}} 只是一个点,因此 f : I n → X {\displaystyle f:I^{n}\rightarrow X} 只是一个选择 X {\displaystyle X} 中特定点的函数。因此 f {\displaystyle f} 可以与其图像,一个点 x 0 ∈ X {\displaystyle x_{0}\in X} ,等同。现在,从 f {\displaystyle f} 到另一个映射的同伦(回顾同伦的定义)只是一个映射 F : I → X {\displaystyle F:I\rightarrow X} ,使得 F ( 0 ) = x 0 {\displaystyle F(0)=x_{0}} ;因此,只不过是 X {\displaystyle X} 中从 x 0 {\displaystyle x_{0}} 开始的一条路径。定理告诉我们关于覆盖映射 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} 的什么信息?
它说(检查一下!),如果 z 0 ∈ Z {\displaystyle z_{0}\in Z} 是一个点,使得 p ( z 0 ) = x 0 {\displaystyle p(z_{0})=x_{0}} ,并且 γ {\displaystyle \gamma } 是 X {\displaystyle X} 中从 x 0 {\displaystyle x_{0}} 开始的一条路径,那么在 Z {\displaystyle Z} 中存在一条唯一 的路径 γ ′ {\displaystyle \gamma '} ,从 z 0 {\displaystyle z_{0}} 开始,使得 p γ ˙ ′ = γ {\displaystyle p{\dot {\gamma }}'=\gamma } 。用更复杂(更宽泛)的术语来说,我们说 X {\displaystyle X} 中的一条路径有一个唯一 的提升到 Z {\displaystyle Z} ,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 X {\displaystyle X} 的“折叠”版本,如图 XXXX 所示。如果我们观察一个小的开集 U ⊂ X {\displaystyle U\subset X} ,它在 Z {\displaystyle Z} 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 γ {\displaystyle \gamma } 在 U {\displaystyle U} 内的部分,现在很明显,对于每个不交集 V α {\displaystyle V_{\alpha }} ,在 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 中存在一条唯一的路径,它通过覆盖映射 p {\displaystyle p} 映射到 γ {\displaystyle \gamma } 。因此,为了指定一个提升,我们只需要选择它所在的 V α {\displaystyle V_{\alpha }} 集合(这相当于在 x 0 {\displaystyle x_{0}} 的原像中选择一个点,如上所述)。现在,整个路径 γ {\displaystyle \gamma } 可以分解成一个有限的“链”,这些链由位于像 U {\displaystyle U} 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。
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 p : Z → X {\displaystyle p:Z\rightarrow X} ,映射 p {\displaystyle p} 诱导出一个映射 p ∗ : π 1 ( Z ) → π 1 ( X ) {\displaystyle p_{*}:\pi _{1}(Z)\rightarrow \pi _{1}(X)} ,这是一个单射(即 1-1)群同态。
证明(概述): 首先,考虑一条路径 γ {\displaystyle \gamma } 在 Z {\displaystyle Z} 中:它是一个连续映射 γ : I → Z {\displaystyle \gamma :I\rightarrow Z} ,因此我们可以将它与覆盖映射 p {\displaystyle p} 合成,得到一条路径 p ⋅ γ {\displaystyle p\cdot \gamma } 在 X {\displaystyle X} 中。因此我们得到了一个映射
p ′ : {\displaystyle p':} Z → {\displaystyle Z\rightarrow } X {\displaystyle X} 中的路径。
我们想证明这可以用来定义一个映射
p ∗ : {\displaystyle p*:} Z {\displaystyle Z} 中以 z 0 → {\displaystyle z_{0}\rightarrow } 为基点的环的同伦类 → {\displaystyle \rightarrow } X {\displaystyle X} 中以 x 0 {\displaystyle x_{0}} 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 H : I × I → Z {\displaystyle H:I\times I\rightarrow Z} 在两个路径 γ 1 {\displaystyle \gamma _{1}} 和 γ 2 {\displaystyle \gamma _{2}} 之间 Z {\displaystyle Z} ,组合 p ⋅ H {\displaystyle p\cdot H} 是在 X {\displaystyle X} 中它们图像 p ′ ( γ 1 ) {\displaystyle p'(\gamma _{1})} 和 p ′ ( γ 2 ) {\displaystyle p'(\gamma _{2})} 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 z 0 {\displaystyle z_{0}} 的循环显然映射到基于 p ( z 0 ) {\displaystyle p(z_{0})} 的循环。
所以,我们得到了我们想要的映射 p ∗ {\displaystyle p*} ,它将 π 1 ( Z , z 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(Z,z_{0})} 映射到 π 1 ( X , p ( z 0 ) ) . {\displaystyle \pi _{1}(X,p(z_{0})).} 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 π 1 ( Z , z 0 ) {\displaystyle \pi _{1}(Z,z_{0})} 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 X {\displaystyle X} 中的图像,结果与我们首先通过 p ′ {\displaystyle p'} 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 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 }
让我们花点时间思考一下这个结果的意义。群的单射同态 G → H {\displaystyle G\rightarrow H} 本质上等同于一个子群 G H ⊂ H {\displaystyle G_{H}\subset H} ,因此定理告诉我们的一点是,对于给定的空间 X {\displaystyle X} ,其可能的覆盖空间存在一个重要的限制: Z {\displaystyle Z} 只有当 π 1 ( Z ) {\displaystyle \pi _{1}(Z)} 是 π 1 ( X ) {\displaystyle \pi _{1}(X)} 的子群时,才能成为 X {\displaystyle X} 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 S 1 {\displaystyle S^{1}} 到实数线 R {\displaystyle \mathbb {R} } 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 S 1 × S 1 {\displaystyle S^{1}\times S^{1}} 到二维球面 S 2 {\displaystyle S^{2}} 的覆盖映射,后者的基团是平凡的,而前者的基团是 Z 2 {\displaystyle \mathbb {Z} ^{2}} (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 S 2 {\displaystyle S^{2}} 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 S 3 {\displaystyle S^{3}} 做同样的事情吗? 对于 S n {\displaystyle S^{n}} 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 p ∗ {\displaystyle p*} 在具体情况下究竟是什么 。把圆 S 1 {\displaystyle S^{1}} 视为复平面上的单位圆: s 1 = { z ∈ C : | z | = 1 } {\displaystyle s^{1}=\{z\in \mathbb {C} :|z|=1\}} 。然后我们可以定义一个连续映射 p : S 1 → S 1 {\displaystyle p:S^{1}\rightarrow S^{1}} ,通过 p ( z ) = z 2 {\displaystyle p(z)=z^{2}} 。
我认为 p {\displaystyle p} 是一个覆盖映射。要看清这一点,想象一个点 e i θ {\displaystyle e^{i\theta }} 属于 S 1 {\displaystyle S^{1}} (其中 0 ≤ θ < 2 π {\displaystyle 0\leq \theta <2\pi } )。不难看出,正好有两个点 z ′ ∈ S 1 {\displaystyle z'\in S^{1}} 使得 p(z') = z;此外,如果我们看一个围绕 z {\displaystyle z} 的“足够小”的圆弧,它在 p {\displaystyle p} 下的原像将由两个不相交的圆弧组成,每个圆弧包含 z {\displaystyle z} 的两个原像之一,并且每个圆弧在 p {\displaystyle p} 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, p {\displaystyle p} 是一个覆盖映射,因此上述定理告诉我们 p ∗ {\displaystyle p*} 是从圆的基本群到它自身的群同态。用符号表示,我们有 p ∗ : Z → Z {\displaystyle p^{*}:\mathbb {Z} \rightarrow \mathbb {Z} } 。但是它是什么?为了回答这个问题,考虑一条路径 γ {\displaystyle \gamma } 在 S 1 {\displaystyle S^{1}} 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 1 ∈ Z {\displaystyle 1\in \mathbb {Z} } 在同构 π 1 ( S 1 ) ≅ Z {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})\cong \mathbb {Z} } 下。现在,要算出 p ∗ [ γ ] {\displaystyle p*[\gamma ]} ,我们查看路径 p ⋅ γ {\displaystyle p\cdot \gamma } 在 S 1 {\displaystyle S^{1}} 中的等价类(这只是 p ∗ {\displaystyle p*} 的定义)。很容易检查(自己试试!) p ⋅ γ {\displaystyle p\cdot \gamma } 是一条在 S 1 {\displaystyle S^{1}} 中绕原点旋转两次的路径,因此它的等价类是 [ γ ] ∗ [ γ ] {\displaystyle [\gamma ]*[\gamma ]} 。所以我们有 p ∗ ( [ γ ] ) = [ γ ] ∗ [ γ ] {\displaystyle p*([\gamma ])=[\gamma ]*[\gamma ]} 。将 π 1 ( S 1 ) {\displaystyle \pi _{1}(S^{1})} 看作整数群,我们有 p ∗ ( 1 ) = 2 {\displaystyle p*(1)=2} 。所以 p ∗ : Z → Z {\displaystyle p^{*}:\mathbb {Z} \rightarrow \mathbb {Z} } 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 F {\displaystyle F} ,找到一个图 X {\displaystyle X} 使得 π 1 ( X ) = F {\displaystyle \pi _{1}(X)=F} 。(注意:一个图 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 X {\displaystyle X} 和一个子群 H < π 1 ( X ) {\displaystyle H<\pi _{1}(X)} ,存在一个 X {\displaystyle X} 的覆盖空间 Z {\displaystyle Z} ,使得 π 1 ( Z ) = H {\displaystyle \pi _{1}(Z)=H} 。
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。
定理:设 f 是一个在复数 C {\displaystyle \mathbb {C} } 上具有系数的非零多项式。那么该多项式在 C {\displaystyle \mathbb {C} } 中存在一个根。用代数语言来说,复数集 C {\displaystyle \mathbb {C} } 是代数闭的。
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} .
现在我们证明,对于 r {\displaystyle r} 的特定选择, f p ( r ) {\displaystyle f_{p}(r)} 与循环 ω n : I → S 1 {\displaystyle \omega _{n}:I\rightarrow S^{1}} 同伦,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} 的次数。由于 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}} 与 ω n {\displaystyle \omega ^{n}} 道路同伦,并且我们已经知道 f p ( r ) {\displaystyle f_{p}(r)} 是零同伦的,这将意味着 n = 0 {\displaystyle n=0} ,因此 p {\displaystyle p} 是一个常数多项式。
为此,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 } ,并令 C {\displaystyle C} 为复平面中半径为 r 0 {\displaystyle r_{0}} 的圆。对于所有 z ∈ C {\displaystyle z\in C} 和所有 t ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle t\in [0,1]} ,我们有 | 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}}}
这意味着对于所有 t ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle t\in [0,1]} ,多项式 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} 上没有根,因为如果有,这意味着 | 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 } ,这与上述(严格)不等式矛盾。现在定义 J : I × I → S 1 {\displaystyle J:I\times I\rightarrow S^{1}} 为 J ( s , t ) = f p t ( s ) {\displaystyle J(s,t)=f_{p_{t}}(s)} 。很容易验证 J {\displaystyle J} 是从 ω n {\displaystyle \omega _{n}} 到 f p ( r 0 ) {\displaystyle f_{p}(r_{0})} 的路径同伦,我们已经证明了它是零同伦的。因此 n = 0 {\displaystyle n=0} ,证明完毕。