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定理Theorem

附着胞腔怎样改变同调

Homology of cell attachment · Cell attachment exact sequence

从附着球面的同调类构造连接同态,区分杀掉低维类、制造高维类和留下挠,并保留新循环的链代表。

形式陈述 ​

设 X 为非空CW 复形,沿映射 αj:Sn−1→Xn−1⊆X 附着 r 枚 n 胞腔,得到

Y=X∪α1,…,αr∐j=1rDjn,n≥2,

其中 r 有限,每个球面和圆盘固定相容定向。相对同调仅在 n 次非零:Hn(Y,X)≅Zr。因此有正合片段

0→Hn(X)→Hn(Y)→Zr→AHn−1(X)→Hn−1(Y)→0,

其中第 j 个标准基向量满足

A(ej)=(αj)∗[Sn−1].

其他次数 k∉{n,n−1} 的包含诱导同态 Hk(X)→Hk(Y) 为同构。特别地,

Hn−1(Y)≅cokerA,0→Hn(X)→Hn(Y)→ker⁡A→0.

最后这条列因 ker⁡A⊆Zr 自由而分裂,但通常没有指定的自然分裂。

直觉

每个新圆盘带来一个候选高维生成元,但它的边缘可能仍在旧空间中留下一条非零同调类。只有若干圆盘边缘的整数线性组合在旧空间中能够填掉,这些圆盘才会与旧链合成一个真正的新循环。

同一批边缘也使旧的低一维类变成边界,所以会杀掉它们生成的子群。若边缘只代表旧生成元的两倍,就只把两倍设为零,留下二阶挠,而不是把整个生成元消灭。

连接同态的推导 ​

把整个 X 压成一点后,Y/X 是 r 个 n 球面的楔和。CW 子复形给良好空间对,所以相对同调的商公式给出 Hk(Y,X)=0(k≠n)和 Hn(Y,X)=Zr。

在长正合列中,连接同态先取相对圆盘类的代表,再取边界。圆盘边界恰经 αj 落到 X,所以 ej 的像就是 (αj)∗[Sn−1]。把其余零项删去即得主陈述。若 X 有高维胞腔,不能误写 Hn(Y)=ker⁡A;原来的 Hn(X) 仍注入其中。

若 v=(v1,…,vr)∈ker⁡A,新圆盘链 c=∑vjDj 的边界在 X 中为零同调类,所以存在 X 中的 n 链 b 使 ∂b=∂c。于是 c−b 是 Y 中循环。这解释了分裂的选择:不同填充 b 可能相差旧的 n 循环,新生成元没有无选择的指定方式。

例子与边界

二次绕行留下挠 ​

从 X=S1 出发沿 z↦z2 粘二胞腔。由映射度,A:Z→Z 是乘二。核为零、余核为 Z/2,所以 H2(Y)=0、H1(Y)=Z/2。圆盘使两圈成为边界,一圈仍未成为边界。

同时附着两张膜:看见关系之间的关系 ​

仍从同一个圆周出发,分别沿四次与六次绕行粘二胞腔 u,v。此时

A=(46),imA=2Z,ker⁡A=Z(3,−2).

因而 H1(Y)≅Z/2、H2(Y)≅Z;二维胞腔循环 3u−2v 的边界为 12a−12a=0。把两条附着关系分开看,只会看到两个“制造挠”的步骤;联立后才出现它们之间的二维关系。

同调为零的边界词不一定零同伦 ​

在 S1∨S1 上沿交换子 aba−1b−1 粘二胞腔,得到环面。附着词在一阶同调中的指数和为 (0,0),故 A=0,新生 H2≅Z,而 H1≅Z2。但交换子在自由基本群中不是单位;这枚二胞腔确实使基本群变成交换群。

若改为常值附着,所得空间为 S1∨S1∨S2,同调群相同,基本群却仍是非交换自由群。附着同调计算不会恢复附着映射的全部同伦信息。

推论与应用

附着一枚胞腔不保证“恰好增加一个洞”或“恰好消灭一个洞”。计算应先写连接同态,再求核与余核。相同胞腔数可以有不同附着矩阵,甚至相同附着矩阵还可以有不同基本群。

对一顶点、有限边和二维面的复形,连接同态的每列就是相应边界词的各生成元指数和。胞腔同调将这种逐次附着统一为整条链复形;多维计算时必须同时保留相邻两张矩阵及它们复合为零的约束。

参考资料
  • Allen Hatcher,Algebraic Topology,§2.1,Proposition 2.22;§2.2,Lemma 2.34、Theorem 2.35 及 Cellular Boundary Formula,pp. 137–140:骨架对、连接同态与附着度。
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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