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模型Model

奇异链复形

施工中 · 内容逐步修订

Chain complex in topology · Singular chain complex · 拓扑链复形

由空间中的奇异单形生成链群,并以交替面映射组成满足边界平方为零的链复形。

形式陈述 ​

本页是一般链复形在拓扑空间上的奇异构造。

奇异链群 Cn(X) 是以所有奇异 n-单形为基的自由阿贝尔群,即以这些单形为基的自由整数模。对 n≥1,边界算子在线性延拓前定义为

∂nσ=∑i=0n(−1)iσ∘δi.

规定 ∂0=0。每个余维二面以相反符号出现两次,从而

∂n−1∘∂n=0.

因此得到链复形

⋯→∂n+1Cn(X)→∂nCn−1(X)→⋯→C0(X)→0.

连续映射 f:X→Y 通过 f#(σ)=f∘σ 诱导链映射,并与边界交换。

同一构造也允许系数:对交换含幺环 R,令 Cn(X;R) 为以奇异 n-单形为基的自由 R-模,并将同一交错面公式作 R-线性延拓,仍取 ∂0=0。每个面的符号抵消在 R 中同样成立,因而仍得链复形。整数系数是 R=Z 的情形;若系数只是 Abel 群 G,则用 C∗(X;Z)⊗ZG,不把 G 当成环。

直觉

链群允许把几何片段做整数线性叠加,边界算子只记录片段怎样首尾抵消。条件 ∂n−1∂n=0 说明每个边界自动是循环,却不保证每个循环都真是更高维对象的边界;二者之间的缺口正是同调。把几何连续变形送到链映射后,拓扑问题被转成阿贝尔群与同态的计算。

例子与边界

一条从 a 到 b 的奇异路径边界为 b−a。定向三角形边界是三条有向边,而这些边的端点再求边界后完全抵消。链是有限整数线性组合,不允许任意无限和;若需局部有限链会得到 Borel–Moore 同调等不同理论。∂2=0 依赖交替符号和一致的面编号,不能把所有面简单相加。一般链复形是代数概念,奇异链复形只是其拓扑来源之一。

在一个实心三角形中,三条有向边之和是二维单形的边界,所以对应一维循环在同调中为零;若空间只有三角形边界,绕行一周的同一循环不再是奇异二链的边界,产生 H1≅Z。这里仍有常值或折叠的奇异二单形;缺少的是以该循环为边界的二维填充,不能说这个空间没有二维奇异单形。符号方向不可忽略:若三条边都按不相容方向相加,端点项不会抵消,连循环都不是。

推论与应用

奇异单形生成适用于任意空间的奇异链;给定有限组合剖分时,单纯同调改用定向单形作生成元;给定 CW 骨架时,胞腔同调以相邻骨架的相对同调作链群。三种模型都以Abel 群中的核模像定义同调,并由比较定理连接。对子空间取商得到相对同调,链映射的核与余核再进入同调正合列。

给空间安排有限过滤 ∅=X−1⊆X0⊆⋯⊆XN=X 时,包含映射把 C∗(Xp) 识别为 C∗(X) 的子复形:单形的每个面仍落在同一个子空间。因此 FpC=C∗(Xp) 给出过滤链复形的谱序列,其相关分次链群就是相对链群

Ep,q0=Cp+q(Xp)/Cp+q(Xp−1)=Cp+q(Xp,Xp−1),Ep,q1=Hp+q(Xp,Xp−1).

此时总空间的同调可以逐层计算,但最终页记录的是同调过滤的相邻商,仍须留意层与层之间的扩张。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002,Ch. 2, singular chain complex and boundary operator。
  • Glen E. Bredon, Topology and Geometry, Springer, 1993,Ch. IV, chain complexes and functoriality。
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