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杯积

Cup product

使上同调成为分次环的自然双线性乘法。

条目类型
定义

形式陈述

对交换系数 R,杯积是在上同调上的自然双线性映射

⌣:Hp(X;R)×Hq(X;R)Hp+q(X;R).

在奇异上链上可用 Alexander–Whitney 对角近似定义:若 φCpψCq,则对奇异 (p+q)-单形 σ

(φψ)(σ)=φ(σ|[v0,,vp])ψ(σ|[vp,,vp+q]).

它与余边界满足分次 Leibniz 公式,故下降到上同调。上同调杯积有单位、结合,并在上同调层面分次交换:

αβ=(1)pqβα.
直觉

上同调群只记录每个维度有多少类,杯积还记录不同类怎样相互作用。链对角近似把一个单形分成前后两部分,让一个 p-上链与一个 q-上链组合成 p+q-上链;在上同调层面,依赖的链级选择消失。乘法通常只分次交换,即交换两个齐次类会出现 (1)pq 符号。

例子与边界

环面 T2 有两个一维生成元 a,b,其杯积 ab 生成 H2(T2;Z)。空间 S2S1S1 与环面具有相同的整数同调群,但前者任意两个正次数上同调类的杯积都为零,因此杯积能区分加法同调完全相同的空间。分次交换通常只在上同调类上成立,所选奇异上链模型的杯积在链层面不必严格交换。若 p=q 为奇数,则 2α2=0;当 2 在系数环中可逆时立即推出 α2=0,而整数系数下平方仍可能是非零的 2-挠元。

S2×S2 上,令 a,bH2(S2×S2;Z) 分别由两个投影拉回球面的生成元。因为单个 S2 没有四维上同调,a2=b2=0;但

ab

生成 H4(S2×S2;Z)Z。加法群只记录有两个二维生成元,杯积进一步记录它们如何共同产生顶维基本类。

推论与应用

上同调通过杯积成为分次环,符号规律来自外代数式交换。同伦等价保持该环结构,因此它比 Betti 数更强;在流形中,杯积与 Poincaré 对偶配对,特征类和交叉理论也以这种乘法为语言。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002,Ch. 3, cup product and cohomology rings。
  • Glen E. Bredon, Topology and Geometry, Springer, 1993,Ch. VI, products in cohomology。
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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