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Eilenberg–Mac Lane 空间

Eilenberg–Mac Lane space · K(G,n) space

只有一个指定维数的同伦群非零、用于表示上同调与构造 Postnikov 层的空间。

条目类型
定义

形式陈述

给定群 G 和整数 n1,Eilenberg–Mac Lane 空间 K(G,n) 是一个道路连通空间,其正阶同伦群满足

πi(K(G,n)){G,i=n,0,in.(i1).

通常要求它具有CW 复形同伦型。因为高阶同伦群i2 必为阿贝尔群,所以当 n2G 必须交换;只有 K(G,1) 允许一般非阿贝尔群。给定允许的 (G,n),这类空间存在,并在 CW 同伦类型意义下唯一,而不是存在一个唯一的点集拓扑模型。

对阿贝尔群 GK(G,n) 携带一个通用上同调类

ιnHn(K(G,n);G),

使 CW 型带基点空间 X 上的约化上同调类由基点同伦类 [X,K(G,n)] 表示。K(G,n) 还是相邻 Postnikov 层之间的标准纤维;它把“只保留一阶同伦数据”实现为一个空间,而非一张抽象群表。

直觉

普通空间往往在许多维数同时有同伦群,彼此还通过作用和高阶运算耦合。K(G,n) 像一个只亮一层的校准器:所有维数都熄灭,只在第 n 层留下 G。把映射送进这个校准器,便能隔离某一维上同调;把它作为纤维逐层粘合,又能重建一般空间的 Postnikov 塔。

唯一性只到同伦。可以用无限胞腔、分类空间、单纯阿贝尔群的几何实现等不同方法构造 K(G,n),所得空间未必同胚,却具有相同 CW 同伦型。恰是这种模型独立性,使它适合代表函子。

例子与边界

S1K(Z,1)π1(S1)=Z,万有覆叠 R 可缩,所以所有更高同伦群为零。无限实射影空间 RP 的万有覆叠 S 可缩,故它是 K(Z/2,1)

更高维的经典模型是

CP=K(Z,2).

Hopf 主丛的无限维版本给出纤维化

S1SCP,

其中 S 可缩。长正合列于是给出

π2(CP)π1(S1)Z,πi(CP)=0(i2).

同时 H(CP;Z)Z[u]|u|=2,通用类 u 后来分类复线丛的第一 Chern 类。

不是每个群都能放在任意高度。若 G=S3,则 K(S3,1) 合法,而 K(S3,2) 不存在,因为 π2 必交换。球面 Snn2 时也不是 K(Z,n):虽然 πn(Sn)=Z,但例如 π3(S2)=Z 仍非零。只核对目标维数而忽略其余维数,会错把许多空间认作 Eilenberg–Mac Lane 空间。

推论与应用

对离散群 GK(G,1) 是群的分类空间,覆叠和主 G-丛可转成到它的映射;K(G,n)n2)表示普通上同调,并把自然上同调运算转成表示空间上的通用类。其环路空间满足

ΩK(G,n)K(G,n1)(n2),

这与同伦群降一维完全一致;相应悬挂关系只通过伴随表达,不能反向宣称 ΣK(G,n1) 总与 K(G,n) 等价。

在 Postnikov 分解中,第 n 层纤维是 K(πnX,n),而粘合方式由下一维上同调类控制。不同 k-不变量即便拥有相同的各阶同伦群,也能产生不同同伦型,说明一串群本身仍不是空间的完整编码。

有限乘积也可直接核验模型的代数行为:

K(A,n)×K(B,n)K(A×B,n),

因为乘积的各阶同伦群逐项等于两因子的乘积,除第 n 维外全部为零。对 n2 的阿贝尔群,有限乘积与直和相同。这个公式只刻画有限乘积;无穷乘积还要核对拓扑、CW 型和同伦群与极限交换的条件。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, §§4.2–4.3, Proposition 4.30 and Theorem 4.57.
  • Samuel Eilenberg and Saunders Mac Lane, “Relations between Homology and Homotopy Groups of Spaces,” Annals of Mathematics 46(3), 1945, pp. 480–509.
  • J. Peter May, A Concise Course in Algebraic Topology, University of Chicago Press, 1999, Chapter 16, §5, and Chapter 22, §§1–2.
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