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同伦纤维

Homotopy fiber · Homotopy fibre

用通往指定基点的路径修正普通纤维,使任意映射都具有同伦不变的纤维对象。

条目类型
定义

形式陈述

给定带基点映射 f:(X,x0)(Y,y0),其在 y0 上的同伦纤维可取模型

hofiby0(f)={(x,γ)xX, γ:IY,γ(0)=f(x), γ(1)=y0}.

拓扑取为 X 与路径空间的相应子空间拓扑,实际工作中通常置于紧生成空间类别以保证映射空间和拉回行为良好。它是图表 XfY{y0} 的同伦拉回;点不必真的满足 f(x)=y0,只需同时携带一条把 f(x) 连到 y0 的路径。

f 替换为映射路径空间

Ef={(x,η)η(0)=f(x)},p(x,η)=η(1),

XEf,x(x,cf(x))同伦等价,p:EfYSerre 纤维化,而 p1(y0) 正是上述同伦纤维。若原映射 f 是 Hurewicz 纤维化,普通纤维 f1(y0)hofib(f) 实为同伦等价;若只假设 Serre 纤维化,则该包含至少是弱同伦等价,在两边具有 CW 同伦型时再由 Whitehead 定理升级为同伦等价。

直觉

普通逆像只接受精确命中 y0 的点,因此对映射作同伦扰动时可能骤然改变。同伦纤维给每个 x 附上一份“命中误差的连续证书”——从 f(x) 走向 y0 的路径。映射变形时,证书也随之变形,所以对象记录的是映射的同伦类型,而不是某个坐标表达式的偶然截面。

这也解释了它为何比普通纤维大:每个真正位于纤维中的 x 可以配常值路径,但还允许所有可沿路径抵达基点的像点。额外路径不是冗余装饰;它们正好把任意映射升级成纤维化,并制造环路空间到同伦纤维的作用。

例子与边界

取次数为 m0 的圆周映射

fm:S1S1,fm(z)=zm.

它是 |m| 层覆叠,因而已是纤维化,普通纤维由 |m| 个点组成。同伦纤维的同伦长正合列含有

0π1(hofibfm)Z×mZπ0(hofibfm).

m 的核为零、商集由 Z/mZ 的剩余类标记,故同伦纤维有 |m| 个道路分支且每个分支可缩,与真实离散纤维同伦等价。这个计算同时保留了“核控制高一阶群、商控制分支”的低维信息。

f:X 是到一点的映射,则 hofib(f)X;若 Y 选取基点,则同伦纤维是 ΩY。若 f 是同伦等价,其同伦纤维弱可缩;反向陈述需要空间类别和纤维序列的条件,不能对任意病态映射仅凭集合逆像下结论。

同伦纤维不等于映射锥,也不等于把定义域压成一点所得的同伦余纤维。前者组织提升并导出同伦群长正合列,后者组织延拓并导出约化同调长正合列;把二者混淆会把箭头方向整体反转。

推论与应用

同伦纤维把映射的“失败程度”对象化。若 f 在某个维数范围诱导同伦群同构,则其同伦纤维在相应范围内连通;反过来,纤维的消失范围给出 f 的连通度。这种翻译让弱等价、截面存在性与提升障碍都能用一个空间的同伦群陈述。

在 Postnikov 塔中,每层映射的同伦纤维是 Eilenberg–Mac Lane 空间;在同伦极限中,同伦纤维是最基本的同伦拉回;在参数族问题中,它又把“解的空间”与“约束映射”连接起来。实际计算必须固定目标基点;若 Y 不道路连通,换到另一分支的基点甚至可能得到空的或完全不同的同伦纤维。

参考资料
  • J. Peter May, A Concise Course in Algebraic Topology, University of Chicago Press, 1999, Chapter 7, mapping-path fibrations.
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, §4.3, Proposition 4.65 and the mapping-path construction.
  • Philip S. Hirschhorn, Model Categories and Their Localizations, American Mathematical Society, 2003, §13.3, homotopy pullbacks and fibers.
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