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定义Definition

映射锥杯平方与 Hopf 不变量

Hopf invariant · Mapping cone cup-square invariant · Hopf不变量

用两胞腔映射锥的整数杯平方定义附着不变量,证明同伦不变、加性及前后复合的不同次数律,并区分同群同基本群的两个锥。

形式陈述 ​

为什么两个空间的整数同调与基本群都相同,附着方式仍可能不同?设 n≥2,f:S2n−1→Sn 连续,所有上同调均取整数系数。形成映射锥

Cf=Sn∪fD2n.

这里有两个正维胞腔,维数为 n,2n,另有一个零胞腔。胞腔链复形没有相邻非零维数,故边界全为零,得到

(1)Hk(Cf;Z)={Z,k=0,n,2n,0,其他 k.

同样的式子也给出整数同调群。这里是在计算加法群,还没有计算杯积。

固定底球面的定向生成元 u∈Hn(Sn)。由包含 i:Sn↪Cf 的限制同构,唯一选定 xf∈Hn(Cf) 满足 i∗xf=u。再固定 D2n 的定向,让 v∈H2n(D2n,∂D2n) 在相对基本类上取值1。特征映射 χf 给同构

H2n(Cf)←≅H2n(Cf,Sn)→χf∗H2n(D2n,∂D2n).

令 yf 对应 v。Hopf 不变量是唯一整数 H(f),使杯平方满足

(2)xf⌣xf=H(f)yf.

限制同构与顶维同构都用到了 n≥2:n<2n−1,附着不改变底球面的 Hn。把 xf 换成 −xf 不改变式 (2) 的系数;把顶胞腔相对定向反转,使 yf 换成 −yf,才使系数反号。

这个整数满足

(3)f≃g⟹H(f)=H(g),H(f+g)=H(f)+H(g),H(f∘q)=deg⁡(q)H(f),q:S2n−1→S2n−1,H(p∘f)=deg⁡(p)2H(f),p:Sn→Sn.

加法是球面映射的拼接加法,不是把 Sn 中的像逐点相加。定向约定一致时,H:π2n−1(Sn)→Z 因而是群同态。下面逐项构造证明这些公式的锥间映射。[1]

直觉

胞腔边界只比较相邻维数;底胞腔与顶胞腔之间空着 n−1 个维数,所以边界矩阵看不到 f。杯积能把两个 n 次类送到 2n 次,刚好跨过这段空白。H(f) 测量的是底类平方在顶胞腔上留下多少有向单位。

两种复合改变不同部位。先对源球面作 q,改变的是附着圆盘的顶维重数;先附着再对目标作 p,改变的是底类的拉回系数,而这个系数在平方时出现两次。即使两张自映射有同一个度,它们放在 f 的前面还是后面,也不能互换。

同伦不变性:把同伦放在圆盘外圈 ​

设 h(s,t) 是从 f 到 g 的同伦,s∈S2n−1。用 rs(0≤r≤1)表示圆盘点。定义 T:Cf→Cg 在底球面上为恒等,并在圆盘上取

(4)T(rs)={[2rs]∈Cg,0≤r≤12,h(s,2−2r)∈Sn,12≤r≤1.

内圈边缘在 Cg 中是 g(s)=h(s,1),两段吻合;外边缘是 f(s),与 Cf 的粘接一致。故商的泛性质给连续映射。压掉底球面后,式 (4) 把外环压成一点,把内球保向放大,所以在顶维相对同调上为乘1。于是

T∗xg=xf,T∗yg=yf.

将 xg2=H(g)yg 拉回即得 H(f)=H(g)。这也说明为何只说“两个锥同伦等价”还不够:此处实际核对了所选顶生成元的符号。

加性:把一枚顶胞腔沿中间切开 ​

选择基点保持代表,令 f+g 为先 pinch 到 S2n−1∨S2n−1 再分别作 f,g。把两枚圆盘分别沿 f,g 附着到同一个底球面,得

Z=Sn∪fDf2n∪gDg2n.

记 x∈Hn(Z) 限制到两份子锥都是其底生成元,yf,yg∈H2n(Z) 分别与两枚定向顶胞腔对偶。限制到子空间 Cf,Cg 后,两个顶维系数分别被读出,因此

x2=H(f)yf+H(g)yg.

在 Cf+g 的顶圆盘里,把分开两半的赤道圆盘 D2n−1 压到基点,得到 P:Cf+g→Z。每个半球除去被压掉的公共面后成为一枚开顶胞腔;按与原球相容的定向,两枚的局部次数都为 +1。所以

P∗ef+g=ef+eg,P∗x=xf+g,P∗yf=P∗yg=yf+g.

拉回上一式得到 xf+g2=(H(f)+H(g))yf+g,这证明加性,而非从“平方看起来线性”猜出来。[1, Proposition 4B.1]

例子与边界

两种次数律的诱导映射 ​

记 d=deg⁡q、e=deg⁡p,度均取球面自映射的同调定义。

前复合给出

Q:Cf∘q⟶Cf,Q|Sn=1,Q(rs)=[rq(s)].

在边界 r=1,右侧等于 f(q(s)),所以粘接相容。圆盘对的边界同构 H2n(D2n,∂D2n)≅H2n−1(S2n−1) 与这个圆锥映射相容,说明顶胞腔作用是乘 d。因此

Q∗xf=xf∘q,Q∗yf=dyf∘q,(5)xf∘q2=Q∗(xf2)=dH(f)yf∘q.

这就是 H(f∘q)=dH(f),包括负度与零度。

后复合则给方向不同的锥映射

R:Cf⟶Cp∘f,R|Sn=p,R(rs)=[rs].

边界一侧是 p(f(s)),另一侧也是 p(f(s))。底球面的拉回乘 e,顶圆盘仍保向恒等,故

R∗xp∘f=exf,R∗yp∘f=yf.

对目标锥的平方关系拉回,得到

(6)H(p∘f)yf=(exf)2=e2H(f)yf.

因此后复合是平方律。这两段补足了 Hatcher §4.B Exercise 1 中要求证明的公式,并没有把练习题当作现成证明。[1]

四个明确输入,四个整数 ​

取复定向 S2≅CP1 与 D4⊂C2。已有的 Hopf 映射为

η:S3→CP1,(z0,z1)⟼[z0:z1].

映射锥页的“Hopf 附着给出复射影平面”通过显式特征映射证明 Cη≅CP2,并以局部相对杯积核对 xη2=yη。所以 H(η)=1。常值映射 0 的锥是 S2∨S4;其底类来自到 S2 的收缩拉回,平方为零,故 H(0)=0。

为使另外两个输入也能实际构造,选以下自映射。

  • q3:S3→S3:在源中选三个不交的定向闭小三球,压掉它们的全部边界及球外部分,得到三个 Bi/∂Bi≅S3 的楔和,再把三份球面保向折叠到目标球面。顶维基本类先变成三份正生成元之和,故 deg⁡q3=3
  • p2:S2→S2:在 Riemann 球面上取 p2(z)=z2、p2(∞)=∞。无穷远坐标 w=1/z 中仍是 w↦w2,所以连续;非零有限正则值有两个原像,各处复导数非零且保持实二维定向,故 deg⁡p2=2

现在由式 (5)、(6),而非从相同维数表猜测,得到

(7)H(0)=0,H(η)=1,H(η∘q3)=3,H(p2∘η)=4.

奇数维、反射与零值的边界 ​

当 n 为奇数,分次交换给 xf2=−xf2,先得 2xf2=0;再由本模型 H2n(Cf;Z)≅Z 无挠,才得 H(f)=0。一般带有二阶挠的整数上同调环不能省去第二步。

源上的一次反射给 H(f∘r)=−H(f);目标上的一次反射却给 H(r∘f)=(−1)2H(f)=H(f)。二者不是同一个定向操作。η:S3→S2 也没有本页所用的普通球面 degree,因为源、目标不同维;其 Hopf 不变量不能直接改名为 degree。

n=1 被排除:向 S1 沿度 m 的映射附着二胞腔会改变 H1,式 (1) 的两份自由生成元不再成立。此外,从本页已证结论不能倒推 H(f)=0⇒f≃0;这里只得到必要条件,没有证明任意维数的附着分类。对 n=2,可另沿Hopf 纤维化长正合列得到 π3(S2)≅Z,再结合 H(η)=1 与加性获得更强结论;核心运算法则不依赖该分类。

推论与应用

同群、同基本群的两个锥仍不同伦等价 ​

令 A=Cη∘q3、B=Cp2∘η。二者整数同调在 0,2,4 次均为 Z,其余为零。二者也都单连通:从单连通的 S2 附着四胞腔不会改变基本群;可用加厚的底骨架与胞腔内部作开覆盖,交集同伦于单连通 S3,由 van Kampen 得到这一结论。

但它们的整数分次环分别满足

xA2=3yA,xB2=4yB.

如果存在分次含幺整数环同构 Φ:H∗(B)→H∗(A),次数2、4各是无限循环群,所以只能有 Φ(xB)=εxA、Φ(yB)=δyA,其中 ε,δ∈{1,−1}。保持平方要求

3=ε2⋅3=4δ,

不可能。故二者环不同构,尤其不同伦等价。这里没有借基本群或同调秩的差异取巧。

杯平方给锥间映射的必要条件 ​

对任意连续 F:Cf→Cg,不用假定它保持骨架,也不用假定它由某个交换方块诱导。两边的各次群都为 Z,故存在整数 a,b,使

F∗xg=axf,F∗yg=byf.

杯积自然性直接给

(8)a2H(f)=bH(g).

例如若 F:A→B,则 3a2=4b,所以 a 必为偶数;a=1 的映射不存在。a=2,b=3 通过这一代数检查,却不能仅凭方程宣布存在这样的连续映射。方程是必要条件,绝非一般实现定理。

令 f=g=η,则 F:CP2→CP2 必有 b=a2。复定向顶类 y 在基本类上取值1,故这里的 b 正是闭定向流形映射度,得到

deg⁡F=a2≥0.

这排除负度以及不是整数平方的度,例如 −1,2,3。它只给必要条件,不在此声称所有整数解均可实现。

完整的 0、1、3、4 附着证书与迁移题 要求同时写出锥映射方向、生成元拉回、定向和失效边界。仅记住 CP2 与球面楔和不同,尚未完成这套可迁移的计算。

参考资料
  • [1] Allen Hatcher,Algebraic Topology,§4.B,印刷 pp.427–428:映射锥杯平方定义、定向、同伦不变性;Proposition 4B.1:加性;p.428 Exercise 1:前后复合的两种次数律。本文给出该练习的诱导锥映射证明
  • 同书 Chapter 0,Example 0.6,印刷 pp.6–7:复射影空间的特征圆盘与附着;§3.2,Theorem 3.19,印刷 pp.220–222:射影空间环及相对杯积证明。本文只调用其 CP2 归一化,低前置核验放在原映射锥页
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