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定理Theorem

映射环面的同调

Mapping torus homology · 映射环面的核余核序列

将两个接缝的Mayer–Vietoris矩阵化为1−f*,区分核余核与分裂,并实际算出扭曲环面中的整数挠。

形式陈述 ​

设 X 是非空、道路连通的有限CW复形,f:X→X 连续。沿 f 把一个圆柱的顶端接回底端,得到映射环面

(1)Tf=(X×[0,1])/((x,1)∼(f(x),0)).

令 j:X→Tf 是底端包含。本页同调默认整数系数,记 Fq=f∗,q:Hq(X;Z)→Hq(X;Z)。存在长正合列

(2)⋯⟶Hq(X)→I−FqHq(X)→j∗Hq(Tf)→δHq−1(X)→I−Fq−1Hq−1(X)⟶⋯.

因此对 q≥1 有短正合列

(3)0⟶coker(I−Fq)⟶Hq(Tf)⟶ker⁡(I−Fq−1)⟶0.

若右端是自由Abel群,式(3)分裂,得到两项直和;分裂通常依赖选择。特别是 Hq−1(X) 自由时,其子群也自由,满足这一条件。

道路连通性给 H0(X)=Z、F0=I,所以

(4)H0(Tf)=Z,H1(Tf)≅coker(I−F1)⊕Z.

新增的自由方向来自沿时间绕行一周;若 f 没有固定基点,要把一条时间轨迹接成闭路,还可在底部用道路连接它的两个端点。

直觉

一条来自纤维 X 的循环经过接缝后,被换成 f 的像。进入总空间时,两条循环因此变得同调:差 z−f#z 被一条扫过时间的柱链填住。这解释了余核中的关系 [z]=Fq[z]。

还有另一种循环:某个低一维类经过 f 后保持不变,就有机会沿时间扫一圈,形成高一维类。这解释式(3)右端的核。前者消去已有循环间的差,后者记录能绕时间接合的低维循环;它们进入不同次数。

图中的带只表示时间坐标范围,完整开集还包含整份纤维;两个红标对应交集的两个分支。

两个开集把接缝保留下来 ​

把式(1)等价地写成一份底部 X0 与 X×[0,1] 的粘接:(x,0) 接到 x∈X0,(x,1) 接到 f(x)∈X0。取

U=X0∪{[x,t]:t<1/3 或 t>2/3},V={[x,t]:1/4<t<3/4}.

在粘接前的不交并中取逆像可检验两者开,且 U∪V=Tf。V 收缩到中间一份 X;U 把低端带推向 t=0、高端带推向 t=1,收缩到 X0。后一个是映射柱的端部收缩,不要求 f 可逆。

交集有两片,分别由 t∈(1/4,1/3) 和 t∈(2/3,3/4) 给出,每片都收缩到 X。低接缝进入 U 时诱导恒等,高接缝进入 U 时诱导 Fq;两片进入 V 时都诱导恒等。

按Mayer–Vietoris的第一正第二负约定,交集到两侧的映射是

(5)Φq:Hq(X)⊕Hq(X)⟶Hq(X)⊕Hq(X),Φq(a,b)=(a+Fqb,−a−b).

这里两个输入按低接缝、高接缝排序,两个输出按 U,V 排序。直接把两个接缝都当作恒等,会漏掉全部扭曲信息。

用可逆块变换分离恒等部分 ​

以下运算适用于任意Abel群,不要求先选矩阵基,也不要求 Fq 可逆。令

(a,b)=(v,u−v),Rq(x,y)=(−y,x+Fqy).

两个坐标变化都有显式逆:u=a+b,v=a,以及 (x,y)=(v′+Fqu′,−u′)。代入式(5)得

(6)RqΦq(v,u−v)=(u,(I−Fq)v).

所以两接缝映射等价于一个恒等块与一个 I−Fq 块。

长正合列中,恒等块既没有核也没有余核;相邻箭头在这块上的贡献为零,因而可以将它消去。剩余正是式(2)。底端类原本以 (x,0) 进入两侧,变换后为 (0,x),所以保留下来的箭头确实是 j∗,无需偷偷改成相反的包含。连接映射 δ 采用与这项块变换相容的符号。

由式(2),j∗ 的核为 im(I−Fq),连接映射的像为 ker⁡(I−Fq−1);把它们取商便得到式(3)。若右端有基,逐个为基向量选总空间中的原像,再线性延拓,就得到截面和分裂。没有这项自由性或另外的截面证明时,短正合列不能自动改写成直和。

例子与边界

圆周上的度数控制是否产生挠 ​

令 X=S1,f 的度数为整数 d。只有 F0=1,F1=d,所以

(7)H1(Tf)≅Z⊕Z/(1−d)Z,H2(Tf)=ker⁡(×(1−d):Z→Z).

约定 Z/0Z=Z,模 ±1 的商为零。其余正次数同调为零。

  • d=1 且 f 为恒等时,Tf=S1×S1,得到 H1=Z2,H2=Z
  • d=−1 且 f 为反射时,Tf 是Klein瓶,得到 H1=Z⊕Z/2,H2=0
  • d=2 且 f(z)=z2 时,得到 H1=Z,H2=0

最后一个输入仍满足全部同调公式,却不是圆周同胚的粘接。沿接缝的一个普通点向上追溯时有两个原像带,向下只有一个带,局部出现三个半带相接;自然投影 Tf→S1 不是圆周纤维丛。只有同胚粘接时,才可用可逆的接缝坐标直接建立局部乘积。

一个三维映射环面的全部整数同调 ​

取二维环面 X=R2/Z2,令

fA([x])=[Ax],A=(3211).

det⁡A=1,故 fA 是同胚。圆周乘积的同调给

H0(X)=Z,H1(X)=Z2,H2(X)=Z.

按两个坐标圆周取一阶同调基,并约定列向量,F1=A。顶维作用为乘 det⁡A:若 α,β 是对偶一阶类,拉回分别为 aα+bβ,cα+dβ,杯积的自然性与反交换给

fA∗(α⌣β)=(ad−bc)α⌣β.

这里 A=(abcd),两项拉回系数按矩阵的两行读取;这与同调使用列向量一致。

现在

(8)M=I−A=(−2−2−10),U=(0−1−12),UM=(1002).

det⁡U=−1,所以这是整数可逆的Smith换基证书。M 在整数上核为零,余核为 Z/2;具体同构由 [x1,x2]↦−x1+2x2(mod2) 给出。两阶行列式为 −2,条目gcd为一,独立核对不变因子为 1,2。

代入式(3),得到

(9)H0(TfA)=Z,H1(TfA)=Z⊕Z/2,H2(TfA)=Z,H3(TfA)=Z.

更高次数为零。若只用有理消元,Z/2 会消失,无法恢复这份完整答案。

换成反向粘接,挠会移到另一维 ​

若 A=(0110),则 I−A 的Smith形为 diag(1,0),核和余核都为 Z,但 det⁡A=−1。于是

H1(TfA)=Z2,H2(TfA)=Z⊕Z/2,H3(TfA)=0.

二维的二阶挠来自 coker(1−(−1)),不是一阶矩阵的非零Smith因子。这个例子提醒我们必须计算各维的 f∗,不能只算 H1 后就停止。

推论与应用

环面输入可统一为三行核余核 ​

对任意 2×2 整数矩阵 A,不要求可逆,以上论证给出

(10)H1(TfA)≅Z⊕coker(I−A),H2(TfA)≅Z/(1−det⁡A)Z⊕ker⁡(I−A),H3(TfA)≅ker⁡(×(1−det⁡A):Z→Z).

各右端核都是自由群,所以这里的分裂已有依据。即使 det⁡(I−A)=0,Smith形中的零因子也会保留自由方向,算法不应在遇到奇异矩阵时报告“无答案”。

若输入换成 fAn,只需将 A 换为 An。同一个矩阵 I−An 也出现在环面周期点中:一边计算整数商群,另一边求环面上的核。当矩阵满秩时,这两个有限群具有相同的不变因子;一个是总空间同调的挠,另一个是周期点坐标的周期结构。

同伦粘接与胞腔链复算 ​

若 f,g:X→X 通过 H(x,s) 同伦,约定 H(x,0)=f(x)、H(x,1)=g(x),则映射环面之间有显式映射

Φ:Tf→Tg,Φ([x,t])={[x,2t],0≤t≤1/2,[H(x,2−2t),0],1/2≤t≤1.

中点前一式等于 [g(x),0],与后一式相接;末点为 [f(x),0],与源的接缝识别相容。故公式在商空间上连续。使用反向同伦得到逆向映射。两个复合都相当于先走一遍原柱,再沿同伦轨迹往返一次;将往返的最大参数连续减到零,并重新分配柱段时间,就得到与恒等的同伦。因此 Tf≃Tg。

这允许先将 f 作胞腔逼近,再用每个原胞腔及其扫过时间的柱胞腔计算。若原胞腔链边界为零,柱边界只剩两端差 I−F。二维环面的最小胞腔链正是这种情形,因此可用一份秩为 (1,3,3,1) 的整数链复形直接复核式(10),不必把长正合列当作唯一计算路径。

使用公式前的检查 ​

先确认空间与映射满足声明范围,再写出各维同调上的实际作用。列矩阵要保持源、目标基一致,Smith换基还应保留可逆矩阵,才能把抽象循环因子翻译回原来的类。

最后必须区分三件事:长正合列成立、短正合列分裂、投影形成纤维丛。第一件由开覆盖和两个接缝证明;第二件需要自由性或截面;第三件在这里由粘接映射是同胚保证。它们不是同一个条件的三种写法。

参考资料
  • Allen Hatcher,Algebraic Topology,2002,§2.2,Example 2.48,印刷 pp.151–152;Exercise 30,p.158:映射环面及 I−f∗ 长正合列。本页固定顶端接回底端的约定,并直接核验两接缝块变换。
  • 本单元终点给出式(8)以及迭代矩阵的完整整数证书,可与周期点枚举互查。
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