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Mayer–Vietoris 序列

Mayer–Vietoris sequence

用两个开子空间及其交的同调计算并集同调的长正合列。

条目类型
定理

形式陈述

X=UV,其中 U,V 为开子空间,则存在自然长正合列

Hn(UV)(i,j)Hn(U)Hn(V)k+Hn(X)Hn1(UV).

这里 i,j 是交集到 U,V 的包含,k, 是两部分到 X 的包含。后续箭头按同一规律继续为

Hn1(UV)(i,j)Hn1(U)Hn1(V).

约化同调版本把低维末端也写成统一的长正合形状。

链级来源需要先定义小链子复形

CU,V(X)=C(U)+C(V)C(X).

对开覆盖,重心细分与切除定理的论证说明其包含映射诱导同调同构。随后有真正的短正合链复形

0C(UV)(i#,j#)C(U)C(V)k#+#CU,V(X)0,

它诱导上述长正合列。更一般地,只要 intUintV=X,同一 excisive triad 论证仍可使用,并不要求两者本身都开。

直觉

交集中的一条链可以分别看成 UV 中的链,但若要把“两份相同内容”作为冗余消掉,它们必须带相反符号。因此第一张链映射把 a 送到 (i#a,j#a);下一张映射再把两分量放回 X 并相加,得到 aa=0。负号不是排版习惯,而是保证复合为零、使短正合列成立的代数结构。

UV 中的类若在交集处相差一个类,差映射会把这份重复或不兼容信息记录下来;能够协调的两边链则通过和映射拼成 X 中的链。长正合列逐维描述这个拼接过程:有些全局循环可以分别来自两边,有些却只能把两边的链拼起来形成,它们的接缝会被连接同态降一维送回 UV

连接同态可以直接从链读取。给定 X 中的 n-循环 z,先充分细分并写成

z=u+v,uCn(U),vCn(V).

因为 z=0,有 u=v;这条共同边界同时属于 UV,所以代表 Hn1(UV) 中的类。按当前符号约定,

MV[z]=[u].

换一种分解只会改变一个来自前项的边界类,因此结果良定义。

圆周覆盖的 Mayer–Vietoris 接缝
例子与边界

用两个稍大的开弧带覆盖 S1,使 UV 都可缩,而 UV 恰有两个可缩连通分支 W0,W1。约化同调中

H~0(U)=H~0(V)=0,H~0(UV)Z,

后一个群由两个分支的差 [w1][w0] 生成。相关正合片段化为

0H~1(S1) MV H~0(UV)0,

所以 H~1(S1)Z

链上可以看见这个同构。把有向圆周分成位于 U 的弧链 u 与位于 V 的弧链 v,使 u+v 绕圆周一周。u 的边界是一端减另一端,两个端点分别落在 W0,W1;连接同态便把圆周基本类送到 [w1][w0]。一维洞不是藏在任一可缩开弧里,而是由交集有两个分支这一粘接信息产生。

同样把 Sn 覆盖为两个可缩的加厚半球,交集形变收缩到 Sn1,可递推得到

H~k(Sn)H~k1(Sn1),

最终得到顶维 Z、其余约化同调为零。该递推依赖两边可缩和交集的准确同伦型;只画一条“上半球—下半球”示意图而不核实覆盖条件并不足够。

若只取两个闭子集且其内部不覆盖 X,大奇异单形未必能通过允许的细分落进其中一边,短正合链复形便没有依据。特征为 2j=j,负号在数值上不可见;在整数或一般系数下不能省略它。连接同态的整体正负号可能随教材约定改变,但一旦固定第一张差映射,整条序列必须保持一致。

推论与应用

同调正合列提供从短正合链复形到长正合列的代数机制,切除负责证明小链与全部奇异链计算同一同调。开覆盖奇异单形只在这一步承担几何职责;得到序列后,实际计算转化为已知群之间的核、像与连接映射。

Mayer–Vietoris 可递归计算球面、楔和与曲面的同调,也可比较空间在附加一块后哪些类被创造或消灭。它与 Seifert–van Kampen 定理都体现局部到整体,但前者处理各维阿贝尔同调群,后者处理基本群的推出结构;两者不能仅凭“都是粘接定理”而互换。上同调还有兼容的序列,并可进一步追踪杯积等乘法结构。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, §2.2.
  • Glen E. Bredon, Topology and Geometry, Springer, 1993, Ch. IV.
关系图谱8 个相邻概念 · 2 类关系

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