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上同调的可表性

Representability of cohomology · Eilenberg–Mac Lane representability

以到 Eilenberg–Mac Lane 空间的同伦类自然表示普通约化上同调。

条目类型
定理

形式陈述

G 为阿贝尔群、n1,并在带基点 CW 复形及基点同伦类构成的范畴中工作。存在Eilenberg–Mac Lane 空间 K(G,n) 与通用类

ιnH~n(K(G,n);G),

使每个 X 都有自然双射

ΦX:[X,K(G,n)]  H~n(X;G),[f]f(ιn).

“自然”表示对任意基点映射 a:XX,都有

ΦX([fa])=aΦX([f]).

因此约化上同调函子自然同构于反变 Hom 函子 [,K(G,n)],是拓扑同伦范畴中的可表函子K(G,n)H-空间结构使该双射还是阿贝尔群同构,而不只是集合双射。去掉基点可写成 Hn(X;G)[X,K(G,n)] 的相应版本;必须同时固定采用的是约化/非约化及基点/自由同伦口径。

Brown 可表性定理把这个事实推广到满足同伦公理、楔公理与 Mayer–Vietoris 型条件的反变函子;普通上同调的代表空间恰由 K(G,n) 明确给出。这里“由空间表示”指函子层面的自然同构,不是说上同调群本身是一只拓扑空间。

直觉

一项上同调类原本是“余循环模余边界”的代数商。可表性给出另一幅图像:它等价于把整个 X 映入一只通用测量空间,而所有具体类都只是通用类 ιn 的拉回。这样,对每个空间分别定义的对象,被一只代表空间和一个通用元素统一编码。

自然性是这幅图像的核心。如果先沿 a:XX 拉回上同调类,与先把分类映射 f 预合成 a,得到完全相同结果。仅仅为每个 X 找到大小相同的集合不够;若这些对应不与所有映射相容,就没有可表性,也无法从通用类推出自然运算。

例子与边界

K(Z,2) 可取 CP,令 uH2(CP;Z) 为通用生成元。有限复射影空间的标准包含

jm:CPmCP

满足 jmu=x,其中

H(CPm;Z)Z[x]/(xm+1),|x|=2.

于是 jm 表示 H2(CPm;Z)Z 的生成元;将分类映射与 K(Z,2) 上的“乘 k”映射复合,就表示 kx。在线丛语言中,这正把一阶 Chern 类 kx 对应到通用线丛的拉回。

X=Sn,双射退化为

[Sn,K(G,n)]G.

球面生成类送到所选 gG,而零元对应常值映射。这个计算核对了代表空间唯一的非零同伦群确实位于第 n 维。

边界首先在空间类别。对任意点集拓扑空间,奇异上同调仍有定义,但 [X,K(G,n)] 可能只看见 CW 逼近后的信息;若 X 没有 CW 型,不能未经说明就把自然双射当作点集层面的分类。其次,双射发生在同伦类之间,不是每个余循环对应唯一连续映射。最后,n2 时代表群必须阿贝尔;不能用不存在的 K(G,n) 表示非阿贝尔“系数上同调”。

推论与应用

任意自然上同调运算

θ:H~n(;G)H~m(;H)

由一个通用值 θ(ιn)H~m(K(G,n);H) 完全确定:对 x=fιn,自然性强迫 θ(x)=fθ(ιn)。这把“对所有空间验证一个运算”化为“在一个代表空间上计算一个类”,是 Steenrod 运算分类的起点。

广义约化上同调理论若在各维都有相容代表空间,悬挂同构会把它们组织成谱。普通上同调对应 Eilenberg–Mac Lane 谱。由此可表性同时连接范畴论的 Yoneda 观点、空间的 Postnikov 分层与稳定同伦中的谱,而每一步保留的都是自然映射关系,不是对象的字面相等。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, §4.3 “The Homotopy Construction of Cohomology,” Theorem 4.57.
  • Edgar H. Brown Jr., “Cohomology Theories,” Annals of Mathematics 75(3), 1962, pp. 467–484, Theorem I.
  • J. Peter May, A Concise Course in Algebraic Topology, University of Chicago Press, 1999, Chapter 22, §2.
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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