形式陈述
设 $X=U\cup V$,其中 $U,V$ 为开且道路连通,$U\cap V$ 也道路连通,并取基点 $x_0\in U\cap V$。包含映射诱导同态后,Seifert–van Kampen 定理断言 $\pi_1(X,x_0)$ 是图表
$$ \pi_1(U\cap V,x_0)\rightrightarrows \pi_1(U,x_0),\ \pi_1(V,x_0) $$在群范畴中的推出。具体地,
$$ \pi_1(X,x_0) \cong \bigl(\pi_1(U)*\pi_1(V)\bigr)/N, $$其中 $N$ 是由所有关系 $i_*(\omega)j_*(\omega)^{-1}$($\omega\in\pi_1(U\cap V,x_0)$)生成的正规闭包。
直觉
整体环路可以切成落在两个开集中的小段,所以由局部基本群生成;交集中的同一环路在两侧有两种描述,定理恰好把它们识别。
例子与边界
把圆周分为两个略大于半圆的开集时,交集有两个分支,不满足简单版本的道路连通假设;直接误用会得到错误群,需要调整覆盖、使用多个基点的基本群胚版本或其他构造。楔和 $S^1\vee S^1$ 的基本群是自由群 $\mathbb Z*\mathbb Z$。给二维胞腔沿词 $r$ 粘到一维骨架时,定理把关系 $r=1$ 加入群表示。开集条件可由适当形变收缩邻域替代,但不能无解释地只用任意闭覆盖。
推论与应用
van Kampen 定理是计算基本群的主要局部到整体工具,连接 CW 复形粘合、群表示、曲面群和结空间补集。
参考资料
- Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002,Ch. 1, van Kampen theorem and applications。
- Glen E. Bredon, Topology and Geometry, Springer, 1993,Ch. III, Seifert–van Kampen theorem。