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定理Theorem

Seifert–van Kampen 定理

施工中 · 内容逐步修订

Seifert–van Kampen theorem

把空间开覆盖的基本群通过推送结构组合为整体基本群。

形式陈述 ​

设 X=U∪V,其中 U,V 为开且道路连通,U∩V 也道路连通,并取基点 x0∈U∩V。包含映射诱导同态后,Seifert–van Kampen 定理断言 π1(X,x0) 是图表

π1(U,x0)←i∗π1(U∩V,x0)→j∗π1(V,x0)

在群范畴中的推出。具体地,

π1(X,x0)≅(π1(U)∗π1(V))/N,

其中 N 是由所有关系 i∗(ω)j∗(ω)−1(ω∈π1(U∩V,x0))生成的正规闭包。

这里的 G1∗G2 是自由积,不是直积。若将两群分别写成群呈示 G1=⟨S1∣R1⟩、G2=⟨S2∣R2⟩,先把生成元重命名为不交集合,则自由积是 ⟨S1⊔S2∣R1∪R2⟩;不同因子的元素不会被强行交换。再加入两侧交集回路像相等的关系,正好得到上式的正规商。

推出的含义也可直接表述:任意两条同态 π1(U)→G 与 π1(V)→G,只要在 π1(U∩V) 上经 i∗,j∗ 后一致,就唯一来自一条 π1(X)→G 的同态。交集的两条同态不必单射,因此不能把其像预先当成两个因子的同一个已嵌入子群。

直觉

空间由两个开集粘成时,每条回路可切成落在两边的短段,因此全空间基本群由两边基本群生成。交集中的回路在两边代表同一条全局回路,所以必须把两种像识别;除这些关系外不再增加隐藏关系。代数上这给出群的 pushout,交集单连通时退化为自由积;若两边基本群本身由回路自由生成,便直接出现自由群。

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 S1∨S1 的基本群是自由积 Z∗Z≅F2。给二维胞腔沿词 r 粘到一维骨架时,定理把关系 r=1 加入群呈示。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。

实射影平面可看成在圆周上沿次数为 2 的映射粘一个二胞腔。Seifert–van Kampen 定理把这条粘贴映射变成关系

π1(RP2)≅⟨a∣a2=1⟩≅Z/2Z.

若粘贴映射改为常值映射,得到的是 S1∨S2,基本群仍为 Z;真正决定关系的是边界映射的同伦类。

推论与应用

基本群在开覆盖下由群呈示粘合,交集映射决定 amalgamated free product。道路连通与共同基点保证回路可分段比较。该定理计算曲面、结补和 CW 复形基本群,并与Mayer–Vietoris 序列形成非阿贝尔一维版本的局部到整体工具。

Wirtinger 结群呈示是本定理的一项具体计算:图的每条弧给子午线生成元,每个交叉给共轭关系。三叶结的呈示化成 ⟨a,b∣aba=bab⟩ 后,可满射到非交换群 S3,从而证明它与群为 Z 的平凡结不同。

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。
关系图谱18 个相邻概念 · 2 类关系

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