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定义Definition

单纯复形

施工中 · 内容逐步修订

Simplicial complex · Abstract simplicial complex

由对取子集封闭的有限顶点集合族编码单形及其粘合关系的组合空间。

形式陈述 ​

设 V 是有限顶点集,并要求每个 v∈V 都实际出现为单形 {v}。抽象单纯复形 K 是 V 的一个非空有限子集族,并满足向下封闭条件:

σ∈K,τ⊆σ⟹τ∈K.

K 的元素称单形;含 k+1 个顶点的单形称 k-单形,维数为 k。若 τ⊆σ,则 τ 是 σ 的面。不是任何更大单形真面的单形称 facet;facet 是按包含关系极大,不必彼此同维。子复形是 K 中仍对取子集封闭的单形族。本页采用 ∅∈K 的约定,把空单形视为维数 −1;去掉它不影响通常的几何实现和非增广同调。

在 RV 中把顶点 v 放在坐标向量 ev,将每个非空 σ 实现为对应顶点的凸包;这些区域只沿共同面相交,其并集就是几何实现 |K|。当 V=∅、K={∅} 时,实现为空空间。抽象复形记录组合粘合规则,几何实现把规则变成拓扑空间。

直觉

单纯复形不是“一堆三角形的图片”,而是一份严格的粘合清单。清单说某个三角形存在时,它的三条边和三个顶点也必须存在;两个高维块只能沿清单中共同拥有的面相遇。顶点名称承担身份,向下封闭保证每个局部边界都已被记录,因此后续可以用矩阵处理边界与同调。

局部结构可由 star 与 link 观察。顶点或单形 σ 的 star 收集所有包含 σ 的单形及其面;link 收集与 σ 不交、但并上 σ 后仍在 K 中的单形。star 描述邻域,link 描述围绕 σ 的横截组合形状。

例子与边界

取顶点 {0,1,2}。若

K={∅,{0},{1},{2},{0,1},{1,2},{0,2}},

其几何实现是三角形边界,拓扑上为圆。再加入 {0,1,2},便得到填充三角形,拓扑上为圆盘。两者只差一个二维单形,却有不同的一维洞;这正是组合清单能够承载拓扑信息的原因。

集合族 {{0,1,2}} 不是单纯复形,因为缺少该单形的边和顶点。两个实心三角形若在图中交叉于各自内部,而交点没有作为共同面细分出来,也不是该抽象复形的合法几何实现。facet 不等于“最高统一维数的面”:一条孤立边和一个填充三角形可以同时成为同一非纯复形的 facets。

奇异单形是连续映射 Δn→X,可以折叠或重叠;抽象单纯复形中的单形则是有限顶点集。二者名称相近但对象不同,不能把奇异链直接当作复形的面集。

推论与应用

为每个单形选择定向后,可把 k-单形作为自由 Abel 群的基,并以交替删去顶点定义边界算子;完整构造与计算见单纯同调。复形还可通过重心细分改变组合粒度而保持几何实现的同胚类型。有限简单无向图可视为至多一维的单纯复形;环与平行边不能直接当作不同的顶点子集。对于确实具有有限三角剖分的空间,才可由本页的有限复形取得有限组合模型。不能由此断言每个流形都有有限三角剖分:例如 R 非紧,而有限复形的几何实现是有限个紧单形的并。讨论非紧空间的三角剖分通常需要另行允许无限复形。

单纯复形与CW 复形都通过胞块粘合描述空间,但前者要求所有块都是单形且交集严格是共同面,组合控制更强;后者允许更一般的附着映射。选择哪种模型取决于问题是更需要有限计算,还是更需要灵活的拓扑构造。

由次序或共同交集生成高维面 ​

序复形把有限偏序的每条严格链作为单形。菱形的覆盖关系图看似一个环,但完整偏序还给传递边及两个二单形,因此其序复形可缩。输入图能简写次序,却不能代替全部单形清单。

另一种构造是覆盖神经:若几块子复形有同一个非空交集,它们的标签才组成一面。三条闭边覆盖圆周时两两相交、三者不相交,神经仍只有三边,不能根据一维骨架自动填三角形。所有非空交集可缩时,神经才由这条定理保留原复形的同伦型。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, Ch. 2, simplicial and singular homology.
  • James R. Munkres, Elements of Algebraic Topology, Addison-Wesley, 1984, Chs. 1–2, complexes, orientations, and simplicial homology.
关系图谱20 个相邻概念 · 3 类关系

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