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定义Definition

奇异同调

Singular homology

由奇异单形生成链复形,再以循环模边界得到的拓扑不变量。

形式陈述 ​

设 R 为交换含幺环。奇异 n-单形是连续映射

σ:Δn→X.

奇异链模 Cn(X;R) 是以全部奇异 n-单形为基的自由 R-模。对 n≥1,边界映射在生成元上定义为各面限制的交错和

∂nσ=∑i=0n(−1)iσ∘δi,

其中 δi:Δn−1↪Δn 嵌入第 i 个面。普通同调规定 Cn(X;R)=0(n<0)及 ∂0=0。这些链模与边界算子组成奇异链复形。由 ∂n∂n+1=0,有

Bn(X;R)=im∂n+1⊆Zn(X;R)=ker⁡∂n.

对这个 R-模链复形取同调,得到第 n 个奇异同调模

Hn(X;R)=Zn(X;R)/Bn(X;R).

在底层加法群上,这同时是把循环群按边界子群所取的商群。取 R=Z 时得到通常的奇异同调群。对任意阿贝尔群 G,定义

Cn(X;G)=Cn(X;Z)⊗ZG,

边界映射为 ∂n⊗idG,再以其核模像定义 Hn(X;G)。这里 G 不必自带环乘法,因此链对象一般只是阿贝尔群,而不是“自由 G-模”。

直觉

“奇异”表示允许所有连续单形映入空间,不要求空间先有三角剖分。链是带系数的有限单形组合,循环没有边界,边界则确实来自更高维链;取商后只留下“已经闭合却无法在空间中填掉”的部分。

把几何线性化为阿贝尔群或模,使矩阵计算、正合列和系数变换成为可能,但也会丢失基本群中的非交换信息。因此同调是强有力的不变量,不是空间的完整编码。

例子与边界

一条从 a 到 b 的奇异路径有边界 b−a;有序三角形的边界是 [v1v2]−[v0v2]+[v0v1]。再取边界时,每个顶点以正负号各出现一次,全部抵消。高维的 ∂2=0 同样来自每个余维二面出现两次且符号相反,不要求单形的像没有折叠。

一点空间满足 H0≅Z、Hn=0(n>0)。圆周有 H1(S1;Z)≅Z,生成元记录绕行;闭圆盘边界在圆盘中是二维链的边界,所以其一维同调类为零。

H0(X;Z) 是以道路连通分支为基的自由阿贝尔群,而不是一般连通分支。病态空间中连通与道路连通不同。实射影平面满足

H1(RP2;Z)≅Z/2Z,

换成有理系数后这个挠信息消失。即使两个空间的全部同调群同构,也不能断言它们同伦等价;基本群、上同调环或更高结构仍可能不同。

推论与应用

连续映射 f:X→Y 通过复合 σ↦f∘σ 诱导链映射和同调同态,且保持恒等与复合,所以 Hn(−;R) 是函子。同伦映射诱导相同同调同态,这是独立的同伦不变性定理,而不是定义的一部分。

约化同调把非空道路连通空间多余的 H0≅R 因子移除;相对同调与长正合列支持分解计算。给定有限单纯复形时,单纯同调用有限面关系计算同一不变量;给定 CW 结构时,胞腔同调进一步按骨架压缩链群。三者是不同链模型,不是三种互不相干的“洞”定义。

参考资料
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, Chapter 2.
  • Glen E. Bredon, Topology and Geometry, Springer, 1993, Chapter IV.
关系图谱32 个相邻概念 · 4 类关系

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