悬挂空间 | Codeboy's Blog

形式陈述

对带基点空间 $(X,x_0)$ ，约化悬挂定义为商空间

\Sigma X= \frac{X\times I}{X\times\{0\}\ \cup\ X\times\{1\}\ \cup\ \{x_0\}\times I}.

三个被压缩部分合成同一个基点；可把每个 $x\in X$ 想成一条从南极到北极的经线，而基点经线也全部折到基点。未约化悬挂只把 $X\times\{0\}$ 与 $X\times\{1\}$ 各自压成两个不同顶点。二者对良好带基点连通空间常有密切关系，却不是逐点同一个定义。

在带基点紧生成空间中，悬挂与环路空间构成伴随：

\operatorname{Map}_*(\Sigma X,Y) \cong \operatorname{Map}_*(X,\Omega Y),

从而在基点同伦类上有自然双射

[\Sigma X,Y]_*\cong[X,\Omega Y]_*.

左侧映射的伴随把 $(x,t)$ 送到 $Y$ 中一条以 $t$ 为参数的环路。这里等价的是映射数据，不是断言 $\Sigma X\simeq Y$ 或 $X\simeq\Omega Y$ 。

直觉

悬挂给 $X$ 的每一点拉出一条竖直线，并把所有线在上下两端汇合。原来 $k$ 维的循环因多出一个共同方向而变成 $(k+1)$ 维循环，所以球面、约化同调和稳定同伦中不断出现“升一维”。作为左伴随，它保持楔和等余极限；这种结构性质比从图形猜测商空间更可靠。

环路和悬挂分别把维数降一与升一，但它们丢失或加入的相干信息不同。伴随的单位 $X\to\Omega\Sigma X$ 把点送到对应经线环路，余单位 $\Sigma\Omega Y\to Y$ 逐点评价环路；两者满足三角恒等式，却通常不是同伦等价。

例子与边界

取带基点球面 $S^n$ 。把它写成 $D^n/\partial D^n$ ，则

\Sigma S^n\cong \frac{D^n\times I}{\partial(D^n\times I)} \cong S^{n+1}.

特别地，带基点的 $S^0$ 有一个非基点，悬挂后那条唯一非平凡经线闭合成 $S^1$ 。由左伴随保持楔和，还得

\Sigma(S^1\vee S^1)\cong S^2\vee S^2.

约化同调相应满足 $\widetilde H_{q+1}(\Sigma X)\cong\widetilde H_q(X)$ ；在上述例子中，楔和的两个一维生成元恰升成两个二维生成元。

悬挂并非可逆操作。以 $X=S^1$ 为例，单位映射

S^1\longrightarrow\Omega\Sigma S^1=\Omega S^2

虽然在 $\pi_1$ 上都看见一个整数生成元，却不可能是弱同伦等价，因为

\pi_2(S^1)=0,\qquad \pi_2(\Omega S^2)=\pi_3(S^2)\cong\mathbb Z.

因此 loop–suspension 伴随绝不能缩写成“两个对象互逆”。若基点嵌入很坏，约化商与映射空间的点集拓扑还可能表现不佳，标准定理通常在良基点或紧生成类别中陈述。

推论与应用

悬挂同构使约化同调成为稳定不变量，并把上同调运算的稳定性表述为与悬挂交换。Freudenthal 悬挂定理进一步说明，在由连通度决定的范围内， $\pi_k(X)\to\pi_{k+1}(\Sigma X)$ 是同构或满射；超出稳定范围后，新出现的 Whitehead 积等现象会阻止简单升维。

构造上，悬挂是映射锥、同伦余纤维和谱的基本零件。它把空间的楔分解推到更高维，也常把基本群的非交换信息线性化；但这种简化会丢信息，所以从 $\Sigma X$ 一般不能恢复 $X$ 。

参考资料

Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, Chapter 0, suspensions and reduced constructions; §4.1, suspension homomorphisms.
J. Peter May, A Concise Course in Algebraic Topology, University of Chicago Press, 1999, Chapter 8, suspension–loop adjunction.
George W. Whitehead, Elements of Homotopy Theory, Springer GTM 61, 1978, Chapter IV “Homotopy Groups,” pp. 157–208.