В математике теория гомотопий — это систематическое изучение ситуаций, в которых отображения могут иметь гомотопии между собой. Она возникла как тема в алгебраической топологии , но в настоящее время изучается как самостоятельная дисциплина.
Помимо алгебраической топологии, эта теория также использовалась в других областях математики, таких как:
В теории гомотопий и алгебраической топологии слово «пространство» обозначает топологическое пространство . Чтобы избежать патологий , редко работают с произвольными пространствами; вместо этого требуется, чтобы пространства соответствовали дополнительным ограничениям, таким как компактно порожденное слабое Хаусдорфово или CW-комплекс .
В том же ключе, что и выше, « карта » — это непрерывная функция, возможно, с некоторыми дополнительными ограничениями.
Часто работают с точечным пространством — то есть с пространством с «отличительной точкой», называемой базовой точкой. Точечное отображение — это отображение, которое сохраняет базовые точки; то есть оно отправляет базовую точку домена в базовую точку кодомена. Напротив, свободное отображение — это то, которое не нуждается в сохранении базовых точек.
Декартово произведение двух точечных пространств не является естественно точечным. Заменой является smash-произведение , которое характеризуется сопряженным отношением
то есть, smash-произведение является аналогом тензорного произведения в абстрактной алгебре (см. тензорно-гомовое присоединение ). Явно, является частным от деления на клиновидную сумму .
Пусть I обозначает единичный интервал . Карта
называется гомотопией из карты в карту , где . Интуитивно мы можем думать о как о пути из карты в карту . Действительно, можно показать, что гомотопия является отношением эквивалентности . Когда X , Y являются точечными пространствами, отображения должны сохранять базовую точку, и гомотопия называется базированной гомотопией. Базированная гомотопия — это то же самое, что (базированная) карта , где есть вместе с непересекающейся базовой точкой. [1]
Дано выделенное пространство X и целое число , пусть будут гомотопическими классами базовых отображений из (выделенной) n -сферы в X. Как оказывается,
Каждая группа является фундаментальной группой некоторого пространства. [2]
Отображение называется гомотопической эквивалентностью , если существует другое отображение, такое что и оба гомотопны тождествам. Два пространства называются гомотопически эквивалентными, если между ними существует гомотопическая эквивалентность. Класс гомотопической эквивалентности пространств тогда называется гомотопическим типом . Существует более слабое понятие: отображение называется слабой гомотопической эквивалентностью , если является изоморфизмом для каждого выбора базовой точки. Гомотопическая эквивалентность является слабой гомотопической эквивалентностью, но обратное не обязательно верно.
Через присоединение
Гомотопию иногда рассматривают как карту .
Комплекс CW — это пространство, имеющее фильтрацию , объединение которой равно и такое, что
Например, сфера имеет две ячейки: одну 0-ячейку и одну -ячейку, так как может быть получена путем сжатия границы n -диска в точку. В общем случае каждое многообразие имеет гомотопический тип CW-комплекса; [3] на самом деле, теория Морса подразумевает, что компактное многообразие имеет гомотопический тип конечного CW-комплекса. [ необходима цитата ]
Примечательно, что теорема Уайтхеда утверждает, что для комплексов CW слабая гомотопическая эквивалентность и гомотопическая эквивалентность — это одно и то же.
Другим важным результатом является теорема аппроксимации. Во-первых, гомотопическая категория пространств — это категория, где объект — пространство, а морфизм — гомотопический класс отображения. Тогда
CW-аппроксимация — [4] Существует функтор (называемый функтором CW-аппроксимации)
из гомотопической категории пространств в гомотопическую категорию CW-комплексов, а также естественное преобразование
где , такие, что каждое из них является слабой гомотопической эквивалентностью.
Аналогичные утверждения справедливы также для пар и эксцизных триад. [5] [6]
Явно, указанный выше функтор аппроксимации может быть определен как композиция сингулярного цепного функтора, за которым следует функтор геометрической реализации; см. § Симплициальное множество.
Вышеприведенная теорема оправдывает распространенную привычку работать только с комплексами CW. Например, если задано пространство , можно просто определить гомологию для гомологии приближения CW (ячеистая структура комплекса CW определяет естественную гомологию, ячеистую гомологию , и это можно считать гомологией комплекса).
Карта называется кофибрацией, если задано:
такой, что , существует гомотопия , которая расширяется и такая, что . Примером является деформационный ретракт окрестности ; то есть содержит цилиндрическую окрестность отображения замкнутого подпространства и включение (например, трубчатую окрестность замкнутого подмногообразия). [7] Фактически, корасслоение можно охарактеризовать как пару деформационного ретракта окрестности. [8] Другим базовым примером является пара CW ; многие часто работают только с комплексами CW, и тогда понятие корасслоения там часто неявно.
Расслоение в смысле Гуревича — это двойственное понятие корасслоения: то есть отображение является расслоением, если заданы (1) отображение и (2) гомотопия, такие что , то существует гомотопия, которая продолжается и такая, что .
В то время как корасслоение характеризуется существованием ретракта, расслоение характеризуется существованием секции, называемой подъемом пути следующим образом. Пусть будет обратным протягиванием отображения вдоль , называемым пространством путей отображения . [9] Рассматривая как гомотопию (см. § Гомотопия), если является расслоением, то дает гомотопию [10]
такой, что где задается как . [11] Это называется подъемом пути, связанным с . Наоборот, если существует подъем пути , то является расслоением, поскольку требуемая гомотопия получается посредством .
Базовым примером расслоения является покрывающее отображение , поскольку оно поставляется с единственным подъемом пути. Если является главным G -расслоением над паракомпактным пространством, то есть пространством со свободным и транзитивным (топологическим) групповым действием ( топологической ) группы, то проекционное отображение является расслоением, поскольку расслоение Гуревича можно проверить локально на паракомпактном пространстве. [12]
В то время как корасслоение инъективно с замкнутым образом [13] , расслоение не обязательно должно быть сюръективным.
Существуют также базовые версии кофибрации и расслоения (а именно, карты должны быть базовыми). [14]
Говорят, что пара отображений и удовлетворяет свойству подъема [15], если для каждой коммутативной квадратной диаграммы
существует карта , которая делает приведенную выше диаграмму все еще коммутативной. (Идея берет свое начало в теории модельных категорий .)
Пусть будет классом карт. Тогда говорят, что карта удовлетворяет свойству правого подъема или RLP, если удовлетворяет свойству подъема выше для каждого в . Аналогично говорят, что карта удовлетворяет свойству левого подъема или LLP, если она удовлетворяет свойству подъема для каждого в .
Например, расслоение Гуревича — это в точности отображение , удовлетворяющее RLP для включений . Расслоение Серра — это отображение, удовлетворяющее RLP для включений , где — пустое множество. Расслоение Гуревича — это расслоение Серра, и обратное справедливо для комплексов CW. [16]
С другой стороны, кофибрация — это в точности отображение, удовлетворяющее LLP для оценочных отображений при .
В категории выделенных пространств есть два важных функтора: функтор цикла и функтор (редуцированной) надстройки , которые находятся в сопряженном отношении . Точнее, они определяются как [17]
Из-за сопряженного отношения между произведением столкновений и пространством отображений имеем:
Эти функторы используются для построения последовательностей волокон и последовательностей коволокон . А именно, если это карта, то последовательность волокон, сгенерированная с помощью , является точной последовательностью [18]
где — гомотопическое волокно ; т.е. волокно, полученное после замены на (базовое) волокно. Последовательность коволокон, сгенерированная с помощью , где — гомотопическое коволокно , построенное как гомотопическое волокно (используйте фактор вместо волокна).
Функторы ограничиваются категорией CW-комплексов в следующем слабом смысле: теорема Милнора гласит, что если имеет гомотопический тип CW-комплекса, то таковым является и его пространство петель . [19]
Для данной топологической группы G классифицирующее пространство для главных G - расслоений («с точностью до эквивалентности») — это пространство такое, что для каждого пространства X
где
Теорема Брауна о представимости гарантирует существование классифицирующих пространств.
Идея о том, что классифицирующее пространство классифицирует главные расслоения, может быть продвинута дальше. Например, можно попытаться классифицировать классы когомологий: если задана абелева группа A (такая как ),
где — пространство Эйленберга–Маклейна . Приведенное выше уравнение приводит к понятию обобщенной теории когомологий; т. е. контравариантного функтора из категории пространств в категорию абелевых групп , который удовлетворяет аксиомам, обобщающим обычную теорию когомологий. Как оказывается, такой функтор может быть непредставим пространством , но его всегда можно представить последовательностью (точечных) пространств со структурными отображениями, называемыми спектром. Другими словами, дать обобщенную теорию когомологий — значит дать спектр. K-теория является примером обобщенной теории когомологий.
Простейшим примером спектра является сферический спектр :
См. также: Характерный класс , Башня Постникова , Кручение Уайтхеда
Существует несколько конкретных теорий
Одним из основных вопросов в основах теории гомотопии является природа пространства. Гипотеза гомотопии спрашивает, является ли пространство чем-то фундаментально алгебраическим.
Если кто-то предпочитает работать с пространством, а не с точечным пространством, существует понятие фундаментального группоида (и более высоких вариантов): по определению фундаментальный группоид пространства X — это категория , в которой объекты являются точками X , а морфизмы — путями.
Абстрактная гомотопическая теория — это аксиоматический подход к гомотопической теории. Такая аксиоматизация полезна для нетрадиционных приложений гомотопической теории. Один из подходов к аксиоматизации — это модельные категории Квиллена . Модельная категория — это категория с выбором из трех классов отображений, называемых слабыми эквивалентностями, корасслоениями и расслоениями, подчиняющаяся аксиомам, которые напоминают факты в алгебраической топологии. Например, категория (разумных) топологических пространств имеет структуру модельной категории, где слабая эквивалентность — это слабая гомотопическая эквивалентность, корасслоение — определенный ретракт, а расслоение — расслоение Серра. [20] Другим примером является категория неотрицательно градуированных цепных комплексов над фиксированным базовым кольцом. [21]
Симплициальное множество является абстрактным обобщением симплициального комплекса и может играть роль "пространства" в некотором смысле. Несмотря на название, это не множество, а последовательность множеств вместе с определенными отображениями (грань и вырожденность) между этими множествами.
Например, если задано пространство , для каждого целого числа , пусть будет множеством всех отображений из n -симплекса в . Тогда последовательность множеств является симплициальным множеством. [22] Каждое симплициальное множество имеет естественно связанный с ним цепной комплекс, а гомология этого цепного комплекса является гомологией . Сингулярная гомология является в точности гомологией симплициального множества . Кроме того, геометрическая реализация симплициального множества является комплексом CW, а композиция является в точности функтором аппроксимации CW.
Другим важным примером является категория или, точнее, нерв категории , которая является симплициальным множеством. Фактически, симплициальное множество является нервом некоторой категории тогда и только тогда, когда оно удовлетворяет условиям Сигала (теорема Гротендика). Каждая категория полностью определяется своим нервом. Таким образом, категорию можно рассматривать как особый вид симплициального множества, и это наблюдение используется для обобщения категории. А именно, -категория или -группоид определяются как особые виды симплициальных множеств.
Поскольку симплициальные множества являются своего рода абстрактными пространствами (если не топологическими пространствами), на них можно разработать гомотопическую теорию, которая называется симплициальной гомотопической теорией . [22]
"теория гомотопии". ncatlab.org .