Степень отображения была впервые определена Брауэром [1] , который показал, что степень является гомотопически инвариантной ( инвариантной среди гомотопий), и использовал ее для доказательства теоремы Брауэра о неподвижной точке . В современной математике степень отображения играет важную роль в топологии и геометрии . В физике степень непрерывного отображения (например, отображения пространства в некоторый набор параметров порядка) является одним из примеров топологического квантового числа .
Пусть – непрерывное отображение. Тогда индуцирует гомоморфизм , где –-я группа гомологий . Принимая во внимание тот факт, что , мы видим, что это должно быть в виде некоторого фиксированного . Тогда это называется степенью .
Между коллекторами
Алгебраическая топология
Пусть X и Y — замкнутые связные ориентированные m -мерные многообразия . Двойственность Пуанкаре подразумевает, что верхняя группа гомологий многообразия изоморфна Z . Выбор ориентации означает выбор генератора верхней группы гомологии.
Непрерывное отображение f : X → Y индуцирует гомоморфизм f ∗ из H m ( X ) в H m ( Y ). Пусть [ X ], соотв. [ Y ] — выбранный генератор H m ( X ), соответственно. H m ( Y ) (или фундаментальный класс X , Y ) . Тогда степень f определяется как f * ([ X ] ) . Другими словами,
Если y в Y и f −1 ( y ) — конечное множество, степень f можно вычислить, рассматривая m -ю локальную группу гомологии X в каждой точке f −1 ( y ) . А именно, если , то
Дифференциальная топология
На языке дифференциальной топологии степень гладкого отображения можно определить следующим образом: если f — гладкое отображение, областью определения которого является компактное многообразие, а p — регулярное значение f , рассмотрим конечное множество
Поскольку p является регулярным значением, в окрестности каждого x i отображение f является локальным диффеоморфизмом . Диффеоморфизмы могут быть как сохраняющими, так и обращающими ориентацию. Пусть r будет числом точек x i , в которых f сохраняет ориентацию, а s будет числом, в которых f меняет ориентацию. Когда кодобласть f связна, число r − s не зависит от выбора p (хотя n не зависит!), и степень f определяется как r − s . Это определение совпадает с приведенным выше алгебро-топологическим определением.
То же определение работает для компактных многообразий с краем , но тогда f должно направить границу X на границу Y .
Можно также определить степень по модулю 2 (deg 2 ( f )) так же, как и раньше, но взяв фундаментальный класс в гомологиях Z 2 . В этом случае deg 2 ( f ) является элементом Z 2 ( поле с двумя элементами ), многообразия не обязательно должны быть ориентируемыми, и если n — количество прообразов p , как и раньше, то deg 2 ( f ) равно n по модулю 2. .
Интегрирование дифференциальных форм дает пару между (C ∞ -) сингулярными гомологиями и когомологиями де Рама : , где – класс гомологий, представленный циклом , и замкнутая форма, представляющая класс когомологий де Рама. Для гладкого отображения f : X → Y между ориентируемыми m -многообразиями имеем
где f ∗ и f ∗ — индуцированные отображения цепей и форм соответственно. Поскольку f ∗ [ X ] = deg f · [ Y ], имеем
для любой m -формы ω на Y .
Карты закрытого региона
Если – ограниченная область , гладкая, регулярное значение и , то степень определяется по формуле
Это определение степени может быть естественным образом расширено для нерегулярных значений, таких как где - точка, близкая к .
Степень удовлетворяет следующим свойствам: [2]
Если , то существует такое, что .
для всех .
Свойство разложения:
if являются непересекающимися частями и .
Гомотопическая инвариантность : Если и гомотопически эквивалентны через гомотопию такую, что и , то
Функция локально постоянна на
Эти свойства однозначно характеризуют степень, и степень может быть определена ими аксиоматически.
Аналогичным образом мы могли бы определить степень отображения между компактными ориентированными многообразиями с краем .
Характеристики
Степень отображения является гомотопическим инвариантом; более того, для непрерывных отображений сферы в себя оно является полным гомотопическим инвариантом, т. е. два отображения гомотопны тогда и только тогда, когда .
Другими словами, степень является изоморфизмом между и .
Более того, теорема Хопфа утверждает, что для любого -мерного замкнутого ориентированного многообразия M два отображения гомотопны тогда и только тогда, когда
Самоотображение n - сферы расширяемо до отображения n +1 -шара в n -сферу тогда и только тогда, когда . (Здесь функция F расширяет f в том смысле, что f является ограничением F на .)
Вычисление степени
Существует алгоритм вычисления топологической степени deg( f , B , 0) непрерывной функции f от n -мерного ящика B (произведения n интервалов) до , где f задается в виде арифметических выражений. [3] Реализация алгоритма доступна в TopDeg — программном инструменте для вычисления степени (LGPL-3).
Смотрите также
Покрывающее число — термин с аналогичным названием. Заметим, что оно не обобщает число витков, а описывает покрытия множества шарами.