Последовательность Майера – Виеториса - Mayer–Vietoris sequence

В математике , особенно алгебраическая топология и гомология теория , то последовательность Майер-Виторис является алгебраическим инструментом помощи вычислительные алгебраические инварианты из топологических пространств , известных как их гомологии и когомологий групп . Результатом стали два австрийских математика, Вальтер Майер и Леопольд Виеторис . Метод состоит в разбиении пространства на подпространства , для которых группы гомологий или когомологий может быть легче вычислить. Последовательность связывает группы (ко) гомологий пространства с группами (ко) гомологий подпространств. Это естественная длинная точная последовательность , элементами которой являются группы (ко) гомологий всего пространства, прямая сумма групп (ко) гомологий подпространств и группы (ко) гомологий пересечения подпространств.

Последовательность Майера – Виеториса верна для множества теорий когомологий и гомологий , включая симплициальные гомологии и сингулярные когомологии . В общем, последовательность верна для тех теорий, удовлетворяющих аксиомам Эйленберга – Стинрода , и имеет вариации как для приведенных, так и для относительных (ко) гомологий. Поскольку (ко) гомологии большинства пространств не могут быть вычислены непосредственно из их определений, в надежде получить частичную информацию используются такие инструменты, как последовательность Майера – Виеториса. Многие пространства, встречающиеся в топологии, создаются путем объединения очень простых участков. Тщательный выбор двух покрывающих подпространств так, чтобы вместе с их пересечением они имели более простые (ко) гомологии, чем гомология всего пространства, может позволить полностью вывести (ко) гомологии пространства. В этом отношении последовательность Майера – Виеториса аналогична теореме Зейферта – ван Кампена для фундаментальной группы , и точное соотношение существует для гомологий размерности один.

Предпосылки, мотивация и история

Леопольд Виеторис к 110-летию со дня рождения

Подобно фундаментальной группе или высшим гомотопическим группам пространства, группы гомологий являются важными топологическими инвариантами. Хотя некоторые теории (ко) гомологий вычислимы с использованием инструментов линейной алгебры , многие другие важные теории (ко) гомологий, особенно сингулярные (ко) гомологии, не вычисляются непосредственно из их определения для нетривиальных пространств. Для сингулярных (ко) гомологий группы особых (ко) цепей и (ко) циклов часто слишком велики, чтобы обращаться с ними напрямую. Необходимы более тонкие и косвенные подходы. Последовательность Майера – Виеториса является таким подходом, дающим частичную информацию о группах (ко) гомологий любого пространства, связывая его с группами (ко) гомологий двух его подпространств и их пересечением.

Наиболее естественный и удобный способ выразить свое отношение предполагает алгебраическое понятие точных последовательностей : последовательности объектов (в данном случае группах ) и морфизмы (в данном случае группы гомоморфизмах ) между ними таким образом, что изображение одного морфизма равно ядром из следующий. В общем, это не позволяет полностью вычислить группы (ко) гомологий пространства. Однако, поскольку многие важные пространства, встречающиеся в топологии, представляют собой топологические многообразия , симплициальные комплексы или CW-комплексы , которые строятся путем соединения вместе очень простых фрагментов, теорема, подобная теореме Майера и Виеториса, потенциально имеет широкое и глубокое применение.

Майера познакомил с топологией его коллега Виеторис, когда он посещал свои лекции в 1926 и 1927 годах в местном университете в Вене . Ему рассказали о предполагаемом результате и способе его решения, и он решил вопрос для чисел Бетти в 1929 году. Он применил свои результаты к тору, который рассматривается как объединение двух цилиндров. Позднее Вьеторис доказал полный результат для групп гомологий в 1930 году, но не выразил его в виде точной последовательности. Концепция точной последовательности появилась в печати только в 1952 году в книге Сэмюэля Эйленберга и Нормана Стинрода « Основы алгебраической топологии », где результаты Майера и Виеториса были выражены в современной форме.

Основные версии сингулярных гомологий

Пусть X является топологическим пространством и , B два подпространства , чьи интерьеры покрывают X . (Внутренности A и B не обязательно должны быть непересекающимися.) Последовательность Майера – Вьеториса в сингулярных гомологиях для триады ( X , A , B ) - это длинная точная последовательность, связывающая группы особых гомологий (с группой коэффициентов - целые числа Z ) пространства Х , , B , и пересечениеB . Есть нередуцированная и сокращенная версия.

Нередуцированная версия

Для нередуцированной гомологии последовательность Майера – Виеториса утверждает, что следующая последовательность является точной:

Здесь i  : ABA , j  : ABB , k  : AX и l  : BX - отображения включения и обозначают прямую сумму абелевых групп .

Граничная карта

Иллюстрация граничного отображения ∂ * на торе , где 1-цикл х = у + v является суммой двух 1-цепей, граница которых лежит в пересечении A и B .

Граничные карты ∂ ∗, понижающие размерность, можно определить следующим образом. Элемент в H n ( X ) - это класс гомологии n -цикла x, который, например , путем барицентрического подразделения может быть записан как сумма двух n -цепей u и v , образы которых полностью лежат в A и B соответственно . Таким образом, ∂ x = ∂ ( u + v ) = 0, так что ∂ u = −∂ v . Это означает , что образы обоих этих граничных ( п - 1) -циклов содержатся в пересечении ∩ B . Тогда ∂ ([ x ]) можно определить как класс ∂ u в H n −1 ( AB ). Выбор другого разложения x = u ′ + v ′ не влияет на [∂ u ], поскольку ∂ u + ∂ v = ∂ x = ∂ u ′ + ∂ v ′ , откуда следует ∂ u - ∂ u ′ = ∂ ( v ′ - v ), поэтому ∂ u и ∂ u ′ принадлежат одному классу гомологий; а также не выбрать другой репрезентативной х ' , так как тогда ∂ х' = ∂ х = 0. Отметим , что карты в последовательности Майера-Виеториса зависит от выбора порядка для A и B . В частности, карта границ меняет знак, если местами A и B поменять местами.

Уменьшенная версия

Для редуцированных гомологий также существует последовательность Майера – Виеториса в предположении, что A и B имеют непустое пересечение. Последовательность идентична для положительных размеров и заканчивается следующим образом:

Аналогия с теоремой Зейферта – ван Кампена.

Существует аналогия между последовательностью Майера – Виеториса (особенно для групп гомологий размерности 1) и теоремой Зейферта – ван Кампена . Всякий раз, когда она линейно связна , редуцированная последовательность Майера – Виеториса дает изоморфизм

где по точности

Это в точности абелианизированная формулировка теоремы Зейферта – ван Кампена. Сравните с фактом абелианизации фундаментальной группы, когда она линейно связна.

Основные приложения

k- сфера

Разложение для X = S 2

Чтобы полностью вычислить гомологии k -сферы X = S k , пусть A и B - две полусферы X с гомотопией пересечения, эквивалентные ( k - 1) -мерной экваториальной сфере. Так как K - мерное полушария гомеоморфное к K -Дисков, которые являются сжимаемыми , группа гомологии для A и B является тривиальной . Тогда последовательность Майера – Виеториса для редуцированных групп гомологии дает

Из точности сразу следует, что отображение ∂ * является изоморфизмом. Используя приведенные гомологии в 0-области (две точки) в качестве базового варианта , следует

где δ - символ Кронекера . Такое полное понимание гомологических групп сфер резко контрастирует с нынешними знаниями о гомотопических группах сфер , особенно для случая n > k, о котором мало что известно.

Бутылка Клейна

Бутылка Клейна ( фундаментальный многоугольник с соответствующими обозначениями краев) разложена на две полосы Мёбиуса A (синим цветом) и B (красным).

Несколько более сложно применение последовательности Майера-Виеториса является вычисление групп гомологии бутылки Клейна X . Один использует разложение X как объединение двух лент Мёбиуса A и B, приклеенных вдоль их граничной окружности (см. Иллюстрацию справа). Тогда , В и их пересечение ∩ B являются гомотопически эквивалентны окружностям, поэтому нетривиальной части выходов последовательностей

а тривиальная часть подразумевает исчезающие гомологии для размерностей больше 2. Центральное отображение α переводит 1 в (2, −2), поскольку граничная окружность ленты Мёбиуса дважды оборачивается вокруг сердцевинной окружности. В частности, α инъективен, поэтому гомологии размерности 2 также равны нулю. Наконец, выбирая (1, 0) и (1, −1) в качестве основы для Z 2 , получаем

Суммы клина

Это разложение клина сумма X два 2-сфер K и L дает все группы гомологии X .

Пусть Х является клиновидной суммой двух пространств K и L , и , кроме того , предположим , что идентифицированный Basepoint является деформационным ретрактом из открытых окрестностей UK и VL . Полагая A = KV и B = UL, получаем, что AB = X и AB = UV , что стягиваемо по построению. Тогда сокращенная версия последовательности дает (по точности)

для всех размеров n . Иллюстрации справа показывает X в виде суммы двух 2- х сфер K и L . Для этого конкретного случая, используя результат выше для 2-сфер, мы имеем

Подвески

Это разложение подвески X от 0-сферы Y дает все группы гомологии X .

Если X - надстройка SY пространства Y , пусть A и B - дополнения в X верхней и нижней «вершин» двойного конуса соответственно. Тогда X - это объединение AB , причем A и B стягиваемы. Кроме того , пересечение ∩ B гомотопически эквивалентно Y . Следовательно , выходы последовательности Майера-Вьеторис, для всех п ,

Иллюстрации справа показывает 1-сферу Х в виде суспензии в 0-сфере Y . Заметив в общем, что k- сфера является подвешиванием ( k - 1) -сферы, легко вывести группы гомологий k -сферы по индукции, как указано выше .

Дальнейшее обсуждение

Относительная форма

Относительная форма последовательности Майера-Виеториса также не существует. Если YX и является объединением CA и DB , то точная последовательность такова:

Натуральность

Группы гомологий естественны в том смысле, что если является непрерывным отображением, то существует каноническое прямое отображение групп гомологий, такое что композиция прямых поступлений является прямым направлением композиции: то есть последовательность Майера – Виеториса также естественна в смысл, что если

то соединительный морфизм последовательности Майера – Виеториса коммутирует с . То есть коммутирует следующая диаграмма (горизонтальные карты - обычные):

Когомологические версии

Майер-Виторис длинного точная последовательность для сингулярных когомологий групп с коэффициентом группы G является двойной гомологической версией. Это следующее:

где сохраняющие размерность отображения являются ограничивающими отображениями, индуцированными из включений, а (ко-) граничные отображения определены аналогично гомологической версии. Есть и относительная формулировка.

В качестве важного частного случая, когда G - группа действительных чисел R, а лежащее в основе топологическое пространство имеет дополнительную структуру гладкого многообразия , последовательность Майера – Виеториса для когомологий де Рама имеет вид

где { U , V } является открытым покрытием из X, ρ обозначает карту рестрикции, и Δ разница. Карта определяется аналогично карте сверху. Кратко это можно описать следующим образом. Например, для класса когомологий [ ω ], представленного замкнутой формой ω в UV , выразим ω как разность форм через разбиение единицы, подчиненное открытому покрытию { U , V } . Внешняя производная д £ U и д £ V согласен на U П V и , следовательно , вместе определяют п + 1 вид сг на X . Тогда d ([ ω ]) = [ σ ] .

Для когомологий де Рама с компактными носителями существует "перевернутый" вариант указанной выше последовательности:

где , , являются , как указано выше, является подписанным отображением включения , где проходит форму с компактным носителем в форму на нуль, и это сумма.

Вывод

Рассмотрят длинную точную последовательность , связанную с самыми короткими точными последовательностями из цепных групп (составных группы цепных комплексов )

где α ( х ) = ( х , - х ), β ( х , у ) = х + у , а С п ( + Б ) представляет собой цепь группа , состоящая из сумм цепей в А и цепей в B . Это факт, что особые n -симплексы X , образы которых содержатся либо в A, либо в B, порождают всю группу гомологий H n ( X ). Другими словами, H n ( A + B ) изоморфен H n ( X ). Это дает последовательность Майера – Виеториса для сингулярных гомологий.

То же самое вычисление применимо к коротким точным последовательностям векторных пространств дифференциальных форм

дает последовательность Майера – Виеториса для когомологий де Рама.

С формальной точки зрения последовательность Майера – Виеториса может быть получена из аксиом Эйленберга – Стинрода для теорий гомологии с использованием длинной точной последовательности в гомологиях .

Другие теории гомологии

Вывод последовательности Майера – Виеториса из аксиом Эйленберга – Стинрода не требует аксиомы размерности , поэтому в дополнение к существующим в обычных теориях когомологий , она выполняется в необычных теориях когомологий (таких как топологическая K-теория и кобордизм ).

Когомологии пучков

С точки зрения когомологий пучков последовательность Майера – Виеториса связана с когомологиями Чеха . В частности, она возникает из - за дегенерации в спектральной последовательности , которая относится к Чеху пучковых когомологий (иногда называемый Майер-Виеторис спектральной последовательности ) в случае , когда открытое покрытие используется для вычисления когомологий Чеха состоит из двух открытых множеств. Эта спектральная последовательность существует в произвольных топосах .

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

  • Корри, Лео (2004), Современная алгебра и рост математических структур , Биркхойзер, с. 345, ISBN 3-7643-7002-5.

дальнейшее чтение