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English

基本群の計算:円周からトーラス、射影空間まで持ち上げと貼り合わせで決める

円周の上のループは、何回巻いたかという整数 1 つで決まります。トーラスなら整数が 2 つ、8 の字なら 2 つの文字を並べた語になる。

空間ごとに、その整数や語がなす群が基本群です[3]

基本群をどう決めるか

位相空間 の基点 における基本群 は、 を始点と終点に持つループのホモトピー類全体です。積はループの結合で入れる[3]

が弧状連結なら、基点のとり方によらず基本群は同型になります。このとき単に と書く。

計算の道具は 3 つです。被覆空間からの持ち上げ、積空間への分解、そして貼り合わせを扱う van Kampen の定理。

道を持ち上げる

を被覆とします。 の各点が、 で貼り合わさりなく写る開集合の和に持ち上がる近傍を持つ、という状況です[1]

必要になる性質は 2 つ[1][2]

道の持ち上げ。 から始まる道 に対し、 から始まる持ち上げ がただ 1 つ存在する。
ホモトピーの持ち上げ。 を始点とする道のホモトピー に対し、 を始点とする持ち上げ がただ 1 つ存在する。

どちらも、 を貼り合わさりなく写る開集合で覆い、区間をこまかく分けて 1 枚ずつ持ち上げていくことで示せる[1]。区間がコンパクトなので有限回で終わる。

この 2 つがあれば、円周の基本群が決まる。

円周の基本群

をとる。これは被覆で、 です[1]

基点 のループ に、 から始まる持ち上げ をとります。 だから、終点 は整数 になる。

この の持ち上げは です。 はどちらも から への の道であり、 でまっすぐ結べます[1]

を合成すると が示せる。よって で、 の類が全体を生成します。

から一意に決まることも見ましょう。 とし、そのホモトピーを とします。

を始点として持ち上げると が得られ、持ち上げの一意性から です。道のホモトピーだから終点 によらず、 になる[1]

全射性が前半、単射性が後半にあたる。巻き数だけがループのホモトピー不変量である、という主張です[1]

積の基本群とトーラス

積空間は分解できる。証明は積位相の定義から直に導けます[1]

が連続であることと、2 つの成分 がどちらも連続であることは同値になる。だから のループは、 のループと のループの組と同じもの。

ホモトピーについても同じことが言えます。 のホモトピーは、成分ごとのホモトピーの組にほかなりません。

この対応が群の準同型であることは、結合を成分ごとに見れば分かる[1]

トーラスに当てます。 より、次のようになります[2]

生成元は 2 本のループです。 は第 1 成分の を一周して第 2 成分は動かさず、 は逆をやる。

は可換だから で、一般のループは の形に書けます。

同じ議論を繰り返すと 次元トーラスも決まる。

楔和と自由群

次は 8 の字型の空間 。積ではないため、別の道具が必要です。

van Kampen の定理を使います。楔和では、各 をわずかに太らせた開集合 をとると、 はそれぞれ に変形レトラクトし、 は 1 点に縮む[1]

交わりが単連結なため、定理は自由積を与える[1]

関係式が 1 つも入らないところが要点です。 の基本群が自明なため、貼り合わせで課される関係が空になる。

だから です。8 の字の 2 つのループを違う順でたどると、ホモトピー類が変わる。

円周を 個つないだ楔和なら、 元生成の自由群 になります[1]

実射影空間

とし、商写像 を見ます。これは 2 重被覆です[2]

なら は単連結だから、 は普遍被覆になる。普遍被覆では、基本群がデッキ変換群と同型です[2]

デッキ変換は と両立する の同相写像で、ここでは恒等写像と の 2 つだけ。よって位数 2 の巡回群になります。

は別で、 なので になります。

自明でないループも書ける。 の北極から南極への半大円をとり、 で落とすと、両端が同一視されて閉じたループになる。

このループは自明ではありません。持ち上げが閉じないためです。ところが 2 回たどると の中で閉じたループに持ち上がり、 が単連結なため縮められる。

球面が単連結であること

になります[1]。ループを直接縮めるのではなく、覆いに分けて示すのが早い。

を 2 つの開集合の和に書きます。対蹠点を 1 つずつ抜いた をとると、どちらも と同相です[1]

交わり と同相で、 なら弧状連結になる。

ここで次の補題が効きます。 が弧状連結な開集合 の和で、どの も基点を含み、交わりも弧状連結なら、基点でのループはどれも「各 に収まるループの積」にホモトピックです[1]

証明は区間を細かく分けることでできる。ループの各点に、行き先が 1 つの に収まる近傍をとり、区間のコンパクト性から有限個で覆う。分点を基点まで戻す道を挟むと、 ごとのループの積になります[1]

いまの場合、 の基本群で自明になる。だから のループはすべて縮まります。

で崩れるのは、 が 2 つに分かれるためです。弧状連結という仮定がここで落ちる。

複素射影空間

は胞体分割で片づく。 次元の胞体を貼る操作を繰り返すと、次の形になる[1]

胞体の次元がすべて偶数だから、 骨格は 胞体 1 つ、つまり 1 点です。

弧状連結な CW 複体では、 骨格の包含が の全射を導きます[1]。1 点の基本群は自明であり、全射の行き先も自明になる。

実射影空間と対照的です。 は各次元に胞体を持つため 骨格が になり、そこから が残ります。

閉曲面

種数 の向きづけ可能な閉曲面 は、 角形の辺を貼って作れる。胞体は 胞体が 1 つ、 胞体が 個、 胞体が 1 つ[1]

骨格は 個の円周の楔和で、基本群は 元生成の自由群です。 胞体を貼る境界の語が、そのまま関係式になります[1]

なら関係式は 、つまり です。トーラスで得た と合っている。

では非可換になる。可換化すると になるため、 が違えば基本群も違う。だから種数の違う閉曲面は、同相どころかホモトピー同値にもなりません[1]

クラインの壺は向きづけ不可能な例です。正方形の辺を の語で貼るため、次の表示を持ちます[1]

どんな群も基本群になる

計算例を並べると、現れる群の種類が気になる。答えは「全部」です[1]

の表示 をとります。どの群も自由群の商だから、表示はかならず存在する。

生成元ごとに円周を 1 本用意して楔和を作り、関係式 の語に沿って 胞体を貼ります。できた 2 次元 CW 複体を とすると、基本群は になります[1]

楔和の部分が生成元を、貼った胞体が関係式を出す。8 の字と閉曲面で見た手順を、そのまま一般の表示に当てた形です。

だから基本群だけを見て空間の種類を絞ることはできません。逆に、群を空間の言葉に翻訳する道が開ける。

一覧

ここまでの結果を並べます。

空間基本群
可換になる例

。積空間や、可換な関係式で貼った曲面から生じる。

非可換になる例

。自由積や、種数 の閉曲面の関係式から生じる。

ではなく になるのはなぜですか。

  • 円周が 2 本あるから
  • 貼り合わせの交わりが単連結で、関係式が 1 つも課されないから
  • 楔和が弧状連結でないから
__RESULT__

トーラスは積なので、成分ごとに分けた時点で可換になります。楔和は積ではなく、van Kampen の定理が与えるのは自由積です。交わりの基本群が自明なため関係式が入らず、 も成り立ちません。

になる理由はどれですか。

  • が向きづけ不可能だから
  • が普遍被覆で、デッキ変換群が位数 2 だから
  • 骨格が 1 点だから
__RESULT__

では が単連結なので、2 重被覆 が普遍被覆になります。普遍被覆では基本群がデッキ変換群と同型で、ここでのデッキ変換は恒等写像と対蹠写像の 2 つだけです。 骨格が 1 点になるのは のほうで、そちらは単連結になります。

道具は 3 つだけでした。持ち上げ、成分への分解、貼り合わせ。空間の作り方が分かれば、基本群はその作り方をなぞって決まります。

参考

Allen Hatcher, *Algebraic Topology*, Cornell University(定理 1.7、命題 1.12、補題 1.15 と命題 1.14、例 1.21、系 1.27、系 1.28)
Werner Ballmann, *Überlagerungen und Fundamentalgruppe*, Max-Planck-Institut für Mathematik, Bonn(定理 4.2・4.4 の持ち上げ、定理 4.14)
*Fundamental group*, Encyclopedia of Mathematics(定義と積の性質)
円周のループは巻き数という整数 1 つで決まります。被覆からの持ち上げでこれを示し、積空間の分解でトーラスの $\mathbb{Z}^n$ を、van Kampen の定理で 8 の字の自由群を導く。実射影空間はデッキ変換群から、複素射影空間は胞体の次元がすべて偶数であることから決まります。球面が単連結になる理由は、対蹠点を抜いた 2 枚の覆いに分けると見える。閉曲面の表示と、どんな群も 2 次元 CW 複体の基本群になるところまで。