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English

点に球体を貼り足すだけ、CW 複体の構成からホモロジーまで

一般の位相空間は扱いにくく、多様体は制約が強すぎます。あいだをとった対象が CW 複体です[1]

作り方は単純で、点から始めて球体を貼り足していくだけ。ホモロジーの計算が胞体の数え上げに落ち、ホモトピー論の定理がきれいに成り立つ範囲になります。

以下では貼り付けの手続きから始め、代表的な空間の胞体分割を書き下し、胞体ホモロジーによる計算と、この圏で何が成り立つのかまで扱います。

骨格を順に作る

骨格 を離散的な点の集合とします。

ができたら、 次元球体 を用意し、境界からの連続写像 で貼り付けます[1]

で同一視する。これを繰り返した合併が CW 複体です。

貼り付け写像が形を決める

同じ胞体の個数でも、貼り付け方が違えば別の空間になります。

次元胞体を円周に貼るとき、貼り付け写像の次数が なら円板、 なら

胞体の個数と貼り付け写像の組が、空間を決める情報になっています[1]

貼り付けを動かして見る

境界の巻き方を変えると、できる空間が変わります。

左が胞体の境界、右が貼り付け先の円周です。左が 1 周するあいだに右が何周するかで、できる空間が変わります。

次数 なら 。同じ「円周に 次元胞体を 1 つ貼る」でも、結果が違う[2]

C と W の意味

名前の C は closure-finite の頭文字です。各胞体の閉包が、有限個の胞体としか交わらない[3]

W は weak topology の頭文字。集合が閉であることを、各骨格との交わりが閉であることで定めます。

有限複体では、どちらの条件も自動的に満たされます。無限個の胞体を扱うときに効いてくる条件[1]

例:球面

胞体 1 つと 胞体 1 つで作れます。 胞体の境界を、全部 1 点に潰す形で貼る[1]

という同一視そのもの。

別の分割もあります。 を上半球と下半球に分ければ、各次元に 2 つずつの胞体。 の被覆として使う形。

例:実射影空間

は各次元に胞体を 1 つずつ持ちます[3]

で、 の被覆写像。

胞体の総数は 個。オイラー標数は の偶奇で になります。

例:複素射影空間

は偶数次元にだけ胞体を持ちます。 次に 1 つずつ[1]

で、貼り付け写像はホップ写像

奇数次に胞体がないので、境界写像がすべて 。ホモロジーが胞体の数え上げだけで出ます。

例:トーラス

正方形の対辺を貼り合わせて作ります。 胞体 1 つ、 胞体 2 つ、 胞体 1 つ[2]

胞体の境界は の順にたどります。往復するので、境界写像が打ち消し合って

オイラー標数は 。トーラスの標数と一致します。

空間胞体の個数オイラー標数
S^n1 + 11 + (-1)^n
RP^n各次元に 1 つ0 または 1
CP^n偶数次に 1 つずつn + 1
トーラス1, 2, 10

正方形から作る様子

トーラス、クラインの壺、射影平面を、同じ正方形から貼り方だけ変えて作ります。

胞体、 胞体、 胞体の個数は 3 つとも同じです。矢印の向きだけが違う。

貼り付け写像が空間を決める、という主張がこの図に出ています。オイラー標数も、トーラスとクラインの壺では 、射影平面では と分かれる[2]

例:グラフは 1 次元の複体

頂点を 胞体、辺を 胞体とすれば、グラフが CW 複体になります。

が連結成分の個数、 が独立な閉路の個数。オイラー標数は です。

木では で、閉路が 1 つ増えるごとに階数が 1 つ上がります。数え上げがそのままホモロジー[2]

例:無限次元の複体

各次元に胞体を 1 つずつ、無限に貼り続けると ができます。

これは で、、ほかのホモトピー群がすべて

無限個の胞体を扱うので、閉包有限性と弱位相の条件がここで効きます[1]

胞体ホモロジー

胞体を基底とする自由アーベル群を とします。

境界写像は、貼り付け写像の次数で決まります[2]

は、 の境界を 以外の胞体を潰して見た写像。

この複体のホモロジーが、特異ホモロジーに一致します[2]

計算が数え上げに落ちる

特異ホモロジーでは、鎖群が非可算次元になります。胞体ホモロジーでは、胞体の個数ぶんの階数しかありません。

有限複体なら有限階数です。手で計算できるところまで落ちる[2]

これが CW 複体を使う最大の理由になっています。

例: のホモロジーを計算する

胞体は 次に 1 つずつ。鎖群はどれも

胞体の両端が同じ点)、(境界が 骨格を 周する)です[2]

したがって 。捩れが出てくる仕組みが、次数 から見えます。

例: のホモロジー

胞体は 次に 1 つずつです。あいだの次数に胞体がありません。

境界写像は必ず になります。次数が 2 つ飛ぶので、行き先の鎖群が

、ほかは 。計算が一瞬で終わります。

骨格が円周 1 本で、 胞体の貼り付け写像の次数が のとき、 はどうなるか。

__RESULT__

倍写像になるので、 です。次数がそのまま捩れの位数になります。

ホモトピー拡張性

CW 対 はホモトピー拡張性を持ちます。 の上のホモトピーを 全体へ延ばせる[1]

胞体を 1 つずつ見て、球体の上へ延ばす手続きで示せます。球体が可縮なので延ばせる。

この性質があるおかげで、ホモトピー論の議論が滞りなく進みます。

ホワイトヘッドの定理

CW 複体のあいだの連続写像が、すべてのホモトピー群に同型を誘導すれば、その写像はホモトピー同値です[4]

CW という仮定が要ります。ワルシャワ円周では、ホモトピー群がすべて自明でも 1 点とホモトピー同値になりません[4]

群が同型なだけでは足りず、同型を誘導する写像が要ります。 はホモトピー群が同型ですが、ホモトピー同値ではありません[4]

CW 複体のあいだ

ホモトピー群の同型を誘導する写像があれば、ホモトピー同値になります。

一般の空間

同型があっても言えません。ワルシャワ円周が反例です。

CW 近似

どんな位相空間にも、弱ホモトピー同値な CW 複体が存在します[4]

したがって、ホモトピー群やホモロジーだけを見る限り、CW 複体の範囲で考えれば足ります。

一般の空間を扱う代わりに、扱いやすい代表をとる。この構成が、CW 複体をホモトピー論の標準的な舞台にしています。

何が保証されるのか

CW 複体では、次の性質が使えます。

正規空間であり、局所可縮である
胞体ホモロジーで計算できる
ホモトピー拡張性を持つ
ホワイトヘッドの定理が成り立つ
有限部分複体の余極限として書ける

一般の位相空間ではどれも保証されません[3]。扱いやすさと一般性の釣り合いが、この定義の設計になっています。

よくある誤り

胞体が交わると思う。開胞体どうしは互いに素です
胞体の個数だけで空間が決まると思う。貼り付け写像も情報のうちです
閉包有限性を有限複体でも意識する。無限個のときにだけ効きます
胞体ホモロジーが特異ホモロジーと違うと思う。一致します
ホワイトヘッドの定理を一般の空間で使う。CW という仮定が要ります
ホモトピー群が同型ならホモトピー同値だと思う。誘導する写像が要ります
に奇数次の胞体があると思う。偶数次だけです

参考文献

CW complex
Cellular homology
CW-Komplex
Whitehead theorem
Real projective space
Complex projective space
一般の位相空間は扱いにくく、多様体は制約が強すぎます。あいだをとったのが CW 複体で、点から始めて球体を貼り足すだけで作れる。同じ個数の胞体でも貼り付け写像が違えば別の空間になり、正方形の対辺を貼る向きでトーラスとクラインの壺と射影平面に分かれます。鎖群が胞体の個数ぶんの階数しかないので、ホモロジーが手で計算できる。$\mathbb{RP}^2$ の捩れが次数 $2$ から出てくる仕組みも見えます。ホワイトヘッドの定理が成り立つ範囲。