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
は 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、 は 対 の被覆写像。
胞体の総数は 個。オイラー標数は の偶奇で か 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^n | 1 + 1 | 1 + (-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, 1 | 0 |
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。
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。 と 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]。
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。
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。
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。










∂2 が 3 倍写像になるので、H1=Z/3Z です。次数がそのまま捩れの位数になります。