中学理科1633649 views
Computer370048 views
小学算数1203731 views
世界の国567435 views
小学社会311570 views
教育150077 views
高校国語790013 views
いろは3025218 views
雑学1474218 views
高校化学2933198 views
Help
Tools

English

連続写像を有限個の頂点で捕まえる(三角形分割と単体近似定理)

連続写像は自由すぎて、そのままでは数えられません。三角形の頂点を頂点へ送る写像なら有限個で、組み合わせの問題に落ちます。

細かく刻めば、どんな連続写像もそういう写像で置き換えられる。これが単体近似定理です[1]。ブラウワーが 1910 年ごろ、単体ホモロジーの位相不変性を確かめるために用意した道具でした[4]。

以下では三角形分割の定義と例から始め、単体写像と星、近似定理の中身と証明の筋、そして三角形分割ができない空間まで扱います。

三角形分割

単体複体 とは、単体の集まりで、面もすべて含み、 つの単体の交わりが両方の面になっているものです[3]。

に属する単体を全部あわせた空間を、 の実現といい と書きます。

位相空間 の三角形分割とは、同相写像 のこと[2]。三角形の貼り合わせで を作り直したことになります。

有限複体なら はコンパクトです。頂点と辺と面の一覧という有限のデータで、空間が指定できます。

例: 円周は 3 頂点から

円周を三角形分割する最少の複体は、三角形の周です。頂点 つと辺 本。

頂点 つでは足りません。 点を 本の辺で結ぼうとすると、 つの単体の交わりが 点になり、面という条件を破ります[3]。

オイラー標数を確かめます。 で、円周の値と合っています。

例: 球面は四面体の表面

の分割としていちばん小さいものは、四面体の表面です。頂点 、辺 、面 。

八面体の表面でも分割できます。頂点 、辺 、面 で、標数はやはり です[3]。

同じ空間に何通りもの分割があり、頂点の個数は違うのに標数は動かない。この不変性が、あとで問題になります。

例: トーラスは 7 頂点

正方形の向かい合う辺を貼るとトーラスができます。正方形を三角形に刻めば分割が得られる、と言いたくなります。

素朴に 本の対角線で つに割ると失敗します。貼り合わせのあとで つの三角形が 辺すべてを共有してしまい、単体複体の条件を破るためです。

十分細かく刻めば通ります。最少の分割は頂点 、辺 、面 で、メビウスのトーラスと呼ばれます[3]。

トーラスの標数 と合っています。

単体写像

複体 から への単体写像とは、頂点を頂点へ送る写像で、 の単体の頂点が の単体の頂点へ行くもののこと。

頂点の対応が決まれば、各単体の内部は線形に延ばして決まります。全体は有限個の頂点の対応だけで書けます。

写像の自由度が有限になりました。連続写像の集まりは無限に広いのに、単体写像は数え上げられます。

頂点の星

頂点 の星 を、 を含む単体の内部をあわせた開集合とします[3]。

のまわりだけを見た小さな近傍です。星の集まりは の開被覆になります。

星が主役になるのは、単体写像を頂点の対応だけで決めたいからです。行き先の頂点を、星の条件から選びます。

単体近似の定義

連続写像 に対し、単体写像 が単体近似であるとは、次をみたすこと[1]。

同じことを点の言葉で書けば、各点 の像 が、 を含む最小の閉単体に入る、となります。

この条件があれば と は近く、線分で結ぶホモトピー が作れます。よって です。

近似といっても、値が近いだけでなくホモトピックまで言える。ここが効きます。

単体近似定理

を有限複体とします。任意の連続写像 に対し、ある自然数 があって、 回重心細分した から への単体近似が存在します[1,4]。

行き先の はそのままで、出発側だけを細かくします。細かくするほど星が小さくなり、条件がみたしやすくなる仕組みです。

細分は出発側にだけ効きます。行き先を細かくしても条件はよくなりません。

証明の筋: ルベーグ数

の各頂点 について、開集合 を作ります。星が を覆うので、 たちは の開被覆です[1]。

はコンパクトな距離空間なので、この被覆にルベーグ数 がとれます。直径が 未満の集合は、どれか 枚に丸ごと入ります。

重心細分をくり返すと、単体の直径は 倍以下に縮んでいきます。 を十分大きくとれば、 の各頂点の星の直径が 未満になります。

そこで各頂点 に対し、 となる を選び、 と定めます。

これが単体写像になることと、星の条件をみたすことは、選び方から確かめられます。証明は細分とルベーグ数の 本で立っています。

例: 低い次元へは全射にならない

とし、 をとります。単体近似 を選ぶと、 の像は 次元以下の単体の和です。

の分割には 単体が含まれ、その内部は の像に入りません。よって は全射になりません。

点を落とした球面は可縮なので、 は定値写像にホモトピックです。 とあわせて次が出ます。

球面の低次のホモトピー群が消えることが、次元の数え上げだけで示せました[1]。

例: ホモトピー群が可算になる

有限複体 から への単体写像は有限個です。細分の回数 を動かしても、全部あわせて可算個。

任意の連続写像はそのどれかにホモトピックなので、ホモトピー類の集合は可算です。

有限 複体のホモトピー群が可算群になる、という基本的な事実が出ます。連続写像の集合そのものは非可算なのに、ホモトピーで割ると可算に落ちる。

例: 単体ホモロジーの位相不変性

単体ホモロジーは分割 から定義されます。同じ空間に別の分割 を入れたとき、値が変わっては困ります。

同相写像 に単体近似をとると、単体写像が誘導する準同型が得られます。逆向きにも同じことをして、合成が恒等写像にホモトピックだと確かめます。

こうして分割によらないことが言えます。同相な複体は同じホモロジー群を持つ[4]。

さらに、連続写像に対しても準同型が定まります。単体写像でない写像を扱えるようになり、単体ホモロジーが関手になります。

どの空間が三角形分割できるか

滑らかな多様体はいつでも三角形分割できます[2]。次元 以下の位相多様体も、例外なく分割できます。

次元から様子が変わります。フリードマンの 多様体は、三角形分割を持たない 次元位相多様体です。

高い次元にも分割できない多様体があります。位相多様体という枠が、組み合わせの言葉に収まりきらない。

計算の道具として使うぶんには、扱う空間がほぼ 複体なので困りません。困るのは、多様体の分類を組み合わせで進めたいときです。

主予想とその否定

分割が つあったとき、共通の細分がとれるだろうか。これを主予想といいます[2]。

正しければ、頂点の個数から作った量がそのまま位相不変量になります。分割の選び方で答えが変わる心配がなくなる。

ミルナーが反例を作りました。レンズ空間から、同相なのに組み合わせとして別ものになる つの複体が得られます。

見分けるのはライデマイスター捩れという量です。共通の細分があれば一致するはずの値が、食い違っています。

組み合わせの構造は、空間そのものより細かい情報を持っている。単体近似定理が保証したのはホモロジーまでで、その先までは届きません。

参考文献

Simplicial approximation theorem - Wikipedia(英語)
Triangulation (topology)) - Wikipedia(英語)
Simplicial complex - Wikipedia(英語)
Simplizialer Approximationssatz - Wikipedia(ドイツ語)
細かく刻めば、どんな連続写像も頂点を頂点へ送る写像に置き換えられます。円周の 3 頂点、四面体の球面、7 頂点のトーラスで分割の例を並べ、星とルベーグ数から近似定理の証明をたどる。$k < n$ で $\pi_k(S^n)$ が消えることや、ホモトピー群が可算になること、単体ホモロジーが分割によらないことが、どれもここから出ます。$4$ 次元の分割できない多様体と主予想の否定まで。