境界があると双対の相手が入れ替わる……ポアンカレ・レフシェッツ双対性
境界のある多様体では、双対の相手が絶対と相対に分かれます。片方が なら、もう片方は です[1]。
境界がない場合は相対と絶対が一致するので、見慣れた形に戻ります。境界がある場合だけ、 種類の群が向かい合う。

以下では つの形を並べ、円板からソリッドトーラス、メビウスの帯まで計算し、境界の 次ホモロジーが半分だけ死ぬ話まで進みます。
主張
をコンパクトで向きづけ可能な 次元多様体とし、境界 を持つとします。次の同型が成り立ちます[1]。
同型は基本類 とのキャップ積で与えられます。境界がある場合の基本類は、相対ホモロジーの側にいます。
向きづけできない多様体では、係数を にとれば同じ主張が通ります[3]。 の向きはどの多様体にも つあるためです。
もう 1 つの形
相対と絶対を入れ替えた形も成り立ちます。
つの式は互いに双対の関係にあります。 を に置き換えて見比べると、対称な位置に並んでいる。
とすると両方が同じ式になり、閉多様体のポアンカレ双対性に戻ります[2]。
例: 円板と円周
、 とします。 は可縮なので は でだけ です。
に当てると、、つまり のときだけ 。
次に立つ の生成元が、基本類の双対にあたります。円板そのものが 次元の相対サイクルになっている、という事情です。
例: 中身の詰まったトーラス
とします。 で、 は中心の円へ変形レトラクトします。
、、それ以上は です。 で当てます。
で 、 で が出ます。 では 。
対の長完全列で確かめると、、、 です。双対の予想と一致しています。
に立つ の代表は、中心の円をふさぐ円板です。境界に端を持つので相対サイクルになります。
例: メビウスの帯
をメビウスの帯とします。向きづけできないので、係数を にとります。
は 次と 次に が立ちます。 で当てましょう。
で 、 で 、 で です。
対の長完全列を 係数でたどっても同じ値になります。境界の円が中心の円を 周するので、 の上では 写像になる、というところが効きます。
整数係数では成り立ちません。向きづけできない多様体には基本類がないためです。
例: 境界つき曲面
種数 、境界成分 本のコンパクト曲面 を考えます。 なら、 は円の花束へ変形レトラクトします。
双対を当てると、相対の側の値が読めます。
円環(, )なら と です。円板(, )なら と になります。
次の はいつでも立ちます。曲面そのものが相対サイクルだからです。
半分は死に、半分は生きる
をコンパクトで向きづけ可能な 次元多様体とし、有理係数で考えます。
包含 が誘導する写像を見ます。
この写像の核の次元が、ちょうど の次元の半分になります。
理由は双対性にあります。核は境界の交叉形式について自己直交な部分空間で、双対性がその次元を半分に決めます。
境界の 次サイクルのうち、中へ入れるとつぶれるものと生き残るものが、ぴったり半々に分かれる。
例: 結び目の外部
を結び目とし、まわりの管状近傍を抜いた をとります。境界はトーラスです。
で、基底は経線と緯線です。いっぽう 。
経線は結び目のまわりを 周するので、 の生成元へ行きます。死にません。
緯線は の中で曲面を張れます。像は で、こちらが死ぬほう。
半分ずつという規則がそのまま出ています。緯線が張る曲面がザイフェルト曲面で、結び目の研究の出発点になります。
例: オイラー標数の関係
が奇数のとき、境界のオイラー標数と本体の標数が結びつきます。
対の長完全列から です。双対性から 。
が奇数なら なので、代入して整理できます。
なら 、 で です。合っています。
ソリッドトーラスなら と で、こちらも通ります。奇数次元の閉多様体で標数が になる事実も、境界を空にした場合として含まれます。
基本類はどこにあるか
閉多様体では基本類が にありました。境界があると になり、そこには置けません。
行き先は相対ホモロジーです。
全体を 次元の鎖と見ると、その境界は の中にあります。相対サイクルの条件をみたしている、という理屈です。
連結準同型で送ると になります。本体の基本類が、境界の基本類へ落ちる。 つの多様体の向きが、この式で結ばれています。









