LaTeX962207 views
小学社会310495 views
りんご209693 views
中学理科1630686 views
中学数学623778 views
数学講師2886596 views
世界の国564562 views
MathPython497416 views
小学理科719898 views
雑学1473627 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

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。 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 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。

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。

次と 次に が立ちます。 で当てましょう。

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 です。円板(, )なら 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 です。合っています。

ソリッドトーラスなら 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。

参考文献

Poincaré duality - Wikipedia(英語)
Poincaré-Dualität - Wikipedia(ドイツ語)
Dualité de Poincaré - Wikipédia(フランス語)
$H^k(M, \partial M) \cong H_{n-k}(M)$ と、相対と絶対を入れ替えたもう 1 本。境界を空にすると両方が同じ式に戻ります。円板、中身の詰まったトーラス、メビウスの帯、境界つき曲面で計算を並べ、基本類が相対ホモロジーへ移る理由を見る。境界の $1$ 次サイクルはちょうど半分が中でつぶれ、結び目の外部では緯線が死んで経線が生き残ります。奇数次元で $\chi(M)$ が $\chi(\partial M)$ の半分になることも。