何重に巻きついているかを整数で書く|写像度の定義と計算
同じ次元の閉多様体のあいだの写像に、整数を つ割り当てます。何重に巻きついているか、という数です[1]。
巻き数はホモトピーで動きません。連続に変形しても整数は変わらないので、写像を分類する道具になります。
以下ではホモロジーによる定義と正則値による定義を並べ、符号を数える計算を重ね、ホップの定理と代数学の基本定理まで進みます。
ホモロジーによる定義
, を向きづけられた連結な閉 次元多様体とします。最高次のホモロジーはどちらも で、基本類が生成元です。
連続写像 は準同型 を誘導します。 から への準同型は整数倍しかありません[1,3]。
この整数を写像度といいます。ホモトピックな写像は同じ準同型を誘導するので、写像度もそろいます。
向きを決めておく必要があります。どちらかの向きを裏返すと符号が変わる。
例: 円周の z の n 乗
を複素平面の単位円と見て、 とします。
の生成元は 周する道です。 で送ると 周する道になります。
が負でも同じで、逆向きに 周します。写像度は巻き数そのものです[1]。
正則値による定義
が滑らかなら、幾何的に数えられます。サードの定理から正則値 がとれます[3]。
逆像 は有限個の点です。各点で は局所的に微分同相で、向きを保つか裏返すかのどちらか。
向きを保つ点を 、裏返す点を として足します。正則値の選び方によらずに同じ値が出る、というところが定理です。

図では上向きの交わりが つ、下向きが つで、合計は です。破線の高さを変えても和は変わりません。
局所写像度
正則値でなくても、逆像が孤立していれば計算できます。各点のまわりの小さな球体をとり、そこでの局所的な次数を定めます。
局所写像度は、その点のまわりの小球の境界から、行き先の小球の境界への写像の次数です[3]。
滑らかで正則な点では になり、さきほどの符号の式に戻ります。滑らかでない写像でも数えられる、という点でこちらのほうが広く使えます。
性質
写像度は次の性質を持ちます。
最後の つは短く示せます。 が点 を外すなら、 は を通ります。この空間は可縮なので は定値写像にホモトピック、よって次数 。
対偶をとると、次数が でなければ全射だと分かります。方程式 が解を持つ、という主張に読み替えられます[2]。
例: 対蹠写像
の各点を原点について反対側へ送る写像 を考えます。
座標を つずつ反転する写像の合成として書けます。反転は 回で次数 です。
次元球面は の中にあるので、座標は 個。
が奇数なら 、偶数なら です[1]。 では対蹠写像が回転にホモトピックで、たしかに次数 。
では次数 なので、恒等写像にホモトピックにはなりません。偶数次元の球面で連続な向きの反転が起きない、という事情がここに現れます。
ホップの定理
球面の自己写像では、次数が完全な不変量になります[1]。
つの写像がホモトピックであることと、次数が等しいことが同値です。整数 つで写像のホモトピー類が決まってしまう。
より一般に、 次元の閉多様体から への写像も次数で分類されます。ホップの次数定理といいます[3]。
例: 球面の n 次ホモトピー群
ホップの定理を に当てます。元は から への写像のホモトピー類でした。
次数が類を決めるので、対応は 対 です。次数の和が写像の和に対応するので、群としても同型になります。
生成元は恒等写像、つまり次数 の元です。ここでも整数が巻き数として現れています。
例: 代数学の基本定理
を次数 の複素係数多項式とし、根を持たないと仮定します[4]。
半径 の円周に を制限し、原点のまわりの巻き数を見ます。 を大きくとると最高次の項が支配的になり、巻き数は です。
を に近づけると、像は 点 に縮みます。仮定から なので、巻き数は 。
を連続に動かすと像も連続に動きます。巻き数は整数なので、途中で飛べません。
から へ変わるには、どこかで曲線が原点を通る必要があります。それは という根の存在にほかならず、仮定に反します。
代数の定理が、巻き数が整数だという事実だけで証明されました。
例: 被覆写像の次数
を 枚の被覆写像とし、両方とも向きづけられた閉多様体だとします。
正則値をとると、逆像はちょうど 点です。被覆写像は局所的に微分同相なので、各点の符号は 。
向きを保つ被覆なら全部 で、次数は です。
円周の 乗写像は 枚の被覆でした。さきほどの計算と一致します。
向きを裏返す被覆が混じると、符号が打ち消し合います。 は 枚の被覆ですが、 が偶数のとき が向きづけできないため、この形の議論はそのまま使えません。
例: トーラスから球面へ
出発と行き先が違う多様体でも次数は定まります。 から への写像を作ってみましょう。
トーラスを正方形の辺を貼ったものと見て、辺の部分を 点につぶします。残るのは正方形の内部と 点なので、できる空間は です。
この写像は 次元の胞体を 対 に送るので、基本類を基本類へ移します。
あとは の 次写像を後ろにつなげば、次数 の写像が作れます。合成の次数が積になる性質を使いました。
どの整数も実現できる、と分かります。次数は写像を分類するだけでなく、写像を設計する目安にもなります。
一般の多様体のあいだ
定義には向きづけ可能性が要りました。向きづけできない場合は、係数を にとります。
はどの閉多様体でも成り立つので、 に値をとる次数が定まります。
次数は偶奇しか見ません。それでも全射性の判定には十分で、 なら全射だと言えます。
解析の側では、有界領域と境界を使ったブラウワーの写像度が使われます[2]。 なら方程式が解ける、という形で、微分方程式の存在定理に使われる道具です。











