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English

部分群を選ぶと被覆が決まる、デッキ変換群とガロア対応

被覆空間と、基本群の部分群が に対応します[1]。体の拡大と群の部分群が対応するガロア理論と、同じ形の主張です。

対応を動かす側にいる群がデッキ変換群です。被覆の上を、下を動かさずに滑らせる同相写像を集めた群になります。

以下ではデッキ変換の定義から始め、正規被覆と対応の定理、そして具体的な被覆の並びを見ていきます。

デッキ変換

被覆写像 に対し、同相写像 をみたすとき、 をデッキ変換といいます[2]

下へ落とすと何も変わらない、という条件です。合成について群をなし、 と書きます。

が連結なら、デッキ変換はファイバーの 点の行き先だけで決まります。 点でも動かさなければ、恒等写像です[3]

作用は自由になります。ファイバーの点を置換するだけで、固定点を持ちません。

例: 直線から円周へ

とします。

整数だけ平行移動する写像 は、 を変えません。逆に、デッキ変換はこれしかない。

と同じ群が出ました。普遍被覆では、デッキ変換群が基本群と同型になります[2]

例: 円周の n 重被覆

とします。ファイバーは 点です。

デッキ変換は の回転で、 回まわると恒等写像に戻ります。

対応する部分群は です。商 がそのままデッキ変換群になっています。

正規被覆

と置きます。デッキ変換群は一般に次の形になります[2]

の正規化群です。 が正規部分群なら となり、式が簡単になります。

このとき被覆を正規被覆といいます。デッキ変換群がファイバーに推移的に作用し、商をとると に戻る、という性質と同値です[3]

普遍被覆では が自明なので、いつでも正規です。

ガロア対応

対応の定理を書きます。 を連結、局所弧状連結、半局所単連結とします[1,3]

の部分群と、 の連結な被覆の同値類が に対応します。

大きい部分群には小さい被覆、小さい部分群には大きい被覆が対応します。順序が逆になる点がガロア理論と同じです。

全体の群には 自身、自明な部分群には普遍被覆が対応します。

例: トーラスの被覆

です。部分群を選ぶと被覆が決まります[1]

指数有限の部分群には、有限重の被覆が対応します。行き先もトーラスです。

のような階数 の部分群には、 が対応します。片方の向きだけほどけた形。

自明な部分群には 、つまり普遍被覆が対応します。 が可換なのですべての部分群が正規で、被覆もすべて正規です。

例: 8 の字の被覆

は階数 の自由群 です。部分群が多いので、被覆も豊富にあります[1]

被覆はグラフになります。各頂点から の辺と の辺が 本ずつ出て、 本ずつ入る。

重被覆は、 個の頂点に の置換を つ割り当てることで作れます。 つの置換が生成する群が推移的なら、被覆は連結です。

自由群の部分群は無限に多く、正規でないものも含まれます。

例: 正規でない被覆

頂点のグラフを作ります。 を置換 を置換 として作用させます。

つが生成する群は 次対称群で、位数 点に推移的に作用するので、連結な 重被覆になります。

対応する部分群は、頂点 を固定する元の集まりです。作用が正則でないので、この部分群は正規ではありません。

デッキ変換群が自明になります。 枚のシートがあるのに、どれ つも互いに移せない。

正規被覆なら 枚が対等に入れ替わります。正規でないと、シートごとに役割が違ってしまう。

例: 実射影空間

)を考えます。 は単連結なので、これは普遍被覆です[3]

デッキ変換は恒等写像と対蹠写像の つだけです。

部分群は自明なものと全体の つしかないので、連結な被覆も つです。 自身と

普遍被覆の存在

普遍被覆はいつでもあるわけではありません。半局所単連結という条件が要ります[3]

各点にある近傍 があって、 の中の輪が の中では縮められる、という条件です。 の中で縮まる必要はありません。

多様体も 複体も、この条件をみたします。日ごろ扱う空間では気にせずに済む。

例: ハワイアンイヤリング

条件が破れる例を見ます。半径 の円を、 点で接するように無限個並べたものです。

接点のどんな近傍にも、小さい円が丸ごと入ります。その円は の中でも縮められません。

半局所単連結ではないので、普遍被覆がありません[3]。ガロア対応も、そのままの形では成り立ちません。

基本群も自由群にならず、非可算群になります。素朴な図形なのに、被覆の理論から外れてしまう例です。

群作用の側から

対応を逆向きに読むこともできます。群 が空間 に自由かつ真性不連続に作用しているとします。

このとき は正規被覆になり、デッキ変換群が に一致します。

が単連結なら です。群から空間を作る手続きになります。

レンズ空間は を作用させた商でした。基本群が になるのは、この式のとおりです。

参考文献

Covering space - Wikipedia(英語)
Deck transformation - Wikipedia(英語)
Überlagerung (Topologie)) - Wikipedia(ドイツ語)
基本群の部分群と連結な被覆が $1$ 対 $1$ に対応し、部分群が小さいほど被覆は大きくなります。デッキ変換群は $N(H)/H$ で、$H$ が正規なら商そのもの。円周の $n$ 重被覆で $\mathbb{Z}/n$ が出る様子から、トーラスと $8$ の字の被覆の並べ方、デッキ変換群が自明になる $3$ 重被覆まで具体例で追いました。普遍被覆が存在しないハワイアンイヤリングと、群作用から空間を作る逆向きの読み方も。