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群から空間を作ってホモロジーをとる分類空間 BG

群 から空間を作り、その空間のホモロジーを群のホモロジーと呼ぶ。作られる空間が分類空間 です[1]。

群だけの世界にある問いが、空間の問いに翻訳されます。逆に、空間の側の道具がそのまま群論に使えるようになる。

以下では の定め方から始め、代表的な例を並べ、群のホモロジーとの対応と主束の分類まで扱います。

K(G,1) 空間

連結な 複体 が、 をみたし、 ですべて となるとき、 を 空間といいます[3]。

ホモトピー群が 次にしかない空間です。普遍被覆が可縮であることと同値になります。

弱ホモトピー同値を除いて つに決まります[3]。作り方を変えても同じものが出るので、 と書いて群の側から呼べる。

例: 円周

の普遍被覆は で、可縮です。よって ()。

なので、円周は の分類空間です[1]。

例: 無限次元実射影空間

は、 を について並べた極限です。普遍被覆は で、こちらは可縮になります。

有限次元では止まりません。 は が でないので、 になりません。無限に胞体を足す必要があります。

例: トーラスと無限次元複素射影空間

の普遍被覆は で可縮です。

は を群として持つ場合の分類空間です[1]。こちらは離散群ではないので、 でもあります。

群のホモロジー

群のホモロジーは、もともと代数的に定義されます。不変量をとる関手の導来関手として作る形です[2]。

位相の側から見ると、分類空間のホモロジーと一致します。

代数と位相の 通りの定義が同じものを与える、という定理です。計算しやすいほうを選べます。

例: 低い次数の意味

次と 次と 次には、群論の言葉での言い換えがあります[2]。

です。 の基本群が なので、 次ホモロジーが可換化になる、という話と同じ内容になります。

はシューア乗数と呼ばれます。群の中心拡大を分類する量です。

コホモロジーの側では、 が による拡大を分類します。 は交叉準同型を主交叉準同型で割ったものです。

例: 巡回群

とします。 は無限次元のレンズ空間で、胞体が各次元に 個ずつ並びます。

胞体鎖複体は と が交互になり、計算が短く済みます。

コホモロジーでは偶奇が入れ替わり、偶数次に が並びます[2]。

なら のホモロジーです。 次に が立つ、という値と合っています。

例: 有限群では有理係数が消える

を位数 の有限群とします。 次以上のホモロジーは、すべて 倍すると になります[2]。

したがって有理係数では 次以上が消えます。

有理ホモロジーの目には、有限群の分類空間が 点に見えます。情報はすべてねじれの側に入っている。

が無限次元の複体なのに、有理係数では何も出ない。有限群の研究で、素数ごとの局所化が使われる理由がここにあります。

主束の分類

という名前の由来はここにあります[1]。

可縮な空間 に が自由に作用しているとし、商を とします。 を普遍主束といいます。

パラコンパクトな空間 上の主 束の同型類が、 から への写像のホモトピー類と 対 に対応します。

束を つ作ることと、写像を つ選ぶことが同じになる。分類空間という名前のとおりです。

例: 直線束と円周

とします。主 束は 重被覆と同じものです。

なら です。 種類しかありません。

自明な束が 本の円、非自明な束が 本の円を 重に巻いたものです。メビウスの帯の境界にあたる被覆になります。

なら で、 です。複素直線束が 次コホモロジーの元で分類される、というよく使う事実になります。

表現定理

にはもっと一般の性質があります[3]。 をアーベル群とすると次が成り立ちます。

コホモロジーが、 つの空間への写像の集合として書けます。 の場合が、上で見た被覆や束の分類でした。

コホモロジー類が幾何的な対象になる、という読み方ができます。カップ積や作用素も、空間の写像として理解できるようになる。

例: 群の性質を空間に翻訳する

の性質から群の性質が読めます。 が自由群なら はグラフにとれるので、 次以上のホモロジーが消えます。

逆に なら、 は自由群ではありません。群の表示を調べずに判定できる。

有限位数の元を持つ群では、 が有限次元にできません。有限次元の があると、ねじれが 次以上のホモロジーを無限に生んでしまうためです。

群論の問いを空間の問いに移し、位相の道具で答える。分類空間はその通り道になっています。

参考文献

Classifying space - Wikipedia(英語)
Group cohomology - Wikipedia(英語)
Eilenberg–MacLane space - Wikipedia(英語)
ホモトピー群が $1$ 次にしかない空間を群ごとに用意すると、$\mathbb{Z}$ には円周、$\mathbb{Z}/2$ には無限次元実射影空間、$\mathbb{Z}^n$にはトーラスが対応します。この空間のホモロジーが群のホモロジーそのもので、$H_1$ が可換化、$H_2$ がシューア乗数になる。有限群では有理係数がすべて消え、情報はねじれ側に残ります。主 $G$ 束が $BG$ への写像で分類されることと、$[X, K(G,n)] \cong H^n(X; G)$ まで。