道路连通分支 π 0 令 X ∈ T o p .
•
映射 γ : I → X 称为从 γ ( 0 ) 到 γ ( 1 ) 的一条道路.
•
记号 γ − 1 表示从 γ ( 1 ) 到 γ ( 0 ) 的一条道路, 由 γ − 1 ( t ) = γ ( 1 − t ) 定义.
•
记号 i x 0 : I → X 表示 x 0 ∈ X 处的常值道路.
图 1. 拓扑空间 X 中的一条道路 γ 和其逆 γ − 1
我们来定义 X 上的一个等价关系: x 0 ∼ x 1 ⟺ 存在从 x 0 到 x 1 的一条道路 . 记对应的商空间为: π 0 ( X ) = X / ∼ 这就是 X 的道路连通分支所构成的集合.
π 0 定义了一个从 h T o p 到 S e t 的协变函子.
若 X , Y 同伦等价, 则 π 0 ( X ) = π 0 ( Y ) .
证明. 对函子
π 0 : h T o p → S e t 应用命题
1.19 .
道路范畴/基本群胚 令 γ : I → X 是一条道路. 我们定义 γ 的道路类为[ γ ] = { γ ~ : I → X ∣ γ ≃ γ ~ r e l ∂ I = { 0 , 1 } } .
图 2. 在一个道路类中, F : γ ≃ γ ~ r e l ∂ I
[ γ ] 是所有在固定端点时可连续形变到 γ 的道路构成的等价类.
令 γ 1 , γ 2 : I → X 使 γ 1 ( 1 ) = γ 2 ( 0 ) . 我们按
γ 2 ⋆ γ 1 ( t ) = { γ 1 ( 2 t ) γ 2 ( 2 t − 1 ) 0 ≤ t ≤ 1 / 2 1 / 2 ≤ t ≤ 1 , 定义一条合成道路γ 2 ⋆ γ 1 : I → X
图 3. 道路的合成
设 f 1 , f 2 , g 1 , g 2 均是道路, 满足 f i ( 1 ) = g i ( 0 ) , [ f 1 ] = [ f 2 ] , [ g 1 ] = [ g 2 ] . 则[ g 1 ⋆ f 1 ] = [ g 2 ⋆ f 2 ] .
证明. 下图描述了证明, 其中
F : f 1 ≃ f 2 而
G : g 1 ≃ g 2 .
我们于是知道 ⋆ 对道路类是良定的:[ g ⋆ f ] : = [ g ] ⋆ [ f ] .
令 f , g , h : I → X 满足 f ( 1 ) = g ( 0 ) 和 g ( 1 ) = h ( 0 ) . 这时( [ h ] ⋆ [ g ] ) ⋆ [ f ] = [ h ] ⋆ ( [ g ] ⋆ [ f ] ) .
令 γ : I → X 的端点分别为 γ ( 0 ) = x 0 和 γ ( 1 ) = x 1 . 则[ γ ] ⋆ [ i x 0 ] = [ γ ] = [ i x 1 ] ⋆ [ γ ] .
证明. 我们只证明第一个等式, 它由下图推出: □
令 X ∈ T o p . 我们定义一个范畴 Π 1 ( X ) 如下:
•
O b j ( Π 1 ( X ) ) = X .
•
H o m Π 1 ( X ) ( x 0 , x 1 ) = 从 x 0 到 x 1 的道路类 .
•
1 x 0 = [ i x 0 ] .
前面的命题推出 Π 1 ( X ) 是良定义的范畴. Π 1 ( X ) 称为 X 的道路范畴 或基本群胚 .
群胚 所有态射可逆的小范畴称为群胚 . 所有的群胚构成一个范畴 G r p d .
一个群 G 可视为一个群胚 G , 其中
•
O b j ( G ) = { ⋆ } 只有一个对象.
•
H o m G ( ⋆ , ⋆ ) = G , 复合由乘法给出.
于是我们得到一个全忠实函子 G r p → G r p d .
回忆 γ − 1 是 γ 的逆.
设 γ : I → X 有端点 γ ( 0 ) = x 0 和 γ ( 1 ) = x 1 . 则[ γ ] ⋆ [ γ − 1 ] = [ 1 x 1 ] , and [ γ − 1 ] ⋆ [ γ ] = [ 1 x 0 ] . 换句话说, Π 1 ( X ) 中所有态射均是同构, 因此 Π 1 ( X ) 是群胚.
证明. 令
γ u : I → X 使得
γ u ( t ) = γ ( t u ) , 其中
u ∈ I 任意. 下面的图给出同伦
γ − 1 ⋆ γ ≃ 1 x 0 的构造:
用下面的图, 为定理 2.12 构造一个不同的同伦 γ − 1 ⋆ γ ≃ 1 x 0 .
令 C 是群胚, 定义如下集合Π 0 ( C ) = O b j ( C ) / ∼ , 其中 A ∼ B 当且仅当在 C 中 ∃ f : A → B . 我们可以将 Π 0 ( C ) 视为一个 (离散的) 范畴, 其对象是只带有恒同态射的元素. 这样 C → Π 0 ( C ) 定义了一个从 G r p d 到 S e t 的函子 (这类似于道路连通分支). 如果 Π 0 ( C ) 只有一个点, 我们就说 C 是道路连通的 .
令 C 是群胚. 我们将一个对象 A ∈ O b j ( C ) 的自同构群定义为A u t C ( A ) : = H o m C ( A , A ) . 注意它确实构成群.
任意的 f : A → B 诱导群同构A d f : A u t C ( A ) g → A u t C ( B ) → f ∘ g ∘ f − 1 . 用图表表示, A d f 将 A 映到 A B g g f f − 1
这便自然定义了函子C → G r p 定义为 A ↦ A u t C ( A ) , f ↦ A d f . 特别地, 把它应用到拓扑空间上, 就得到了函子Π 1 ( X ) → G r p .
令 x 0 ∈ X , 群π 1 ( X , x 0 ) : = A u t Π 1 ( X ) ( x 0 ) 称为带基点的空间 ( X , x 0 ) 的基本群 .
令 X 道路连通. 则对于任意 x 0 , x 1 ∈ X , 我们都有群同构π 1 ( X , x 0 ) ≅ π 1 ( X , x 1 ) .
证明. 考虑上述的函子
Π 1 ( X ) → G r p . 因为
X 道路连通,
Π 1 ( X ) 是群胚, 任两点
x 0 和
x 1 在
Π 1 ( X ) 中同构. 由命题
1.19 ,
π 1 ( X , x 0 ) ≅ π 1 ( X , x 1 ) .
鉴于定理
2.17 , 在道路连通的情况下, 我们有时就简单地将
X 的基本群记为
π 1 ( X ) 而不点明基点.
令 f : X → Y 是连续映射. 则它定义了函子Π 1 ( f ) : Π 1 ( X ) → Π 1 ( Y ) 定义为 x ↦ f ( x ) , [ γ ] ↦ [ f ∘ γ ] .
Π 1 定义了函子Π 1 : T o p → G r p d , 其将 X 映为 Π 1 ( X ) .
令 f , g : X → Y 是映射, 通过 F : X × I → Y 同伦. 我们定义道路类τ x = [ F ∣ x × I ] ∈ H o m Π 1 ( Y ) ( f ( x ) , g ( x ) ) , x ∈ X 如下图所示: 则 τ F : = { τ x : x ∈ X } 定义了自然变换τ F : Π 1 ( f ) ⟹ Π 1 ( g ) .
证明. 令
r : I → X ,
r ( 0 ) = x 0 ,
r ( 1 ) = x 1 . 我们要证明在道路类的层次上, 下图交换:
合成
F ∘ ( r × I ) 给出如下的同伦:
这导出
[ g ∘ r ] ⋆ [ τ x 0 ] = [ τ x 1 ] ⋆ [ f ∘ r ] , 即证.
这个命题可以总结为如下的图表.T o p G r p d X Π 1 ( X ) 同 伦 F 自 然 变 换 τ F Y Π 1 ( Y ) Π 1 f g Π 1 ( f ) Π 1 ( g ) 下面的定理是上面命题的形式推论.
令 f : X → Y 是同伦等价. 则Π 1 ( f ) : Π 1 ( X ) → Π 1 ( Y ) 是范畴等价. 特别地, 它诱导了群同构π 1 ( X , x 0 ) ≅ π 1 ( Y , f ( x 0 ) ) .
证明. 令
g : Y → X 代表
f 在
h T o p 中的逆. 将
Π 1 应用到同伦
f ∘ g ≃ 1 Y 和
g ∘ f ≃ 1 X 上, 我们就找到了从
Π 1 ( f ) ∘ Π 1 ( g ) 和
Π 1 ( g ) ∘ Π 1 ( f ) 到恒同函子的自然变换. 因为
Π 1 ( X ) 和
Π 1 ( Y ) 是群胚, 这些自然变换一定是自然同构. 于是得到第一个命题. 第二个命题则是
1.26 的推论.
令 X , Y ∈ T o p . 则我们有范畴的典范同构Π 1 ( X × Y ) ≅ Π 1 ( X ) × Π 1 ( Y ) . 特别地, 对任意 x 0 ∈ X , y 0 ∈ Y , 我们有群同构π 1 ( X × Y , x 0 × y 0 ) ≅ π 1 ( X , x 0 ) × π 1 ( Y , y 0 ) .
对于点 X = pt , π 1 ( pt ) = 0 是平凡的. 不难看出, R n 和一个点同伦等价. 因此π 1 ( R n ) = 0 , ∀ n ≥ 0 .
我们将在 3 和 ?? 中证明,π 1 ( S 1 ) = Z , 且 π 1 ( S n ) = 0 , ∀ n > 1 .
令 T n = ( S 1 ) n 是 n -维环面. 则π 1 ( T n ) = Z n .
n 条线的 Artin 辫群 B r n 可以实现为有 n 个洞的圆盘的映射类群 (对称群). 它具有如下的有限表现: B r n = ⟨ b 1 , … , b n − 1 ∣ b i b j b i = b j b i b j b j b i = b i b j ∀ ∣ j − i ∣ = 1 , ∀ ∣ j − i ∣ > 1 ⟩ . 辫群也可以实现为基本群.
令 X ∈ T o p . X 的 n 点 (有序) 构形空间是 X 中 n 个两两不同的点组成的集合: C o n f n ( X ) : = { x = ( x 1 , … , x n ) ∈ X n ∣ x i = x j , ∀ i = j } . 置换群 S n 在 C o n f n ( X ) 上有自然作用如下S n × C o n f n ( X ) ( σ , x ) ⟶ C o n f n ( X ) ⟼ σ ( x ) = ( x σ ( 1 ) , x σ ( 2 ) , … , x σ ( n ) ) . X 的无序构形空间是这个作用的轨道: U C o n f n ( X ) = C o n f n ( X ) / S n .
一个经典的结果是B r n ≅ π 1 ( U C o n f n ( R 2 ) ) ≅ π 1 ( U C o n f n ( D 2 ) ) .
更进一步, 这个 (基本) 群中的元素可以这样直观地看成 R 3 中的辫子, 方法如下. 固定 n 个 R 2 中的不同点 Z 1 , ⋯ , Z n . 几何辫是指一个 n -元组 Ψ = ( ψ 1 , … , ψ n ) , 其中 ψ i 是路径ψ i : [ 0 , 1 ] → R 2 × I ⊂ R 3 使得
•
ψ i ( 0 ) = Z i × { 0 } ;
•
ψ i ( 1 ) = Z σ ( i ) × { 1 } 其中 σ 是某个 { 1 , … , n } 的置换;
•
对任意 0 ≤ t ≤ 1 , { ψ 1 ( t ) , … , ψ n ( t ) } 是 R 2 × { t } 中的不同的点.
几何辫的乘法用和道路 (在基本群中) 的乘法一样的方式给出. R 3 中所有辫子的同痕类, 连同如上定义的乘法构成辫群. 在图 4 中可以看到辫子b 1 b 3 b 4 b 2 − 1 b 1 b 3 b 2 − 1 b 1 b 2 − 1 .
图 4. 经典的辫子
n 点 (有序/无序) 构形空间 • 英文 n th (ordered/unordered) configuration space