同伦

同伦(英语:Homotopic[注 1])在数学和拓扑学上描述了两个对象间的“连续变化”。两个定义在拓扑空间之间的连续函数,如果其中一个能“连续地形变”为另一个,则这两个函数称为同伦的。这样的形变称为两个函数之间的同伦。同伦的一个重要的应用是同伦群和上同伦群(英语:Cohomotopy group)的定义,它们是代数拓扑中重要的不变量(英语:Invariant (mathematics))。

图中的两条虚线相对于它们的端点是同伦的。动画表示了一种可能的同伦。

事实上,在特定的空间中应用同伦还有一些技术上的困难。代数拓扑学家一般使用紧生成空间、CW复形或谱(英语:Spectrum_(topology))。

定义

 
两个将环面映射到R3的嵌入之间的同伦:“咖啡杯的表面”与“甜甜圈的表面”。这也是一个同痕的例子。

给定两个拓扑空间   和  。考虑两个连续函数  ,若存在一个定义在空间 X 与单位区间 [0,1] 的积空间上的连续映射   使得:

  •  
  •  

则称 是  之间的一个同伦[1]:183。

如果我们将 H 的第二个参数当作时间,这样 H 相当于描述了一个从 f 到 g 的连续形变:0 时刻我们得到函数f,1 时刻我们得到函数 g。 我们也可以将第二个参数视作一个可以滑动的“控制条”,当控制条从0滑动至1时,函数 f 平滑地转变为函数 g,反之亦然。

另一种观点是:对每个 ,函数   定义一条连接   与  的路径:

 

右侧的循环动画展示了两个嵌入R3中的环面之间的同伦。X 是环面,Y 是 R3。f,g 是从环面到 R3的连续函数,当动画开始时,f 把环面映射为嵌入的甜甜圈的表面。g 把环面映射为嵌入的咖啡杯表面。动画展示了ht(x)作为时间的函数时的图像。每一次循环中,时间 t 从 0 变成 1,暂停一会,又从 1 变成 0。

性质

当且仅当存在同伦 H 将 f 变换为 g时,称连续函数 f 和 g 是同伦的。同伦是 X 到 Y 上所有的连续函数之间的一种等价关系[1]:184。以下情形中,同伦关系满足函数的复合:

如果 f1, g1 : X → Y 是同伦的,并且 f2, g2 : Y → Z 是同伦的,则他们的复合 f2 ∘ f1 与 g2 ∘ g1 : X → Z 也是同伦的。

例子

例一:取  ,  ,   及  。则  与   透过下述函数在   中同伦。

 
(注意到此例子不依赖于变量  ,通常并非如此。)
注:“在 中同伦”的说法提示一个重点:在例一中若将 代为子空间 ,则虽然  与  仍取值在 ,但此时它们并不同伦。此点可藉中间值定理验证。


例二:取 , ,  及  。则 描绘一个以原点为圆心的单位圆;  停在原点。  与   透过下述连续函数同伦:

 
几何上来看,对每个值 ,函数 描绘一个以原点为圆心,半径   的圆。

相对同伦

为定义高阶基本群,必须考虑相对于一个子空间的同伦概念。这是指能在不变动该子空间的状况下连续变化,正式定义是:设 是连续函数,固定子空间  ;若存在前述同伦映射  ,满足:

  •  
  •  

则称   相对于   同伦。若取  ,则回到原先的同伦定义。

空间的同伦等价

给定两个拓扑空间  与  ,我们称之同伦等价(或称具相同伦型),当且仅当存在两个连续映射 与 ,使得:

  •   同伦到   的恒等映射  。
  •   同伦到   的恒等映射  。

同胚蕴含同伦,反之则不然,详见以下例子:

例三:

  • 一个平面上的圆或椭圆同伦等价到 ,即去掉一点的平面。
  • 线段 、闭圆盘及闭球间两两同伦等价,它们皆同伦等价于一个点。

同伦等价是个拓扑空间之间的等价关系。许多代数拓扑学里的性质均在同伦等价下不变,包括有:单连通、同调群及上同调群等等。

同痕

同痕(Isotopy)是同伦的加细版;我们进一步要求所论的函数  和   是嵌入,并要求两者间可用一族嵌入映射相连。

定义如此:  与  被称为同痕的,当且仅当存在连续映射 使之满足:

  •  
  •  
  • 对所有 ,映射 是个嵌入映射。

同痕的概念在纽结理论中格外重要:若两个结同痕,则我们视之相等;换言之,可以在不使结扯断或相交的条件下彼此连续地变形。

注释

  1. ^ 源自希腊语:ὁμός homós,意为“相同,相似的”与希腊语:τόπος tópos,意为“方位”

参考

  1. ^ 1.0 1.1 Colin, Adams; Robert, Franzosa; 沈以淡. 第9章 同伦与度理论. 拓扑学基础及应用. 北京: 机械工业出版社. 2010年4月1日. ISBN 9787111288091. OCLC 644064114. 

参见