Кіріспе

Алгебралық топологиядағы ұғым. Алгебралық топологияда симплициалдық гомология — симплициалдық кешеннің гомологиялық топтар тізбегі. Ол кешендегі белгілі бір өлшемдегі саңылаулар санын формалдай түсіндіреді. Бұл байланысты компоненттер санын жалпылайды (0 өлшем жағдайы). Симплициалдық гомология — топологиялық кеңістіктерді зерттеудің бір жолы ретінде пайда болды, олардың құрылымдық элементтері n симплекстер, үшбұрыштардың n өлшемді аналогтары болып табылады. Бұған нүкте (0 симплекс), түзу кесіндісі (1 симплекс), үшбұрыш (2 симплекс) және тетраэдр (3 симплекс) кіреді. Анықтама бойынша, мұндай кеңістік симплициалдық кешенге гомеоморфты (нақтырақ айтқанда, абстрактілі симплициалдық кешеннің геометриялық жүзеге асырылуы). Мұндай гомеоморфизм берілген кеңістіктің триангуляциясы деп аталады. Көптеген қызығушылық тудыратын топологиялық кеңістіктерді триангуляциялауға болады, соның ішінде барлық тегіс манифольдтар (Кэрнс және Уайтхед). Симплициалдық гомология кез келген абстрактілі симплициалдық кешен үшін қарапайым алгоритммен анықталады. Симплициалдық гомология тек қана байланысты топологиялық кеңістікке тәуелді дегені таң қалдыратын факт. Соның салдарынан, ол бір кеңістікті екіншісінен ажыратудың есептеуге қолайлы тәсілін ұсынады.

Бағдарлар

Симплекстік гомологияны анықтаудағы маңызды түсінік – симплекстің бағдарлануы. Анықтама бойынша, k-симплекстің бағдары (v0, …, vk) түрінде жазылатын төбелерінің ретімен беріледі, және егер екі реттелу жұп пермутациямен ғана ерекшеленсе, олар бірдей бағдарды анықтайды. Осылайша, әрбір симплекстің дәл екі бағдары болады, ал екі төбенің орнын ауыстыру бағдарды қарама-қарсы бағдарға өзгертеді. Мысалы, 1-симплекстің бағдарын таңдау – екі мүмкін бағыттың біреуін таңдаумен бірдей, ал 2-симплекстің бағдарын таңдау – «сағат тіліне қарсы» дегеннің мағынасын анықтаумен бірдей.

Тізбектер

S – симплициалдық кешен болсын. Симплициалдық k-тізбек – әрбір cᵢ – бүтін сан, σᵢ – бағытталған k-симплекс болатын шекті формальды қосынды. Бұл анықтамада әрбір бағытталған симплекс қарама-қарсы бағытталған симплекстің теріс мәніне тең деп қарастырамыз. Мысалы, S-тегі k-тізбектер тобы Cₖ деп белгіленеді. Бұл – S-тегі k-симплекстер жиынымен бір-бірге сәйкес келетін негізі бар еркін абельдік топ. Негізді нақты анықтау үшін әрбір симплекстің бағытын таңдау қажет. Мұны істеудің стандартты әдісінің бірі – барлық төбелердің ретін таңдап, әрбір симплекске оның төбелерінің туындаған ретіне сәйкес бағыт беру болып табылады.

Шекаралардың шекаралары

Себебі, екінші жақ алынып тасталған жерде, геометриялық тұрғыдан алғанда, бұл кез келген нәрсенің шекарасының шекарасы болмайды дегенді білдіреді. Балама ретінде, абельдік топтар тізбектік кешен құрайды. Тағы бір баламалы тұжырым – Bk, Zk-нің ішіне кіреді. Мысал ретінде, w, x, y, z төбелеріне бағытталған тетраэдрді қарастырайық. Анықтама бойынша, оның шекарасы: xyz – wyz + wxz – wxy. Шекараның шекарасы былай беріледі: 1 = (yz – xz + xy) + (yz – wz + wy) + (xz – wz + wx) + (xy – wy + wx) = 0.

Қарапайым карталар

S және T – симплициалдық кешендер болсын. S-тен T-ге дейінгі f симплициалдық бейнелеуі – S-тің төбелік жиынынан T-тің төбелік жиынына дейінгі функция, мұнда S-тегі әрбір симплекстің (төбелік жиын ретінде қарастырылғанда) бейнесі T-дегі симплекс болады. f симплициалдық бейнелеуі: S → T, әрбір k бүтін саны үшін Hk(S) → Hk(T) гомоморфизмін анықтайды. Бұл S-тің тізбектік кешенінен T-тің тізбектік кешеніне дейінгі тізбектік бейнелеуге байланысты гомоморфизм. Атап айтқанда, бұл тізбектік бейнелеу k-шы тізбектерде былай беріледі: егер f(v0), ..., f(vk) барлығы дерлік ерекшеленсе, ал әйтпесе 1=f((v0, ..., vk)) = 0. Бұл құрылым симплициалдық гомологияны симплициалдық кешендерден абельдік топтарға дейінгі функтор етеді. Бұл теорияның қолданылуы үшін, соның ішінде Брауэрдің бекітілген нүкте теоремасы және симплициалдық гомологияның топологиялық өзгермейтіндігі үшін өте маңызды.

Қарым-қатынас хомологиялары

Сингулярлы гомология – есептеуге емес, теорияға көбірек бейімделген байланысты теория. Сингулярлы гомология барлық топологиялық кеңістіктер үшін анықталады және тек топологияға ғана тәуелді, ешқандай триангуляцияға емес; ал триангуляциялана алатын кеңістіктер үшін симплициалды гомологиямен сәйкес келеді. Дегенмен, симплициалды кешеннің симплициалды гомологиясын автоматты түрде және тиімді есептеуге болатындықтан, симплициалды гомология суреттерді талдау, медициналық визуализация және жалпы деректерді талдау сияқты нақты жағдайларда қолдану үшін маңызды болды. Тағы бір байланысты теория – жасушалық гомология.

Қолданбалар

Көптеген компьютерлік қолданбалардағы әдеттегі жағдай – нүктелер жиынтығы (өлшемдер, бит картасындағы қара пиксельдер және т.б.), онда топологиялық ерекшеліктерді табу қажет. Гомология мұндай ерекшеліктерді іздеуге көмектесетін сапалық құрал бола алады, себебі ол симплициалдық кешен сияқты комбинаторлық деректерден оңай есептеледі. Алайда, деректер нүктелерін алдымен үшбұрыштау қажет, яғни деректерді симплициалдық кешенмен жуықтау керек. Тұрақты гомологияны есептеу әртүрлі ажыратымдылықта гомологияны талдауды және ажыратымдылық өзгергенде сақталатын гомология кластарын (саңылауларды) тіркеуді қамтиды. Мұндай ерекшеліктер молекулалардың құрылымын, рентгендік суреттердегі ісіктерді және күрделі деректердегі кластерлік құрылымдарды анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Жалпы алғанда, симплициалдық гомология – деректерді талдаудың топологиялық әдісінде, деректерді өңдеу саласындағы маңызды құрал болып табылады.

Қолданылу

Үлкен қарапайым кешендердің қарапайым гомологиясын дәл және тиімді есептеу үшін GAP қарапайым гомологиясын қолдануға болады. Осы сайтта тұрақты гомологияны есептеуге арналған MATLAB құралдар жиынтығы Plex (Vin de Silva, Gunnar Carlsson) қолжетімді. C++ тіліндегі дербес нұсқалары Perseus, Dionysus және PHAT бағдарламалық жобаларының құрамында бар. Python үшін scikit tda, Persim, giotto tda және GUDHI сияқты кітапханалар ұсынылады, соңғысы машиналық оқыту үшін топологиялық ерекшеліктерді жасауға бағытталған. Оларды PyPI репозиторийінен табуға болады.