Кіріспе

Математикадағы түсінік. Математикада гомотопиялық категория – топологиялық кеңістіктер категориясынан құрылған, бірдей пішінге ие екі кеңістікті, белгілі бір мағынада, теңестіретін категория. Бұл терминді, іс жүзінде, екі түрлі (бірақ байланысты) категорияға қолдануға болады, олар төменде талқыланады. Көбінесе, топологиялық кеңістіктер категориясынан бастаудың орнына, кез келген модельдік категориядан бастап, оған байланысты гомотопиялық категорияны анықтауға болады, бұл құрылысты 1967 жылы Квиллен енгізген. Осылайша, гомотопия теориясын геометрия және алгебраның көптеген басқа категорияларына қолдану мүмкін.

Наивтік гомотопия категориясы

Топологиялық кеңістіктер санаты Top объектілер ретінде топологиялық кеңістіктерді, ал морфизмдер ретінде олардың арасындағы үздіксіз бейнелеулерді қамтиды. Гомотопиялық санатының ескі анықтамасы hTop, осы мақалада түсініктілік үшін «наивтік гомотопиялық санат» деп аталады, сол объектілерге ие, ал морфизм – үздіксіз бейнелеулердің гомотопиялық класы. Яғни, егер бір үздіксіз бейнелеу f: X → Y екіншісіне үздіксіз түрде деформацияланса, онда ол наивтік гомотопиялық санатта бірдей болып есептеледі. Top санатынан hTop санатына кеңістіктерді өзгеріссіз, ал морфизмдерді олардың гомотопиялық кластарына жіберетін функтор бар. f: X → Y бейнелеуі гомотопиялық эквивалент деп аталады, егер ол наивтік гомотопиялық санатта изоморфизмге айналса. Мысал: S1 шеңбері, R2 жазықтығының нөл нүктесінен басқа барлық нүктелері және Мёбиус жолағы – бәрі де гомотопиялық эквиваленттер, бірақ бұл топологиялық кеңістіктер гомеоморфты емес. [X, Y ] белгісі көбінесе наивтік гомотопиялық санатта X кеңістігінен Y кеңістігіне дейінгі гомоморфизмдер жиыны үшін қолданылады (бірақ ол төменде талқыланатын байланысты санатар үшін де қолданылады).

Quillen-ге сәйкес гомотопия категориясы

Квиллен (1967) топологиялық кеңістіктер санатын одан әрі жеңілдететін тағы бір санатты көрсетті. Гомотопия теориясымен айналысатындар кейде екі санаттың да жұмысын істеуге тура келеді, бірақ басым пікір Квилленнің нұсқасы маңыздырақ екендігіне байланысты, сондықтан оны көбінесе жай ғана «гомотопия санаты» деп атайды. Біріншіден, әлсіз гомотопия теңдестігі анықталады: үздіксіз бейнелеу, егер ол жол компоненттері жиындарына және кез келген базалық нүктесі бар гомотопиялық топтарға биекцияны тудырса, әлсіз гомотопия теңдестігі деп аталады. Содан кейін (шынайы) гомотопия санаты топологиялық кеңістіктер санатын әлсіз гомотопия теңдестіктеріне қатысты локализациялау арқылы анықталады. Яғни, объектілер әлі де топологиялық кеңістіктер болып табылады, бірақ әрбір әлсіз гомотопия теңдестігі үшін кері морфизм қосылады. Бұл үздіксіз бейнелеудің гомотопия санатында изоморфизмге айналуын қамтамасыз етеді, егер және тек қана ол әлсіз гомотопия теңдестігі болса. Топологиялық кеңістіктер санатынан наив гомотопия санатына (жоғарыда анықталғандай) және одан гомотопия санатына дейін анықталған функторлар бар. J. H. C. Уайтхедтің нәтижелері, әсіресе Уайтхед теоремасы және CW-жақындауларының болуы, гомотопия санатын нақтырақ сипаттайды. Атап айтқанда, гомотопия санаты CW кешендерінен тұратын наив гомотопия санатының толық кіші санатына тең. Осы тұрғыдан алғанда, гомотопия санаты топологиялық кеңістіктер санатының көп бөлігін қысқартады. Мысал: X – {0, 1, 2, …} табиғи сандар жиыны, ал Y – {0} ∪ {1, 1/2, 1/3, …} жиыны болсын, екеуі де нақты сызықтан алынған кіші кеңістік топологиясымен жабдықталған. f: X → Y функциясын 0-ді 0-ге, ал оң n-ді 1/n-ге бейнелеу арқылы анықтаңыз. Онда f үздіксіз, тіпті әлсіз гомотопия теңдестігі, бірақ ол гомотопия теңдестігі емес. Осылайша, наив гомотопия санаты X және Y сияқты кеңістіктерді ажыратады, ал гомотопия санатында олар изоморфты болады. X және Y топологиялық кеңістіктері үшін [X, Y] белгісі, контекстке байланысты, X-тен Y-ге дейінгі морфизмдер жиыны үшін наив гомотопия санатында немесе шынайы гомотопия санатында қолданылуы мүмкін.

Айленберг пен Маклейн аралықтары

Бұл санаттардың бір себебі – топологиялық кеңістіктердің көптеген инварианттары наив гомотопия санатында, тіпті шынайы гомотопия санатында анықталады. Мысалы, егер f: X → Y топологиялық кеңістіктердің әлсіз гомотопиялық теңдестігі болса, онда сингуляр гомология топтарының f*: Hi(X,Z) → Hi(Y,Z) гомоморфизмі барлық i натурал саны үшін изоморфизм болып табылады. Осыдан келіп, әрбір i натурал саны үшін Hi сингуляр гомологиясын гомотопия санатынан абельдік топтар санатына функционал ретінде қарастыруға болады. Атап айтқанда, X-тен Y-ге дейінгі екі гомотоптық бейнелеу сингуляр гомология топтарында бірдей гомоморфизмді тудырады. Сингуляр кохомология одан да жақсы қасиетке ие: ол гомотопия санатында бейнеленетін функтор болып табылады. Яғни, әрбір абельдік топ A және i натурал саны үшін Eilenberg–MacLane кеңістігі деп аталатын K(A,i) CW кешені және H i(K(A,i ),A) кохомологиясындағы u класы бар, сонда алынған функция (u-ны X-ке кері тартқанда) барлық X топологиялық кеңістіктері үшін биективті болады. Мұнда [X,Y] дегеніміз, егер бұл тұжырым барлық X топологиялық кеңістіктері үшін дұрыс болуын қаласақ, шынайы гомотопия санатындағы бейнелеулер жиыны. Егер X – CW кешені болса, онда бұл наив гомотопия санатында да орындалады.

Нақты санаттар

Гомотопиялық категорияның объектілері жиынтықтар (қосымша құрылыммен), ал морфизмдер олардың арасындағы нақты функциялар емес, оның орнына функциялар кластары (наивтік гомотопиялық категорияда) немесе функциялардың "зигзагтары" (гомотопиялық категорияда) болып табылады. Шындығында, Фрейд ұшқыр кеңістіктердің наивтік гомотопиялық категориясының да, ұшқыр кеңістіктердің гомотопиялық категориясының да нақты категория еместігін көрсетті. Яғни, осы категориялардан жиынтықтар категориясына адал функтор жоқ.

Модельдер санаттары

Жалпы түсінік бар: модельдік санаттың гомотопиялық категориясы. Модельдік санат – бірнеше аксиомаларды қанағаттандыратын фибрациялар, кофибрациялар және әлсіз эквиваленттер деп аталатын морфизмдердің үш ерекше түрі бар C категориясы. Қатысты гомотопиялық категория C-ді әлсіз эквиваленттерге қатысты локализациялау арқылы анықталады. Топологиялық кеңістіктердің стандартты модельдік құрылымымен (кейде Quillen модельдік құрылымы деп аталады) модельдік санатқа қолданылатын бұл құрылым жоғарыда анықталған гомотопиялық санатты береді. Топологиялық кеңістіктер санатында көптеген басқа модельдік құрылымдар қарастырылды, санатты қаншалықты оңайлатуды қалауға байланысты. Мысалы, топологиялық кеңістіктегі Hurewicz модельдік құрылымында, байланысты гомотопиялық категория жоғарыда анықталған қарапайым гомотопиялық категория болып табылады. Бір гомотопиялық категория көптеген түрлі модельдік категориялардан туындауы мүмкін. Маңызды мысал – симплициалды жиынтықтардағы стандартты модельдік құрылым: байланысты гомотопиялық категория топологиялық кеңістіктердің гомотопиялық категориясына тең, тіпті симплициалды жиынтықтар топологиясы жоқ комбинаторлық түрде анықталған объектілер болса да. Кейбір топологтар компактты түрде жасалған әлсіз Хаусдорф кеңістіктерімен жұмыс істеуді ұсынады; стандартты модельдік құрылыммен байланысты гомотопиялық категория барлық топологиялық кеңістіктердің гомотопиялық категориясына тең. Модельдік санаттың алгебралық мысалы үшін, A – Гротендиктің абельдік категориясы болсын, мысалы, сақинадағы модульдер категориясы немесе топологиялық кеңістіктегі абельдік топтардың шоғырлары категориясы. Содан кейін A нысандарының тізбекті кешендер санатында модельдік құрылым бар, мұнда әлсіз эквиваленттер квазиизоморфизмдер болып табылады. Нәтижедегі гомотопиялық категория D A деп аталады. Сонымен қатар, тұрақты гомотопиялық категория спектрлер санатындағы модельдік құрылымға байланысты гомотопиялық категория ретінде анықталады. Спектрлердің әртүрлі категориялары қарастырылды, бірақ барлық қабылданған анықтамалар бір гомотопиялық санатты береді.