Кіріспе

Топологиялық кеңістік ретінде үздіксіз топтық әрекеті бар топ

Математикада топологиялық топтар – топтар мен топологиялық кеңістіктердің біріктірілуі, яғни олар бір мезгілде топтар және топологиялық кеңістіктер болып табылады. Топтық операциялардың үздіксіздік шарты осы екі құрылымды байланыстырады және олардың бір-бірінен тәуелсіз болуына жол бермейді. Топологиялық топтар 1925-1940 жылдар аралығында жан-жақты зерттелді. Хаар және Вейль (1933 және 1940 жылдары) интегралдар мен Фурье қатарларының топологиялық топтардың өте кең класының ерекше жағдайлары екенін көрсетті. Топологиялық топтар, үздіксіз топтық әрекеттермен бірге, үздіксіз симметрияларды зерттеу үшін қолданылады, мысалы, физика саласында көптеген қолданысқа ие. Функционалдық анализде кез келген топологиялық векторлық кеңістік – скалярлық көбейтудің үздіксіздігін қосымша қасиет ретінде қамтитын аддитивті топологиялық топ болып табылады. Осының салдарынан, топологиялық топтар теориясының көптеген нәтижелерін функционалдық анализде қолдануға болады.

Гомоморфизмдер

Топологиялық топтардың гомоморфизмі – G → H үздіксіз топтық гомоморфизмін білдіреді. Топологиялық топтар, олардың гомоморфизмдерімен бірге, санат құрайды. Топологиялық топтар арасындағы топтық гомоморфизм үздіксіз болады, және тек қана егер ол бір нүктеде үздіксіз болса. Топологиялық топтардың изоморфизмі – бұл топтық изоморфизм, сонымен қатар жатқылық топологиялық кеңістіктердің гомеоморфизмі болып табылады. Бұл жай ғана үздіксіз топтық изоморфизмді талап етуден күштірек, себебі кері гомоморфизм де үздіксіз болуы керек. Қарапайым топтар ретінде изоморфты, бірақ топологиялық топтар ретінде емес болатын топологиялық топтардың мысалдары бар. Шындығында, кез келген дискретті емес топологиялық топ, дискретті топологиямен қарастырылғанда, топологиялық топ болып табылады. Жақын жатқан топтар бірдей, бірақ топологиялық топтар ретінде изоморфизм жоқ.

Мысалдар

Әрбір топты дискретті топология арқылы қарастыру арқылы тривиальды түрде топологиялық топқа айналдыруға болады; мұндай топтар дискретті топтар деп аталады. Осы мағынада, топологиялық топтар теориясы қалыпты топтар теориясын қамтиды. Индискретті топология (яғни тривиальды топология) кез келген топты топологиялық топқа айналдырады. Нақты сандар әдеттегі топологиямен қосу бойынша топологиялық топты құрайды. Евклидтік n-кеңістік ^(n) қосу бойынша топологиялық топ болып табылады, ал жалпы алғанда, кез келген топологиялық векторлық кеңістік (абельдік) топологиялық топты құрайды. Абельдік топологиялық топтардың басқа мысалдары – шеңбер тобы S^(1) немесе кез келген натурал сан n үшін тор (S^(1))^(n). Классикалық топтар – абельдік емес топологиялық топтардың маңызды мысалдары. Мысалы, нақты коэффициенттері бар n×n матрицаларының барлық инверттік матрицаларының жалпы сызықтық тобы GL(n, ℝ) Евклид кеңістігінің ішкі кеңістігі ретінде қарастырылатын топологиясы бар топологиялық топ ретінде қарастырылуы мүмкін. Тағы бір классикалық топ – ортогоналды топ O(n), ол ^(n)-ден өзіне дейінгі барлық сызықтық түрлендірулердің тобы, ол барлық векторлардың ұзындығын сақтайды. Ортогоналды топ топологиялық кеңістік ретінде компактты. Евклид геометриясының көп бөлігін ортогоналды топтың құрылымын немесе оған тығыз байланысты изометриялар тобы O(n) ⋉ ^(n) зерттеу ретінде қарастыруға болады. Бұған дейін аталған топтардың барлығы – Ли топтары, яғни олар топтық операциялар үздіксіз ғана емес, тегіс болатын тегіс көптүрліліктер. Ли топтары – ең жақсы түсінілген топологиялық топтар; Ли топтарына қатысты көптеген сұрақтарды Ли алгебраларына қатысты таза алгебралық сұрақтарға айналдырып, содан кейін оларды шешуге болады. Ли тобы емес топологиялық топтың мысалы – рационал сандардың қосынды тобы, оның топологиясы мұраланған. Бұл саналатын кеңістік, оның дискретті топологиясы жоқ. Сандар теориясы үшін маңызды мысал – p-адик бүтін сандарының p тобы, p – жай сан үшін, яғни n шексіздікке бара жатқанда шекті топтардың кері шегі /p^(n). P тобы компактты (әсіресе Кантор жиынымен гомеоморфты), бірақ ол (нақты) Ли топтарынан толығымен ажыратылған. Жалпы алғанда, p-адик Ли топтарының теориясы бар, оның ішінде GL(n, p) сияқты компактты топтар, сондай-ақ GL(n, p) сияқты жергілікті компактты топтар бар, мұнда p – p-адик сандарының жергілікті компактты өрісі. P тобы – проконекті топ; ол өнімнің ішкі тобына изоморфты, сондықтан оның топологиясы өнім топологиясымен индукцияланады, онда шекті топтарға дискретті топология беріледі. Сандар теориясында маңызды проконекті топтардың тағы бір үлкен класы – абсолютті Галуа топтары. Кейбір топологиялық топтарды шексіз өлшемді Ли топтары ретінде қарастыруға болады; бұл фразаны әртүрлі мысалдардың бірнеше отбасыларын қамту үшін бейресми түсінуге болады. Мысалы, Банах кеңістігі немесе Гильберт кеңістігі сияқты топологиялық векторлық кеңістік – қосу бойынша абельдік топологиялық топ. Басқа да шексіз өлшемді топтар, олардың зерттелу деңгейі әртүрлі, – бұрандалы топтар, Кац-Муди топтары, диффеоморфизм топтары, гомеоморфизм топтары және өлшегіш топтар. Көбейтуші бірлікке ие кез келген Банах алгебрасында инверттік элементтердің жиынтығы көбейту бойынша топологиялық топты құрайды. Мысалы, Гильберт кеңістігіндегі инверттік шектелген операторлардың тобы осылай пайда болады.

Біркелкі кеңістік

Әрбір топологиялық топты екі түрлі жолмен біркелкі кеңістік ретінде қарастыруға болады; сол жақ біркелкілік барлық сол жақтан көбейтулерді біркелкі үздіксіз бейнелеулерге айналдырады, ал оң жақ біркелкілік барлық оң жақтан көбейтулерді біркелкі үздіксіз бейнелеулерге айналдырады. Егер G абельдік емес болса, онда бұл екі біркелкілік бірдей болуы міндетті емес. Бұл біркелкі құрылымдар топологиялық топтарда толықтық, біркелкі үздіксіздік және біркелкі жинақталу сияқты ұғымдарды қарастыруға мүмкіндік береді.

Кіші топтар

Топологиялық топтың кез келген кіші тобы, егер оған субкеңістік топологиясы берілсе, өзі топологиялық топ болып табылады. Кез келген ашық H кіші тобы G-де жабық болады, себебі H-ның толықтыруы – G \ H үшін g ∈ G \ H болатын ашық жиындардың бірігуімен берілген ашық жиын. Егер H, G-нің кіші тобы болса, онда H-ның жабылуы да кіші топ болып табылады. Сол сияқты, егер H, G-нің нормальді кіші тобы болса, онда H-ның жабылуы G-де нормальді болады.

Квотиенттер мен қалыпты кіші топтар

Егер H, G-нің кіші тобы болса, G/H сол жақ косеттерінің жиыны, үлестік топологиямен бірге, G үшін гомогендік кеңістік деп аталады. Үлестік бейнелеу әрқашан ашық болады. Мысалы, оң бүтін сан n үшін, сфера S^(n), SO(n+1) айналу тобы үшін ^(n+1) кеңістігінде гомогендік кеңістік болып табылады. G/H гомогендік кеңістігі Хаусдорф кеңістігі болады, егер және тек қана H, G-де жабық болса. Осы себептердің бірінен, топологиялық топтарды зерттегенде жабық кіші топтарға назар аудару табиғи. Егер H, G-нің нормальді кіші тобы болса, онда G/H үлестік тобы, үлестік топология берілген кезде топологиялық топқа айналады. Ол Хаусдорфтық болады, егер және тек қана H, G-де жабық болса. Мысалы, G/H үлестік тобы, S^(1) шеңбер тобына изоморфты. Кез келген топологиялық топта, сәйкестік компоненті (яғни, сәйкестік элементін қамтитын байланысты компонент) жабық нормальді кіші топ болып табылады. Егер C сәйкестік компоненті болса және a, G-нің кез келген нүктесі болса, онда сол жақ косет aC, a-ны қамтитын G-нің компоненті болады. Сондықтан, G-дегі C-нің барлық сол жақ косеттерінің (немесе оң жақ косеттерінің) жиынтығы, G-нің барлық компоненттерінің жиынтығына тең. Осыдан G/C үлестік тобы толығымен үзіліссіз екені шығады.

Жабылу және тығыздық

Кез келген коммутативті топологиялық топта, компакт жиын K пен жабық жиын C-нің көбейтіндісі (топ көбейтуші болған жағдайда) KC – жабық жиын болады. Сонымен қатар, G-нің кез келген R және S ішкі жиындары үшін (cl R)(cl S) ⊆ cl (RS). Егер H, G коммутативті топологиялық тобының кіші тобы болса және егер N, G-дегі бірлік элементінің жанындағы аймақ болса, сонда H ∩ cl N жабық болса, онда H жабық болады. Хаусдорф коммутативті топологиялық тобының кез келген дискретті кіші тобы жабық.

Изоморфизм теоремалары

Қарапайым топтар теориясының изоморфизм теоремалары топологиялық жағдайда әрқашан да орындалмайды. Себебі, биективті гомоморфизмнің топологиялық топтардың изоморфизмі болуы міндетті емес. Мысалы, бірінші изоморфизм теоремасының толыққанды түрі топологиялық топтар үшін бұрыс: егер топологиялық топтардың морфизмі болса (яғни, үздіксіз гомоморфизм), онда туынды гомоморфизм топологиялық топтардың изоморфизмі екені міндетті түрде дұрыс емес; ол биективті, үздіксіз гомоморфизм болады, бірақ ол гомеоморфизм болуы міндетті емес. Басқаша айтқанда, ол топологиялық топтар санатында керісіне ие болмауы мүмкін. Топологиялық топтар үшін бірінші изоморфизм теоремасының бір нұсқасы бар, оны былай тұжырымдауға болады: егер үздіксіз гомоморфизм болса, онда G/ker(f)-тен im(f)-ке туынды гомоморфизм изоморфизм болады, егер және тек қана f бейнесіне ашық түрде бейнеленсе. Дегенмен, үшінші изоморфизм теоремасы топологиялық топтар үшін көбінесе сөзбе-сөз орындалады, оны тексеру оңай.

Тоғыз немесе жергілікті тоғыз топтардың бейнелері

Топологиялық топтың G-дің X-ке әрекеті – G-нің X-ке жасалатын топтық әрекеті, мұнда G × X → X функциясы үздіксіз болады. Сол сияқты, G топологиялық тобының V нақты немесе кешенді топологиялық векторлық кеңістіктегі бейнелеуі – G-нің V-ге үздіксіз әрекеті, сондықтан әр g ∈ G үшін V-ден өзіне v ↦ gv функциясы сызықтық болады. Топтық әрекеттер және бейнелеу теориясы ықшам топтар үшін жақсы түсініледі, бұл шекті топтардағы жағдайды жалпылайды. Мысалы, ықшам топтың кез келген шекті өлшемді (нақты немесе кешенді) бейнелеуі – азайтылмайтын бейнелеулердің тікелей қосындысы болып табылады. Ықшам емес топтың шексіз өлшемді унитарлық бейнелеуін азайтылмайтын бейнелеулердің тікелей Гильберт кеңістігіндегі қосындысы ретінде жіктеуге болады, барлығы шекті өлшемді; бұл Питер-Вейл теоремасының бір бөлігі. Мысалы, Фурье қатарларының теориясы кешенді Гильберт кеңістігінде шеңбер тобының S^(1) унитарлық бейнелеуінің жіктелуін сипаттайды L^(2)(S^(1)). S^(1) бейнелеулерінің барлығы 1 өлшемді, z ↦ z^(n) түрінде, мұнда n – бүтін сан (S^(1) көбейту тобының * кіші тобы ретінде қарастырылады). Бұл бейнелеулердің әрқайсысы L^(2)(S^(1)) кеңістігінде 1 рет кездеседі. Барлық байланысты Ли топтарының азайтылмайтын бейнелеулері жіктелген. Атап айтқанда, әрбір азайтылмайтын бейнелеудің сипаттамасы Вейль сипаттама формуласымен беріледі. Жалпы алғанда, жергілікті ықшам топтар гармониялық талдаудың бай теориясына ие, себебі олар Haar шарасымен берілген шара және интегралдың табиғи түсінігін қабылдайды. Жергілікті ықшам топтың кез келген унитарлық бейнелеуін азайтылмайтын унитарлық бейнелеулердің тікелей интегралы ретінде сипаттауға болады. (Егер G I типінде болса, жіктелу негізінен бірегей, оған абельдік топтар және жартылай қарапайым Ли топтары сияқты ең маңызды мысалдар кіреді.) Негізгі мысал – Фурье түрлендірмесі, ол L^(2) Гильберт кеңістігіндегі қосымша топтың әрекетін азайтылмайтын унитарлық бейнелеулердің тікелей интегралы ретінде жіктейді. Бейнелеу теориясының маңызды мақсаты, Лэнглендтің қабылданатын бейнелеулердің жіктелуімен байланысты, жартылай қарапайым Ли топтары үшін унитарлық дуалды (барлық азайтылмайтын унитарлық бейнелеулер кеңістігін) табу болып табылады. Унитарлық дуал көптеген жағдайларда белгілі, мысалы, SL2(R) бейнелеу теориясы, бірақ барлығы емес. Жергілікті ықшам абельдік топ G үшін кез келген азайтылмайтын унитарлық бейнелеудің өлшемі 1 болады. Бұл жағдайда унитарлық дуал топ болып табылады, шын мәнінде басқа жергілікті ықшам абельдік топ. Понтрягин дуалдығы бойынша жергілікті ықшам абельдік топ G үшін G-нің дуалы – бастапқы G тобы. Мысалы, бүтін сандардың дуалды тобы – шеңбер тобы S^(1), ал нақты сандар тобы өзінің дуалымен изоморфты. Кез келген жергілікті ықшам топ G-де азайтылмайтын унитарлық бейнелеулердің жеткілікті саны бар; мысалы, G нүктелерін ажырату үшін жеткілікті бейнелеулер (Гельфанд-Райков теоремасы). Керісінше, жергілікті ықшамдығы жоқ топологиялық топтар үшін бейнелеу теориясы осы уақытқа дейін тек ерекше жағдайларда ғана дамыды және жалпы теорияны күту орынсыз болуы мүмкін. Мысалы, Гильберт кеңістігіндегі әрбір бейнелеу тривиалды болатын көптеген абельдік Банах-Ли топтары бар.

Топологиялық топтардың гомотопиялық теориясы

Топологиялық топтар барлық топологиялық кеңістіктердің арасында, тіпті олардың гомотопиялық типі тұрғысынан да ерекше. Бір негізгі мәселе – G топологиялық тобы байланысты топологиялық кеңістікті, жіктеу кеңістігі BG-ні (жеңіл гипотезалар бойынша, G топтарының негізгі шоқтарын топологиялық кеңістіктерде жіктейді) анықтайды. G тобы гомотопиялық санатта BG-нің циклдық кеңістігіне изоморфты; бұл G-нің гомотопиялық типіне қатысты түрлі шектеулерді білдіреді. Осы шектеулердің кейбіреулері H кеңістіктерінің жалпы мағынасында қолданылады. Мысалы, G топологиялық тобының негізгі тобы абельдік болады. (Кеңірек айтқанда, G-нің гомотопиялық топтарындағы Уайтхедтің көбейтіндісі нөлге тең.) Сонымен қатар, кез келген k өрісі үшін H*(G,k) кохомология сақинасы Хопф алгебрасының құрылымын иеленеді. Хайнц Хопф пен Арманд Борельдің Хопф алгебралары туралы құрылым теоремаларын ескере отырып, бұл топологиялық топтардың мүмкін кохомология сақиналарына қатаң шектеулер қояды. Атап айтқанда, егер G – жолмен байланысты топологиялық топ болса және оның рационалды кохомология сақинасы H*(G,) әр дәрежеде шекті өлшемді болса, онда бұл сақина тіпті дәрежелі генераторлардағы полиномдық сақинаның және тақ дәрежелі генераторлардағы сыртқы алгебраның тензорлық көбейтіндісі болып табылады, яғни еркін дәрежелі коммутативтік алгебра. Атап айтқанда, байланысқан Ли тобы үшін G-нің рационалды кохомология сақинасы – біркелкі дәрежелі генераторлардағы сыртқы алгебра. Сонымен қатар, G байланысқан Ли тобының K максималды компактты кіші тобы бар, ол конъюгацияға дейін бірегей, ал K-нің G-ге қосылуы гомотопиялық теңдестік болып табылады. Осылайша, Ли топтарының гомотопиялық типтерін сипаттау компактты Ли топтарының жағдайына дейін тоғытылады. Мысалы, SL(2,ℝ)-нің ең үлкен компактты кіші тобы SO(2) шеңбер тобы болып табылады, ал SL(2,ℝ)/SO(2) біртекті кеңістігі гиперболалық жазықтықпен сәйкес келеді. Гиперболалық жазықтық жиырылатындықтан, шеңбер тобының SL(2,ℝ)-ге қосылуы гомотопиялық теңдестік болып табылады. Ақырында, компактты байланысқан Ли топтарын Вильгельм Киллинг, Эли Картан және Герман Вейл жіктеді. Нәтижесінде, Ли топтарының мүмкін гомотопиялық типтерінің толық сипаттамасы бар. Мысалы, 3 өлшемді компактты байланысқан Ли тобы – торус, топ SU(2) (S³ сферасына дифеоморфты) немесе оның фактор тобы SU(2)/{±1} ≅ SO(3) (нақты проективті кеңістікке дифеоморфты).

Толық топологиялық топ

Топологиядағы сүзгілер туралы мақалада торлар мен сүзгілердің жуысуы (конвергенциясы) туралы ақпарат, мысалы, анықтамалар мен қасиеттері келтірілген.