Введение

В математике, в частности в области дифференциальной топологии, гомология Морса — это теория гомологии, определённая для любого гладкого многообразия. Она строится с использованием гладкой структуры и вспомогательной метрики на многообразии, но оказывается топологически инвариантной и, фактически, изоморфна сингулярной гомологии. Гомология Морса также является моделью для различных бесконечномерных обобщений, известных как теории гомологии Флоэра.

Формальное определение

При любом (компактном) гладком многообразии, пусть f — функция Морзе, а g — риманова метрика на многообразии. (Они являются вспомогательными; в конечном итоге, гомология Морзе не зависит ни от одной из них.) Пара (f, g) задает нам градиентное векторное поле. Мы говорим, что пара (f, g) является Морзе–Смале, если стабильные и нестабильные многообразия, связанные со всеми критическими точками f, пересекаются друг с другом трансверсально. Для любой такой пары (f, g) можно показать, что разность индексов между любыми двумя критическими точками равна размерности пространства модулей градиентных потоков между этими точками. Таким образом, существует одномерное пространство модулей потоков между критической точкой индекса i и критической точкой индекса j. Каждый поток может быть перепараметризован одномерным сдвигом в области определения. После вынесения этих перепараметризаций, фактор-пространство является нулевой размерности — то есть, набором ориентированных точек, представляющих непараметризованные линии потока. Затем цепной комплекс может быть определен следующим образом. Множество цепей — это Z-модуль, порожденный критическими точками. Дифференциал d комплекса отображает критическую точку p индекса i в сумму критических точек индекса j, с коэффициентами, соответствующими (знаковому) числу непараметризованных линий потока из p в эти критические точки индекса j. Тот факт, что число таких линий потока конечно, следует из компактности пространства модулей. Тот факт, что это определяет цепной комплекс (то есть, что d² = 0) следует из понимания того, как пространства модулей градиентных потоков компактифицируются. А именно, в d² коэффициент при критической точке q индекса j равен (знаковому) числу разбитых потоков, состоящих из потока индекса 1 из p в некоторую критическую точку r индекса k и другого потока индекса 1 из r в q. Эти разбитые потоки точно составляют границу пространства модулей потоков индекса 2: можно показать, что предел любой последовательности неразбитых потоков индекса 2 имеет такую форму, и все такие разбитые потоки возникают как пределы неразбитых потоков индекса 2. Непараметризованные потоки индекса 2 приходят в одномерных семействах, которые компактифицируются в компактные одномерные многообразия с границами. Тот факт, что граница компактного одномерного многообразия имеет знаковую сумму, равную нулю, доказывает, что d² = 0.

Инвариантность гомологии Морзе

Можно показать, что гомология этого комплекса не зависит от выбранной пары Морзе — Смаля (f, g), используемой для его определения. Всегда можно определить гомотопию пар (ft, gt), интерполирующую между любыми двумя заданными парами (f0, g0) и (f1, g1). Либо посредством анализа бифуркаций, либо используя карту продолжения для определения цепной карты из в , можно показать, что две морзевские гомологии изоморфны. Аналогичные рассуждения, использующие гомотопию гомотопий, показывают, что этот изоморфизм каноничен. Другой подход к доказательству инвариантности морзевской гомологии заключается в установлении прямой связи с сингулярной гомологией. Можно определить отображение в сингулярную гомологию, сопоставляя критическую точку сингулярной цепи, связанной с неустойчивым многообразием, соответствующим этой точке; обратно, сингулярная цепь сопоставляется с предельными критическими точками, достижимыми при движении вдоль цепи по градиентному векторному полю. Наиболее строгий способ осуществить это — использовать теорию токов. Изоморфизм с сингулярной гомологией также можно доказать, показав изоморфизм с клеточной гомологией, рассматривая неустойчивое многообразие, связанное с критической точкой индекса i, как i-клетку, и доказывая соответствие граничных отображений в морзевском и клеточном комплексах.

Связанные конструкции

Этот подход к теории Морзе был известен в некоторой форме Рене Тому и Стифену Смалу. Он также подразумевается в книге Джона Милнора о теореме о кобордизме. Из того факта, что гомология Морзе изоморфна сингулярной гомологии, неравенства Морзе следуют из рассмотрения числа генераторов — то есть критических точек — необходимых для порождения групп гомологии соответствующих рангов (и из рассмотрения усечений комплекса Морзе для получения более строгих неравенств). Существование гомологии Морзе "объясняет" в смысле категорификации неравенства Морзе. Эдвард Виттен предложил связанную конструкцию в начале 1980-х годов, иногда называемую теорией Морзе — Виттена. Гомологию Морзе можно расширить на конечномерные некомпактные или бесконечномерные многообразия, где индекс остаётся конечным, метрика полна, а функция удовлетворяет условию компактности Пале — Смаля, например, энергетическому функционалу для геодезических на римановом многообразии. Обобщение на ситуации, в которых как индекс, так и коиндекс бесконечны, но относительный индекс любой пары критических точек конечен, известно как гомология Флоэра. Сергей Новиков обобщил эту конструкцию до теории гомологии, связанной с замкнутой одномерной формой на многообразии. Морзе-гомология является частным случаем для одномерной формы df. Частным случаем теории Новикова является круговая теория Морзе, которую Майкл Хатчингс и И Джен Ли связали с торсией Рейдемейстера и теорией Зейберга — Виттена.

Гомология Морзе-Ботт

Морзе-гомология может быть реализована в обстановке Морзе — Ботта, то есть когда вместо изолированных вырожденных критических точек функция имеет критические многообразия, касательное пространство которых в точке совпадает с ядром гессиана в этой точке. Эта ситуация всегда возникает, если рассматриваемая функция инвариантна относительно недискретной группы Ли. Для описания результирующего цепного комплекса и его гомологии введем общую функцию Морзе на каждом критическом подмногообразии. Цепи будут состоять из путей, начинающихся в критическом многообразии в критической точке вспомогательной функции Морзе, следующих по градиентной траектории относительно некоторой метрики, а затем покидающих подмногообразие, чтобы следовать градиентному векторному полю функции Морзе — Ботта, пока не достигнут другого критического многообразия; они либо некоторое время текут вдоль градиентной траектории, связанной с функцией Морзе на этом критическом подмногообразии, а затем перетекают в другое критическое подмногообразие и так далее, либо достигают критической точки в исходном подмногообразии и завершаются. См. (Frauenfelder). Этот подход к Морзе-гомологии Ботта возник в контексте неопубликованных работ по контактной гомологии Буржуа, где критические подмногообразия являются множествами орбит Риба, а градиентные потоки между критическими подмногообразиями — псевдоголоморфными кривыми в симплектизации контактного многообразия, асимптотическими к орбитам Риба в соответствующих критических многообразиях орбит Риба. Если мы расширим каждую функцию Морзе до функции на всем многообразии, поддерживаемой в окрестности критических подмногообразий, мы можем явно записать функцию Морзе — Смале, которая возмущает исходную функцию Морзе — Ботта. А именно, умножим каждую из расширенных функций на некоторую малую положительную константу, сложим их и добавим результат к исходной функции Морзе — Ботта. Разбитые потоки, описанные выше, будут C0-близки к интегральным кривым этой функции Морзе — Смале.