Введение

Алгебраическая конструкция, классифицирующая топологические пространства.

В математике гомотопические группы используются в алгебраической топологии для классификации топологических пространств. Первая и простейшая гомотопическая группа – это фундаментальная группа, обозначаемая π₁(X), которая фиксирует информацию о петлях в пространстве. Интуитивно, гомотопические группы фиксируют информацию об основной форме или отверстиях топологического пространства. Для определения n-й гомотопической группы, все непрерывные отображения, сохраняющие базовую точку, из n-мерной сферы (с базовой точкой) в заданное пространство (с базовой точкой), объединяются в классы эквивалентности, называемые классами гомотопии. Два отображения называются гомотопическими, если одно можно непрерывно деформировать в другое. Эти классы гомотопии образуют группу, называемую n-й гомотопической группой πₙ(X) данного пространства X с базовой точкой. Топологические пространства с различными гомотопическими группами никогда не являются гомеоморфными, но топологические пространства, не являющиеся гомеоморфными, могут иметь одинаковые гомотопические группы. Понятие гомотопии путей было введено Камиллем Жорданом.

Введение

В современной математике принято изучать категорию, связывая с каждым её объектом более простой объект, который всё ещё сохраняет достаточно информации об интересующем объекте. Гомотопические группы – это один из способов сопоставления групп топологическим пространствам. Эта связь между топологией и теорией групп позволяет математикам применять идеи из теории групп к топологии. Например, если у двух топологических объектов разные гомотопические группы, то они не могут иметь одинаковую топологическую структуру – факт, который может быть трудно доказать, используя только топологические методы. Например, тор отличается от сферы: у тора есть "отверстие", а у сферы – нет. Однако, поскольку непрерывность (основное понятие топологии) оперирует только локальной структурой, формально определить очевидную глобальную разницу может быть сложно. Гомотопические группы, напротив, несут информацию о глобальной структуре. Что касается примера: первая гомотопическая группа тора равна , поскольку универсальное накрытие тора – это отображение евклидовой плоскости на тор. Здесь факторпространство рассматривается в категории топологических пространств, а не групп или колец. С другой стороны, для сферы выполняется: , потому что любой цикл можно стянуть в константу (подробнее и для более сложных примеров гомотопических групп см. статью «Гомотопические группы сфер»). Следовательно, тор не гомеоморфен сфере.

Определение

В n-сфере мы выбираем базовую точку a. Для пространства X с базовой точкой b, мы определяем как множество классов гомотопии отображений, которые переводят базовую точку a в базовую точку b. В частности, классы эквивалентности задаются гомотопиями, постоянными в базовой точке сферы. Эквивалентно, определим как группу классов гомотопии отображений из n-куба в X, которые переносят границу n-куба в b. Для , классы гомотопии образуют группу. Чтобы определить групповую операцию, вспомним, что в фундаментальной группе произведение двух петель определяется как установка. Идея композиции в фундаментальной группе заключается в последовательном прохождении первого и второго пути, или, эквивалентно, в склеивании их областей вместе. Концепция композиции, которую мы хотим для n-й гомотопической группы, та же, за исключением того, что теперь склеиваемые области – это кубы, и мы должны склеить их по грани. Поэтому мы определяем сумму отображений по формуле. Для соответствующего определения в терминах сфер, определим сумму отображений как композицию с h, где – отображение из клин-суммы двух n-сфер, схлопывающее экватор, а h – отображение из клин-суммы двух n-сфер в X, определенное как f на первой сфере и g на второй. Если , то эта группа абелева. Более того, аналогично фундаментальной группе, для связного по путям пространства любые два выбора базовой точки порождают изоморфные.

Заманчиво попытаться упростить определение гомотопических групп, опустив базовые точки, но это обычно не работает для пространств, не являющихся просто связными, даже для связных по путям пространств. Множество классов гомотопии отображений из сферы в связное по путям пространство не является гомотопической группой, а по сути является множеством орбит фундаментальной группы на гомотопической группе и, как правило, не имеет естественной групповой структуры. Выход из этих трудностей был найден путем определения гомотопических группоидов высшего порядка для фильтрованных пространств и n-кубов пространств. Они связаны с относительными гомотопическими группами и с n-адическими гомотопическими группами соответственно. Теорема ван Кампена о гомотопиях высшего порядка позволяет получить новую информацию о гомотопических группах и даже о гомотопических типах. Более подробную информацию и ссылки см. в "Теории групп высших измерений" и в приведенных ниже ссылках.

Гомотопические группы и отверстия

Топологическое пространство имеет отверстие с d-мерной границей тогда и только тогда, когда оно содержит d-мерную сферу, которую нельзя непрерывно стянуть в точку. Это справедливо тогда и только тогда, когда существует отображение, не гомотопное постоянному отображению. Это справедливо тогда и только тогда, когда d-я гомотопическая группа пространства X нетривиальна. Иными словами, пространство X имеет отверстие с d-мерной границей, тогда и только тогда, когда .

Однородные пространства и сферы

Существует множество представлений сфер как однородных пространств, которые предоставляют удобные инструменты для вычисления гомотопических групп групп Ли и классификации главных расслоений над пространствами, построенными из сфер.

Применение к пучкам сфер

Милнор использовал этот факт для классификации расслоений 3-сфер над , в частности, ему удалось найти экзотические сферы, являющиеся гладкими многообразиями, называемыми сферами Милнора, которые гомеоморфны , но не диффеоморфны. Следует отметить, что любое расслоение сфер можно построить из векторного расслоения, имеющего структуру группы , поскольку может обладать структурой ориентированного риманова многообразия.

Методы расчета

Расчет гомотопических групп в целом намного сложнее, чем некоторые другие инварианты гомотопии, изучаемые в алгебраической топологии. В отличие от теоремы Зейферта — ван Кампена для фундаментальной группы и теоремы об исключении для сингулярной гомологии и когомологии, нет известного простого способа вычислить гомотопические группы пространства, разбивая его на меньшие пространства. Однако методы, разработанные в 1980-х годах, включающие теорему типа ван Кампена для высших гомотопических группоидов, позволили провести новые вычисления гомотопических типов и, следовательно, гомотопических групп. См. статью Эллиса и Михайлова 2010 года для ознакомления с одним из результатов. Для некоторых пространств, таких как торы, все высшие гомотопические группы (то есть, гомотопические группы второй и более высокой степени) тривиальны. Эти пространства называются асферическими. Однако, несмотря на интенсивные исследования по вычислению гомотопических групп сфер, даже в двух измерениях полный список неизвестен. Для вычисления даже четвертой гомотопической группы требуются гораздо более сложные методы, чем можно предположить, исходя из определений. В частности, спектральная последовательность Серра была построена именно для этой цели. Определенные гомотопические группы n-связных пространств могут быть вычислены путем сравнения с гомологическими группами с помощью теоремы Гуревича.

Перечень методов расчета гомотопических групп

Длинная точная последовательность гомотопических групп фибрации. Теорема Гуревича, имеющая несколько вариантов формулировки. Теорема Блейкерса — Масси, также известная как операция вырезания для гомотопических групп. Теорема Фреденталя о приостановлении, являющаяся следствием операции вырезания для гомотопических групп.

Связанные понятия

Гомотопические группы являются фундаментальными для теории гомотопии, которая, в свою очередь, стимулировала развитие модельных категорий. Возможно определить абстрактные гомотопические группы для симплициальных множеств. Гомологические группы схожи с гомотопическими группами в том, что они могут представлять "дыры" в топологическом пространстве. Однако гомотопические группы часто очень сложны и их трудно вычислить. В отличие от них, гомологические группы коммутативны (как и высшие гомотопические группы). Поэтому иногда говорят, что "гомология — это коммутативная альтернатива гомотопии". Для заданного топологического пространства его n-я гомотопическая группа обычно обозначается , а его n-я гомологическая группа обычно обозначается .