Фундаментальная группа

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

Фундамента́льная гру́ппа — определённая группа, которая сопоставляется топологическому пространству. Грубо говоря, эта группа измеряет количество «дырок» в пространстве. Наличие «дырки» определяется невозможностью непрерывно продеформировать некоторую замкнутую кривую в точку.





Определение

Пусть <math>X</math> — топологическое пространство с отмеченной точкой <math>x_0\in X</math>. Рассмотрим множество петель в <math>X</math> из <math>x_0</math>; то есть множество непрерывных отображений <math>f\colon [0,1] \to X</math>, таких что <math>f(0) = x_0 = f(1)</math>. Две петли <math>f</math> и <math>g</math> считаются эквивалентными, если они гомотопны друг другу в классе петель, то есть найдется соединяющая их гомотопия <math>f_t</math>, удовлетворяющая свойству <math>f_t(0) = x_0 = f_t(1)</math>. Соответствующие классы эквивалентности называются гомотопическими классами. Произведением двух петель называется петля, определяемая их последовательным прохождением:

<math>(f*g)(t) = \begin{cases}

f(2t), ~ t\in [0, {1 \over 2}] \\ g(2t-1), ~ t\in [{1 \over 2},1] \end{cases} </math>

Произведением двух гомотопических классов <math>[f]</math> и <math>[g]</math> называется гомотопический класс <math>[f*g]</math> произведения петель. Можно показать, что он не зависит от выбора петель в классах. Множество гомотопических классов петель с таким произведением становится группой. Эта группа и называется фундаментальной группой пространства <math>X</math> с отмеченной точкой <math>x_0</math> и обозначается <math>\pi_1(X,x_0)</math>.

Напишите отзыв о статье "Фундаментальная группа"

Комментарии

  • Единицей группы является класс тождественной, или неподвижной петли, обратным элементом — класс петли, пройденной в обратном направлении.
  • Вообще говоря произведение петель не ассоциативно. Тем не менее индуцированное произведение на классах эквивалентности ассоциативно.
  • Если <math>X</math> — линейно связное пространство, то с точностью до изоморфизма фундаментальная группа не зависит от отмеченной точки. Поэтому для таких пространств можно писать <math>\pi_1(X)</math> вместо <math>\pi_1(X,x_0)</math> не боясь вызвать путаницу. Однако для двух точек <math>x, y \in X</math> канонический изоморфизм между <math>\pi_1(X, x)</math> и <math>\pi_1(X, y)</math> существует лишь если фундаментальная группа абелева.

Связанные определения

  • Каждое непрерывное отображение пунктированных пространств <math>\varphi: (X, x_0) \to (Y, \varphi(x_0))</math> индуцирует отображение <math>\varphi_* = \pi_1 \varphi: \pi_1(X, x_0) \to \pi_1(Y, \varphi(x_0))</math>, определяемое формулой <math>\varphi_*[f] = [\varphi f]</math>. <math>\varphi_*</math> зависит только от гомотопического класса <math>\varphi</math>, и выполняются равенства <math>(\varphi \psi)_* = \varphi_* \psi_*</math> и <math>(1_{(X, x_0)})_* = 1_{\pi(X, x_0)}</math>. Таким образом, взятие фундаментальной группы вместе с описанной операцией образует функтор <math>\pi_1: \mathbf{hTop} \to \mathbf{Grp}</math>.

Примеры

  • В <math>\R^n</math> есть только один гомотопический класс петель. Следовательно, фундаментальная группа тривиальна, <math>\pi_1(\mathbb{R}^n) = 1</math>. То же самое верно и для любого пространства-выпуклого подмножества <math>\mathbb{R}^n</math>
  • В одномерной сфере <math>\mathbb S^1</math> (окружности), каждый гомотопический класс состоит из петель, которые навиваются на окружность заданное число раз, которое может быть положительным или отрицательным в зависимости от направления. Следовательно, фундаментальная группа одномерной сферы изоморфна аддитивной группе целых чисел <math>\mathbb{Z}</math>.
  • Фундаментальная группа <math>n</math>-мерной сферы <math>\mathbb S^n</math> тривиальна при всех <math>n\ge 2</math>.
  • Фундаментальная группа ориентированной замкнутой поверхности рода <math>g</math> может быть задана образующими <math>a_1,\dots,a_g,b_1,\dots,b_g</math> с единственным соотношением: <math>a_1b_1a_1^{-1}b_1^{-1}\dots a_gb_ga_g^{-1}b_g^{-1}=1</math>.

Свойства

  • Если <math>A</math> — ретракт <math>X</math>, содержащий отмеченную точку <math>x_0</math>, то гомоморфизм <math>i_*: \pi_1(A, x_0) \to \pi_1(X, x_0)</math>, индуцированный вложением <math>i: A \hookrightarrow X</math>, инъективен.
    • В частности, фундаментальная группа компоненты линейной связности <math>X</math>, содержащей отмеченную точку, изоморфна фундаментальной группе всего <math>X</math>.
    • Если <math>A</math> — строгий деформационный ретракт <math>X</math>, то <math>i_*: \pi_1(A, x_0) \to \pi_1(X, x_0)</math> является изоморфизмом.
  • <math>\pi_1</math> сохраняет произведение: для любой пары топологических пространств с отмеченными точками <math>(X,x_0)</math> и <math>(Y,y_0)</math> существует изоморфизм
    <math>\pi_1(X\times Y,(x_0,y_0)) \cong \pi_1(X,x_0)\times\pi_1(Y,y_0),</math>
естественный по <math>(X, x_0)</math> и <math>(Y, y_0)</math>.
  • Теорема ван Кампена (англ.): Если <math>X</math> — объединение линейно связных открытых множеств <math>A_\alpha</math>, каждое из которых содержит отмеченную точку <math>x_0 \in X</math>, и если каждое пересечение <math>A_\alpha \cap A_\beta</math> линейно связно, то гомоморфизм <math>\Phi: \ast_\alpha \pi_1(A_\alpha) \to \pi_1(X)</math>, индуцированный вложениями <math>A_\alpha \hookrightarrow X</math>, сюрьективен. Кроме того, если каждое пересечение <math>A_\alpha \cap A_\beta \cap A_\gamma</math> линейно связно, то ядро гомоморфизма <math>\Phi</math> — это наименьшая нормальная подгруппа <math>N</math>, содержащая все элементы вида <math>i_{\alpha \beta}(\omega) i_{\beta \alpha}(\omega)^{-1}</math> (где <math>i_{\alpha \beta}</math> индуцирован вложением <math>A_\alpha \cap A_\beta \hookrightarrow A_\alpha</math>), а потому <math>\Phi</math> индуцирует изоморфизм <math>\pi_1(x) \cong \ast_\alpha \pi_1(A_\alpha)/N</math> (первая теорема об изоморфизме).[1] В частности,
    • <math>\pi_1</math> сохраняет копроизведения: <math>\pi_1(\bigvee_\alpha X_\alpha) \cong \ast_\alpha \pi_1(X_\alpha) </math> естественно по всем <math>X_\alpha</math>.
    • (случай двух <math>A_\alpha</math>): условие для тройных пересечений становится излишним, и получается, что <math>\pi_1(A_1 \cup A_2) \cong \pi_1(A_1) \mathbin{\ast_{\pi(A_1 \cap A_2)}} \pi_1(A_2)</math>, что является ограниченной (случаем линейно связного <math>A_1 \cap A_2</math>) формой сохранения толчков.

Вариации и обобщения

Примечания

  1. А. Хатчер, Алгебраическая топология, М.: МЦНМО, 2011.

Литература

  • Васильев В. А. Введение в топологию. — М.: ФАЗИС, 1997. — 132 с. — ISBN 5-7036-0036-7.
  • Матвеев С. В. [window.edu.ru/window/catalog?p_rid=30104 Фундаментальная группа: Лекции по курсу «Топология».] — Челябинск: ЧелГУ, 2001. — 16 с. (есть pdf)
  • Фоменко Анатолий Тимофеевич. Дифференциальная геометрия и топология (доп. главы). — R&C dinamic, 1999. — 250 с.

Отрывок, характеризующий Фундаментальная группа

– А то не нужно ли вам кофейник? – обратился он к эсаулу. – Я у нашего маркитанта купил, чудесный! У него прекрасные вещи. И он честный очень. Это главное. Я вам пришлю непременно. А может быть еще, у вас вышли, обились кремни, – ведь это бывает. Я взял с собою, у меня вот тут… – он показал на торбы, – сто кремней. Я очень дешево купил. Возьмите, пожалуйста, сколько нужно, а то и все… – И вдруг, испугавшись, не заврался ли он, Петя остановился и покраснел.
Он стал вспоминать, не сделал ли он еще каких нибудь глупостей. И, перебирая воспоминания нынешнего дня, воспоминание о французе барабанщике представилось ему. «Нам то отлично, а ему каково? Куда его дели? Покормили ли его? Не обидели ли?» – подумал он. Но заметив, что он заврался о кремнях, он теперь боялся.
«Спросить бы можно, – думал он, – да скажут: сам мальчик и мальчика пожалел. Я им покажу завтра, какой я мальчик! Стыдно будет, если я спрошу? – думал Петя. – Ну, да все равно!» – и тотчас же, покраснев и испуганно глядя на офицеров, не будет ли в их лицах насмешки, он сказал:
– А можно позвать этого мальчика, что взяли в плен? дать ему чего нибудь поесть… может…
– Да, жалкий мальчишка, – сказал Денисов, видимо, не найдя ничего стыдного в этом напоминании. – Позвать его сюда. Vincent Bosse его зовут. Позвать.
– Я позову, – сказал Петя.
– Позови, позови. Жалкий мальчишка, – повторил Денисов.
Петя стоял у двери, когда Денисов сказал это. Петя пролез между офицерами и близко подошел к Денисову.
– Позвольте вас поцеловать, голубчик, – сказал он. – Ах, как отлично! как хорошо! – И, поцеловав Денисова, он побежал на двор.
– Bosse! Vincent! – прокричал Петя, остановясь у двери.
– Вам кого, сударь, надо? – сказал голос из темноты. Петя отвечал, что того мальчика француза, которого взяли нынче.
– А! Весеннего? – сказал казак.
Имя его Vincent уже переделали: казаки – в Весеннего, а мужики и солдаты – в Висеню. В обеих переделках это напоминание о весне сходилось с представлением о молоденьком мальчике.
– Он там у костра грелся. Эй, Висеня! Висеня! Весенний! – послышались в темноте передающиеся голоса и смех.
– А мальчонок шустрый, – сказал гусар, стоявший подле Пети. – Мы его покормили давеча. Страсть голодный был!
В темноте послышались шаги и, шлепая босыми ногами по грязи, барабанщик подошел к двери.
– Ah, c'est vous! – сказал Петя. – Voulez vous manger? N'ayez pas peur, on ne vous fera pas de mal, – прибавил он, робко и ласково дотрогиваясь до его руки. – Entrez, entrez. [Ах, это вы! Хотите есть? Не бойтесь, вам ничего не сделают. Войдите, войдите.]
– Merci, monsieur, [Благодарю, господин.] – отвечал барабанщик дрожащим, почти детским голосом и стал обтирать о порог свои грязные ноги. Пете многое хотелось сказать барабанщику, но он не смел. Он, переминаясь, стоял подле него в сенях. Потом в темноте взял его за руку и пожал ее.
– Entrez, entrez, – повторил он только нежным шепотом.
«Ах, что бы мне ему сделать!» – проговорил сам с собою Петя и, отворив дверь, пропустил мимо себя мальчика.
Когда барабанщик вошел в избушку, Петя сел подальше от него, считая для себя унизительным обращать на него внимание. Он только ощупывал в кармане деньги и был в сомненье, не стыдно ли будет дать их барабанщику.


От барабанщика, которому по приказанию Денисова дали водки, баранины и которого Денисов велел одеть в русский кафтан, с тем, чтобы, не отсылая с пленными, оставить его при партии, внимание Пети было отвлечено приездом Долохова. Петя в армии слышал много рассказов про необычайные храбрость и жестокость Долохова с французами, и потому с тех пор, как Долохов вошел в избу, Петя, не спуская глаз, смотрел на него и все больше подбадривался, подергивая поднятой головой, с тем чтобы не быть недостойным даже и такого общества, как Долохов.
Наружность Долохова странно поразила Петю своей простотой.
Денисов одевался в чекмень, носил бороду и на груди образ Николая чудотворца и в манере говорить, во всех приемах выказывал особенность своего положения. Долохов же, напротив, прежде, в Москве, носивший персидский костюм, теперь имел вид самого чопорного гвардейского офицера. Лицо его было чисто выбрито, одет он был в гвардейский ваточный сюртук с Георгием в петлице и в прямо надетой простой фуражке. Он снял в углу мокрую бурку и, подойдя к Денисову, не здороваясь ни с кем, тотчас же стал расспрашивать о деле. Денисов рассказывал ему про замыслы, которые имели на их транспорт большие отряды, и про присылку Пети, и про то, как он отвечал обоим генералам. Потом Денисов рассказал все, что он знал про положение французского отряда.
– Это так, но надо знать, какие и сколько войск, – сказал Долохов, – надо будет съездить. Не зная верно, сколько их, пускаться в дело нельзя. Я люблю аккуратно дело делать. Вот, не хочет ли кто из господ съездить со мной в их лагерь. У меня мундиры с собою.
– Я, я… я поеду с вами! – вскрикнул Петя.
– Совсем и тебе не нужно ездить, – сказал Денисов, обращаясь к Долохову, – а уж его я ни за что не пущу.
– Вот прекрасно! – вскрикнул Петя, – отчего же мне не ехать?..
– Да оттого, что незачем.
– Ну, уж вы меня извините, потому что… потому что… я поеду, вот и все. Вы возьмете меня? – обратился он к Долохову.
– Отчего ж… – рассеянно отвечал Долохов, вглядываясь в лицо французского барабанщика.
– Давно у тебя молодчик этот? – спросил он у Денисова.
– Нынче взяли, да ничего не знает. Я оставил его пг'и себе.
– Ну, а остальных ты куда деваешь? – сказал Долохов.
– Как куда? Отсылаю под г'асписки! – вдруг покраснев, вскрикнул Денисов. – И смело скажу, что на моей совести нет ни одного человека. Разве тебе тг'удно отослать тг'идцать ли, тг'иста ли человек под конвоем в гог'од, чем маг'ать, я пг'ямо скажу, честь солдата.
– Вот молоденькому графчику в шестнадцать лет говорить эти любезности прилично, – с холодной усмешкой сказал Долохов, – а тебе то уж это оставить пора.
– Что ж, я ничего не говорю, я только говорю, что я непременно поеду с вами, – робко сказал Петя.
– А нам с тобой пора, брат, бросить эти любезности, – продолжал Долохов, как будто он находил особенное удовольствие говорить об этом предмете, раздражавшем Денисова. – Ну этого ты зачем взял к себе? – сказал он, покачивая головой. – Затем, что тебе его жалко? Ведь мы знаем эти твои расписки. Ты пошлешь их сто человек, а придут тридцать. Помрут с голоду или побьют. Так не все ли равно их и не брать?
Эсаул, щуря светлые глаза, одобрительно кивал головой.
– Это все г'авно, тут Рассуждать нечего. Я на свою душу взять не хочу. Ты говог'ишь – помг'ут. Ну, хог'ошо. Только бы не от меня.
Долохов засмеялся.
– Кто же им не велел меня двадцать раз поймать? А ведь поймают – меня и тебя, с твоим рыцарством, все равно на осинку. – Он помолчал. – Однако надо дело делать. Послать моего казака с вьюком! У меня два французских мундира. Что ж, едем со мной? – спросил он у Пети.
– Я? Да, да, непременно, – покраснев почти до слез, вскрикнул Петя, взглядывая на Денисова.
Опять в то время, как Долохов заспорил с Денисовым о том, что надо делать с пленными, Петя почувствовал неловкость и торопливость; но опять не успел понять хорошенько того, о чем они говорили. «Ежели так думают большие, известные, стало быть, так надо, стало быть, это хорошо, – думал он. – А главное, надо, чтобы Денисов не смел думать, что я послушаюсь его, что он может мной командовать. Непременно поеду с Долоховым во французский лагерь. Он может, и я могу».