道路同轮与基本群

本文介绍了拓扑学中的道路同伦概念,包括其定义、性质及如何通过道路同伦等价类形成基本群。讨论了道路连接、乘积性质,并详细解释了如何构造基本群。

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σ,τ道路同轮

用[0,1]到开集的映射定义道路后,定义两个映射的道路同伦σ≃pτσ\simeq_pτσpτ

假设σ,τ都是X中从x0到x1的道路(即道路的起点与终点相同)如果存在伦移F:I×I→X  s.t. F(s,0)=σ(s),F(s,1)=τ(s)。假设σ,τ都是X中从x_0到x_1的道路(即道路的起点与终点相同)\\ 如果存在伦移F:I×I\rightarrow X\ \ s.t.\ F(s,0)=σ(s),F(s,1)=τ(s)。στXx0x1()FI×IX  s.t. F(s,0)=σ(s),F(s,1)=τ(s)
并且F(0,t)=x0,F(1,t)=x1(即伦移保持起点与终点)并且F(0,t)=x_0,F(1,t)=x_1(即伦移保持起点与终点)F(0,t)=x0,F(1,t)=x1
在这里插入图片描述
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X中所有的x0道x1的集合中道路同伦是等价关系X中所有的x_0道x_1的集合中道路同伦是等价关系Xx0x1

道路同伦等价类

给定X中一点x0,有PX={σ:I→X∣σ(0)=x0}也就是空间中所有起点在x0的道路的集合,其上能赋予紧开拓扑存在映射π:PX到X,π(x)=σ(1)(终点)若给定x1,则有π−1(x1)={σ:I→X∣σ(0)=x0,σ(1)=x1}也就是空间中所有起点在x0,终点在x1的道路的集合然后在集合中商掉“道路同伦”的等价关系道路同伦等价类集合:π−1(x1)/≃p给定X中一点x_0,有PX=\{σ:I\rightarrow X| σ(0)=x_0 \}\\ \tiny 也就是空间中所有起点在x_0的道路的集合,其上能赋予紧开拓扑\\ \normalsize 存在映射\pi :PX到X,\pi (x)=σ(1)(终点)\\ 若给定x_1,则有\pi^{-1}(x_1)=\{σ:I\rightarrow X|σ(0)=x_0 ,σ(1)=x_1 \}\\ \tiny 也就是空间中所有起点在x_0,终点在x_1的道路的集合\\ \normalsize 然后在集合中商掉“道路同伦”的等价关系\\ 道路同伦等价类集合:\pi^{-1}(x_1)/\simeq_p Xx0PX={σ:IXσ(0)=x0}x0π:PXX,π(x)=σ(1)x1,π1(x1)={σ:IXσ(0)=x0,σ(1)=x1}x0,x1π1(x1)/p

道路的连接

道路的连接:σ,τ都是X道路,若σ(1)=τ(0),用数学语言将两个道路拼接起来则σ∗τ(s):I→X={σ(2s)s∈[0,12]τ(2s−1)s∈[12,1]道路的连接:σ,τ都是X道路,若σ(1)=τ(0),用数学语言将两个道路拼接起来 \\则σ*τ(s):I\rightarrow X=\begin{cases} σ(2s)&s\in[0,\frac{1}{2}]\\ τ(2s-1)&s\in[\frac{1}{2},1] \end{cases}στXσ(1)=τ(0),στs:IX={σ(2s)τ(2s1)s[0,21]s[21,1]

ΩX/≃pΩX/\simeq_pΩX/p

特别的:当x0=x1时,集合记为ΩX,赋予紧开拓扑称为回路空间\tiny 特别的:当x_0=x_1时,集合记为ΩX,赋予紧开拓扑称为回路空间x0=x1ΩX,
考虑ΩX/≃p,在其上定义乘法:在ΩX中的任何两条闭路σ,τ都有乘法(一定满足σ(1)=τ(0))考虑ΩX/\simeq_p,在其上定义乘法:\\ 在ΩX中的任何两条闭路σ,τ都有乘法(一定满足σ(1)=τ(0))ΩX/p:ΩXστσ(1)=τ(0)

道路乘积的性质很差:

在X中的道路有σ≃pσ∗,τ≃pτ∗,如果σ(1)=τ(0),如下图所示则道路乘积σ∗τ≃p σ∗∗τ∗(证略)在X中的道路有σ\simeq_p σ^* , τ\simeq_p τ^*,如果σ(1)=τ(0),如下图所示\\ 则道路乘积σ*τ\simeq_p \ σ^**τ^*(证略)Xσpσ,τpτ,σ(1)=τ(0),στp στ()
在这里插入图片描述

三条道路

σ,τ,w
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(σ∗τ)∗w与σ∗(τ∗w)不满足结合律,但是是同伦的(σ* τ)*w 与σ*(τ*w)不满足结合律,但是是同伦的(στ)wσ(τw)
(σ∗τ)∗w(s)={σ∗τ(2s)s∈[0,12]w(2s−1)s∈[12,1]=(σ∗τ)∗w(s)={σ(4s)s∈[0,14]τ(4s)s∈[14,12]w(2s−1)s∈[12,1]\tiny (σ* τ)*w(s) =\begin{cases} σ* τ(2s)&s\in[0,\frac{1}{2}]\\ w(2s-1)&s\in[\frac{1}{2},1]\\ \end{cases} = \tiny (σ* τ)*w(s) =\begin{cases} σ(4s)&s\in[0,\frac{1}{4}]\\ τ(4s)&s\in[\frac{1}{4},\frac{1}{2}]\\ w(2s-1)&s\in[\frac{1}{2},1]\\ \end{cases}(στ)ws={στ(2s)w(2s1)s[0,21]s[21,1]=(στ)ws={σ(4s)τ(4s)w(2s1)s[0,41]s[41,21]s[21,1]

σ∗(τ∗w)(s)={σ(2s)s∈[0,12](τ∗w)(2s−1)s∈[12,1]=(σ∗τ)∗w(s)={σ(2s)s∈[0,12]τ(4s−2)s∈[12,34]w(4s−3)s∈[34,1]\tiny σ* (τ*w)(s) =\begin{cases} σ(2s)&s\in[0,\frac{1}{2}]\\ (τ*w)(2s-1)&s\in[\frac{1}{2},1]\\ \end{cases} = \tiny (σ* τ)*w(s) =\begin{cases} σ(2s)&s\in[0,\frac{1}{2}]\\ τ(4s-2) &s\in[\frac{1}{2},\frac{3}{4}]\\ w(4s-3)&s\in[\frac{3}{4},1]\\ \end{cases}σ(τw)s={σ(2s)(τw)(2s1)s[0,21]s[21,1]=(στ)ws={σ(2s)τ(4s2)w(4s3)s[0,21]s[21,43]s[43,1]
在这里插入图片描述
F(S,t)在[0,交点1]为σ,[交点1,交点2]为τ,[交点2,1]为wF(S,t)在[0,交点1]为σ,[交点1,交点2]为τ,[交点2,1]为wF(S,t)[0,1]σ[1,2]τ[2,1]w

基本群

以x0为起点与终点的闭路关于道路同伦的等价类的集合ΩX/≃p,现将其记为π1(X,x0)闭路的等价类σˉ={τ:I→X∣σ≃pτ}为其中元素,σ为代表元以x_0为起点与终点的闭路关于道路同伦的等价类的集合ΩX/\simeq_p,\\现将其记为\pi_1(X,x_0)\\ 闭路的等价类\bar σ =\{τ:I\rightarrow X| σ \simeq_p τ \}为其中元素,σ为代表元x0ΩX/pπ1(X,x0)σˉ={τ:IXσpτ},σ

在X中的道路有σ≃pσ∗,τ≃pτ∗,如果σ(1)=τ(0),如下图所示则道路乘积σ∗τ≃p σ∗∗τ∗,σ∗τ‾=σ∗∗τ∗‾在X中的道路有σ\simeq_p σ^* , τ\simeq_p τ^*,如果σ(1)=τ(0),如下图所示\\ 则道路乘积σ*τ\simeq_p \ σ^**τ^*,\overline{σ*τ}= \overline{ σ^**τ^*}Xσpσ,τpτ,σ(1)=τ(0),στp στ,στ=στ

在π1(X,x0)中定义乘法∗:σˉ∗τˉ=σ∗τ‾在\pi_1(X,x_0)中定义乘法*:\barσ*\barτ =\overline{σ*τ} π1(X,x0)σˉτˉ=στ

可证π1(X,x0)\pi_1(X,x_0)π1(X,x0)在以上乘积构成群,称为X的基本群

其上的单位元e:Cx0:I→X,∀s∈I,Cx0(s)=x0逆元σ−1:σ−1(s)=σ(1−s)其上的单位元e:C_{x_0}:I\rightarrow X,\forall s\in I ,C_{x_0}(s)=x_0\\ 逆元σ^{-1}:σ^{-1}(s)=σ(1-s)e:Cx0:IX,sI,Cx0(s)=x0σ1σ1(s)=σ(1s)
(一般地,因为连接的先后,群不是交换群)

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