SYSTEMATIC MATHEMATICS

代数拓扑

环路怎样变成群元素?边界怎样变成矩阵?在映射、乘积、流形与含噪有限数据中,怎样比较“孔洞”?本课程用 9 个按内容定长的单元、44 个可见双语章节回答这些问题,单元长度依次为 5、5、6、5、5、5、5、4、4。课程从同伦、基本群与覆盖空间开始,构造单纯、奇异、相对与胞腔同调;再建立正合列、切除、Mayer–Vietoris、上同调、杯积、系数定理、流形对偶、定点证据、持久同调、高阶同伦、纤维化与谱序列阅读;最后完成可独立重建的环面档案。每个基点、定向、系数群、边界符号、诱导映射、商与模型假设都会明确说明。本课不会把一个不变量冒充完全分类,不会混淆同伦等价与同胚,也不会在缺少经过验证的滤过与稳定性论证时,把条形码冒充物理特征的证明。

本课程之前: 已完成拓扑学、抽象代数、证明、逻辑与集合论以及线性代数。学习者应已掌握连续映射、商空间、紧致、连通、道路同伦、群、正规子群、商群、自由交换群、基、矩阵、核、像,以及用泛性质证明。微分几何与流形有助于最后的对偶桥梁,但不是必需先修。本课不预设计算拓扑软件包、点云模型、范畴论课程或谱序列熟练度。

COURSE FACTSLevel, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

拓扑不变量只回答声明的问题,不会一次回答全部问题

目标: 为什么一个不变量相同不能证明两个空间同胚?

同胚保持全部拓扑性质,但直接证明两个空间不同胚可能很困难。不变量给空间分配同胚必须保持的代数数据,因此一个不同的数值就能否定同胚。 开始时先写明空间、映射、基点、系数群,以及所用的相等或等价关系。本章的准确结论是:若 I(X) 与 I(Y) 不同构,则 X 与 Y 不同胚;反过来一般不成立。

本章计算的对象是:拓扑不变量 I 给每个空间 X 分配对象 I(X),并使每个同胚 f:X→Y 诱导同构 I(f):I(X)→I(Y)。若反过来也成立,则称为完全不变量;本课大多数不变量都不完全。 代数拓扑只有在证明所得代数不随允许的形变改变之后,才能用代数替代几何形变问题。

请用准确题目“用连通分支数比较 X=[0,1]∪[2,3] 与 Y=[0,1]。它们能否同胚?还有什么没有证明?”重建构造,而不是只背定理名称。逐项检查边界映射或诱导映射,用第二种方法核验结果,并检验这个限制:区间 [0,1] 与一点同伦等价却不同胚;同伦不变量不能区分它们的同胚类型。

若 I(X) 与 I(Y) 不同构,则 X 与 Y 不同胚;反过来一般不成立。

假设存在同胚 f:X→Y;不变性会给出同构 I(f)。

I(X) 与 I(Y) 不同构,使这种同构不可能存在。

因此假设的同胚不存在;不变量相同只表示问题尚未判定。

用连通分支数比较 X=[0,1]∪[2,3] 与 Y=[0,1]。它们能否同胚?还有什么没有证明?

  1. X 的两个区间彼此分离,因此有两个连通分支;Y 只有一个。
  2. 同胚把连通分支一一对应,因此分支数必须相同。
  3. 分支数不同否定了同胚;但对分支数相同的其他空间,这个不变量本身不能作出结论。

结果: 它们不同胚,因为连通分支数 2≠1;分支数是不可能性的障碍,不是完全分类。