1 道の連結と二次鎖
補題 1.1.Xを空間とし、C1(X)=C1(X;Z)/B1(X;Z)と置く。一次鎖のこの商での類を⟨ ⟩と書く。
- 連結することができる道α,βに対して⟨α∗β⟩=⟨α⟩+⟨β⟩であり、任意の道αに対して⟨αˉ⟩=−⟨α⟩である。現れる鎖が一次サイクルである場合には、同じ等式がH1(X;Z)で成り立つ。
- 基点を保ってホモトピックな二つのループは、H1(X;Z)で同じ類を与える。
- 基点付き空間(X,x0)に対して、ループを特異一次サイクルとみなす対応[α]↦[α]H1は群準同型π1(X,x0)→H1(X;Z)を定める。この準同型は交換子部分群を零に送り、可換化からH1(X;Z)への準同型を一意に誘導する。
証明.主張 (1)を示す。γ=α∗βとし、標準二単体の重心座標を用いて
s(t0,t1,t2)=γ(t1/2+t2)と置く。01辺ではs(1−u,u,0)=γ(u/2)=α(u)、12辺ではs(0,1−u,u)=γ((1+u)/2)=β(u)、02辺ではs(1−u,0,u)=γ(u)である。よって
∂s=β−(α∗β)+αであり、連結の公式を得る。
主張 (2)を示す。H:[0,1]2→Xを基点を固定するループαからβへのホモトピーとする。正方形の頂点をA=(0,0)、B=(1,0)、C=(1,1)、D=(0,1)とし、Hと頂点順序ABC、ADCのアフィン二単体の合成をそれぞれs1,s2とする。境界を引くと、対角線の項は消え、
∂(s1−s2)=α−β+H∣BC−H∣AD=α−βとなる。最後の二つの辺は、同じ基点での定値一次単体なので一致する。これにより主張 (2)を得る。
主張 (1)の逆道の公式を示す。定値一次単体cxは定値二単体の境界である。α∗αˉは始点を保って定値ループにホモトピックなので、主張 (2)と連結の公式から
0=⟨cα(0)⟩=⟨α∗αˉ⟩=⟨α⟩+⟨αˉ⟩となる。したがって、逆道の公式を得る。
主張 (3)を示す。ループは一次サイクルであり、主張 (2)によりそのホモロジー類は基本群の代表元によらない。連結の公式により基本群の積はホモロジーの和へ移るので、群準同型である。終域がアーベル群なので交換子を零へ送り、可換化の普遍性により主張 (3)の一意な準同型を得る。▨
定義 1.2. 基点付き空間(X,x0)に対して、補題 1.1 (3)の準同型を一次 Hurewicz 準同型
hX:π1(X,x0)⟶H1(X;Z)という。可換化に誘導される準同型をhˉX:π1(X,x0)ab→H1(X;Z)と書く。
2 補助道による逆写像
補題 2.1.Xを弧状連結な空間、x0∈Xとする。各x∈Xに道λx:x0→xを選び、λx0は定値道とする。始点x、終点yの特異一次単体σに対し、Lσ=λx∗σ∗λˉyと置く。このとき、σを[Lσ]の可換化での類へ送る準同型
Φ:C1(X;Z)⟶π1(X,x0)abは、任意の特異二単体τに対してΦ(∂τ)=0を満たす。したがってサイクルへの制限から準同型ϕX:H1(X;Z)→π1(X,x0)abを誘導する。
証明. 一次鎖群は特異一次単体を基底とする自由アーベル群なので、指定した値は一意な準同型Φを定める。τの頂点の像をp0,p1,p2、辺の制限をτ01,τ12,τ02とする。∂τ=τ12−τ02+τ01なので、Φ(∂τ)は、可換化における
[Lτ01][Lτ12][Lτ02]−1の類である。この積を基本群で展開し、隣り合う補助道とその逆道を消去すると、
[λp0∗τ01∗τ12∗τˉ02∗λˉp0]を得る。中央のループは標準二単体の境界のループをτで写したものである。標準二単体内で基点v0への線形ホモトピーを取ると、このループは基点を固定して縮む。したがって積は単位元であり、Φ(∂τ)=0である。線形性によりΦはB1(X;Z)を零へ送るので、Z1(X;Z)上の制限はその商H1(X;Z)を通る。▨
定理 2.2 (一次 Hurewicz 同型). 弧状連結な基点付き空間(X,x0)に対して、一次 Hurewicz 準同型は自然な同型
hˉX:π1(X,x0)ab≅H1(X;Z)を与える。したがってhXは全射であり、その核はπ1(X,x0)の交換子部分群である。
証明.補題 2.1のϕXを取る。基点付きループαに対して、Lα=λx0∗α∗λˉx0はαと端点固定でホモトピックなので、ϕXhˉXは可換化の各元を保つ。
逆の合成を、一次サイクルz=∑iniσi上で調べる。σiの始点をxi、終点をyiとすると、補題 1.1により、まずC1(X)/B1(X)において
i∑ni⟨Lσi⟩=i∑ni(⟨λxi⟩+⟨σi⟩−⟨λyi⟩)である。∂z=∑ini(yi−xi)=0なので、各点xについて終点に現れる係数の和と始点に現れる係数の和は等しい。したがって補助道だけの一次鎖
i∑ni(λxi−λyi)は零である。ゆえに上の等式の右辺は⟨z⟩に等しい。両辺はサイクルを表すのでH1(X;Z)の等式でもある。したがって、hˉXϕX([z])=[z]を得る。両合成が恒等写像であるから、両写像は互いに逆である。
基点付き連続写像f:(X,x0)→(Y,y0)に対して、ループをfで写してから一次サイクルとみなす操作と、先に一次サイクルとみなしてからfで写す操作は、いずれも特異一次単体fαを与える。したがってH1(f)hˉX=hˉY(f∗)abであり、同型は自然である。最後にhXは可換化の商写像と同型hˉXの合成なので、全射性と核の主張が従う。▨
3 基本群の表示からの計算
例 3.1.§E21.6 定理 1.5 (1)によりπ1(S1,1)≅Zなので、一次 Hurewicz 同型はH1(S1;Z)≅Zを与える。正の向きの一周のループが生成元を表す。
r≥1個の円周の楔和では、§E21.8 命題 3.1により基本群はF(a1,…,ar)である。その可換化はZrなので、H1(⋁i=1rS1;Z)≅Zrとなる。r≥2では基本群は非可換であるが、一次ホモロジーでは交換子は零になる。
例 3.2.§E21.7 定義 4.1の標準閉曲面を考える。このとき、§E21.8 命題 4.5のΣg、g≥1、の表示の関係語は交換子の積である。可換化するとこの関係はすでに成り立つので、H1(Σg;Z)≅Z2gである。
§E21.8 命題 4.6のNh、h≥1、の表示は⟨a1,…,ah∣a12⋯ah2⟩である。したがって
H1(Nh;Z)≅Zh/⟨2(e1+⋯+eh)⟩.u=e1+⋯+ehと置くと、u,e2,…,ehは整数基底である。実際、e1=u−e2−⋯−ehにより元の基底を整数係数で復元することができる。この基底では関係は2u=0だけになるので、H1(Nh;Z)≅Zh−1⊕Z/2Zである。
4 演習
問題 4.1.
- 三角形の境界を一方向に巡る三本の道α:x0→x1、β:x1→x2、γ:x2→x0を考える。一次サイクルα+β+γと、一つの特異一次単体であるループ(α∗β)∗γを比較し、鎖としての相違とホモロジー類の一致を説明せよ。
- 弧状連結なXでkerhXが交換子部分群に等しいことを示せ。さらにX=S1∨S1で、交換子aba−1b−1は基本群の単位元でないが、hXで零へ移ることを示せ。
- Klein の壺の基本群の表示⟨a,b∣aba−1b⟩を可換化し、一次ホモロジーを求めよ。
解答.
- α+β+γは三つの特異単体の形式和であり、連結したループは一つの特異単体である。したがって鎖群では一般に等しくない。連結の補題の二単体をsα,β、sα∗β,γと書くと、その境界の和はα+β+γ−((α∗β)∗γ)である。両者はサイクルなので、同じホモロジー類を表す。
- 可換化の商写像をπとすると、hX=hˉXπである。hˉXは単射なのでkerhX=kerπは交換子部分群である。八の字の基本群はF(a,b)であり、a↦(12)、b↦(23)はS3への準同型を定める。交換子の像は((12)(23))2という非自明な三巡回なので、元の交換子も単位元でない。一方、交換子であるからhXの像は零である。
- 自由群の可換化Z⟨a,b⟩において、関係語の指数和は0a+2bである。よって可換化はZ⟨a⟩⊕(Z⟨b⟩/2Z⟨b⟩)であり、一次 Hurewicz 同型によりH1(K;Z)≅Z⊕Z/2Zとなる。
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