曲面の多角形表示では、辺の貼り合わせの向きから、曲面全体に整合的な向きを入れることができるかどうかを調べる。しかし、向きを曲面そのものの性質として扱うには、選んだ多角形表示に依存しない記述が必要となる。局所ホモロジーによる向きと基本類は、各点の近傍での向きを曲面全体の二次ホモロジーに結びつける基本的な概念である。たとえば、球面に外向きの向きを入れると、二次ホモロジーの生成元が一つ定まる。本記事では、閉曲面の向きと基本類、および写像との関係を解説する。
1 局所向きとその整合性
補題 1.1. 境界を持たない曲面、開集合とに対し、の座標近傍内の閉円板と、に含まれるの開近傍が存在し、すべてのについて包含による写像
は無限巡回群の同型である。とくに、の像があるで一致して生成元であれば、すべてので一致して生成元である。
証明.の座標近傍を内に取り、座標像でを中心とする半径との閉円板を選ぶ。、とする。§E21.17 定理 1.1で座標円板の外を切除し、座標の同相を用いると、問題の写像は
に同一視される。切除の条件は、除く部分の閉包がから離れ、の内部に含まれることによる。
から外向きに放射状に動かす変位により、とはともにへ変位レトラクトする。が凸でを内部に含むため、の外にある点をこの半直線に沿って外向きに動かしてもに入らない。この二つの変位は上で恒等であり、包含はホモロジーの同型を誘導する。§E21.15 補題 2.6 (3)により、上の対の写像も同型を誘導する。終域が無限巡回群であることは§E21.27 命題 1.3による。
なので、最後の主張の各写像はを経由する。ある一点での像が同じ生成元ならば、同型の逆によってこの中間群での像も同じ生成元となる。ほかの点への写像も同型なので、結論が従う。▨
定義 1.2. 曲面とに対し、§E21.27 命題 1.3の無限巡回群の生成元を、における 局所向き (local orientation) という。
局所向きの選択が 整合的 (consistent) であるとは、任意のに対して連結な開近傍とが存在し、すべてのについて包含による写像がをへ送ることをいう。整合的な選択をの 向き (orientation) といい、向きを持つ曲面を 向きづけ可能 (orientable) という。
命題 1.3. 曲面の同相写像は、各点で同型を誘導する。これによって向きは向きへ移り、向きづけ可能性は同相写像で保たれる。とくに、向きづけ可能性は胞体分解の取り方によらない。
証明.は各対の同相なので、相対ホモロジーの関手性により同型を誘導し、生成元を生成元へ送る。とがの向きの整合性を与えるならば、連結な開集合とを取る。各点への包含による写像はと可換なので、これらは移した局所向きの整合性を与える。逆向きはに同じ議論を適用する。定義は局所ホモロジーと包含写像だけを用いているので、胞体分解を選ぶ必要はない。▨
2 三角形の向き
補題 2.1. 閉曲面の有限三角形分割を取り、と同一視する。頂点に全順序を固定し、向き付き単体を§E21.12 補題 3.5 (2)によって特異鎖とみなす。
- 向き付き二単体とに対して、は対の相対サイクルであり、その類はの生成元である。
証明.はを含まない辺の鎖なので、は相対サイクルである。§E21.27 補題 1.4 (1)によりは開であり、閉単体はの近傍である。局所ホモロジーの切除により、対へ移すことができる。特性写像は標準単体との同相なので、さらに、、へ移る。
からの放射状の変位はをへ変位レトラクトする。したがって対の写像はを誘導する。§E21.24 補題 3.1 (1)によりは前者の生成元であるから、その像であるも生成元である。向きを反転した場合はその負が対応する。▨
命題 2.2. 連結閉曲面について、次の条件は同値である。
- は局所向きの意味で向きづけ可能である。
- ある有限三角形分割が存在し、そのすべての二単体に、共有辺上で互いに反対の向きを誘導するように向きを入れることができる。
- が向きを持つならば、任意の有限三角形分割の各二単体には、すべてのでとなる向きがただ一つ入り、これらは共有辺で反対の向きを誘導する。整合的な三角形の向きが存在する場合、一枚の向きを指定すると全体の向きが一意に決まる。
証明.が空ならば条件はいずれも空の選択によって満たされる。以下とする。局所向きを与え、有限三角形分割を一つ取る。二単体に仮の向きを入れると、補題 2.1 (1)により、その内部でとは符号だけ異なる。は対の相対サイクルであり、向きの整合性の類と同じ相対群へ送って比較することができる。補題 1.1によりこの符号は局所定数であり、は連結なので一定である。必要なら向きを反転し、内部のすべての点で局所向きと一致させる。この向きは一意である。
共有辺に接する二枚の三角形を、このように向きづける。の近傍を、ほかの辺と頂点を避けるように取る。のの係数を零にする符号を選ぶと、は対の相対サイクルである。向きの整合性を与えるの開近傍とを取り、両類をの相対群へ送る。局所定数性の補題をに適用し、その近傍内のの点で比較すると、両者の像は同じ生成元である。したがっての点でも一致し、となる。生成元の位数は無限なのでである。よって共有辺の境界向きは反対である。
逆に三角形に整合的な向きを与え、と置く。各辺にはちょうど二枚が接し、境界の係数が相殺するのでである。をのへの像とする。任意ののまわりで局所定数性の補題をに適用する。その開近傍はある三角形の内部と交わる。実際、を含む二単体の内部の点はに近づくことができるからである。そのような点では、ほかの三角形は相対鎖で消えるのでは生成元である。補題の同型により、のすべての点でもは生成元となる。整合性の類には、大域的なの各への像を取ればよい。
最後に、共有辺で反対の境界向きを誘導するという条件により、片方の三角形の向きから他方の向きが一意に定まる。§E21.27 補題 1.4 (3)の連結性により、一枚の向きからすべての三角形の向きが一意に定まる。▨
命題 2.3. 曲面の語の多角形表示が向きづけ可能であるための必要十分条件は、の各文字が反対符号で一度ずつ現れることである。すなわち、空間の向きづけ可能性と語の向きづけ可能性は一致する。とくにと、、は向きづけ可能であり、、、は向きづけ可能でない。
証明.§E21.12 命題 4.1 (1)の三角形分割を用いる。円板内の三角形に平面の向きを入れると、内部の共有辺では反対の境界向きを誘導する。貼り合わされる境界小辺では、元の語の指数が反対ならば媒介変数が反転するので、誘導する向きも反対になる。指数が同じならば媒介変数が保たれるので、誘導する向きは同じになる。したがって、向きづけ可能な語については三角形の向きが整合するので、前の命題により、得られる空間は向きづけ可能である。
逆にに向きがあれば、前の命題によりこの分割の三角形に整合的な向きが入る。円板の分割の三角形は内部の辺だけを通じて互いにつながる。実際、中心の扇形の三角形は巡回してつながり、各外側の三角形は内側の三角形へつながる。よって整合的な向きは円板の平面の向き、またはその一斉反転に限られる。同符号の辺の対があれば、その境界小辺で向きが一致して整合性に反する。したがってすべての対は反対符号である。
標準語については§E21.7 補題 6.2 (3)を用いる。球面は反対符号の語の多角形表示と同相なので、同相不変性により向きづけ可能である。▨
3 基本類
定理 3.1.を空でない連結閉曲面とする。
- に向きが与えられているとする。有限三角形分割の各二単体に局所向きと一致する向きを入れると、はサイクルであり、その類はの生成元である。この類は、各点の局所ホモロジーへ指定したとして写る唯一の類であり、の 基本類 (fundamental class)という。基本類は三角形分割によらず、すべての局所向きを反転するとになる。
- が向きづけ可能でなければ、である。
証明.主張 (1)を示す。命題 2.2 (1)で二単体を向きづける。各辺の二枚の境界は相殺するのではサイクルである。一般の二次サイクルについて、共有辺の係数が零である条件は隣り合う二枚の係数が等しいことである。双対隣接グラフは連結なので、すべての係数が一つの整数に等しい。三次の単体はないから、であり、§E21.24 定理 3.2によりである。
三角形の内点ではである。任意の点について、向きの整合性を与えるを取る。のへの像とに局所定数性の補題を適用し、その近傍内の三角形の内点で比べると、両者は同じ生成元である。したがってでもである。各点への写像は生成元を生成元へ送るので単射であり、この局所像を持つ類は一意である。特徴づけが分割に依存しないことと、負の類が反転した局所向きを持つことから、分割の独立性と符号の主張を得る。
主張 (2)を示す。二単体に任意の向きを入れ、二次サイクルを取る。隣り合う二枚の係数は符号を除いて等しいので、その絶対値は双対グラフ全体で一定である。その絶対値をとする。ならば、係数が負の三角形の向きを反転すると、はすべての係数がのサイクルとなる。境界が零であることから各共有辺で反対の向きを誘導するので、前の命題によりは向きづけ可能となる。これは仮定に反するので、である。単体的ホモロジーと特異ホモロジーの比較によりを得る。▨
例 3.2. 球面の外向きの向きは基本類を定める。標準閉曲面は向きづけ可能であり、§E21.22 命題 4.2 (5)の胞体分解では、各辺が反対符号で現れるので二胞体の境界は零である。二胞体の内部の向きをの局所向きに合わせると、その胞体のサイクルは基本類を表す。実際、胞体比較と相対類への写像の自然性により、その内点での局所像は指定した生成元であり、基本類の一意性から一致する。二胞体の向きが逆ならばを表す。
は向きづけ可能でなく、その標準二胞体の境界はなので、二胞体自体はサイクルでない。これは§E21.27 命題 5.1のと一致する。
4 向きづけられた閉曲面の写像度
定義 4.1.を向きづけられた空でない連結閉曲面、を連続写像とする。基本類による同型、を用いて、
をの写像度という。
命題 4.2. 向きづけられた空でない連結閉曲面の間の連続写像について、次が成り立つ。
- ならばである。
- 合成することができるに対して、である。
- 定義域と値域に同じ向きを入れた恒等写像の写像度は、定値写像の写像度はである。
- 同相写像の写像度はまたはである。局所向きを保つ同相では、反転する同相ではである。
証明.主張 (1)を示す。ホモトピックな写像は§E21.13 命題 3.2により同じホモロジー準同型を誘導するので、主張 (1)が従う。
主張 (2)を示す。、に対して
であり、の係数を比較すると主張 (2)を得る。
主張 (3)を示す。恒等写像は同じ基本類を保つ。定値写像は一点空間を経由し、その二次ホモロジーが零なので、基本類を零へ送る。
主張 (4)を示す。同相写像の逆と合成するとであるから、である。局所ホモロジーへの写像とは可換であり、基本類の局所像は指定した局所向きである。したがって局所向きを保つなら、反転するならとなる。▨
注意 4.3.の両側に同じ向きを入れると、この写像度は§E21.19 定義 1.1の写像度に一致する。基本類は、最高次ホモロジーの二つの生成元のうち向きによって選ばれた一方である。両側の向きを異なるものに替えると、同じ恒等写像でも写像度はとなる。
5 演習
問題 5.1.
- 曲面とに対し、座標円板を用いての二つの生成元と、小円周の二つの向きとの対応を求めよ。
- 有限個の連結閉曲面の非交和について、は向きづけ可能な成分の個数を階数とする自由アーベル群であることを示せ。が向きづけ可能でなくても非零の単体的二次サイクルを持つことを、連結な非向きづけ可能閉曲面の場合と比較せよ。
- 向きづけられた空でない連結閉曲面と連続写像に対し、が向きを反転する同相ならばであることを示せ。外向きの向きを持つの鏡映について、局所向きの反転を確かめよ。
解答.
- 座標の中でを中心とする小さい閉円板を取る。切除により局所ホモロジーはに等しい。は可縮なので、対の長完全列の連結準同型はを与える。§E21.17 命題 2.2の放射状の変位により、後者はに同型である。したがって二つの局所生成元は、連結準同型で小円周の正向きの一周とその逆向きの一周へ写る二つの類である。座標の向きを反転すると、この対応の正負も入れ替わる。
- 標準単体は連結なので、その連続像は一つの成分に含まれる。したがって特異鎖複体はと分かれ、境界も成分を保つ。核と像を成分ごとに取るとであり、基本類の定理により結論を得る。では球面の基本サイクルを球面側だけに置くと非零の二次サイクルになる。一方、非零係数の絶対値が一定となる範囲は同じ双対隣接グラフの成分内である。連結な非向きづけ可能閉曲面では、それが全三角形へ伝わり、係数の符号によって整合的な向きが生じて矛盾する。非交和では射影平面側の係数を零にしてよいので、この矛盾は生じない。
- と乗法性からである。球面の北極の近くでを座標とすると、鏡映はとなる。これは小円周の正向きの一周を逆向きの一周へ送るので、前項の局所ホモロジーの記述により北極の局所向きを反転する。基本類の局所像と鏡映の誘導写像の可換性からその写像度はであり、ほかの点でも局所向きを反転する。
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