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¿Por qué aparecen a menudo cuñas de esferas en la combinatoria?

Robin Forman escribe en "Guía del usuario de la teoría Morse discreta" :

El lector no debe obtener el impresión de que el tipo de homotopía de un complejo CW está determinado por el número de celdas de cada dimensión. Esto es es cierto sólo para muy pocos espacios (y el el lector podría divertirse con algunos otros ejemplos). El hecho de que las cuñas de esferas pueden, de hecho, ser identificadas por estos datos numéricos explica en parte por qué el teorema principal de muchos trabajos de topología combinatoria es que un cierto complejo simplicial es homotópico equivalente a una cuña de esferas. A saber, tales complejos son los más fáciles reconocer. Sin embargo, eso no explica por qué tantos complejos simpliciales que surgen en combinatoria son homotópicamente equivalentes a una cuña de esferas. A menudo me he preguntado si hay alguna explicación más profunda explicación para esto.

La pregunta es: "¿Por qué tantos complejos simpliciales que surgen en combinatoria son homotópicamente equivalentes a una cuña de esferas?"

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Allen Hatcher Puntos 11823

Esto es realmente un misterio. Supongo que la pregunta se refiere a cuñas de esferas de la misma dimensión, donde hay un criterio sencillo (n-dimensiones y (n-1)-conectadas, para algún n). Para cuñas de esferas de diferentes dimensiones no conozco ningún criterio de este tipo. Incluso cuando se sabe que un complejo tiene el tipo de homotopía de una cuña de n esferas, puede ser difícil encontrar ciclos que representen una base para la homología. Las pruebas de (n-1)-conexión suelen ser por inducción y, por tanto, no son muy esclarecedoras, según mi experiencia con los complejos que surgen en la topología combinatoria de baja dimensión. Lo ideal sería que una prueba de este tipo procediera mostrando que después de eliminar los interiores de algunas celdas de la parte superior, el subcomplejo resultante fuera contractible, con suerte mediante una contracción explícita. Hay incluso un caso importante, el complejo de curvas de Harvey de una superficie, en el que el complejo tiene mayor dimensión que la cuña de esferas a la que es equivalente en homotopía. Casi parece un metateorema en este ámbito que cualquier complejo definido de forma natural es contraíble o equivalente en homotopía a una cuña de esferas. No se me ocurren contraejemplos, sólo de refilón. Quizás en otras áreas las pruebas sean más esclarecedoras.

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Chris AtLee Puntos 3656

Una forma de abordar esta cuestión de forma cuantitativa es la que sugiere la probabilidad. Uno puede poner varias medidas en el espacio de todos los complejos simpliciales en $n$ vértices. Una medida quizás bastante natural es tomar un gráfico aleatorio y luego tomar el complejo de camarillas. Esto no nos da todos los complejos en $n$ vértices, pero todo complejo es homeomorfo al complejo de la camarilla de algún gráfico, por lo que estamos cubriendo todo hasta el homeomorfismo como $n \to \infty$ .

El punto principal de mi documento Topología de complejos de camarillas aleatorias es que casi todos los complejos simpliciales que surgen de esta manera son bastante simples topológicamente. En particular se muestra que para un típico $d$ -complejo de camarillas de una dimensión, los grupos de homología $H_k$ todo se desvanece cuando $k > \lfloor d/2 \rfloor$ y cuando $k< d/4$ y que casi toda la homología que queda se concentra en la dimensión media $k=\lfloor d/2 \rfloor$ .

Actualmente es un problema abierto decidir si la homología es evanescente (o simplemente pequeña) entre $k=d/4$ y $k=d/2$ . Si se pudiera establecer esto, entonces se estaría en camino de demostrar que casi todos los complejos de banderas son homotópicos a una cuña de esferas; de hecho, lo último que habría que hacer sería descartar la torsión en la homología media con coeficientes enteros.

No tengo una buena idea de si alguna de estas cosas es cierta, pero creo que este artículo da una buena evidencia anecdótica de que la mayoría de los complejos de banderas son algo simples topológicamente, y es un paso en la dirección de responder a la pregunta de Forman. (Esta medida particular parece especialmente natural desde el punto de vista de la combinatoria, ya que muchos complejos simpliciales surgen como complejos de orden de posets, y por tanto son automáticamente complejos de bandera).

ACTUALIZACIÓN:

(1) Hace poco mostré que para cada $k \ge 3$ existe un rango de probabilidad de borde para que el complejo de camarillas aleatorio (también llamado complejo de banderas aleatorio) sea racionalmente equivalente a una cuña de $k$ -Esferas dimensionales. En particular, toda la homología racional es de grado medio. Sólo hay un solapamiento muy pequeño donde hay homología en grado $k$ y en grado $k+1$ pero en cierto sentido, la mayoría de las veces sólo hay homología en un grado. La conjetura de que "racionalmente equivalente a la homotopía" puede ser sustituida por "equivalente a la homotopía" es equivalente a mostrar que con alta probabilidad, la homología es libre de torsión.

(2) Sobre la nota de torsión en la homología aleatoria, en un trabajo conjunto con Hoffman y Paquette Recientemente hemos demostrado que para un modelo ligeramente diferente de complejo simplicial aleatorio, para la mayor parte del rango en el que la homología racional es evanescente, la homología entera también lo es.

Hay uno o dos problemas técnicos en la aplicación del método de (2) en el entorno de (1) (a saber, la no monotonicidad de la homología), pero hasta ahora parece que hay razones para creer que el método saldrá adelante finalmente.

Juntos, estos dos resultados recientes sugieren que un complejo de banderas aleatorio (para un rango adecuado de probabilidad de borde $p$ ) es equivalente en homotopía a las cuñas de $d$ -Esferas dimensionales. Los complejos aleatorios de banderas me parecen un modelo muy natural para abordar tu pregunta de forma probabilística, ya que muchos complejos de la combinatoria son complejos de banderas, que surgen como complejos de orden de posets, etc.

15voto

Paul Puntos 555

Creo que es porque tenemos técnicas bien desarrolladas con las que demostrar que esta condición se cumple, y cuando éstas fallan, la gente no se esfuerza tanto en intentar describir los tipos de homotopía (más difíciles). Me encantaría escuchar que esta es una opinión excesivamente pesimista.

15voto

Esto es esencialmente un largo comentario en respuesta a las otras dos respuestas.

Un lugar en el que sí aparecen tipos de homotopía interesantes es en el estudio de los complejos Hom de los grafos.
Csorba y Lutz demostró que Hom $(K_{2r} - C_{2r}, K_{r+1})$ es una superficie orientable (no sólo por homotopía, sino por homeomorfismo). Aquí $C_k$ denota una longitud $k$ ciclo. El género viene dado por $r! \frac{r^2 - r -2}{2} + 1$ así que nunca es una esfera. Enumeran algunas otras conjeturas interesantes y cálculos particulares.

Más recientemente, Schultz demostró una conjetura de Csorba según la cual Hom $(C_5, K_{n+2})$ es homeomorfa a la colecta de Stiefel $V_2 (\mathbb{R}^{n+1})$ de los marcos 2 ortonormales. Esta conjetura se hizo a partir de un cálculo completo, realizado por Kozlov, de la cohomología de Hom $(C_m, K_n); \mathbb{Z})$ . Sorprendentemente, estos complejos tienen 2 torsiones en su cohomología cuando n es par (¿hay otros complejos que surjan en combinatoria que tengan torsión en su cohomología?) Schutlz también demostró que el colímite como $m\to \infty$ de los complejos Hom $(C_{2m}, K_n)$ es equivalente en homotopía al espacio de bucle libre en $S^{n-2}$ ¡!

Por lo tanto, estos son algunos casos en los que la gente se esforzó por obtener respuestas interesantes.

Supongo que también vale la pena señalar que para cualquier complejo simplicial finito X y cualquier grafo T, existe un grafo G (con vértices en bucle) tal que Hom $(T, G) \simeq X$ . Este es un teorema de Anton Dochtermann . Se podría argumentar que esto viola el espíritu de la pregunta, ya que en realidad no se puede decir que estos complejos Hom aparezcan de forma natural; en cambio, los grafos G en algún sentido aproximado se parecen al espacio X que se intenta modelar. (En concreto, G es el esqueleto 1 de alguna subdivisión de X, con bucles colocados en todos los vértices).

15voto

Pierre Spring Puntos 2398

Varios complejos simpliciales que surgen en combinatoria tienen la propiedad de Cohen Macaulay. Estos complejos son siempre (homológicamente) una cuña de esferas de la misma dimensión (la dimensión del complejo) y también tienen localmente esta propiedad. La conchabilidad es una importante propiedad combinatoria que, de nuevo, implica que el complejo y todos los enlaces son cuñas de esferas. Existen interesantes extensiones de estos conceptos al caso de esferas de diferente dimensión. Los complejos desplazados son complejos simpliciales cuyos vértices tienen un orden total y con la propiedad de que si S es una cara y R es una cara de la misma dimensión con vértices más pequeños (es decir, hay una biyección a:R->S de modo que v<=a(v) para cada v) entonces R es una cara. Los complejos desplazados son siempre cuñas de esferas (de diferentes dimensiones) y hay operaciones interesantes que asocian a complejos simpliciales arbitrarios, tales complejos desplazados.

También hay bastantes clases interesantes de complejos simpliciales que surgen en combinatoria y que están lejos de ser wege de esferas. Tomemos, por ejemplo, el complejo de cuerpos de ajedrez cuyas caras son las ubicaciones de n torres no atacantes en un tablero de ajedrez de n por n+1. Para n=2 es un hexágono, para n=3 un toro, para n=4 un cierto pseudomanifold, todos los enlaces de los vértices son toros, etc.

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