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¿Por qué los grupos de homología captan mejor los agujeros de un espacio que los grupos de homotopía?

Esta es la continuación de otra pregunta .

Una buena interpretación de tener un $n$ -agujero de una dimensión en un espacio $X$ es que alguna imagen de la esfera $\mathbb{S}^n$ en este espacio dado por un mapeo $f: \mathbb{S}^n \rightarrow X$ no puede reducirse a un punto. El asunto de "encogerse hasta un punto" se expresa mejor siendo $f$ homotópico a algún mapa constante. A continuación, los grupos de homotopía $\pi_n$ puede definirse como las clases de homotopía de los mapas que preservan el punto base de $\mathbb{S}^n$ a $X$ . De este modo, se podría argumentar que los grupos de homotopía $\pi_n$ debería captar mejor los agujeros de $X$ .

Pero esto no es así. Se tiene el resultado más satisfactorio de que para $i \geq 1$ la homología $H_i (\mathbb{S}^n) $ es no trivial si $n = i$ . Pero los grupos de homotopía superiores de las esferas son muy complicados.

¿Por qué se produce esta complicación? ¿Por qué los grupos de homología son mucho mejores para capturar los agujeros que los grupos de homotopía, que son intuitivamente más adecuados, pero que en realidad no lo son? En el caso de $1$ -agujeros dimensionales, la homología $H_1$ et $\pi_1$ captura los agujeros igualmente bien; pero por supuesto en este caso el primero es la abelianización del segundo.

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Allen Hatcher Puntos 11823

La homología también tiene aspectos complicados y poco intuitivos si se va más allá de los espacios agradables como los complejos CW. Un ejemplo sorprendente de esto es el subespacio del espacio euclidiano 3 que consiste en la unión de un número contable de 2 esferas con un único punto en común y los diámetros de las esferas se aproximan a cero. (El hecho sorprendente es que el grupo de homología n-ésimo de este espacio con coeficientes racionales es distinto de cero, e incluso incontable, para cada n > 1. Así lo demostraron Barratt y Milnor en un artículo publicado en 1962 en las Actas de la AMS.

El resultado es válido también con coeficientes enteros, con clases de homología que están en la imagen del homomorfismo de Hurewicz. Así que se podría decir que este extraño comportamiento proviene de los grupos de homotopía, pero resulta que persiste en la homología. Supongo que también hay ejemplos en los que la homología no está en la imagen del homomorfismo de Hurewicz, por lo que no proviene directamente de los grupos de homotopía.

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PatrickvL Puntos 2593

Otro ejemplo de que la homología y la homotopía capturan los agujeros de forma diferente: observe que la curva $C$ en el bitoro de abajo es homólogo a cero pero no homotópico a cero.

Además, una diferencia notable entre ellos es que mientras una cadena homológica puede subdividirse en cadenas más pequeñas, un mapa de una esfera no puede subdividirse en mapas más pequeños de una esfera. Históricamente, los grupos de homotopía superiores sólo se persiguieron después del ejemplo fundamental de Hopf de un mapa $S^3 \to S^2$ no es homotópico a cero, lo que ya se comentó anteriormente (recomiendo la lectura de H. Samelson " $\pi_3(S^2)$ H. Hopf, W. K. Clifford, F. Klein", en: History of Topology, p.575-578, Elsevier, Amsterdam, 1999).

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rpotrie Puntos 2565

No soy especialista, pero creo que no es que la homología y la homotopía capten mejor o peor los agujeros. Creo que los captan de forma diferente.

Obviamente, es mucho más fácil calcular los grupos de homología, pero por otro lado, dan mucha menos información en muchos casos. Me gusta el Teorema de Whitehead ( http://en.wikipedia.org/wiki/Whitehead_theorem ) como ejemplo de lo potentes que pueden ser los grupos de homotopía. No conozco una contrapartida para los grupos de homología.

El otro ejemplo que me gusta es el del toro bidimensional. Por un lado, la homología bidimensional es no trivial mientras que el segundo grupo de homotopía es trivial, lo que podría indicar que la homología está capturando un agujero que la homotopía no captura. Sin embargo, la homotopía ya ha capturado los agujeros del toro (ya que el primer grupo de homotopía es no trivial). Creo que este ejemplo muestra cómo debe ser difícil definir la "dimensión" de un agujero.

Por lo tanto, creo que hay que considerar los grupos de homotopía en su conjunto y que capturarán escencialmente todos los agujeros.

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