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Dado $X=\{1,\tfrac{1}{2}, \tfrac{1}{3}, \dots\} \cup \{0\}$, ¿por qué $\pi_1(SX)$ es contable mientras que $\pi_1(\Sigma X)$ es no contable?

Dejando $X=\{1,\tfrac{1}{2}, \tfrac{1}{3}, \dots \}\cup \{0\}$, $SX$ la suspensión, y $\Sigma X$ la suspensión reducida después de contraer los segmentos conectados a 0 a un punto. Sé que $\Sigma X$ es equivalente al pendiente hawaiano. Estoy al tanto (de lo que se me ha llevado a creer es) de una demostración de que su grupo fundamental es no numerable:

Dado cualquier subconjunto $\{n_1, n_2, \dots\}\subset \mathbb{N}$, podemos crear un lazo que viaje alrededor del círculo de radio $\tfrac{1}{n_1}$, seguido por el círculo de radio $\tfrac{1}{n_2}$, y así sucesivamente, lo que significa que los lazos en $\Sigma X$ están en biyección con $2^{\mathbb{N}}$ y por lo tanto son no numerables.

Mi pregunta es la siguiente: ¿por qué esto no se cumple para $SX$ que, según el Ejercicio 1.2.18 de Hatcher, es numerable? Empezando desde el punto superior, ¿no podría crear innumerables lazos distintos de una manera similar? ¿Qué es lo que hace que al colapsar los segmentos adjuntos en cero se cree un grupo no numerable?

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freakish Puntos 123

La misma construcción no funciona para $SX$.

Tenga en cuenta que la secuencia de trayectorias se combina típicamente en una sola trayectoria colocando cada trayectoria en un subintervalo de $[0,1]$ con $1$ siendo un límite de esos subintervalos. Ahora con $\Sigma X$ podemos mapear $1$ al punto único compartido. Así que cada secuencia convergente a $1$ se mapeará a una secuencia que converge al punto único. Pero con $SX$ podemos encontrar una secuencia que converge a $1$ pero su imagen converge a cualquier punto que esté sobre la línea vertical sobre $0$. No hay una elección válida para el valor en $1$ que haga que la construcción sea continua.

Esto también muestra que cualquier bucle en $SX$ puede rodear solo un número finito de subcírculos distintos de $SX$. Se puede concluir a partir de eso que el grupo fundamental es numerable.


Vamos a entrar en detalles. Deje que $SX=(X\times [0,1])/\sim$ y dejemos que $v_0=[(0,1)]_\sim$ sea el vértice superior. Por la k-ésima línea entenderé la imagen de $\{1/k\}\times[0,1]$ en $SX$ y lo denotaré como $L_k$. Tenga en cuenta que $L_0$ será la imagen de $\{0\}\times[0,1]$.

Su construcción es la siguiente: para cualquier secuencia de naturales $n_1,n_2,\ldots$ deje que $f_k:[1/k,1/(k+1)]\to SX$ sea una trayectoria tal que $f(1/k)=f(1/k+1)=v_0$ y que $f$ pase por la línea $L_{n_k}$ y de regreso a través de la línea fija $L_1$ (para que no sean homotópicas entre sí). Finalmente, componemos todos los $f_k$ en $f:[0,1]\to SX$ a través de $f(x)=f_k(x)$ si $x\in[1/k,1/(k+1)]$ y $f(0)=v_0$.

Tenga en cuenta que esta construcción es continua sobre $\Sigma X$ pero no sobre $SX$. De hecho, deje que $w_k=[(1/k, 1/2)]_\sim$ y observe que $w_k\to [(0,1/2)]_\sim\neq v_0$. Pero $f^{-1}(w_{n_i})$ es un único punto que pertenece a algún $[1/t,1/(t+1)]$. Así que forma una secuencia convergente a $0$. Esto es una contradicción ya que la imagen no converge a la imagen de $0$ siendo $v_0$.

La principal diferencia entre $SX$ y $\Sigma X$ es que $\Sigma X$ es localmente conexo a diferencia de $SX$. Esto implica que:

Lema. Deje que $f:[0,1]\to SX$ sea una función continua. Entonces hay a lo sumo finitos $k$ tal que $L_k\subseteq im(f)$.

Prueba. Supongamos que no es así, por lo que tenemos $L_{m_1},L_{m_2},\ldots$ totalmente contenidos en $im(f)$. Dado que $im(f)$ es compacto, entonces $$\overline{\bigcup_{i=1}^\infty L_{m_i}}\subseteq im(f)$$ Esto implica (por las propiedades intrínsecas de $X$) que $L_0\subseteq im(f)$. Pero luego $im(f)$ no es localmente conexo. Contradicción, ya que $f$ es un mapeo cociente (sobre su imagen) desde un espacio localmente conexo (vea esto). $\Box$

Nota lateral: otra diferencia es que $SX$ no es imagen de ninguna trayectoria pero $\Sigma X$ lo es (por el teorema de Hahn-Mazurkiewicz, o por la construcción mencionada).

Conclusión: $\pi_1(SX)$ es numerable.

Bosquejo de la prueba. Hay un número numerable de subcírculos (básicamente un subcírculo es un par $(L_i,L_j)$ de líneas) en $SX$. Dado que cada trayectoria pasa solo alrededor de un número finito de ellos, significa que a cada trayectoria podemos asociar una secuencia $(n_1,n_2,\ldots)\in\mathbb{Z}^\infty$ de números de enrollamiento correspondientes. Solo un número finito de entradas son no nulas. Y solo hay un número numerable de esas secuencias. $\Box$

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