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La homología de grupos de $T^2$ de Mayer-Vietoris

Si puedo elegir dos conjuntos de $A$ $B$ como se muestra en la Wikipedia aquí:

Mayer-Vietoris for the Torus

entonces tengo un isomorfismo entre el $H_n(A \cap B)$ $H_n(A) \oplus H_n(B)$ porque los dos tubos en $A \cap B$ son disjuntas.

OK, hasta ahora tan bueno. A continuación, anoto la de Mayer-Vietoris secuencia y tratar de calcular $H_n(T^2)$ pero me parece que no tengo suficiente información para hacerlo. Usted puede confirmar esto?

Yo entonces se calcula la reducción de MVS lugar y la utilizó para calcular los $H_n(T^2)$. Lo que me gustaría saber es si esta es la única manera o si hay una manera de hacerlo con MVS directamente, sin la reducción de MVS.

Muchas gracias por tu ayuda, te lo agradezco.

57voto

cjstehno Puntos 131

Tal vez yo pueda añadir algunos detalles a Dylan respuesta.

En primer lugar, con la apertura de la tapa que usted ha elegido, tiene

$$ A, B, \quad \cong \quad \text{cilindro} \quad \simeq \quad S^1 $$

y

$$ A \cap B \quad \cong \quad \text{discontinuo de la unión de dos cilindros} \quad \simeq \quad S^1 \sqcup S^1 \ . $$

Por lo tanto

$$ H_n(A) = H_n(B) = \begin{cases} \mathbb{Z} & \text{if}\ n=0,1 \\ 0 & \text{otherwise} \end{casos} $$

y

$$ H_n(A\cap B) = \begin{cases} \mathbb{Z}\oplus \mathbb{Z} & \text{if}\ n=0,1 \\ 0 & \text{otherwise} \end{casos} $$

Por lo tanto, en particular, para $n\geq 2$, $H_n(A) = H_n(B) = H_n(A\cap B) = 0$. Por lo tanto, de MVS,

$$ \dots \longrightarrow H_n(A)\oplus H_n(B) \longrightarrow H_n(\mathbb{T}^2) \longrightarrow H_{n-1}(A \cap B) \longrightarrow \dots $$

que, por $n > 2$, es sólo

$$ \dots \longrightarrow 0 \longrightarrow H_n(\mathbb{T}^2) \longrightarrow 0 \longrightarrow \dots $$

se sigue que

$$ H_n(\mathbb{T}^2) = 0, \quad \text{para} \quad n> 2 . $$

Así que, de nuevo, podemos centrarnos en lo que sucede, por $n=0,1,2$. Para $n=0$ no es ninguna gran cosa, porque, desde $\mathbb{T}^2$ está conectado,

$$ H_0 (\mathbb{T}^2) = \mathbb{Z} \ . $$

Para $n= 2$, nos fijamos en esta pieza de la MVS:

$$ \dots \longrightarrow H_2(A)\oplus H_2(B) \longrightarrow H_2(\mathbb{T}^2) \stackrel{\partial}{\longrightarrow} H_1(A\cap B) \stackrel{(i_*, j_*)}{\longrightarrow} H_1(A) \oplus H_1(B) \longrightarrow \dots \ , $$

del que se conocen todos los grupos, excepto el torus es una:

$$ \dots \longrightarrow 0 \longrightarrow H_2(\mathbb{T}^2) \stackrel{\partial}{\longrightarrow} \mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z} \stackrel{(i_*, j_*)}{\longrightarrow} \mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z} \longrightarrow \dots $$

Ahora, como Steve D. señaló que, a pesar de los dos últimos grupos isomorfos, no significa que los morfismos $(i_*, j_*)$ entre ellos en la MVS, inducidos por las inclusiones $i: A\cap B \longrightarrow A$$j: A\cap B \longrightarrow B$, es un isomorfismo. Y en realidad no lo es. (Si lo era, entonces, $H_2(\mathbb{T}^2) $ sería igual a cero.)

En esta etapa, usted necesita para calcular que esta $(i_*, j_*)$ es. Para ello, elige $1$-cicles la generación de las homologías de $A, B $ $A\cap B$ como sigue: para cada uno de los cilindros de la intersección $A\cap B$, tomar una circunferencia ecuatorial. Nombre de su homología clases de $\alpha$$\beta$. Así que, en realidad, los $\mathbb{Z}$ en la pieza de MVS representada por encima de la libre abelian grupos generados por $\alpha$$\beta$:

$$ (i_*, j_*) : \mathbb{Z}\langle \alpha \rangle \oplus \mathbb{Z}\langle \beta \rangle \longrightarrow \mathbb{Z}\langle \alpha \rangle \oplus \mathbb{Z}\langle \beta \rangle $$

Y ahora vamos a calcular:

$$ (i_* , j_*) (\alpha , 0) = (i_* , j_*) (0, \beta ) = (\alpha , \beta) $$

desde $\alpha = \beta$$H_1(A)$$H_1(B)$.

Por lo tanto, en términos de esta base, nuestro morfismos $(i_* , j_*)$ puede ser representada por la matriz

$$ \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} : \mathbb{Z} \oplus \mathbb{Z} \longrightarrow \mathbb{Z} \oplus \mathbb{Z} $$

Por lo tanto,

$$ H_2(\mathbb{T}^2 ) = \mathrm{im}\ \partial = \mathrm{ker}\ \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} = \mathbb{Z}\langle \alpha \beta \rangle = \mathbb{Z} $$

Como para $H_1(\mathbb{T}^2)$, vamos a centrarnos en el siguiente fragmento de la MVS:

$$ \dots \longrightarrow H_1(A\cap B) \stackrel{(i_*, j_*)}{\longrightarrow} H_1(A) \oplus H_1(B) \stackrel{k_* - l_*}{\longrightarrow} H_1(\mathbb{T}^2) \stackrel{\partial}{\longrightarrow} H_0 (A\cap B) \stackrel{(i_* , j_*)}{\longrightarrow} H_0(A) \oplus H_0(B) \longrightarrow \dots \ , $$

donde $k_* - l_*$ es el de morfismos inducidos por las inclusiones $k: A \longrightarrow \mathbb{T}^2$$l : B \longrightarrow \mathbb{T}^2$.

De nuevo, sabemos que todos los grupos excepto $H_1(\mathbb{T}^2)$:

$$ \dots \longrightarrow \mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z} \stackrel{(i_*, j_*)}{\longrightarrow} \mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z} \stackrel{k_* - l_*}{\longrightarrow} H_1(\mathbb{T}^2) \stackrel{\partial}{\longrightarrow} \mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z} \stackrel{(i_* , j_*)}{\longrightarrow}\mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z} \longrightarrow \dots $$

Y, de nuevo, tenemos un cierto conocimiento de los morfismos involucrados. Yo reclamo que, tomando como generadores de $H_0(A)$ $ H_0(B)$ dos puntos de $p,q$, uno en cada componente de $A\cap B$, usted tiene también generadores de $H_0(A\cap B)$ y, con estos generadores y similares cálculos que de las que ya hemos hecho, el segundo de morfismos $(i_*, j_*)$ también puede ser representado por la matriz

$$ \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} : \mathbb{Z} \oplus \mathbb{Z} \longrightarrow \mathbb{Z} \oplus \mathbb{Z} $$

Ahora, usted consigue una breve secuencia exacta de ese pedazo de MVS en la forma estándar:

$$

0\longrightarrow \mathrm{ker}\ \parcial \longrightarrow H_1(\mathrm{T}^2) \longrightarrow \mathrm{im}\ \parcial \longrightarrow 0 $$

Pero, por un lado,

$$ \mathrm{im}\ \partial = \mathrm{ker}\ (i_*, j_*) = \mathrm{\ker}\ \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} = \mathbb{Z} $$

Por otro lado,

$$ \mathrm{ker}\ \partial = \mathrm{im}\ (k_*-l_*) =(\mathbb{Z}\oplus \mathbb{Z}) /\!\mathrm{ker}(k_*-l_* ) = (\mathbb{Z}\oplus \mathbb{Z})/\!\mathrm{im}(i_*, j_*) = \mathbb{Z} $$

Por lo tanto, tenemos la siguiente secuencia exacta:

$$ 0 \longrightarrow \mathbb{Z} \longrightarrow H_1(\mathbb{T}^2) \longrightarrow \mathbb{Z} \longrightarrow 0 \ . $$

Así

$$ H_1(\mathbb{T}^2) = \mathbb{Z} \oplus \mathbb{Z} \ . $$

EDIT. Algunos detalles más. Inclusiones

$$ Un \stackrel{i}{\longleftarrow} A\cap B \stackrel{j}{\longrightarrow} B $$

inducir morphims

$$ H_1(A) \stackrel{i_*}{\longleftarrow} H_1(A\cap B ) \stackrel{j_*}{\longrightarrow} H_1(B) \ . $$

Por lo tanto, una de morfismos

$$ (i_*, j_*) : H_1(A\cap B) \longrightarrow H_1(A) \times H_1(B) = H_1(A) \oplus H_1(B) \ , $$

cuyo valor en $1$-ciclos de $\sigma : \Delta^1 \longrightarrow A\cap B$ es

$$ (i_*, j_*) [\sigma] = (i_*[\sigma], j_* [\sigma]) = ([i\circ \sigma],[j\circ \sigma]) . $$

Por lo tanto, si $a: \Delta^1 \longrightarrow A\cap B$ $b: \Delta^1 \longrightarrow A\cap B$ $1$- ciclos de representantes de la homología de las clases de $\alpha$$\beta$, respectivamente, que han

$$ (i_*,j_*) (\alpha, 0) = (i_*,j_*) [a] = ([i\circ a],[j\circ a]) = (\alpha, \alpha) = (\alpha , \beta) $$

y de forma análoga para $\beta$.

EDIT2. Más detalles. Para romper una larga secuencia exacta

$$ \dots \stackrel{f_{i-2}}{\longrightarrow} A_{i-1} \stackrel{f_{i-1}}{\longrightarrow} A_i \stackrel{f_i}{\longrightarrow} A_{i+1} \stackrel{f_{i+1}}{\longrightarrow} \dots $$

en "modo estándar" significa que, en cualquier momento, usted puede obtener corto exacta secuencias como

$$ 0 \longrightarrow \mathrm{ker}\ f_i \longrightarrow A_i \longrightarrow \mathrm{im}\ f_i \longrightarrow 0 $$

donde la flecha de la izquierda es el de la inclusión y que sobre el derecho a la $f_i$.

17voto

babubba Puntos 1213

$\newcommand{\Z}{\mathbf{Z}}$Usted puede hacer esto, pero usted necesita saber algo acerca de los mapas — la exactitud de la secuencia es maravilloso, pero que a menudo no se compute todo por su propia cuenta. De todos modos, si quiero llegar a $H_1(T)$ entonces escribir $$ H_1(A \cap B) \stackrel{f} {\,} H_1(A) \oplus H_1(B) \a H_1(T) \a H_0(A \cap B) \stackrel{g} {\,} H_0(A) \oplus H_0(B). $$ Vamos a reemplazar el exterior de los términos de uso de ciertos isomorphisms, pero vamos a pensar cuidadosamente acerca de aquellos. La imagen es

A Mayer-Vietoris decomposition for the torus

Si vemos la $A$$S^1 \times [0, 1]$, entonces la proyección de $p\colon S^1 \times [0, 1] \to S^1 \times \{1\}$ sobre la parte superior del círculo es un homotopy de equivalencia. Por lo tanto induce un isomorfismo $p_*$ de homología. Escoger una generación de bucle para $H_1(S^1 \times \{1\})$, como se muestra, se obtiene un isomorfismo $H_1(A) \to \Z$. Cualquier bucle en $A$ cuya proyección es que el generador, con la misma orientación, se asignará a $1 \in \Z$.

Voy a dejar que termine este programa, utilizando la orientación en $B$ muestra y el como orientaciones sobre los dos componentes de $A \cap B$. El resultado de todo esto es que si hacemos estas identificaciones y ver nuestra secuencia como $$ \Z \oplus \Z \stackrel{f} {\} \Z \oplus \Z \a H_1(T) \a \Z \oplus \Z \stackrel{g} {\} \Z \oplus \Z, $$ a continuación, $f$ está dada por $\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}$; after changing bases, this is $\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}$. It's easier to check that $g$ puede ser expresada por la misma matriz. Obtenemos una corta secuencia exacta $$ 0 \a \operatorname{Coker} f \a H_1(T) \a \operatorname{Ker} g \a 0. $$ Sabemos que el exterior términos son tanto isomorfo a $\mathbf{Z}$; desde $\Z$ es gratis, se deduce que el $H_1(T) \approx \Z \oplus \Z$.

Consiguiendo $H_2 \approx \Z$ es similar, pero, por supuesto $H_2(A)$, $H_2(B)$, y $H_2(A \cap B)$ son todos trivial. Pruebe la botella Klein cuando estás hecho!

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