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Grupos de homología de un tetraedro

He estado resolviendo muchas preguntas últimamente en preparación para un examen que está en aproximadamente 3 semanas. Bueno, me encontré con esta pregunta pero no tengo ni idea. Creo que necesitaría mucha ayuda.

Se me pide calcular los grupos de homología de un tetraedro (es decir, una triangulación de la 2-esfera) indicando todos los grupos de cadenas y homomorfismos de bordes. Estoy familiarizado con el cálculo de los grupos de homología de algunas superficies conocidas como la cinta de Möbius, la botella de Klein, el toro y el plano proyectivo, pero no estoy seguro de cómo abordar el tetraedro. Cualquier ayuda sería muy apreciada.

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cjstehno Puntos 131

No sé qué notación has estado utilizando, pero lo siguiente podría ayudar, por si acaso aún no ha llegado tan lejos.

Nombra los vértices del tetraedro $[1],[2],[3],[4]$, por ejemplo. Entonces el conjunto de aristas puede ser denotado por $[1,2],[1,3],[1,4],[2,3],[2,4],[3,4]$ y el de caras como $[1,2,3],[1,2,4],[1,3,4],[2,3,4]$.

Por lo tanto, los grupos correspondientes de cadenas de $0,1$ y $2$ son los grupos abelianos libres sobre estos generadores:

$$ \begin{eqnarray*} C_0 &=& \mathbb{Z}\langle [1],[2],[3],[4]\rangle \\ C_1 &=& \mathbb{Z}\langle [1,2],[1,3],[1,4],[2,3],[2,4],[3,4]\rangle \\ C_2 &=& \mathbb{Z}\langle [1,2,3],[1,2,4],[1,3,4],[2,3,4]\rangle \end{eqnarray*} $$

y los operadores de borde

$$ C_2 \stackrel{\partial_2}{\longrightarrow} C_1 \stackrel{\partial_1}{\longrightarrow} C_0 $$

pueden ser calculados de la siguiente manera:

$$ \partial_1 [1,2] = [2]-[1] \ , \qquad \partial_2 [1,2,3] = [2,3]-[1,3]+[1,2] \ , \qquad \text{etc}\dots $$

Así que puedes representar estos operadores de borde mediante matrices. Por ejemplo,

$$ \partial_1 = \begin{pmatrix} -1 & -1 & -1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & -1 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1 \end{pmatrix} $$

y continúa tus cálculos desde este punto.

Por ejemplo, si denominamos a $T$ el tetraedro, entonces

$$ H_2 (T) = \mathrm{ker}\ \partial_2 $$

y algunas transformaciones elementales de columnas con la matriz $\partial_2$ nos da que

$$ H_2 (T) = \mathbb{Z} \langle [2,3,4] - [1,3,4] + [1,2,4] - [1,2,3] \rangle \cong \mathbb{Z}\ . $$

Eso es, como ya sabíamos, por supuesto: $H_2(T)$ es $\mathbb{Z}$. Pero tenemos más: un generador explícito para este segundo grupo de homología. Es decir, el 2-ciclo $[2,3,4] - [1,3,4] + [1,2,4] - [1,2,3]$, que es, por supuesto, la suma de las caras del tetraedro (con un signo).

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Terminemos el cálculo de $H_1(X)$ usando la notación de Agustí anterior:

Ahora he reducido por filas la matriz de Agustí anterior y (si mis cálculos son correctos) tenemos que el núcleo de $\partial_1$ es isomorfo al grupo abeliano libre de tres generadores:

$$\ker \partial_1 = \Bbb{Z}\bigg\langle \color{red}{[1,2] - [1,3] + [2,3]}, \color{green}{[1,2]-[1,4] + [2,4]}, \color{blue}{[1,3] - [1,4] + [3,4]}\bigg\rangle.$$

Ahora, mediante cálculos directos, encuentro que:

$$\begin{eqnarray*} \partial_2([1,2,3]) &=& \color{red}{[2,3] - [1,3] + [1,2]} \\ \partial_2([1,2,4]) &=& \color{green}{[1,2] + [2,4] - [1,4]}\\ \partial_2([1,3,4]) &=& \color{blue}{[1,3] + [3,4] - [1,4]} \\ \partial_2([2,3,4]) &=& [2,3] + [3,4] - [2,4] .\end{eqnarray*}$$

Ahora, al cuotientar por $\textrm{im} \partial_2$ en el cálculo de $H_1(X)$, básicamente lo que estás haciendo es imponer relaciones en $\ker \partial_1$. ¿Cuáles son esas relaciones? Bueno, simplemente estás declarando ahora que $$\partial_2(\text{todos los 2-símplices}) = 0.$$

A partir de esto, inmediatamente ves que al cuotientar, has enviado todos los generadores a cero de modo que $H_1(X) = 0$.

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Xetius Puntos 10445

El complejo simplicial para el tetraedro $T$ es exactamente el mismo que el del tetraedro relleno $F$ (también conocido como el $3$-simplejo) excepto en el grado $3$. Dado que conocemos la homología del $3$-simplejo (¡esperemos!), solo necesitamos calcular $H_2(T)$.

Ahora, los $2$-ciclos en $T$ son los mismos que en $F$. Dado que el grupo de $2$-bordes en $F$ es cíclico de rango $1$ (porque las $3$-cadenas forman dicho grupo) y $H_2(F)=0$, vemos de inmediato que $H_2(T)=\mathbb Z$.

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