1 完全列の構成
定理 1.1 (Mayer–Vietoris 完全列).X=U∪Vを二つの開集合による被覆とする。包含写像をi:U∩V→U、j:U∩V→V、k:U→X、ℓ:V→Xと書く。このとき自然な長完全列
⋯→Hn(U∩V)(i∗,−j∗)Hn(U)⊕Hn(V)k∗+ℓ∗Hn(X)δHn−1(U∩V)→⋯がある。
証明. 被覆{U,V}に従属する小鎖複体をC∗U(X)=C∗(U)+C∗(V)とする。写像
α(c)=(c,−c),β(a,b)=a+bを用いると
0→C∗(U∩V)αC∗(U)⊕C∗(V)βC∗U(X)→0は短完全列である。実際、a+b=0ならa=−bはUとVの双方に属する鎖なので(a,b)=(c,−c)と書くことができる。小単体定理によりC∗U(X)↪C∗(X)はホモロジー同型である。短完全列の長完全列へこの同型を代入すれば表示した列を得る。
連結準同型も確認する。Xの輪体zを小鎖へ細分し、z=a+b(a∈Cn(U)、b∈Cn(V))と書く。∂a=−∂bはU∩Vの鎖であり、
δ[z]=[∂a]である。分解を変えた差は共通部分の鎖となるため、相対完全列と同じ代表元の議論によりこの類は一意である。▨
2 球面と楔和
定理 2.1.n≥1について
Hk(Sn)≅{Z0k=n,k=nである。
証明.Snを北極と南極を少し越える二つの開半球U,Vで覆う。U,Vは可縮であり、U∩V≃Sn−1である。被約 Mayer–Vietoris 列では
Hk(Sn)≅Hk−1(Sn−1)を得る。S0は二点からなりH0(S0)≅Zなので、帰納法により結論が成り立つ。▨
命題 2.2. 基点付き空間(X,x0)と(Y,y0)を取る。x0の開近傍NX⊂Xとy0の開近傍NY⊂Yがあり、それぞれが基点を固定したまま基点へ強変形収縮すると仮定する。このとき
Hn(X∨Y)≅Hn(X)⊕Hn(Y)である。
証明. 商写像をq:X⊔Y→X∨Yとし、
U:=q(X⊔NY),V:=q(NX⊔Y)と置く。これらは開集合であり、X∨Y=U∪Vである。NYの強変形収縮をX上の恒等写像と貼り合わせると、Uは埋め込まれたXへ強変形収縮する。同様にVはYへ強変形収縮する。また
U∩V=q(NX⊔NY)=NX∨NYは、二つの強変形収縮が基点を固定するため楔点へ収縮する。被約 Mayer–Vietoris 列で共通部分の群が零になるため、中央の写像が同型となる。▨
したがってr個の円周の楔和Grは
H0(Gr)≅Z,H1(Gr)≅Zr,Hn(Gr)=0 (n≥2)
を満たす。
3 閉曲面
向きづけ可能な種数gの標準閉曲面をΣg、k枚の実射影平面の連結和をNkと書く。いずれも一枚の標準多角形の内部に円板Vを取り、その補集合を少し厚くした開集合をUとすると、Vは可縮、U∩V≃S1である。ΣgではU≃G2g、NkではU≃Gkとなる。
Σgの境界語は
[a1,b1]⋯[ag,bg]
である。一次鎖で各文字の正向きと逆向きが相殺するため、包含H1(S1)→H1(G2g)は零写像である。Nkの境界語はa12⋯ak2なので、対応する写像は
Z⟶Zk,1⟼2(e1+⋯+ek)
である。
定理 3.1.
Hn(Σg)≅⎩⎨⎧ZZ2g0n=0,2,n=1,それ以外,また
Hn(Nk)≅⎩⎨⎧ZZk−1⊕Z/2Z0n=0,n=1,それ以外である。
証明. Mayer–Vietoris 列の非自明な部分は
0→H2(M)→ZφZr→H1(M)→0である。Σgではφ=0なのでH2≅Z、H1≅Z2gとなる。Nkではφ(1)=2(1,…,1)であり、この写像は単射である。また(1,…,1)はZkの原始元なので、基底を取り替えると像は2e1が生成する部分群になる。したがってH2=0、H1≅Zk−1⊕Z/2Zである。連結性からH0≅Zであり、二次元より上の鎖は不要なので高次群は零である。▨
系 3.2. 円環面T2=Σ1について
H0(T2)≅Z,H1(T2)≅Z2,H2(T2)≅Zであり、それ以外の次数では零である。
4 演習
問題 4.1.
- S1∨S2の被約ホモロジー群を求めよ。
- Klein の壺をN2とみなし、その一次および二次ホモロジー群を求めよ。
解答。 第一問では楔和公式からH1≅Z、H2≅Zとなり、それ以外は零である。第二問では閉曲面の公式へk=2を代入し、H1(N2)≅Z⊕Z/2Z、H2(N2)=0を得る。