Фундаментальная группа

В алгебраической топологии и связанных с нею областях математики фундамента́льной гру́ппой называется алгебраический объект, который сопоставляется топологическому пространству и измеряет, грубо говоря, количество дырок в нем. Наличие дырки определяется невозможностью непрерывно стянуть некоторую замкнутую петлю в точку. Фундаментальная группа является первой из гомотопических групп.

Определение

Пусть $X$ — топологическое пространство с отмеченной точкой $x_{0}\in X$. Рассмотрим множество петель в $X$ из $x_{0}$; то есть множество непрерывных отображений $f\colon [0,1]\to X$, таких что $f(0)=x_{0}=f(1)$. Две петли $f$ и $g$ считаются эквивалентными, если они гомотопны друг другу в классе петель, то есть найдется соединяющая их гомотопия $f_{t}$, удовлетворяющая свойству $f_{t}(0)=x_{0}=f_{t}(1)$. Соответствующие классы эквивалентности называются гомотопическими классами. Произведением двух петель называется петля, определяемая их последовательным прохождением:

$(f*g)(t)={\begin{cases}f(2t),~t\in [0,{1 \over 2}]\\g(2t-1),~t\in [{1 \over 2},1]\end{cases}}$

Произведением двух гомотопических классов $[f]$ и $[g]$ называется гомотопический класс $[f*g]$ произведения петель. Можно показать, что он не зависит от выбора петель в классах. Множество гомотопических классов петель с таким произведением становится группой. Эта группа и называется фундаментальной группой пространства $X$ с отмеченной точкой $x_{0}$ и обозначается $\pi _{1}(X,x_{0})$.

Комментарии

• Единицей группы является класс тождественной, или неподвижной петли, обратным элементом — класс петли, пройденной в обратном направлении.
• Вообще говоря произведение петель не ассоциативно. Тем не менее индуцированное произведение на классах эквивалентности ассоциативно.
• Если $X$ — линейно связное пространство, то с точностью до изоморфизма фундаментальная группа не зависит от отмеченной точки. Поэтому для таких пространств можно писать $\pi _{1}(X)$ вместо $\pi _{1}(X,x_{0})$ не боясь вызвать путаницу.

Связанные определения

Каждое непрерывное отображение пунктированных пространств $\varphi :(X,x_{0})\to (Y,\varphi (x_{0}))$ индуцирует отображение $\varphi _{*}=\pi _{1}\varphi :\pi _{1}(X,x_{0})\to \pi _{1}(Y,\varphi (x_{0}))$, определяемое формулой $\varphi _{*}[f]=[\varphi f]$. $\varphi _{*}$ зависит только от гомотопического класса $\varphi$, и выполняются равенства $(\varphi \psi )_{*}=\varphi _{*}\psi _{*}$ и $(1_{(X,x_{0})})_{*}=1_{\pi (X,x_{0})}$. Таким образом, взятие фундаментальной группы вместе с описанной операцией образует функтор $\pi _{1}:\mathbf {hTop} \to \mathbf {Grp}$.

Пространство $X$ называется односвязным, если оно линейно связно и группа $\pi _{1}(X)$ тривиальна (состоит только из единицы).

Свойства

• $\pi _{1}$ сохраняет произведение: для любой пары топологических пространств с отмеченными точками $(X,x_{0})$ и $(Y,y_{0})$, существует изоморфизм

  $\pi _{1}(X\times Y,(x_{0},y_{0}))\to \pi _{1}(X,x_{0})\times \pi _{1}(Y,y_{0}).$,

естественный по $(X,x_{0})$ и $(Y,y_{0})$.

• Теорема Ван Кампена: Если $X$ - объединение линейно связных открытых множеств $A_{\alpha }$, каждое из которых содержит отмеченную точку $x_{0}\in X$, и если каждое пересечение $A_{\alpha }\cap A_{\beta }$ линейно связно, то гомоморфизм $\Phi :\ast _{\alpha }\pi _{1}(A_{\alpha })\to \pi _{1}(X)$ сюрьективен. Кроме того, если каждое пересечение $A_{\alpha }\cap A_{\beta }\cap A_{\gamma }$ линейно связно, то ядро гомоморфизма $\Phi$ - это нормальная подгруппа $N$, порожденная всеми элементами вида $i_{\alpha \beta }(\omega )i_{\beta \alpha }(\omega )^{-1}$ (где $i_{\alpha \beta }$ индуцирован вложением $A_{\alpha }\cap A_{\beta }\hookrightarrow A_{\alpha }$), а потому $\Phi$ индуцирует изоморфизм $\pi _{1}(x)\cong \ast _{\alpha }\pi _{1}(A_{\alpha })/N$ (первая теорема об изоморфизме).
  • Частный случай: \pi_1 сохраняет копроизведения: $\ast _{\alpha }\pi _{1}(X_{\alpha })\to \pi _{1}(\bigvee _{\alpha }X_{\alpha })$ естественно по всем $X_{\alpha }$.
  • Частный случай (случай двух $A_{\alpha }$): условие для тройных пересечений становится излишним, и получается, что $\pi _{1}(A_{1}\cup A_{2})\cong \pi _{1}(A_{1}){\mathbin {\ast _{\pi (A_{1}\cap A_{2})}}}\pi _{1}(A_{2})$, что является ограниченной (случаем линейно связного $A_{1}\cap A_{2}$) формой сохранения толчков.

Примеры

• В $\mathbb {R} ^{n}$, есть только один гомотопический класс петель. Следовательно, фундаментальная группа тривиальна, то есть $(\{0\},+)$.

• Одномерной сферы $S^{1}$ (окружности). Каждый гомотопический класс состоит из петель, которые навиваются на окружность заданное число раз, которое может быть положительным или отрицательным в зависимости от направления. Следовательно, фундаментальная группа одномерной сферы изоморфна $(\mathbb {Z} ,+)$.

• Фундаментальная группа ориентированной замкнутой поверхности рода $g$ может быть задана образующими $a_{1},\dots ,a_{g},b_{1},\dots ,b_{g}$ с единственным соотношением: $a_{1}b_{1}a_{1}^{-1}b_{1}^{-1}\dots a_{g}b_{g}a_{g}^{-1}b_{g}^{-1}=1$.

Свойства

• Свободные группы и только они могут быть реализованы как фундаментальные группы графов.
• Произвольная группа может быть реализована как фундаментальная группа двумерного клеточного комплекса.
• Произвольная конечно заданная группа может быть реализована как фундаментальная группа замкнутого 4-мерного многообразия.

Литература

• Васильев В. А. Введение в топологию. — М.: ФАЗИС, 1997. — 132 с. — ISBN 5-7036-0036-7.
• Матвеев С. В. Фундаментальная группа: Лекции по курсу «Топология». — Челябинск: ЧелГУ, 2001. — 16 с. (есть pdf)