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霍普夫不变量

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数学特别是代数拓扑学中,霍普夫不变量(英语:Hopf invariant)是球面之间某些映射的一个同伦不变量。

历史

1931年海因茨·霍普夫利用克利福德平行Clifford parallel英语Clifford parallel)构造了霍普夫映射 ,并通过利用圆周 对任意 环绕数(=1),证明了 是本质的,即不同伦于常值映射。随后证明了同伦群 是由 生成的无限循环群。1951年,让-皮埃尔·塞尔证明了对一个奇数维球面( 奇)有理同伦群 是零除非 i = 0 或 n。但对一个偶数维球面( 偶),在 次处多出一个无限循环同伦。对此有一种有趣的看法:

定义

是一个连续映射(假设 )。则我们可以构造胞腔复形

这里 -维圆盘通过 贴上一个 。 胞腔链群 在度数 只是由 -胞腔自由生成,故它们在度数 0、,其余都是零。胞腔(上)同调是该链复形的(上)同调,因为所有边缘同态必然是零(注意到 ),上同调是

记这些上同调群的生成元为

因为维数原因,这些类之间的所有杯积除了 一定都是平凡的。从而作为一个环,上同调是

整数 是映射 霍普夫不变量

性质

定理 是一个同态。进一步,如果 是偶数,则 映到

对霍普夫映射霍普夫不变量是 (这里 ,分别对应于实可除代数 ,而二重复叠 将球面上的一个方向送到它生成的子空间)。只有这些映射的霍普夫不变量是 1,这是最先由弗兰克·亚当斯Frank Adams英语Frank Adams)证明的一个定理,后来迈克尔·阿蒂亚利用 K-理论重新给出了证明。

推广到稳定映射

可以定义一种非常一般的霍普夫不变量概念,但需要一些同伦论知识预备:

表示一个向量空间而 是其单点紧化,即对某个 。如果 是任意带基点的空间(在上一节中不明确),如果我们去无穷远点 的基点,则我们可以构造楔积

现在令 是一个稳定映射,即在约化垂纬函子下稳定。 的(稳定)几何霍普夫不变量

是从 映射的稳定 -等变同伦群中一个元素。这里稳定意为“在垂纬下稳定”,即通常等变同伦群在 上(或 ,如果你愿意)的正向极限;而 -作用是 的平凡作用与交换 中两个因子。如果我们令 表示典范对焦映射而 是恒等,则霍普夫不变量由下式定义:

这个映射原本是从 的映射,但在正向极限之下它成为映射的稳定同伦 -等变群的典型元素。

也有一个非稳定版本的霍普夫不变量 ,为此我们必须考虑向量空间

参考文献

  • Adams, J.F., On the non-existence of elements of Hopf invariant one, Ann. Math., 1960, 72: 20–104 
  • Adams, J.F.; Atiyah, M.F., K-Theory and the Hopf Invariant, The Quarterly Journal of Mathematics, 1966, 17 (1): 31–38