Simpleksiset kompleksit. Marjo-Riitta Kuha

Transkriptio

1 Simpleksiset kompleksit Marjo-Riitta Kuha 17. toukokuuta 2013

2 Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Matemaattis-luonnontieteellinen Tekijä/Författare Author Laitos/Institution Department Matematiikan ja tilastotieteen laitos Marjo-Riitta Kuha Työn nimi / Arbetets titel Title Simpleksiset kompleksit Oppiaine /Läroämne Subject Matematiikka Työn laji/arbetets art Level Pro gradu - tutkielma Tiivistelmä/Referat Abstract Aika/Datum Month and year toukokuu 2013 Sivumäärä/ Sidoantal Number of pages 54 s. Tutkielma aloitetaan esittelemällä joitakin lineaarialgebraan liittyviä käsitteitä ja tuloksia, joihin pohjautuen määritellään edelleen geometriset simpleksit. Tämän jälkeen näytetään, miten simplekseistä saadaan muodostettua simpleksisiä komplekseja (tai lyhyemmin komplekseja), määritellään kompleksien tausta-avaruudet ja tarkastellaan sekä kompleksien että niiden taustaavaruuksien ominaisuuksia. Kaksi viimeksi mainittua, pääasiassa algebrallisen ja osin myös geometrisen topologian käsitettä, ovat tutkielman keskeisimpiä. Niistä kumpikin tulee konstruoiduksi neljän ensimmäisen luvun aikana. Sen lisäksi, että tausta-avaruudet ovat topologisia avaruuksia, kompleksit antavat niille erityisen rakenteen. Tutkielman viidennessä luvussa huomio siirretäänkin sellaisiin tausta-avaruuksien välisiin kuvauksiin, jotka tietyllä tapaa säilyttävät tämän rakenteen. Edelleen, luku 6 viimeistelee komplekseista johdettujen monitahokkaiden määritelmän ja luku 7 esittelee abstraktit simpleksiset kompleksit, jotka sisältävät täysin saman kombinatorisen tiedon kuin geometriset kompleksit. Tutkielman luvussa 8 määritellään huolellisesti simpleksiset homologiaryhmät, jotka ovat luoteeltaan algebrallisia ja nimensä mukaisesti laskettavissa komplekseista. Erityisesti homotopia-invarianttisuutensa johdosta homologiaryhmät ovat käyttökelpoisia työvälineitä useissa topologisissa ongelmissa. Kahdessa viimeisessä luvussa keskitytään tarkastelemaan, mitä tarkoittaa simpleksinen approksimaatio mielivaltaiselle jatkuvalle kuvaukselle. Lisäksi määritellään kompleksien barysentrinen alijako ja todistetaan sitä apuna käyttäen simpleksinen approksimaatioteoria, jonka mukaan jokaista kahden tausta-avaruuden välistä jatkuvaa kuvausta voidaan todella approksimoida luvussa 5 esitellyillä simpleksisillä kuvauksilla. Päälähteinä tutkielmassa on käytetty seuraavia teoksia: Jussi Väisälä, Quasiworld, Luentomuistiinpanot; Max K. Agoston, Algebraic Topology, A First Course ja James R. Munkres, Elements of Algebraic Topology. Avainsanat Nyckelord Keywords konveksit joukot, simpleksit, simpleksiset kompleksit, simpleksiset kuvaukset, triangulaatio, monitahokas, abstraktit simpleksiset kompleksit, homologia, simpleksinen approksimaatioteoria, barysentrinen alijako Säilytyspaikka Förvaringställe Where deposited Sähköinen arkisto Helda Muita tietoja Övriga uppgifter Additional information

3 Sisältö 1 Johdanto 2 2 Ainit aliavaruudet ja konveksit joukot 4 3 Simpleksit 12 4 Simpleksiset kompleksit 16 5 Simpleksiset kuvaukset 22 6 Triangulaatio ja monitahokas 27 7 Abstraktit simpleksiset kompleksit 29 8 Homologiaryhmät 33 9 Simpleksinen approksimaatio Barysentrinen alijako 49 1

4 Luku 1 Johdanto Tutkielman aihepiirit sijouttuvat algebralliseen ja geometriseen topologiaan. Kyseisille, verrattain tuoreille, matematiikan aloille on ominaista, että niiden keskeisten käsitteiden ja tulosten muokkautuminen nykyiselleen olisi ollut täysin mahdotonta ilman merkittävää vuorovaikutusta matematiikan muiden osa-alueiden kanssa. Ilmiö on havaittavissa tässäkin tutkielmassa, sillä työ sisältää algebrallisten, geometristen ja topologisten komponenttien lisäksi runsaasti myös lineaarialgebrasta tuttuja käsitteitä ja tuloksia. Tarkastelun keskiöön on asetettu simpleksiset kompleksit ja niiden tausta-avaruudet. Ensimmäisten joukossa näitä käsitteitä opiskeli L. Euler ( ), joka käytti 1-ulotteisia simpleksisiä komplekseja ja niiden tausta-avaruuksia ratkaistessaan klassisen Königsbergin siltaongelman. Myöhemmin hän käsitteli komplekseja myös 2-ulotteisina havaitessaan relaation kärkipisteiden lukumäärä särmien lukumäärä + tahkojen lukumäärä = 2 pätevän kaikille konvekseille monitahokkaille, jotka ovat tarpeeksi yksinkertaisia; Eulerin teoreemassa oletetaan, että monitahokkaan jokainen särmän on yhteinen sen kahdelle tahkolle ja että monitahokasta rajoittaa tahkoista koostuva yksinkertainen suljettu pinta. Tässä tutkielmassa simpleksisistä komplekseista johdetulle monitahokkaalle esitelty määritelmä on toki jonkin verran yleisempi. Sen lisäksi, että tutkielmassa konstruoidaan perinpohjaisesti simpleksiset kompleksit, on mielekästä tarkastella tausta-avaruuksien välisiä simpleksiä kuvauksia sekä todistaa L. E. J. Brouwerin ( ) ajatuksia seuraillen simpleksinen approksimaatioteoria. Erityisesti viimeksi mainittu havahdutti matemaatikot hyödyntämään algebrallisen topologian työkaluja myös geometrisiä ongelmia ratkaistessaan. Tutkielmassa myös esitellään 1920-luvulla homologiateoriaan heränneen ryhmäteoreettisen lähestymistavan hedelmänä muotoutunut konstruktio simpleksisille homologiaryhmille. Mainittakoon, että homologiaryhmät olisi voitu määritellä muutamallakin eri tavalla; tutkielmassa esitelty määritelmä 2

5 on vaihtoehdoista ehdottomasti konkeettisin. Tutkielma sisältää pääosin helposti havainnollistettavaa matematiikkaa, jota on elävöitetty lukuisin kuvitetuin esimerkein. Täten työ on oletettavasti myös matemaattisiin teksteihin tottumattomamman lukijan ymmärrettävissä. Keskeisimpinä lähteinä on käytetty seuraavia, Kirjallisuutta - osiossakin esiteltyjä, teoksia: Jussi Väisälä, Quasiworld, Luentomuistiinpanot; Max K. Agoston, Algebraic Topology, A First Course ja James R. Munkres, Elements of Algebraic Topology. 3

6 Luku 2 Ainit aliavaruudet ja konveksit joukot Tässä luvussa esitellään joitakin lähinnä lineaarialgebrasta tuttuja käsitteitä ja muotoillaan niiden ominaisuuksia lauseiksi. Luku luo perustan koko loppututkiemalle. Oletetaan koko luvussa, että E on reaalikertoiminen vektoriavaruus. Määritelmä 2.1. Lineaarinen aliavaruus. Olkoon V E. Sanotaan, että joukko V vektoriavaruuden E lineaarinen aliavaruus tai lyhyemmin aliavaruus, jos seuraavat ehdot ovat voimassa kaikille x 0, x 1 V ja kaikille skalaarikertoimille λ R: (1) 0 V, (2) jos x 0, x 1 V, niin x 0 + x 1 V, (3) jos λ R ja x V, niin λx V. Määritelmä 2.2. Aini alivaruus. Olkoon A E. Sanotaan, että joukko A on aini aliavaruus, jos kaikilla x 0, x 1 A ja kaikilla λ R pätee, että λx 0 + (1 λ)x 1 A. Määritelmä 2.3. Konveksi joukko. Olkoon K E. Sanotaan, että joukko K on konveksi, jos kaikilla x 0, x 1 K ja kaikilla λ [0, 1] pätee, että λx 0 + (1 λ)x 1 K. Huomautus 2.4. Havainnollisesti, jos x 0, x 1 K ja K on konveksi, niin joukko K sisältää myös pisteiden x 0 ja x 1 välisen janan. 4

7 Esimerkkejä Tyhjä joukko ja koko avaruus R n ovat konvekseja. Myös avaruuden R n kaikki yksialkioiset joukot ovat konvekseja. 2. Suppein eri pisteet x 0, x 1 R n sisältävä avaruuden R n konveksi joukko on nämä pisteet yhdistävä jana [x 0, x 1 ] = {y R n y = λx 0 + (1 λ)x 1 jollakin λ [0, 1]}. 3. Osoitetaan, että normiavaruuden (X, d) avoin kuula B(z, r) = {x X d(x, z) < r} on konveksi. Olkoot x 0, x 1 B(z, r) ja y [x 0, x 1 ]. Tällöin y = λx 0 + (1 λ)x 1 jollakin λ [0, 1]. Edelleen, joten y z = λ(x 0 z) + (1 λ)(x 1 z), y z λ x 0 z + (1 λ) x 1 z < λr + (1 λ)r = r. Siispä y B(z, r) ja täten [x 0, x 1 ] B(z, r). Samoin nähdään, että suljettu kuula B(z, r) = {x X d(x, z) r} on konveksi. 4. Kuvan joukko A ei ole konveksi. Määritelmä 2.6. Kombinaatiot. Olkoot x i E ja λ i R kaikilla i = 0,..., k. Sanotaan, että vektori y E on vektoreiden x 0,..., x k lineaarikombinaatio, jos se voidaan esittää muodossa y = λ i x i. 5

8 Jos k λ i = 1, niin vektori y on pisteiden x 0,..., x k aini kombinaatio. Konveksi kombinaatio on aini kombinaatio, jolle pätee lisäksi, että λ i 0 kaikilla i = 0,..., k. Esimerkki 2.7. Olkoot x 0, x 1 R n, x 0 x 1. Jokainen pisteiden x 0 ja x 1 kautta kulkevalla suoralla sijaitseva piste y on muotoa y = λx 0 + (1 λ)x 1, missä λ R, ja siis pisteiden x 0 ja x 1 aini kombinaatio. Jos λ [0, 1], sijaitsee piste y pisteiden x 0 ja x 1 välisellä janalla. Tällöin piste y on pisteiden x 0 ja x 1 konveksi kombinaatio. Lause 2.8. Olkoon A E. Seuraavat väitteet ovat yhtäpitäviä: (1) A on aini aliavaruus. (2) A sisältää pisteidensä kaikki ainit kombinaatiot. (3) A = A 0 + b, missä A 0 on lineaarinen aliavaruus ja b E. Tässä A 0 on yksikäsitteinen ja b A mielivaltainen. Todistus. Todistetaan, että (3) (2) (1) (3). ((3) (2)) Oletetaan, että A = A 0 +b. Olkoot x 0,..., x k A ja k λ i = 1. Jokaisella 0 i k pätee, että x i = y i + b, missä y i A 0. Siispä λ i x i = λ i y i + λ i b = λ i y i + b A 0 + b = A. ((2) (1)) Selvä. ((1) (3)) Oletetaan, että A on aini aliavaruus. Olkoot b A ja A 0 = A b. Osoitetaan, että A 0 on lineaarinen aliavaruus: (a) Oletetaan, että x 0, x 1 A 0. Tällöin x 0 +b, x 1 +b A. Edelleen, 1 2 (x 0+b)+ 1 2 (x 1+b) = z A. Siispä 2z b = x 0 + x 1 + b A, joten x 0 + x 1 A 0. (b) Oletetaan, että x A 0 ja λ R. Tällöin x + b A. Edelleen, λx + b = λ(x + b) + (1 λ)b A, joten λx A 0. Lisäksi, jos A = A 0 + b, missä A 0 on lineaarinen aliavaruus, niin ehdosta 0 A 0 seuraa, että b A. Oletetaan vielä, että lineaarinen aliavaruus A 0 ei ole yksikäsitteinen. Siispä on olemassa jokin toinenkin lineaarinen aliavaruus A 1 siten, että A = A 1 + b 1. Tällöin A 0 = A 1 + (b 1 b), missä b 1 b A 1, sillä b b 1 A b 1 = A 1. Siispä A 0 = A 1. Sanotaan, että aini aliavaruus A = A 0 +b on lineaarisen aliavaruuden A 0 yhdensuuntaissiirre vektorilla b E. Ainin aliavaruuden A dimensio on yhtäsuuri kuin lineaarisen aliavaruuden A 0 dimensio. 6

9 Huomautus 2.9. Huomaa, että lineaarinen aliavaruus on aina myös aini aliavaruus. Käänteinen tulos ei kuitenkaan päde; aini aliavaruus A = A 0 + b on lineaarinen aliavaruus, jos ja vain jos se sisältää nollavektorin 0, mikä taas pätee, jos ja vain jos b A 0. Esimerkki R n :n 1-ulotteisia lineaarisia aliavaruuksia ovat origon kautta kulkevat suorat, kun taas aineja 1- ulotteisia aliavaruuksia ovat kaikki suorat. Lause Olkoon K E konveksi. K sisältää pisteidensä kaikki konveksit kombinaatiot. Todistus. Olkoon K konveksi ja y K. Ainoa pisteen y konveksi kombinaatio on se itse. Siispä joukko K sisältää kaikki yksittäisten alkioidensa konveksit kombinaatiot. Konveksin joukon määritelmän mukaan λx 0 + (1 λ)x 1 K kaikilla x 0, x 1 K ja kaikilla λ [0, 1]. Täten joukko K sisältää myös kaikki kahden alkionsa konveksit kombinaatiot. Oletetaan nyt, että joukko K sisältää kaikki m:n (m 1) alkionsa konveksit kombinaatiot (induktiooletus). Olkoon x 0,..., x m 1, x m K ja olkoon y = m λ i x i pisteiden x 0,..., x m konveksi kombinaatio. Jos λ m = 1, niin λ 0 =... = λ m 1 = 0 ja y = x m K. Jos taas λ m = 0, niin y K induktio-oletuksen nojalla. Olkoon λ m ]0, 1[ ja jolloin µ i 0, kun i = 0,..., m 1 ja Merkitään µ = 1 λ m, µ i = λ i, i = 0,..., m 1, µ m 1 µ i = m 1 λ i µ = 1 m 1 µ z = m 1 µ i x i, λ i = 1 µ µ = 1. jolloin piste z on pisteiden x 0,..., x m 1 konveksi kombinaatio ja induktio-oletuksen nojalla z K. Siis konveksin joukon määritelmän mukaan µz + (1 µ)x m K, 7

10 sillä µ [0, 1]. Toisaalta ja joten m 1 µz = µ m 1 µ i x i = µ (1 µ)x m = λ m x m, µz + (1 µ)x m = m 1 λ i µ x i = m λ i x i = y. Siispä y K ja K sisältää kaikki (m+1):n alkionsa konveksit kombinaatiot. Täten joukko K sisältää kaikki pisteidensä konveksit kombinaatiot. Lause Jos joukot K 0,..., K m R n ovat konvekseja, niin niiden leikkaus on konveksi. K = m Todistus. Olkoot x 0, x 1 K ja λ [0, 1]. Oletetaan myös, että joukot K 0,..., K m R n ovat konvekseja. Kaikilla i = 0,..., m pätee, että x 0, x 1 K i. Edelleen λx 0 +(1 λ)x 1 K i kaikilla i [0, m]. Siis λx 0 + (1 λ)x 1 K. K i λ i x i Määritelmä Konveksi verho. Joukon H R n konveksi verho K H alkioiden konveksien kombinaatioiden joukko. Siis on joukon H K H = { m λ i x i m 1; x i H; λ i [0, 1], m λ i = 1}. Lause Joukon H R n konveksi verho on suppein avaruuden R n konveksi joukko, joka sisältää joukon H. Todistus. Selvästi H K H, sillä kaikilla x H pätee, että x = 1 x + 0 x. Olkoon nyt y, z K H ja x = ty + (1 t)z, missä t [0, 1], pisteitä y ja z yhdistävällä janalla. Tällöin on olemassa pisteet y i, z j H, i = 0,..., p, j = 0,..., q siten, että y = p λ i y i ja z = 8 q µ j z j, j=0

11 missä Näin ollen p q λ i, µ j [0, 1] ja λ i = 1 = µ j. j=0 p q x = t λ i y i + (1 t) µ j z j = p tλ i y i + j=0 j=0 q (1 t)µ j z j, missä tλ i, (1 t)µ j [0, 1] ja p tλ i + q (1 t)µ j = t j=0 p λ i + (1 t) q µ j = t + (1 t) = 1. Siis x K H ja K H on konveksi joukko. Oletetaan nyt, että joukko A R n on konveksi ja H A. Tällöin Lauseen 2.11 mukaan K H A. Siispä konveksi verho K H on suppein konveksi joukko, joka sisältää joukon H. Huomautus Konveksi verho K H on siis aina olemassa ja yksikäsitteinen, K H = K κ K, missä κ := {K Rn K konveksi, H K}. Esimerkki Kuvan nelikulmio x 0 x 1 x 2 x 3 ei ole konveksi joukko, mutta sen konveksi verho on kolmio x 0 x 2 x 3. j=0 9

12 Huomautus Tarkastellaan vielä Esimerkin 2.16 konveksia verhoa x 0 x 2 x 3. Vastaava pistejoukko olisi voitu konstruoida myös toisin, nimittäin liitto-operaatiolla. Joukkojen A, B R n liitto, AB, määritellään seuraavasti: AB = {λx 0 + (1 λ)x 1 x 0 A, x 1 B, λ [0, 1]}. Erityisesti, jos joukot A ja B ovat yksiöitä, A = {a} ja B = {b}, joukkojen liitto on jana; AB = ab = [a, b]. Pisteiden x 0, x 1, x 2 ja x 3 liitto x 0 x 1 x 2 x 3 on konveksi joukko ja yhtenevä konveksin verhon x 0 x 2 x 3 kanssa. Määritelmä Lineaarinen riippumattomuus. Olkoon H E äärellinen joukko vektoreita, H = {x 0, x 1,...x k }, ja {λ 0, λ 1,..., λ k } joukko skalaarikertoimia. Sanotaan, että joukko H on lineaarisesti riippumaton tai vapaa, jos kaavasta λ i x i = 0 seuraa, että λ 0 =... = λ k = 0. Muutoin joukon H sanotaan olevan lineaarisesti riippuva. Määritelmä Aini riippumattomuus. Olkoon I E äärellinen pistejoukko, I = {x 0, x 1,..., x k }, ja {λ 0, λ 1,..., λ k } joukko skalaarikertoimia. Sanotaan, että joukko I on ainisti riippumaton, jos kaavoista λ i x i = 0 ja λ i = 0 seuraa, että λ 0 =... = λ k = 0. Muutoin joukon I sanotaan olevan ainisti riippuva. Lause Olkoon I E äärellinen pistejoukko, I = {x 0, x 1,..., x k }. Seuraavat väitteet ovat yhtäpitäviä: (1) I on ainisti riippumaton. (2) Jokaisella x I pätee, että joukko H = {y x y x, y I} on lineaarisesti riippumaton. Todistus. ((1) (2)) Olkoon joukko I = {x 0, x 1,..., x k } ainisti riippumaton. Oletetaan lisäksi, että λ 1,..., λ k R ja k i=1 λ i(x i x 0 ) = 0. Nyt ( k i=1 λ i)x 0 + k i=1 λ ix i = 0, missä kertoimien summa on selvästi nolla. Edelleen pätee, että λ 1 =... = λ k = 0, sillä joukko I on ainisti riippumaton. Siispä joukko H = {y x 0 x 0 y, y I} on lineaarisesti riippumaton. Todistus voidaan toistaa valitsemalla x 0 :n rooliin mielivaltainen x I. 10

13 ((2) (1)) Olkoon nyt joukko H = {y x 0 x 0 y, y H} lineaarisesti riippumaton. Oletetaan lisäksi, että k λ ix i = 0 ja k λ i = 0. Nyt λ 0 = k i=1 λ i. Siispä pätee, että 0 = ( k i=1 λ i)x 0 + k i=1 λ ix i = k i=1 λ i(x i x 0 ). Edelleen, koska joukko H on lineaarisesti riippumaton, pätee, että λ 1 =... = λ k = 0 ja siis myös, että λ 0 = k i=1 λ i = 0. Siispä joukko I = {x 0, x 1,..., x k } on ainisti riippumaton. Myös tämä todistuksen suunta on selvästi yleistettävissä kaikille x I. Esimerkki Olkoon I R 2, I = {x 0, x 1, x 2 }. Pistejoukko I on kuvassa vasemmalla ainisti riippumaton ja oikealla puolestaan ainisti riippuva. Huomautus Aini riippumattomuus voidaan määritellä myös sekä ainien aliavaruuksien että ainien kombinaatioiden avulla. Nimittäin, joukko I = {x 0,...x k } on ainisti riippumaton, jos se ei sisälly mihinkään ainiin aliavaruuteen, jonka ulottuvuus on vähemmän kuin k. Siispä joukko I on ainisti riippumaton, jos mikään pisteistä x 0,...x k ei ole muiden pisteiden aini kombinaatio. 11

14 Luku 3 Simpleksit Ennen kuin voidaan tarkastella simpleksisiä komplekseja, niiden tausta-avaruuksia tai monitahokkaita, on konstruoitava rakennuspalikat, joilla kyseiset käsitteet on mahdollista muotoilla. Näitä rakennuspalikoita kutsutaan simplekseiksi ja niitä ovat esimerkiksi piste, jana, kolmio ja tetraedri sekä edellä lueteltujen n-ulotteiset vastineet. Määritelmä 3.1. k-simpleksi. Olkoon H R n, H = {x 0,..., x k } ja k 0. Jos joukko H on ainisti riippumaton, niin sanotaan, että joukon H konveksiverho K H on pisteiden x 0,..., x k virittämä (geometrinen) k-ulotteinen simpleksi tai lyhyemmin k-simpleksi. Simpleksistä käytetään merkintää σ = σ k = x 0 x 1...x k. Pisteitä x 0,..., x k kutsutaan k- simpleksin σ kärkipisteiksi. Esimerkki 3.2. Kun k on pieni, simpleksi σ k on helppo piirtää. 12

15 (a) Pisteen x 0 virittämä 0-simpleksi on piste x 0, merk. σ 0 = x 0. (b) Pisteiden x 0 ja x 1 (x 0 x 1 ) virittämä 1-simpleksi sisältää kaikki pisteet, jotka ovat muotoa y = λx 0 + (1 λ)x 1, missä 0 λ 1. Siispä 1-simpleksi on pisteiden x 0 ja x 1 välinen jana, merk. σ 1 = x 0 x 1. (c) Pisteiden x 0, x 1 ja x 2 virittämä 2-simpleksi on vastaavasti kolmio. Tämä voidaan nähdä seuraavasti. Olkoon y x 0. Nyt y = 2 λ i x i = λ 0 x 0 + (1 λ 0 ) [( λ1 t ) x 1 + ( λ2 t ) x 2 ], missä t = 1 λ 0. Huomataan, että lauseke (λ 1 /t)x 1 + (λ 2 /t)x 2 määrittää pisteen p pisteiden x 1 ja x 2 väliseltä janalta, koska (λ 1 + λ 2 )/t = 1 ja λ i /t 0, kun i = 1, 2. Siispä piste y sijaitsee pisteiden x 0 ja p välisellä janalla, ja edelleen jokainen piste tällaiselta janalta kuuluu pisteiden x 0, x 1 ja x 2 virittämään 2-simpleksiin. Tästä seuraa, että kyseinen 2-simpleksi on yhdiste kaikista janan x 1 x 2 pisteiden ja pisteen x 0 välisistä janoista. Pisteiden x 0, x 1 ja x 2 virittämä 2-simpleksi on siis kolmio, merk. σ 2 = x 0 x 1 x 2. (d) Pisteiden x 0, x 1, x 2 ja x 3 virittämä 3-simpleksi on tetraedri, merk. σ 3 = x 0 x 1 x 2 x 3. Todistus olisi idealtaan sama kuin edellisessä kohdassa. Määritelmä 3.3. Tahko. Olkoon σ = x 0 x 1...x k k-simpleksi ja olkoon {x i0, x i1,..., x il }, missä x im x ip kun m p, joukon {x 0,..., x k } epätyhjä osajoukko. Sanotaan, että τ = x i0 x i1...x il on simpleksin σ l-ulotteinen tahko, merk. τ σ. Simpleksin σ tahko τ voi siis olla myös koko simpleksi σ; sanotaan, että tahko on aito, merk. τ σ, jos τ σ. Esimerkki 3.4. Esimerkin 3.2 kohdassa (c) simpleksillä σ 2 on seuraavat tahkot: yksi 2- ulotteinen tahko, σ 2 ; kolme 1-ulotteista tahkoa, x 0 x 1, x 1 x 2 ja x 0 x 2 ; ja kolme 0-ulotteista tahkoa, x 0, x 1 ja x 2. Yksi simpleksien käytettävyyttä edesauttavista ominaisuuksista on se, että niiden pisteet voidaan karakterisoida yksikäsitteisesti: Lause 3.5. Jokainen k-simpleksin σ = x 0 x 1...x k piste y voidaan esittää yksikäsitteisesti muodossa y = λ i x i, missä λ i [0, 1] ja k λ i = 1. Sanotaan, että λ i :t ovat pisteen y σ barysentriset koordinaatit suhteessa kärkipisteisiin x 0, x 1,..., x k. 13

16 Todistus. Oletetaan, että pisteen y barysentriset koordinaatit eivät ole yksikäsitteiset. Toisin sanoen, oletetaan, että y = λ i x i ja y = missä λ i, λ i [0, 1] ja k λ i = 1 = k λ i. Nyt sillä 0 = y y = = = = λ i x i λ ix i (λ i λ i)x i i=1 λ ix i, (λ i λ i)(x i x 0 ) + ( (λ i λ i))x 0 (λ i λ i)(x i x 0 ), i=1 (λ i λ i) = λ i λ i = 1 1 = 0. Koska vektorit x 1 x 0, x 2 x 0,..., x k x 0 ovat k- simpleksin määritelmän mukaan lineaarisesti riippumattomia, pätee, että λ i λ i = 0 ja edelleen, että λ i = λ i kaikilla i = 1, 2,..., k. Lisäksi pätee, että λ 0 = λ 0. Siispä pisteen y esitys y = k λ ix i on yksikäsitteinen. Huomautus 3.6. Intuitiivisesti, piste y on sitä lähempänä kärkeä x i, mitä suurempi on barysentrinen koordinaatti λ i. Lause 3.7. Kaksi simpleksiä ovat yhtenevät, jos ja vain jos niillä on samat kärjet. Todistus. Seuraa edellisestä lauseesta. Määritelmä 3.8. Reunapiste. Olkoon σ = x 0 x 1...x k. Sanotaan, että piste y = λ i x i, missä λ i = 1 on simpleksin σ reunapiste, jos λ i = 0 ainakin yhdellä i = 0, 1,..., k. Vastaavaa pistejoukkoa kutsutaan nimellä simpleksin σ reuna ja siitä käytetään merkintää Bd σ. Reuna Bd σ voidaan määrittää myös simpleksin σ aitojen tahkojen yhdisteenä. 14

17 Esimerkki 3.9. Esimerkin 3.2 kohdassa (c) simpleksin σ 2 reuna Bd σ 2 = x 0 x 1 x 2 x 0 x 1 x 0 x 2 x 1 x 2. Määritelmä Sisäpiste. Olkoon σ = x 0 x 1...x k. Sanotaan, että piste y = λ i x i, missä λ i = 1 on simpleksin σ sisäpiste, jos λ i > 0 kaikilla i = 0, 1,..., k. Vastaava pistejoukko Int σ voidaan määrittää myös simpleksin σ reunan avulla: Int σ = {y y on σ:n sisäpiste} = σ Bd σ. Simpleksin σ sisäpisteiden muodostamaa joukkoa kutsutaan joskus myös avoimeksi simpleksiksi. Huomautus Käsite sisäpisteiden joukko on tässä yhteydessä eri kuin analyyttisessa topologiassa yleensä. Esimerkiksi, Int σ 0 = σ 0, vaikka σ 0 on selvästi suljettu R n :ssä. Sen sijaan, simpleksin σ virittämässä R n :n ainissa aliavaruudessa, joka koostuu kaikista simpleksin σ kärkien aineista kombinaatioista, Int σ on myös topologisessa mielessä sisäpisteiden joukko. Huomautus Olkoon σ simpleksi ja piste y σ. Käsitteiden reuna- ja sisäpiste määritelmistä seuraa, että on olemassa tasan yksi tahko τ σ, jolla y Int τ. Lisäksi tiedetään, että kyseisen tahkon τ virittävät ne simpleksin σ kärkipisteet x i, joita vastaavat pisteen y barysentriset koordinaatit λ i ovat positiivisia. 15

18 Luku 4 Simpleksiset kompleksit Kun edellisessä luvussa esiteltyjä simpleksejä liimataan yhteen niin, että liimapintoina eri simpleksien välillä toimivat kokonaiset tahkot, saadaan simpleksisiä komplekseja. Simpleksiset kompleksit ovat keskeisessä roolissa algebrallisessa topologiassa. Määritelmä 4.1. Simpleksinen kompleksi. Sanotaan, että äärellinen joukko R n :n simpleksejä on simpleksinen kompleksi tai lyhyemmin kompleksi K R n, jos pätee, että (1) jos σ k on joukon K simpleksi ja τ l simpleksin σ k tahko, niin τ l K, (2) jos σ k ja τ l ovat joukon K simpleksejä niin joko σ k τ l = tai σ k τ l on simpleksien σ k ja τ l yhteinen tahko. Kompleksin K dimensio, dim K, on maksimi sen sisältämien simpleksien dimensioista. Määritelmä 4.2. Tausta-avaruus. Olkoon K kompleksi ja olkoon K avaruuden R n osajoukko siten, että K = σ. Varustetaan joukko K avaruuden R n relatiivitopologialla. Sanotaan, että topologinen avaruus K on kompleksin K tausta-avaruus. Lause 4.3. Olkoon K kompleksi. Tällöin K on kompakti Hausdorn avaruus. Edellä on esitelty määritelmä äärellisille simpleksisille komplekseille eli komplekseille, jotka muodostuvat ainoastaan äärellisen monesta simpleksistä. Määritelmä on mahdollista laajentaa koskemaan myös äärettömiä komplekseja. Tässä täytyy olla kuitenkin hieman varovainen, jotta vältytään tilanteilta, joissa esimerkiksi reaalilukujen joukko R muodostaisi tausta-avaruuden kaikista R:n pisteistä koostuvalle 0-ulotteiselle kompleksille. Tällainen ei-toivottu tilanne rikkoisi eittämättä intuitiota siitä, mitä käsite dimensio tarkoittaa. Siispä määriteltäessä äärettömiä komplekseja lisätään aikaisempaan määritelmään ehto: 16 σ K

19 (3) Jokaisella avaruuden R n pisteellä on ympäristö, joka kohtaa ainoastaan äärellisen määrän K:n simpleksejä. Syy, miksi tässä tutkielmassa rajoittaudutaan äärellisiin komplekseihin on, että ne ovat tarkoituksiimme riittäviä. Näin menettelemällä vältytään lisäksi tietyiltä ongelmilta todistuksissa ja määritelmissä. Useimmat tässä tutkielmassa esitellyistä tuloksista pätisivät kuitenkin korkeintaan pienillä muutoksilla myös äärettömille komplekseille. Esimerkki 4.4. Kun kompleksin K dimensio dim K on pieni, myöskin joukko K on helppo hahmottaa piirtämällä. Huomaa, että oheisessa kuvassa on piirretty nimenomaan kompleksien tausta-avaruuksia eikä itse komplekseja; näiden kahden käsitteen eroavuus on syytä pitää mielessä. Jokaista kohtaa vastaavat kompleksit on esitelty seuraavalla sivulla. 17

20 (a) K = {x 0, x 1, x 2, x 0 x 1 }, dim K = 1. (b) K = {x 0, x 1, x 2, x 3, x 4, x 5, x 6, x 0 x 1, x 0 x 2, x 1 x 2, x 2 x 3, x 3 x 5, x 3 x 6, x 4 x 5, x 5 x 6, x 3 x 5 x 6 }, dim K = 2. (c) K sisältää 16 0-simpleksiä, 18 1-simpleksiä, 7 2-simpleksiä ja yhden 3-simpleksin. Siispä dim K = 3. Esimerkki 4.5. (a) Olkoon K = {x 0, x 1, x 0 x 1 } ja L = {x 0, x 1, x 2, x 0 x 2, x 2 x 1 } kuten kuvassa. Huomataan, että komplekseilla K ja L on sama tausta-avaruus, K = L. Voidaankin ajatella, että kompleksi K on eritoten vain yksi useasta eri vaihtoehdosta osittaa avaruus X = K R n simplekseihin. (b) Esimerkki simpleksien muodostamasta yhdisteestä A, jossa simpleksijoukko ei ole kompleksi. Huomaa, että vaikka simpleksijoukko ei ole kompleksi, A on kuitenkin eräiden toisten kompleksien tausta-avaruus. 18

21 Määritelmä 4.6. Alikompleksi, r-runko. Kärkipisteiden joukko. Olkoon K kompleksi. Sanotaan kompleksi L on kompleksin K alikompleksi, jos L K. Erityisesti alikompleksi on kompleksin K r-runko, merk. K (r), jos se koostuu kaikista korkeintaan r-ulotteisista K:n simplekseistä. Joukkoa K (0) kutsutaan termillä kärkipisteiden joukko. Määritelmä 4.7. Simpleksin σ virittämä simpleksinen kompleksi. Olkoon σ simpleksi. Sanotaan, että simpleksinen kompleksi K(σ) on simpleksin σ virittämä, jos K(σ) = {τ τ σ}. Määritelmä 4.8. Yhtenäisyys. Kompleksi K on yhtenäinen, jos kaikille sen eri kärkipisteille x ja y on olemassa jono x 0, x 1,..., x n K:n kärkipisteitä siten, että x 0 = x ja x n = y, ja lisäksi x i x i+1 on kompleksin K 1-simpleksi kaikilla i = 0, 1,..., n 1. Esimerkkejä Tarkastellaan Esimerkin 4.5 (a)-kohtaa. Joukko M = {x 0, x 2, x 0 x 2 } on kompleksin L alikompleksi. Sen sijaan, M ei ole kompleksin K alikompleksi, vaikka M K. 2. Olkoon σ = x 0 x 1 x 2. Tällöin K(σ) = {x 0, x 1, x 2, x 0 x 1, x 0 x 2, x 1 x 2, x 0 x 1 x 2 }. Huomaa, että K(σ) = σ. 3. Kompleksi K ei ole yhtenäinen Esimerkin 4.4 kohdissa (a) ja (c); kohdassa (b) K on yhtenäinen. Lause Olkoon K kompleksi. Jokainen piste y K sisältyy tasan yhden simpleksin σ K sisäpisteiden joukkoon Int σ. Todistus. Olkoon y K. Tausta-avaruuden määritelmän mukaan piste y kuuluu johonkin simpleksiin σ K. Edelleen, on olemassa tasan yksi simpleksin σ tahko τ siten, että y Int τ. Kompleksin määritelmän mukaan τ K. Siispä piste y kuuluu ainakin yhden K:n simpleksin sisäpisteiden joukkoon. Oletetaan nyt, että σ K ja τ K. Näytetään, että jos y kuuluu sekä simpleksin σ että simpleksin τ sisäpisteiden joukkoon, niin σ = τ. Merkitään s = σ τ. Jos s olisi simpleksin σ aito tahko, pätisi, että y Bd σ. Tämä on epätosi, sillä y Int σ = σ Bd σ. Siispä s = σ. Vastaava päättely osoittaa, että s = τ. Määritelmä Barysentriset koordinaatit. Olkoon y K. Oletetaan lisäksi, että y Int σ K ja että pisteet x 0,..., x k virittävät simpleksin σ. Tällöin y = λ i x i, 19

22 missä λ i > 0 kaikilla i = 0,..., k, ja k λ i = 1. Olkoon nyt piste x kompleksin K mielivaltainen kärkipiste. Pisteen y K barysentriset koordinaatit, merk. λ x (y), suhteessa kärkipisteseen x määritellään seuraavasti: { 0 jos x xi i = 0,..., k λ x (y) = λ i jos x = x i i = 0,..., k. Huomautus Kiinteällä x:n arvolla kuvaus λ x (y) on jatkuva, kunhan rajoittaudutaan johonkin kiinteään simpleksiin σ K. Tämä on seurausta siitä, että jokaisessa simpleksissä σ K kyseinen kuvaus on arvoltaan joko nolla tai yhtäsuuri kuin pisteen y barysentrinen koordinaatti suhteessa kärkipisteeseen x - aivan kuten yllä määriteltiin. On helppoa osoittaa, että mikä tahansa kuvaus f tausta-avaruudesta K avaruuteen X on jatkuva, jos ja vain jos kuvauksen f rajoittuma jokaiseen σ K on jatkuva. Siispä λ x (y) on jatkuva tausta-avaruudessa K. Määritelmä Tähti. Olkoon K kompleksi ja x kompleksin K kärkipiste. Käsitteellä kärkipisteen x tähti, merk. St x tai St (x, K), tarkoitetaan joukkoa St x = St (x, K) = {y int σ σ on kompleksin K simpleksi siten, että x on σ:n kärkipiste}. Joukon St x sulkeumaa St x kutsutaan kärkipisteen x suljetuksi tähdeksi ; se on yhdiste kaikista kompleksin K simplekseistä, joilla x on kärkipisteenä. Huomautus Koska joukko St x koostuu kaikista niistä tausta-avaruuden K pisteistä y, joille pätee, että λ x (y) > 0, se on avoimen joukon alkukuva jatkuvassa kuvauksessa. Siispä joukko St x on avoin tausta-avaruudessa K. Määritelmä Linkki. Olkoon K kompleksi ja x kompleksin K kärkipiste. Kärkipisteen x linkki, merk. Lk x, on joukko Lk x = St x St x. 20

23 Esimerkki Olkoon kompleksin K tausta-avaruus K kuten kuvassa vasemmalla. Kärkipisteen x 1 tähti St x 1 kompleksissa K on esitelty kuvassa keskellä. Huomaa, että x 1 on ainoa kärkipiste joukossa St x 1. Kuvassa oikealla on piirretty sekä suljettu tähti St x 1 = x 0 x 1 x 0 x 5 x 1 x 5 x 1 x 2 x 2 x 5 x 0 x 1 x 5 x 1 x 2 x 5 että linkki Lk x 1 = x 0 x 5 x 5 x 2. 21

24 Luku 5 Simpleksiset kuvaukset Kuten edellisessä luvussa huomattiin, sen lisäksi, että tausta-avaruudet K ja L ovat topologisia avaruuksia, kompleksit K ja L antavat niille erityisen rakenteen. Tässä luvussa keskitytään konstruoimaan sellaisia tasta-avaruuksien K ja L välisiä kuvauksia, jotka tietyssä mielessä säilyttävät tämän rakenteen. Ennen simpeksisten kuvauksien määrittelemistä on kuitenkin syytä esitellä käsite homeomorsmi ja tarkastella ainien kuvauksien ominaisuuksia. Määritelmä 5.1. Homeomorsmi. Oletetaan, että X ja Y ovat topologisia avaruuksia. Kuvaus f : X Y on homeomorsmi, jos (1) f on bijektio, (2) f on jatkuva, (3) f 1 on jatkuva. Tällöin voidaan merkitä f : X Y. Sanotaan myös, että X on homeomornen Y :n kanssa, mikä ilmaistaan merkinnällä X Y. Topologiset avaruudet jakautuvat keskenään erillisiin homeomorsmiluokkiin. Huomautus 5.2. Havainnollisesti homeomorsmin voidaan ajatella olevan kuvaus, jolla on mahdollista sekä kutistaa että venyttää kappaletta muuttamatta kuitenkaan kappaleen sisältämien reikien määrää. Esimerkiksi kolmio ja ympyrä ovat homeomorsia, kuten myös kahvikuppi ja rinkeli. Määritelmä 5.3. Aini kuvaus. Olkoot E ja F vektoriavaruuksia ja A E aini aliavaruus. Sanotaan, että kuvaus f : A F on aini, jos kaikille λ R ja x 0, x 1 A pätee, että f(λx 0 + (1 λ)x 1 ) = λf(x 0 ) + (1 λ)f(x 1 ). 22

25 Myös ainien kuvasten rajoittumia vektoriavaruuden E konvekseihin osajoukkoihin sanotaan aineiksi. Huomautus 5.4. Määritelmän 2.2 mukaan λx 1 + (1 λ)x 2 A, joten f(λx 1 + (1 λ)x 2 ) on määritelty ja määritelmä järkevä. Havainnollisesti määritelmä tarkoittaa sitä, että aini kuvaus kuvaa x 1 :n ja x 2 :n kautta kulkevan suoran f(x 1 ):n ja f(x 2 ):n kautta kulkevaksi suoraksi (tai pisteeksi) ja venyttää sitä lineaarisesti. Määritelmästä 5.3 seuraa, että ainien kuvausten yhdiste on aini. Lause 5.5. Aini kuvaus kuvaa (1) ainin aliavaruuden ainiksi aliavaruudeksi ja (2) konveksin joukon konveksiksi joukoksi. Todistus. (1) Olkoon f aini kuvaus ainilta aliavaruudelta A avaruuteen F. Merkitään B = f(a). Olkoot y 0, y 1 B mielivaltaisia, merkitään y 0 = f(x 0 ) ja y 1 = f(x 1 ). Olkoon lisäksi y F. Tällöin y on muotoa Koska kuvaus f on aini, pätee, että y = λy 0 + (1 λ)y 1 = λf(x 0 ) + (1 λ)f(x 1 ). y = f(λx 0 + (1 λ)x 1 ). Edelleen, piste λx 0 + (1 λ)x 1 A, sillä A on aini aliavaruus. Näin ollen y B, joten B on aini aliavaruus. (2) Todistus on piirteiltään samanlainen kuin ensimmäisessä kohdassa; nyt tosin voidaan vedota suoraan ainin kuvauksen määritelmään. Olkoon f aini kuvaus konveksilta joukolta K joukkoon F. Merkitään B = f(a). Olkoot y 0, y 1 B mielivaltaisia, merkitään y 0 = f(x 0 ) ja y 1 = f(x 1 ). Olkoon lisäksi y B janan [y 0, y 1 ] mielivaltainen piste. Tällöin y on muotoa y = λy 0 + (1 λ)y 1 = λf(x 0 ) + (1 λ)x 1, missä λ [0, 1]. Edelleen, ainin kuvauksen määritelmän perusteella saadaan y = f(λx 0 + (1 λ)x 1 ), missä λ [0, 1]. Koska A on oletuksen mukaan konveksi, piste λx 0 + (1 λ)x 1 A. Näin ollen y B, joten B on konveksi. 23

26 Lause 5.6. Olkoot E ja F vektoriavaruuksia, A E aini aliavaruus ja f : A F kuvaus. Tällöin f on aini, jos ja vain jos f(x) = T (x a) + f(a), missä a A ja T : A a F, on lineaarinen kuvaus. Todistus. ( ) Oletetaan, että a A. Tällöin lauseen 2.8 mukaan joukko A a on vektoriavaruuden E lineaarinen aliavaruus. Määritellään kuvaus T : A a F siten, että Kuvaukselle T pätee, että Lisäksi T (x ) = f(x + a) f(a). T (x 0 + x 1 ) = f(x 0 + x 1 + a) f(a) = f ((x 0 + a) + (x 1 + a) a) f(a) f a. = f(x 0 + a) + f(x 1 + a) f(a) f(a) = T (x 0 ) + T (x 1 ). T (λx) = f(λx + a) f(a) = f (λ(x a) + (1 λ)a) f(a) f a. = λ (f(x a) f(a)) + f(a) f(a) = λt (x), joten T on lineaarikuvaus. Sijoittamalla x = x + a yhtälöön T (x ) = f(x + a) f(a) saadaan muoto f(x) = T (x a) + f(a). ( ) Olkoot x 0, x 1 A ja λ [0, 1]. Käytetään merkintää µ = 1 λ. Koska f(λx 0 + µx 1 ) = T (λx 0 + µx 1 a) + f(a) kuvaus f on aini. T lin. = λt (x 0 ) + µt (x 1 ) T (a) + f(a) λ+µ=1 = λt (x 0 ) λt (a) + λf(a) + µt (x 1 ) µt (a) + µf(a) = λ [T (x 0 ) T (a) + f(a)] + µ [T (x 1 ) T (a) + f(a)] T lin. = λ [T (x 0 a) + f(a)] + µ [T (x 1 a) + f(a)] = λf(x 0 ) + µf(x 1 ), 24

27 Huomautus 5.7. Lauseen 5.6 nojalla voidaan todeta, että aini kuvaus muodostuu siirrosta x x a, lineaarikuvauksesta T ja avaruuden F siirrosta y y + f(a). Lause 5.8. Olkoon σ = v 0 v 1...v k k-simpleksi R n :ssä ja olkoon w 0, w 1,..., w k R m. Tällöin on olemassa yksikäsitteinen ainin kuvauksen rajoittuma f : σ R m siten, että f(v i ) = w i kaikilla i = 0, 1,..., k. Todistus. Olkoot x {v 0,..., v k } ja y {w 0,..., w k }. Määritellään yhdensuuntaissiirrot x x v 0 ja y y w 0, jotka ovat selvästi kääntyviä ainikuvauksia. Nyt siis v 0 0 ja w 0 0 ja saatu pistejoukko {v 1 v 0,..., v k v 0 } on lineaarisesti riippumaton. Kuvaus f : σ R m voidaan täten muodostaa minkä tahansa lineaarisen kuvauksen g ja apusiirtojen avulla, kunhan g(v i v 0 ) = w i w 0 kaikilla i = 1,..., k. Olkoon nyt x σ. Jos f : σ R m on jonkun ainin kuvauksen rajoittuma, niin pätee, että ( ) f(x) = f λ i v i = λ i f(v i ). Tämä osoittaa, että f on yksikäsitteisesti määritelty sillä, mihin se kuvaa simpleksin σ kärkipisteet v 0,..., v k. Yllä esitelty konstruktio on luonnollinen johdanto kahden kompleksin välisen simpleksisen kuvauksen määritelmälle: Määritelmä 5.9. Simpleksinen kuvaus. Olkoot K ja L komplekseja. Simpleksinen kuvaus on jatkuva kuvaus f : K L, jonka rajoittuma jokaiseen K:n simpleksiin on aini kuvaus siten, että K:n simpleksi kuvautuu aina jollekin L:n simpleksille. Määritelmä Kärkipistekuvaus. Simpleksisen kuvauksen f : K L rajoittumaa f 0 : K (0) L (0) sanotaan kuvauksen f kärkipistekuvaukseksi. Lause Olkoot K ja L komplekseja. Olkoon f 0 : K (0) L (0) kuvaus, jolle pätee: jos pisteet x 0,..., x k virittävät simpleksin K:ssa, niin pisteet f 0 (x 0 ),..., f 0 (x k ) ovat jonkin L:n simpleksin kärkipisteitä. Tällöin on olemassa yksikäsitteinen simpleksinen kuvaus f : K L, jonka kärkipistekuvaus on f 0. Todistus. Olkoon f : K L kuvaus, jonka rajoittuma jokaiseen K:n simpleksiin kuvaa simpleksin kärkipisteet x 0,..., x k L:n simpleksin kärkipisteiksi f 0 (x 0 ),..., f 0 (x k ) kärkipistekuvauksella f 0. Edelleen, pisteiden f 0 (x 0 ),..., f 0 (x k ) konveksi verho on L:n simpleksi. Siispä f on simpleksinen kuvaus. Jokaisella K:n simpleksin pisteellä y pätee, että ( ) f(y) = f λ i x i = λ i f 0 (x i ), 25

28 kun λ i [0, 1] kaikilla i = 0,..., k ja k λ i = 1. Siispä kuvaus f on määritelty yksikäsitteisesti kärkipistekuvauksella f 0. Lause Olkoot K, L ja M komplekseja, ja olkoot f : K L ja g : L M simpleksisiä kuvauksia. Tällöin yhdistetty kuvaus g f on simpleksinen kuvaus. Todistus. Oletetaan, että f : K L ja g : L M ovat simpleksisiä kuvauksia. Olkoot λ i = 1 ja y = λ i x i, missä pisteet x i ovat simpleksin σ K erillisiä kärkipisteitä. Tällöin simpleksisen kuvauksen määritelmän mukaan pätee, että f(y) = λ i f(x i ). Itseasiassa, yllä esitelty kaava pätee, vaikka kärkipisteet x 0,..., x k eivät välttämättä ole erilliset. Esimerkiksi, oletetaan, että x 0 = x 1 ja pisteet x 2,..., x k ovat erilliset. Nyt Siispä y = (λ 0 + λ 1 )x 0 + λ 2 x λ k x k. f(y) = (λ 0 + λ 1 )f(x 0 ) + λ 2 f(x 2 ) λ k f(x k ) = λ i f(x i ). Vastaavasti voidaan päätellä, että vaikka kompleksin L kärkipisteet f(x 0 ),..., f(x k ) eivät olisi erilliset, pätee, että ( ) g(f(y)) = g λ i f(x i ) = λ i g (f(x i )). Lause Olkoot K ja L komplekseja. Oletetaan, että kärkipistekuvaus f 0 : K (0) L (0) on bijektio ja että pisteet x 0,..., x k virittävät K:n simpleksin, jos ja vain jos pisteet f(x 0 ),..., f(x k ) virittävät L:n simpleksin. Tällöin kärkipistekuvauksen f 0 määrittämä simpleksinen kuvaus f : K L on homeomorsmi ja sitä kutsutaan simpleksiseksi homeomorsmiksi tai isomorsmiksi. Todistus. Simpleksinen kuvaus f kuvaa jokaisen simpleksin σ K jollekin simpleksille τ L. Pitää siis osoittaa, että käänteiskuvauksen f0 1 määrittämä aini kuvaus g : τ σ on kuvauksen f : σ τ käänteiskuvaus. Simpleksisen kuvauksen määritelmästä saadaan, että jos y = k λ ix i, niin f(y) = k λ if 0 (x i ). Nyt ( ) g(f(y)) = g λ i f 0 (x i ) = λ i f0 1 (f 0 (x i )) = λ i x i = y, joten g f = id σ. Samoin osoitetaan, että f g = id τ. 26

29 Luku 6 Triangulaatio ja monitahokas Vaikka tyypillinen topologinen ongelma on määrittää mielivaltaisen avaruuden X homeomorsmityyppi, algebrallisen topologian menetelmiä voidaan käyttää onnistuneesti vain niissä tapauskissa, kun X on tarpeeksi kiva. Viimeistellään nyt määritelmä yhdestä erityisen tärkeästä luokasta tällaisia kivoja avaruuksia, nimittäin, monitahokkaiden luokasta. Määritelmä 6.1. Triangulaatio. Monitahokas. Olkoon X topologinen avaruus. Avaruuden X triangulaatio on pari (K, ϕ), missä K on kompleksi ja ϕ : K X homeomorsmi. Sellaista topologista avaruutta, jolla on triangulaatio, kutsutaan nimellä monitahokas. Niinkään yksinkertaiset avaruudet kuten ympyrä S 1 tai pallonkuori S 2 eivät ole minkään kompleksin tausta-avaruuksia. Tämä johtuu siitä, että kyseiset avaruudet ovat kaarevia, kun taas simpleksit ovat tietyssä mielessä tasaisia. Vieläkin täsmällisempi havainto on, että siinä missä simpleksit ovat konvekseja joukkoja niin S 1 ja S 2 eivät sisällä yksittäisiä pisteitään lukuunottamatta konvekseja osajoukkoja laisinkaan. Edellisen määritelmän mukaan avaruudet S 1 ja S 2 ovat kuitenkin monitahokkaita. Itseasiassa, hyvin useat topologiset avaruudet ovat monitahokkaita. Nekin avaruudet, jotka tästä säännöstä poikkeavat, ovat aika ilmeisiä. Esimerkiksi, R n tai mitkään R n :n avoimet osajoukot eivät ole monitahokkaita, sillä ne eivät ole kompakteja. Monitahokas on välttämättä aina kompakti, sillä Lauseen 4.3 mukaisesti jokainen tausta-avaruus on kompakti ja homeomorsmi säilyttää kaikki topologiset ominaisuudet. Monitahokkaan määritelmä voitaisiin perustellusti laajentaa sisältämään sellaiset avaruudet, jotka sallivat "äärettömät triangulaatiot". Tällöin triangulaatiossa (K, ϕ) esiintyvän kompleksin K sallittaisiin olla ääretön. Kuvassa vasemmalla on esitelty yksi ääretön triangulaatio avaruudesta R 2. 27

30 Kuvassa oikealla esitelty avaruus X = {(x, sin (1/x)) 0 < x 2} {(0, y) 1 y 1} on puolestaan esimerkki avaruudesta, joka on kyllä jopa kompakti, mutta ei monitahokas edes äärettömien triangulaatioiden järkevän sallimisen jälkeen. 28

31 Luku 7 Abstraktit simpleksiset kompleksit Käytännössä tietyn monitahokkaan määrittäminen geometristen simpleksien yhdisteen avulla ei ole kovin kätevää; kaikkien tarvittavien simpleksien määritteleminen niin, että ne leikkaavat vain sallitusti on eittämättä aikaa vievää ja sotkuista. Tämän takia on syytä määritellä abstraktit simpleksiset kompleksit, jotka sisältävät täysin saman kombinatorisen tiedon kuin geometriset kompleksit. Määritelmä 7.1. Abstrakti simpleksinen kompleksi. Sanotaan, että kokoelma äärellisen joukon V epätyhjiä osajoukkoja on abstrakti simpleksinen kompleksi tai lyhyemmin abstrakti kompleksi S, jos pätee, että (1) {v} S kaikilla v V, ja (2) kaikilla α S ja β α pätee, että β S, kun β. Abstraktin kompleksin S alkioita kutsutaan simplekseiksi tai tarkemmin abstrakteiksi simplekseiksi. Simpleksin alkioita kutsutaan kärkipisteiksi ja abstraktin kompleksin kärkipisteiden joukko on V = S = α S α. Jos α S ja α sisältää k + 1 kärkipistettä, niin simpleksin α dimensio on k. Toisin sanoen, abstraktin simpleksin dimensio on aina yhtä pienempi kun sen sisältämien kärkipisteiden lukumäärä. Edelleen, kärkipisteen v V ja 0- simpleksin {v} S voidaan ajatella vastaavan toisiaan ja abstraktin kompleksin dimensio määritellään maksimina sen sisältämien simpleksien dimensioista. Geometrisiä komplekseja koskevat käsitteet ovat suoraviivaisesti laajennettavissa abstrakteille komplekseille: Määritelmä 7.2. Tahko. Alikompleksi. Simpleksin α S tahko on epätyhjä osajoukko β α. Sanotaan, että tahko on aito, jos β α. Alikompleksi on abstrakti kompleksi T S. 29

32 Määritelmä 7.3. Isomorsmi. Olkoot S ja T abstrakteja komplekseja sekä V 0 ja V 1 niitä vastaavat kärkipisteiden joukot. Sanotaan, että abstraktit kompleksit S ja T ovat isomorset, jos on olemassa bijektio f : V 0 V 1 siten, että {x 0,..., x k } S, jos ja vain jos {f(x 0 ),..., f(x k )} T. Määritelmä 7.4. Kärkipistemalli. Jokainen geometrinen kompleksi K määrittää abstraktin simpleksisen kompleksin K, nimittäin, K = {{x 0,..., x k } x 0...x k on K:n simpleksi}. Sanotaan, että K on kompleksin K kärkipistemalli. Esimerkki 7.5. Olkoon kompleksi L kuten esimerkin 4.5 kohdassa (a). Tällöin kompleksin L kärkipistemalli L = {x 0, x 1, x 2, {x 0, x 2 }, {x 1, x 2 }}. Lause 7.6. (1) Jokainen abstrakti kompleksi S on isomornen jonkin geometrisen kompleksin kärkipistemallin kanssa. (2) Kaksi geometristä kompleksia ovat simpleksisillä kuvauksilla isomorset, jos ja vain jos niiden kärkipistemallit ovat abstrakteina komplekseina isomorset. Todistus. Kohta (2) seuraa suoraviivaisesti Lauseesta Todistetaan kohta (1). Olkoon V abstraktin kompleksin S kärkipisteiden joukko. Oletetaan, että joukko V sisältää n + 1 alkiota. Olkoon f bijektio joukon V ja jonkun R n :n n-simpleksin σ kärkipisteiden joukon välillä. Määritellään simpleksin σ virittämän kompleksin K(σ) alikompleksi K siten, että K = {f(x 0 )...f(x k ) {x 0,..., x k } on S:n simpleksi}. Huomataan, että S on nyt välttämättä isomornen kompleksin K kärkipistemallin kanssa; kuvaus f on vaadittu bijektio kyseisten abstraktien kompleksien kärkipisteiden joukkojen välillä. Määritelmä 7.7. Geometrinen realisaatio. Abstraktio. Jos abstrakti kompleksi S on isomornen geometrisen kompleksin K kärkipistemallin kanssa, kutsutaan kompleksia K abstraktin kompleksin S geometriseksi realisaatioksi. Geometrinen realisaatio on simpleksistä isomorsmia vaille yksikäsitteinen. Käänteisesti sanotaan, että S on K:n abstraktio. Seuraavat esimerkit havainnollistavat, miten abstraktien kompleksien avulla voidaan määritellä ennalta määrättyjä geometrisiä komplekseja. Esimerkki 7.8. Oletetaan, että halutaan esitellä kompleksi K, jonka tausta-avaruus on homeomornen sylinterin S 1 I kanssa; merkinnällä I tarkoitetaan tässä suljettua 30

33 yksikköväliä [0, 1]. Yksi mahdollinen esitystapa on piirtää kuvassa vasemmalla esitelty kompleksi, joka koostuu kuudesta 2-simpleksistä ja niiden tahkoista. Toinen tapa kuvata kyseinen kompleksi K on esitelty kuvassa oikealla. Kuvan kaavio koostuu kahdesta asiasta: kompleksista L, jonka tausta-avarus on suorakulmio, ja erityisestä tavasta merkitä kompleksin L kärkipisteistä (jotkin kärkipisteistä on merkitty keskenään samoilla kirjaimilla). Kyseistä kaaviota voidaankin pitää lyhennettynä tapana ilmaista abstrakti kompleksi S, jonka kärkipisteiden joukko muodostuu kirjaimista x 0, x 1, x 2, x 3, x 4 ja x 5, ja jonka simpleksejä ovat joukot {x 0, x 5, x 3 }, {x 0, x 1, x 3 }, {x 1, x 2, x 3 }, {x 2, x 3, x 4 }, {x 0, x 2, x 4 } ja {x 0, x 4, x 5 } mukaan lukien edellä lueteltujen joukkojen epätyhjät osajoukot. Selvästikin näin määritelty abstrakti kompleksi S on isomornen kuvassa vasemmalla esitellyn kompleksin K kärkipistemallin kanssa. Siispä K on abstraktin kompleksin S geometrinen realisointi. Olkoon f 0 : L (0) K (0) kuvaus, joka liittää jokaisen kompleksin L kärkipisteen kompleksin K vastaavasti merkittyyn kärkipisteeseen. Tällöin f 0 määrittelee simpleksisen kuvauksen f : L K. Koska tausta-avaruudet L ja K ovat kompakteja ja Hausdorffeja, kuvaus g identioi tausta-avaruuden L oikean reunan lineaarisesti tausta-avaruuden L vasempaan reunaan. Tämä vastaa tavallista tapaa muodostaa sylinteri suorakulmaisesta palasta paperia - kierretään paperi rullalle ja liimataan suorakulmion vasen särmä oikeaan särmään. Kuvausta f kutsutaankin termeillä samaistuskuvaus ja liimauskuvaus. Esimerkki 7.9. Tarkastellaan seuraavaksi kompleksia, joka eroaa edellisessä esimerkissä esitellystä kompleksista L ainoastaan kärkipisteidensä merkinnöissä. Kuten aikasemminkin, kuvassa vasemmalla esitellyn kompleksin L voidaan ajatella ilmaisevan erään abstraktin kompleksin S, jonka simpleksejä ovat nyt joukot {x 0, x 3, x 4 }, {x 0, x 1, x 4 }, {x 1, x 2, x 4 }, {x 2, x 4, x 5 }, {x 2, x 3, x 5 }, {x 0, x 4, x 5 } ja näiden joukkojen epätyhjät osajoukot. 31

34 Olkoon kompleksi K abstraktin kompleksin S geometrinen realisointi. Kuten edellisessä esimerkissä, kompleksin K kärkipisteet vastaavat leimoja x 0, x 1, x 2, x 3, x 4 ja x 5. Edelleen, voidaan määritellä simpleksinen kuvaus f : L K, joka kuvaa jokaisen kompleksin L kärkipisteen kompleksin K vastaavasti merkitylle kärkipisteelle. Kuvaus f on jälleen samaistuskuvaus; tässä tapauksessa f identioi tausta-avaruuden L vasemman reunan lineaarisesti tausta-avaruuden L oikeaan reunaan, mutta käänteisesti. Täten konstruoitua avaruutta K kutsutaan nimellä Möbiuksen nauha, ja se hahmoteltu kuvassa oikealla. Määritellään vielä oheisten esimerkkien avulla esitelty prosessi käsitteineen: Määritelmä Merkitty kompleksi. Leima. Samaistuskuvaus. Olkoon L kompleksi. Käsitteellä merkitty kompleksi tarkoitetaan paria (L, g), missä g on surjektio kompleksin L kärkipisteiden joukosta joukkoon, jonka alkiot ovat leimoja. Tätä merkittyä kompleksia vastaa abstrakti kompleksi S, jonka kärkipisteet ovat leimoja ja jonka simpleksit muodostuvat kaikista joukoista, jotka ovat muotoa {g(x 0 ),..., g(x n )}, missä pisteet x 0,..., x n virittävät simpleksin merkityssä kompleksissa L. Olkoon K abstraktin kompleksin S geometrinen realisointi. Tällöin kuvauksesta g johdettu kärkipistekuvaus f 0 : L (0) K (0) määrittelee surjektiivisen simpleksisen kuvauksen f : L K. Sanotaan, että K on merkitystä kompleksista L johdettu kompleksi. Kuvausta f kutsutaan samaistuskuvaukseksi. 32

35 Luku 8 Homologiaryhmät Yksi tapa osoittaa, että topologiset avaruudet eivät ole keskenään homeomorset, on etsiä jokin topologinen ominaisuus, joka toteutuu ainoastaan toisessa tarkasteltavista avaruuksista. Tässä luvussa konstruoitavien homologiaryhmien tärkeys algebrallisessa topologiassa perustuukin siihen, että ne ovat homotopia-invariantteja ja kuitenkin homotopiaa helpommin käsiteltävissä. Toisin sanoen, homotooppisesti ekvivalenteilla monitahokkailla on isomorset homologiaryhmät. Luvussa ei kuitenkaan todisteta kyseistä tulosta vaan rajoittaudutaan määrittelemään huolellisesti simpleksiset homologiaryhmät, jotka ovat luonteeltaan algebrallisia ja nimensä mukaisesti laskettavissa simpleksisistä komplekseista. On olemassa myös muita tapoja konstruoida homologiaryhmät. Kuitenkin, riittävän kivoja avaruuksia, kuten monitahokkaita, tarkasteltaessa, muutkin olemassa olevista tavoista johtavat käytännössä samaan tulokseen. Ennen homologiaryhmien määrittelemistä on syytä kerrata joitakin algebran määritelmiä ja tuloksia. Määritelmä 8.1. Abelin ryhmä. Olkoon G epätyhjä joukko. Sanotaan, että pari (G, +) tai lyhyemmin joukko G on Abelin ryhmä jos pätee, että (1) x 0 + x 1 G kaikilla x 0, x 1 G, (2) (x 0 + x 1 ) + x 2 = x 0 + (x 1 + x 2 ), kaikilla x 0, x 1, x 2 G, (3) on olemassa neutraalialkio 0 G siten, että 0 + x = x + 0 = x, kaikilla x G, (4) jokaisella x G on olemassa vasta-alkio x G siten, että x + ( x) = x + x = 0, (5) x 0 + x 1 = x 1 + x 0, kaikilla x 0, x 1 G. Määritellään jokaiselle x G monikerta nx G, n N seuraavasti: merkintä nx ilmaisee n-kertaisen summan x } + {{... + x }, ( n)x := n( x) ja 0x := 0. n 33

36 Määritelmä 8.2. Homomorsmi. Olkoot G ja H Abelin ryhmiä. Sanotaan, että kuvaus f : G H on homomorsmi, jos pätee, että f(g 1 + g 2 ) = f(g 1 ) + f(g 2 ) kaikilla g 1, g 2 G. Homomorsmi f on isomorsmi, jos se on bijektio. Tällöin sanotaan, että G ja H ovat isomorset, merk. G H. Määritelmä 8.3. Ydin. Kuva. Olkoon f : G H homomorsmi. Kuvauksen f ydin, Ker f, on ryhmän G aliryhmä Ker f = {x G f(x) = 0}. Homomorsmin f kuva, Im f, on ryhmän H aliryhmä Im f = {f(x) x G}. Määritelmä 8.4. Vapaa Abelin ryhmä. Sanotaan, että Abelin ryhmä G on vapaa Abelin ryhmä, jos on olemassa joukko A = {x j j J} joukon G eri alkioita siten, että jokainen x G voidaan esittää yksikäsitteisesti äärellisenä summana x = i I n i x i, missä n i Z kaikilla i I, I J on äärellinen. Tällöin sanotaan, että joukko A virittää vapaan Abelin ryhmän G. Joukosta A käytetään nimitystä G:n kanta. Jos joukko A on äärellinen, sanotaan, että G on äärellisesti viritetty. Esimerkki 8.5. Kokonaislukujen joukko Z on esimerkki vapaasta Abelin ryhmästä kantanaan joukko {1}. Myös Z 2 = Z Z on vapaa, kantanaan esim. {(0, 1), (1, 0)}. Esitellään seuraavaksi yksi erityinen tapa konstruoida vapaa Abelin ryhmä. Olkoon A joukko. Määritellään joukon A virittämä vapaa Abelin ryhmä G joukoksi funktioita ϕ : A Z siten, että ϕ(x) 0 ainoastaan äärellisen monella x A. Määritellään yhteenlasku ϕ + ψ pisteittän kaavalla (ϕ + ψ)(x) = ϕ(x) + ψ(x) kaikilla x A. Edelleen, jokaisella x A on olemassa karakteristinen funktio ϕ x : A Z siten, että { 0 jos y x ϕ x (y) = 1 jos y = x. Kuvaukset {ϕ x x A} muodostavat G:n kannan, sillä jokainen kuvaus ϕ G voidaan esittää yksiselitteisesti äärellisenä summana ϕ = n x ϕ x, 34

37 missä n x = ϕ(x), ja summaus ulottuu yli kaikkien x A, joilla ϕ(x) 0. Yllä esitelty merkintä yksinkertaistuu samaistamalla alkiot x A niiden karakterististen funktioiden ϕ x kanssa. Tällöin voidaan sanoa, että joukko G koostuu formaaleista äärellisistä summista missä n j Z ja x j A. ϕ = n j x j, Määritelmä 8.6. Permutaatio. Olkoon G äärellinen joukko. Joukon G permutaatiolla tarkoitetaan bijektiota joukolta G itselleen. Permutaatiota, joka vaihtaa kaksi joukon G alkiota keskenään, kutsutaan termillä transpositio. Permutaation sanotaan olevan parillinen, jos se on yhdistetty kuvaus parillisesta määrästä transpositioita. Vastaavasti, permutaatio on pariton, jos se on yhdistetty kuvaus parittomasta määrästä transpositioita. Määritelmä 8.7. Suuntaus. Olkoon σ (geometrinen tai abstrakti) simpleksi. Määritellään kaksi järjestystä sen kärkipisteiden joukosta olemaan ekvivalentit, jos ne eroavat toisistaan parillisella permutaatiolla. Jos dim σ > 0, järjestykset simpleksin σ kärkipisteiden joukosta jakaantuvat kahteen ekvivalenssiluokkaan. Kumpaakin ekvivalenssiluokista kutsutaan termillä simpleksin σ suuntaus. Simpleksin σ eri suuntausten sanotaan olevan keskenään vastakkaiset. Jos simpleksi σ on 0-ulotteinen, sen kärkipisteiden joukkoon kuuluu ainoastaan yksi alkio. Siispä 0- simpleksillä on ainoastaan yksi suuntaus. Määritelmä 8.8. Suunnattu simpleksi. Olkoon σ simpleksi. Termillä suunnattu simpleksi, merk. [σ], tarkoitetaan simpleksiä σ yhdessä jonkin simpleksin σ suuntauksen kanssa. Jos σ = x 0 x 1...x k, merkintä [x 0, x 1,..., x k ] tarkoittaa siis suunnattua k-simpleksiä, joka koostuu simpleksistä x 0 x 1...x k ja sen kärkipisteiden joukon järjestyksen (x 0, x 1,..., x k ) määräämästä ekvivalenssiluokasta. Jos simpleksi σ on 0-ulotteinen, voidaan merkinnän [σ] sijasta käyttää yksinkertaisempaa merkintää σ. Oletetaan nyt, että simpleksin σ ulottuvuus k 1 ja [σ] on suunnattu k- simpleksi. Käytetään jatkossa merkintää [σ] tarkoitettaessa suunnattua k-simpleksiä, joka koostuu simpeksistä σ yhdessä sellaisen simpleksin σ kärkipisteiden joukon järjestyksen kanssa, joka ei ole ekvivalentti suunnatun simpleksin [σ] kärkipisteiden joukon järjestyksen kanssa. Määritellään siis, että suunnatun simpleksin [σ] suuntaus on vastakkainen suunnatun simpleksin [σ] suuntauksen kanssa. Esimerkiksi, jos [σ] = [x 0, x 1,..., x k ], niin [σ] = [x 1, x 0,..., x k ]. 35