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diff --git a/buch/chapters/95-homologie/Makefile.inc b/buch/chapters/95-homologie/Makefile.inc index 7e6f1e7..41b1569 100644 --- a/buch/chapters/95-homologie/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/95-homologie/Makefile.inc @@ -8,7 +8,6 @@ CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ chapters/95-homologie/simplex.tex \ chapters/95-homologie/komplex.tex \ chapters/95-homologie/homologie.tex \ - chapters/95-homologie/mayervietoris.tex \ chapters/95-homologie/fixpunkte.tex \ chapters/95-homologie/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/95-homologie/chapter.tex b/buch/chapters/95-homologie/chapter.tex index eaa56c4..994c400 100644 --- a/buch/chapters/95-homologie/chapter.tex +++ b/buch/chapters/95-homologie/chapter.tex @@ -38,7 +38,7 @@ Damit wird es möglich, das Dreieck vom Rand des Dreiecks zu unterschieden. \input{chapters/95-homologie/simplex.tex} \input{chapters/95-homologie/komplex.tex} \input{chapters/95-homologie/homologie.tex} -\input{chapters/95-homologie/mayervietoris.tex} +%\input{chapters/95-homologie/mayervietoris.tex} \input{chapters/95-homologie/fixpunkte.tex} diff --git a/buch/chapters/95-homologie/fixpunkte.tex b/buch/chapters/95-homologie/fixpunkte.tex index 1ed51ef..a03d4b5 100644 --- a/buch/chapters/95-homologie/fixpunkte.tex +++ b/buch/chapters/95-homologie/fixpunkte.tex @@ -11,15 +11,78 @@ selbst gehört die zugehörige lineare Abbildung $f_*\colon H_*(X)\to H_*(X)$ der Homologiegruppen. Diese linearen Abbildungen sind im Allgemeinen viel einfacher zu analysieren. -Zum Beispiel soll in Abschnitt~\ref{buch:subsection:lefshetz} -die Lefshetz-Spurformel abgeleitet werden, die eine Aussagen darüber -ermöglicht, ob eine Abbildung einen Fixpunkt haben kann. -In Abschnitt~\ref{buch:subsection:brower} wird gezeigt wie man damit -den Browerschen Fixpunktsatz beweisen kann, der besagt, dass jede -Abbildung eines Einheitsballs in sich selbst immer einen Fixpunkt hat. - -\subsection{Lefshetz-Spurformel -\label{buch:subsection:lefshetz}} - -\subsection{Brower-Fixpunktsatz -\label{buch:subsection:brower}} +%Zum Beispiel soll in Abschnitt~\ref{buch:subsection:lefshetz} +%die Lefshetz-Spurformel abgeleitet werden, die eine Aussagen darüber +%ermöglicht, ob eine Abbildung einen Fixpunkt haben kann. +%In Abschnitt~\ref{buch:subsection:brower} wird gezeigt wie man damit +%den Browerschen Fixpunktsatz beweisen kann, der besagt, dass jede +%Abbildung eines Einheitsballs in sich selbst immer einen Fixpunkt hat. + +%\subsection{Brower-Fixpunktsatz +%\label{buch:subsection:brower}} +% +%\begin{satz}[Brower] +%\end{satz} + +%\subsection{Lefshetz-Fixpunktsatz +%\label{buch:subsection:lefshetz}} +Eine Selbstabbildung $f_*\colon C_*\to C_*$ von Kettenkomplexen führt auf +eine Selbstabbiludng der Homologiegruppen $H(f)\colon H(C)\to H(C)$. +Da sowohl $H_k$ wie auch $C_k$ endlichdimensionale Vektorräume sind, +ist die Spur von $H_k(f)$ wohldefiniert. + +\begin{definition} +Die {\em Lefshetz-Zahl} einer Abbildung $f$ von Kettenkomplexen ist +\[ +\lambda(f) += +\sum_{k=0}^\infty +(-1)^k \operatorname{Spur}f_k += +\sum_{k=0}^\infty +(-1)^k \operatorname{Spur}(H_k(f)). +\] +\end{definition} + +Die zweite Darstellung der Lefshetz-Zahl auf der rechten Seite ist +meistens viel leichter zu berechnen als die erste. +Die einzelnen Vektorräume eines Kettenkomplexes können haben typischerweise +eine hohe Dimension, so hoch wie die Anzahl der Simplizes der Triangulation. +Die Homologiegruppen dagegen haben typischerweise sehr viel kleinere +Dimension, die Matrizen $H_k(F)$ sind also relativ klein. +Es ist aber nicht klar, dass beide Berechnungsmethoden für die +Lefshetz-Zahl auf das gleiche Resultat führen müssen. + +\begin{proof}[Beweis] +\end{proof} + +Die Lefshetz-Zahl ist eine Invariante einer topologischen Abbildung, +die Aussagen über Fixpunkte zu machen erlaubt. + +\begin{satz} +Ist $f\colon X\to X$ eine Selbstabbildung eines kompakten Polyeders und +ist $\lambda(f) \ne 0$, dann hat $f$ einen Fixpunkt. +\end{satz} + +Im Folgenden soll nur ein heuristisches Argument gegeben werden, warum +ein solcher Satz wahr sein könnte. + +Wenn eine Abbildung keinen Fixpunkt hat, dann ist $f(x) \ne x$ für alle +Punkte von $X$. +Da $X$ kompakt ist, gibt es einen minimalen Abstand $d$ zwischen $f(x)$ und $x$. +Wenn man also für $X$ eine Triangulation wählt, die wesentlich feiner ist +als dieser minimale Abstand, dann wird kein Simplex der Triangulation auf +Punkte im selben Simplex oder in einem Nachbarsimplex abgebildet wird. +Indem man nötigenfalls die Triangulation nochmals verfeinert, kann man auch +genügend Platz schaffen, dass man die Abbildung $f$ etwas modifizieren kann, +so dass auch die deformierte Abbildung immer noch diese Eigenschaft hat. + +Die zugehörige Abbildung des Kettenkomplexes der Triangulation hat damit +die Eigenschaft, dass kein Basisvektor auf sich selbst abgebildet wird. +Die Matrix der Abbildung hat daher keine Nullen auf der Diagonalen, und +damit ist auch die Spur dieser Abbildung Null: $\operatorname{Spur}(H_k(f))=0$ +für alle $k$. +Erst recht ist die Lefshetz-Zahl $\lambda(f)=0$. +Wenn also die Lefshetz-Zahl verschieden ist von Null, dann muss $f$ +notwendigerweise einen Fixpunkt haben. + diff --git a/buch/chapters/95-homologie/homologie.tex b/buch/chapters/95-homologie/homologie.tex index 2b80a17..905ecc3 100644 --- a/buch/chapters/95-homologie/homologie.tex +++ b/buch/chapters/95-homologie/homologie.tex @@ -6,13 +6,349 @@ \section{Homologie \label{buch:section:homologie}} \rhead{Homologie} +Die Idee der Trangulation ermöglicht, komplizierte geometrische +Objekte mit einem einfachen ``Gerüst'' auszustatten und so zu +analysieren. +Projiziert man ein mit einer Kugel konzentrisches Tetraeder auf die +Kugel, entsteht eine Triangulation der Kugeloberfläche. +Statt eine Kugel zu studieren, kann man also auch ein Tetraeder untersuchen. + +Das Gerüst kann natürlich nicht mehr alle Eigenschaften des ursprünglichen +Objektes wiedergeben. +Im Beispiel der Kugel geht die Information darüber, dass es sich um eine +glatte Mannigfaltigkeit handelt, verloren. +Was aber bleibt, sind Eigenschaften des Zusammenhangs. +Wenn sich zwei Punkte mit Wegen verbinden lassen, dann gibt es auch eine +Triangulation mit eindimensionalen Simplices, die diese Punkte als Ecken +enthalten, die sich in der Triangulation mit einer Folge von Kanten +verbinden lassen. +Algebraisch bedeutet dies, dass die beiden Punkte der Rand eines +Weges sind. +Fragen der Verbindbarkeit von Punkten mit Wegen lassen sich also +dadurch studieren, dass man das geometrische Objekt auf einen Graphen +reduziert. + +In diesem Abschnitt soll gezeigt werden, wie diese Idee auf höhere +Dimensionen ausgedehnt werden. +Es soll möglich werden, kompliziertere Fragen des Zusammenhangs, zum +Beispiel das Vorhandensein von Löchern mit algebraischen Mitteln +zu analysieren. \subsection{Homologie eines Kettenkomplexes \label{buch:subsection:homologie-eines-kettenkomplexes}} +Wegzusammenhang lässt sich untersuchen, indem man in der Triangulation +nach Linearkombinationen von Kanten sucht, die als Rand die beiden Punkte +haben. +Zwei Punkte sind also nicht verbindbar und liegen damit in verschiedenen +Komponenten, wenn die beiden Punkte nicht Rand irgend einer +Linearkombination von Kanten sind. +Komponenten können also identifiziert werden, indem man unter allen +Linearkombinationen von Punkten, also $C_0$ all diejenigen ignoriert, +die Rand einer Linearkombinationv on Kanten sind, also $\partial_1C_1$. +Der Quotientenraum $H_0=C_0/\partial_1C_1$ enthält also für jede Komponente +eine Dimension. + +Eine Dimension höher könnten wir danach fragen, ob sich ein geschlossener +Weg zusammenziehen lässt. +In der Triangulation zeichnet sich ein geschlossener Weg dadurch aus, +dass jedes Ende einer Kante auch Anfang einer Folgekante ist, dass also +der Rand der Linearkombination von Kanten 0 ist. +Algebraisch bedeutet dies, dass wir uns für diejenigen Linearkombinationen +$z\in C_1$ interessieren, die keinen Rand haben, für die also $\partial_1z=0$ +gilt. + +\begin{definition} +Die Elemente von +\[ +Z_k += +Z_k^C += +\{z\in C_k\;|\; \partial_k z = 0\} += +\ker \partial_k +\] +heissen die {\em ($k$-dimensionalen) Zyklen} von $C_*$. +\end{definition} + +In einem Dreieck ist der Rand ein geschlossener Weg, der sich zusammenziehen +lässt, indem man ihn durch die Dreiecksfläche deformiert. +Entfernt man aber die Dreiecksfläche, ist diese Deformation nicht mehr +möglich. +Einen zusammenziehbaren Weg kann man sich also als den Rand eines Dreiecks +einer vorstellen. +``Löcher'' sind durch geschlossene Wege erkennbar, die nicht Rand eines +Dreiecks sein können. +Wir müssen also ``Ränder'' ignorieren. + +\begin{definition} +Die Elemente von +\[ +B_k += +B_k^C += +\{\partial_{k+1}z\;|\; C_{k+1}\} += +\operatorname{im} \partial_{k+1} +\] +heissen die {\em ($k$-dimensionalen) Ränder} von $C_*$. +\end{definition} + +Algebraisch ausgedrückt interessieren uns also nur Zyklen, die selbst +keine Ränder sind. +Der Quotientenraum $Z_1/B_1$ ignoriert unter den Zyklen diejenigen, die +Ränder sind, drückt also algebraisch die Idee des eindimensionalen +Zusammenhangs aus. +Wir definieren daher + +\begin{definition} +Die $k$-dimensionale Homologiegruppe des Kettenkomplexes $C_*$ ist +\[ +H_k(C) = Z_k/B_k = \ker \partial_k / \operatorname{im} \partial_{k+1}. +\] +Wenn nur von einem Kettenkomplex die Rede ist, kann auch $H_k(C)=H_k$ +abgekürzt werden. +\end{definition} + +Die folgenden zwei ausführlichen Beispiele sollen zeigen, wie die +Homologiegruppe $H_2$ die Anwesenheit eines Hohlraumes detektieren kann, +der entsteht, wenn man aus einem Tetraeder das innere entfernt. + +\begin{beispiel} +\begin{figure} +\centering +XXX Bild eines Tetraeders mit Bezeichnung der Ecken und Kanten +\caption{Triangulation eines Tetraeders, die Orientierung von Kanten +und Seitenflächen ist immer so gewählt, dass die Nummern der Ecken +aufsteigend sind. +\label{buch:homologie:tetraeder:fig}} +\end{figure} +Ein Tetraeder ist ein zweidmensionales Simplex, wir untersuchen seinen +Kettenkomplex und bestimmen die zugehörigen Homologiegruppen. +Zunächst müssen wir die einzelnen Mengen $C_k$ beschreiben und verwenden +dazu die Bezeichnungen gemäss Abbildung~\ref{buch:homologie:tetraeder:fig}. +$C_0$ ist der vierdimensionale Raum aufgespannt von den vier Ecken +$0$, $1$, $2$ und $3$ des Tetraeders. +$C_1$ ist der sechsdimensionale Vektorraum der Kanten +\[ +k_0 = [0,1],\quad +k_1 = [0,2],\quad +k_2 = [0,3],\quad +k_3 = [1,2],\quad +k_4 = [1,3],\quad +k_5 = [2,3] +\] +Der Randoperator $\partial_1$ hat die Matrix +\[ +\partial_1 += +\begin{pmatrix*}[r] +-1&-1&-1& 0& 0& 0\\ + 1& 0& 0&-1&-1& 0\\ + 0& 1& 0& 1& 0&-1\\ + 0& 0& 1& 0& 1& 1 +\end{pmatrix*}. +\] + +Wir erwarten natürlich, dass sich zwei beliebige Ecken verbinden lassen, +dass es also nur eine Komponente gibt und dass damit $H_1=\Bbbk$ ist. +Dazu beachten wir, dass das Bild von $\partial_1$ genau aus den Vektoren +besteht, deren Komponentensumme $0$ ist. +Das Bild $B_0$ von $\partial_1$ ist daher die Lösungsmenge der einen +Gleichung +\( +x_0+x_1+x_2+x_3=0. +\) +Der Quotientenraum $H_0=Z_0/B_0 = C_0/\operatorname{im}\partial_1$ +ist daher wie erwartet eindimensional. + +Wir bestimmen jetzt die Homologiegruppe $H_1$. +Da sich im Tetraeder jeder geschlossene Weg zusammenziehen lässt, +erwarten wir $H_1=0$. + +Die Menge der Zyklen $Z_1$ wird bestimmt, indem man die Lösungsmenge +des Gleichungssystems $\partial_1z=0$ bestimmt. +Der Gauss-Algorithmus für die Matrix $\partial_1$ liefert das +Schlusstableau +\[ +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|} +\hline +k_0&k_1&k_2&k_3&k_4&k_5\\ +\hline + 1& 0& 0& -1& -1& 0\\ + 0& 1& 0& 1& 0& -1\\ + 0& 0& 1& 0& 1& 1\\ + 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ +\hline +\end{tabular} +\] +Daraus lassen sich drei linear unabhängig eindimensionale Zyklen ablesen, +die zu den Lösungsvektoren +\[ +z_1 += +\begin{pmatrix*}[r] +1\\ +-1\\ +0\\ +1\\ +0\\ +0 +\end{pmatrix*}, +\qquad +z_2 += +\begin{pmatrix*}[r] +1\\ +0\\ +-1\\ +0\\ +1\\ +0 +\end{pmatrix*}, +\qquad +z_3 += +\begin{pmatrix*}[r] +0\\ +1\\ +-1\\ +0\\ +0\\ +1 +\end{pmatrix*} +\] +gehören. + +$C_2$ hat die vier Seitenflächen +\[ +f_0=[0,1,2],\quad +f_1=[0,1,3],\quad +f_2=[0,2,3],\quad +f_3=[1,2,3] +\] +als Basis. +Der zweidimensionale Randoperator ist die $6\times 4$-Matrix +\[ +\partial_2 += +\begin{pmatrix*}[r] + 1& 1& 0& 0\\ +-1& 0& 1& 0\\ + 0&-1&-1& 0\\ + 1& 0& 0& 1\\ + 0& 1& 0&-1\\ + 0& 0& 1& 1 +\end{pmatrix*}. +\] +Man kann leicht nachrechnen, dass $\partial_1\partial_2=0$ ist, wie es +für einen Kettenkomplex sein muss. + +Um nachzurechnen, dass die Homologiegruppe $H_1=0$ ist, müssen wir jetzt +nachprüfen, ob jeder Zyklus in $Z_1$ auch Bild der Randabbildung $\partial_2$ +ist. +Die ersten drei Spalten von $\partial_2$ sind genau die drei Zyklen +$z_1$, $z_2$ und $z_3$. +Insbesondere lassen sich alle Zyklen als Ränder darstellen, die +Homologiegruppe $H_1=0$ verschwindet. + +Die Zyklen in $C_2$ sind die Lösungen von $\partial_2z=0$. +Der Gauss-Algorithmus für $\partial_2$ liefert das -Tableau +\[ +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|} +\hline +f_0&f_1&f_2&f_3\\ +\hline +1&0&0& 1\\ +0&1&0&-1\\ +0&0&1& 1\\ +0&0&0& 0\\ +0&0&0& 0\\ +0&0&0& 0\\ +\hline +\end{tabular} +\] +Daraus liest man ab, dass es genau einen Zyklus nämlich +\[ +z += +\begin{pmatrix} +-1\\1\\-1\\1 +\end{pmatrix} +\] +$Z_2$ besteht also aus Vielfachen des Vektors $z$. + +Da es nur ein zweidimensionales Simplex gibt, ist $C_3$ eindimensional. +Die Randabbildung $\partial_3$ hat die Matrix +\[ +\partial_3 += +\begin{pmatrix} +1\\ +-1\\ +1\\ +-1 +\end{pmatrix}. +\] +Die Zyklen $Z_2$ und die Ränder $B_2$ bilden also dieselbe Menge, auch +die Homologie-Gruppe $H_2$ ist $0$. + +Da es keine vierdimensionalen Simplizes gibt, ist $B_3=0$. +Die Zyklen $Z_3$ bestehen aus den Lösungen von $\partial_3w=0$, da +aber $\partial_3$ injektiv ist, ist $Z_3=0$. +Daher ist auch $H_3=0$. +\end{beispiel} + +\begin{beispiel} +Für dieses Beispiel entfernen wir das Innere des Tetraeders, es entsteht +ein Hohlraum. +Am Kettenkomplex der Triangulation ändert sich nur, dass $C_3$ jetzt +nur noch den $0$-Vektor enthält. +Das Bild $B_2=\operatorname{im}\partial_3$ wird damit auch $0$-dimensional, +während es im vorigen Beispiel eindimensional war. +Die einzige Änderung ist also in der Homologiegruppe +$H_2 = Z_2/B_2 = Z_2 / \{0\} \simeq \Bbbk$. +Die Homologiegruppe $H_2$ hat jetzt Dimension $1$ und zeigt damit den +Hohlraum an. +\end{beispiel} \subsection{Induzierte Abbildung \label{buch:subsection:induzierte-abbildung}} +Früher haben wurde eine Abbildung $f_*$ zwischen Kettenkomplexen $C_*$ und +$D_*$ so definiert, +dass sie mit den Randoperatoren verträglich sein muss. +Diese Forderung bewirkt, dass sich auch eine lineare Abbildung +\[ +H_k(f) \colon H_k(C) \to H_k(D) +\] +zwischen den Homologiegruppen ergibt, wie wir nun zeigen wollen. + +Um eine Abbildung von $H_k(C)$ nach $H_k(D)$ zu definieren, müssen wir +zu einem Element von $H_k(C)$ ein Bildelement konstruieren. +Ein Element in $H_k(C)$ ist eine Menge von Zyklen in $Z^C_k$, die sich +nur um einen Rand in $B_k$ unterscheiden. +Wir wählen also einen Zyklus $z\in Z_k$ und bilden ihn auf $f_k(z)$ ab. +Wegen $\partial^D_kf(z)=f\partial^C_kz = f(0) =0 $ ist auch $f_k(z)$ +ein Zyklus. +Wir müssen jetzt aber noch zeigen, dass eine andere Wahl des Zyklus +das gleiche Element in $H_k(D)$ ergibt. +Dazu genügt es zu sehen, dass sich $f(z)$ höchstens um einen Rand +ändert, wenn man $z$ um einen Rand ändert. +Sei also $b\in B^C_k$ ein Rand, es gibt also ein $w\in C_{k+1}$ mit +$\partial^C_{k+1}w=b$. +Dann gilt aber auch +\[ +f_k(z+b) += +f_k(z) + f_k(b) += +f_k(z) + f_k(\partial^C_{k+1}w) += +f_k(z) + \partial^D_{k+1}(f_k(w)). +\] +Der letzte Term ist ein Rand in $D_k$, somit ändert sich $f_k(z)$ nur +um diesen Rand, wenn man $z$ um einen Rand ändert. +$f_k(z)$ und $f_k(z+b)$ führen auf die selbe Homologieklasse. -\subsection{Homologie eines simplizialen Komplexes -\label{buch:subsection:simplizialekomplexe}} diff --git a/buch/chapters/95-homologie/images/Makefile b/buch/chapters/95-homologie/images/Makefile index 82f1285..ac964ff 100644 --- a/buch/chapters/95-homologie/images/Makefile +++ b/buch/chapters/95-homologie/images/Makefile @@ -3,8 +3,11 @@ # # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -all: dreieck.pdf +all: dreieck.pdf polyeder.pdf dreieck.pdf: dreieck.tex pdflatex dreieck.tex +polyeder.pdf: polyeder.tex + pdflatex polyeder.tex + diff --git a/buch/chapters/95-homologie/images/polyeder.pdf b/buch/chapters/95-homologie/images/polyeder.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..3a8ba60 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/95-homologie/images/polyeder.pdf diff --git a/buch/chapters/95-homologie/images/polyeder.tex b/buch/chapters/95-homologie/images/polyeder.tex new file mode 100644 index 0000000..9a900cc --- /dev/null +++ b/buch/chapters/95-homologie/images/polyeder.tex @@ -0,0 +1,109 @@ +% +% tikztemplate.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +% add image content here +\begin{scope}[xshift=-3.5cm,scale=0.5] +\coordinate (A) at (0,0); +\coordinate (B) at (4,0); +\coordinate (C) at (5,-2); +\coordinate (D) at (8,-1); +\coordinate (E) at (7,1); +\coordinate (F) at (7,3); +\coordinate (G) at (1,3); +\coordinate (H) at (5,4); +\coordinate (I) at (9,5); +\coordinate (J) at (4,7); +\coordinate (K) at (-1,9); +\coordinate (L) at (7,11); +\coordinate (M) at (6,-0.5); + +\fill[color=gray,opacity=0.5] (A)--(B)--(H)--(G)--cycle; +\fill[color=gray,opacity=0.5] (G)--(I)--(K)--cycle; +\fill[color=gray,opacity=0.5] (G)--(L)--(K)--cycle; + +\draw (K)--(G)--(A)--(B)--(D); +\draw (C)--(E); +\draw (G)--(I)--(K); +\draw (G)--(L)--(K); +\draw (B)--(H); +\draw (B)--(F); + +\fill (A) circle[radius=0.1]; +\fill (B) circle[radius=0.1]; +\fill (C) circle[radius=0.1]; +\fill (D) circle[radius=0.1]; +\fill (E) circle[radius=0.1]; +\fill (F) circle[radius=0.1]; +\fill (G) circle[radius=0.1]; +\fill (H) circle[radius=0.1]; +\fill (I) circle[radius=0.1]; +%\fill (J) circle[radius=0.1]; +\fill (K) circle[radius=0.1]; +\fill (L) circle[radius=0.1]; +%\fill (M) circle[radius=0.1]; + +\draw[color=red] (H) circle[radius=0.5]; +\draw[color=red] (J) circle[radius=0.5]; +\draw[color=red] (M) circle[radius=0.5]; +\draw[color=red] ($0.25*(A)+0.25*(B)+0.25*(G)+0.25*(H)$) circle[radius=0.5]; + +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=3.5cm,scale=0.5] +\coordinate (A) at (0,0); +\coordinate (B) at (4,0); +\coordinate (C) at (5,-2); +\coordinate (D) at (8,-1); +\coordinate (E) at (7,1); +\coordinate (F) at (7,3); +\coordinate (G) at (1,3); +\coordinate (H) at (5,4); +\coordinate (I) at (9,5); +\coordinate (J) at (4,7); +\coordinate (K) at (-1,9); +\coordinate (L) at (7,11); +\coordinate (M) at (6,-0.5); + +\fill[color=gray!50] (A)--(B)--(H)--(I)--(J)--(L)--(K)--(G)--cycle; + +\draw (K)--(G)--(A)--(B)--(D); +\draw (C)--(E); +\draw (G)--(I)--(K); +\draw (G)--(L)--(K); +\draw (B)--(H); +\draw (B)--(F); +\draw (H)--(J); +\draw (A)--(H); + +\fill (A) circle[radius=0.1]; +\fill (B) circle[radius=0.1]; +\fill (C) circle[radius=0.1]; +\fill (D) circle[radius=0.1]; +\fill (E) circle[radius=0.1]; +\fill (F) circle[radius=0.1]; +\fill (G) circle[radius=0.1]; +\fill (H) circle[radius=0.1]; +\fill (I) circle[radius=0.1]; +\fill (J) circle[radius=0.1]; +\fill (K) circle[radius=0.1]; +\fill (L) circle[radius=0.1]; +\fill (M) circle[radius=0.1]; + +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/95-homologie/komplex.tex b/buch/chapters/95-homologie/komplex.tex index 6dd8efb..7ed5937 100644 --- a/buch/chapters/95-homologie/komplex.tex +++ b/buch/chapters/95-homologie/komplex.tex @@ -6,9 +6,107 @@ \section{Kettenkomplexe \label{buch:section:komplex}} \rhead{Kettenkomplexe} +Die algebraische Struktur, die in Abschnitt~\ref{buch:subsection:triangulation} +konstruiert wurde, kann noch etwas abstrakter konstruiert werden. +Es ergibt sich das Konzept eines Kettenkomplexes. +Die Triangulation gibt also Anlass zu einem Kettenkomplex. +So lässt sich zu einem geometrischen Objekt ein algebraisches +Vergleichsobjekt konstruieren. +Im Idealfall lassens ich anschliessend geometrische Eigenschaften mit +algebraischen Rechnungen zum Beispiel in Vektorräumen mit Matrizen +beantworten. -\subsection{Randoperator von Simplexen -\label{buch:subsection:randoperator-von-simplexen}} +\subsection{Definition +\label{buch:subsection:kettenkomplex-definition}} +Die Operation $\partial$, die für Simplizes konstruiert worden ist, +war linear und hat die Eigenschaft $\partial^2$ gehabt. +Diese Eigenschaften reichen bereits für Definition eines Kettenkomplexes. + +\begin{definition} +Eine Folge $C_0,C_1,C_2,\dots$ von Vektorräumen über dem Körper $\Bbbk$ +mit einer Folge von linearen Abbildungen +$\partial_k\colon C_k \to C_{k-1}$, dem {\em Randoperator}, +heisst ein Kettenkomplex, wenn $\partial_{k-1}\partial_k=0$ gilt +für alle $k>0$. +\end{definition} + +Die aus den Triangulationen konstruieren Vektorräme von +Abschnitt~\ref{buch:subsection:triangulation} bilden einen +Kettenkomplex. + +XXX nachrechnen: $\partial^2 = 0$ ? + +\subsection{Abbildungen +\label{buch:subsection:abbildungen}} +Wenn man verschiedene geometrische Objekte mit Hilfe von Triangulationen +vergleichen will, dann muss man auch das Konzept der Abbildungen zwischen +den geometrischen Objekten in die Kettenkomplexe transportieren. + +Eine Abbildung zwischen Kettenkomplexen muss einerseits eine lineare +Abbildung der Vektorräume $C_k$ sein, andererseits muss sich eine +solche Abbildung mit dem Randoperator vertragen. +Wir definieren daher + +\begin{definition} +Eine Abbildung $f_*$ zwischen zwei Kettenkomplexe $(C_*,\partial^C_*)$ und +$(D_*,\partial^D_*)$ heisst eine Abbildung von Kettenkomplexen, wenn +für jedes $k$ +\begin{equation} +\partial^D_k +\circ +f_{k} += +f_{k+1} +\circ +\partial^C_k +\label{buch:komplex:abbildung} +\end{equation} +gilt. +\end{definition} + +Die Beziehung~\eqref{buch:komplex:abbildung} kann übersichtlich als +kommutatives Diagramm dargestellt werden. +\begin{equation} +\begin{tikzcd} +0 + & C_0 \arrow[l, "\partial_0^C" above] + \arrow[d, "f_0"] + & C_1 \arrow[l,"\partial_1^C" above] + \arrow[d, "f_1"] + & C_2 \arrow[l,"\partial_2^C" above] + \arrow[d, "f_2"] + & \dots \arrow[l] + \arrow[l, "\partial_{k-1}^C" above] + & C_k + \arrow[l, "\partial_k^C" above] + \arrow[d, "f_k"] + & C_{k+1}\arrow[l, "\partial_{k+1}^C" above] + \arrow[d, "f_{k+1}"] + & \dots + \arrow[l,"\partial_{k+2}^C"] +\\ +0 + & D_0 \arrow[l, "\partial_0^D" above] + & D_1 \arrow[l,"\partial_1^D" above] + & D_2 \arrow[l,"\partial_2^D" above] + & \dots \arrow[l] + \arrow[l, "\partial_{k-1}^D" above] + & D_k + \arrow[l, "\partial_k^D" above] + & D_{k+1}\arrow[l, "\partial_{k+1}^D" above] + & \dots + \arrow[l,"\partial_{k+2}^D" above] +\end{tikzcd} +\label{buch:komplex:abbcd} +\end{equation} +Die Relation~\eqref{buch:komplex:abbildung} drückt aus, dass man jeden +den Pfeilen im Diagram~\eqref{buch:komplex:abbcd} folgen kann und +dabei zwischen zwei Vektorräumen unabhängig vom Weg die gleiche Abbildung +resultiert. + +Die Verfeinerung einer Triangulation erzeugt eine solche Abbildung von +Komplexen. + + +% XXX simpliziale Approximation -\subsection{Kettenkomplexe und Morphismen -\label{buch:subsection:kettenkomplex}} diff --git a/buch/chapters/95-homologie/mayervietoris.tex b/buch/chapters/95-homologie/mayervietoris.tex deleted file mode 100644 index 57105f8..0000000 --- a/buch/chapters/95-homologie/mayervietoris.tex +++ /dev/null @@ -1,28 +0,0 @@ -% -% mayervietoris.tex -% -% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule -% -\section{Exaktheit und die Mayer-Vietoris-Folge -\label{buch:section:mayervietoris}} -\rhead{Exaktheit und die Mayer-Vietoris-Folge} -Die Berechnung der Homologie-Gruppen ist zwar im Wesentlichen ein -kombinatorisches Problem, trotzdem ist eher aufwändig. -Oft weiss man, wie sich toplogische Räume aus einfacheren Räumen -zusammensetzen lassen. -Eine Mannigkfaltigkeit zum Beispiel wird durch die Karten -definiert, also zusammenziehbare Teilmengen von $\mathbb{R}^n$, -die die Mannigkfaltigkeit überdecken. -Das Ziel dieses Abschnittes ist, Regeln zusammenzustellen, mit denen -man die Homologie eines solchen zusammengesetzten Raumes aus der -Homologie der einzelnen Teile und aus den ``Verklebungsabbildungen'', -die die Teile verbinden, zu berechnen. - -\subsection{Kurze exakte Folgen von Kettenkomplexen -\label{buch:subsection:exaktefolgen}} - -\subsection{Schlangenlemma und lange exakte Folgen -\label{buch:subsection:schlangenlemma}} - -\subsection{Mayer-Vietoris-Folge -\label{buch:subsection:mayervietoris}} diff --git a/buch/chapters/95-homologie/simplex.tex b/buch/chapters/95-homologie/simplex.tex index 5ca2ca8..0cf4aa7 100644 --- a/buch/chapters/95-homologie/simplex.tex +++ b/buch/chapters/95-homologie/simplex.tex @@ -1,17 +1,17 @@ % -% simplex.tex -- simplizes und simpliziale Komplexe +% simplex.tex -- simplizes und Polyeder % % (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Simplexe und simpliziale Komplexe +\section{Simplices \label{buch:section:simplexe}} -\rhead{Simplexe und simpliziale Komplexe} +\rhead{Simplices} Die Idee, das Dreieck und seinen Rand zu unterscheiden verlangt, dass wir zunächst Dreiecke und deren höherdimensionale Verallgemeinerungen, die sogenannten Simplizes entwickeln müssen. -\subsection{Simplexe und Rand -\label{buch:subsection:simplexe}} +\subsection{Simplices und Rand +\label{buch:subsection:simplices}} \subsubsection{Rand eines Dreiecks} Die Inzidenz-Matrix eines Graphen hat einer Kante die beiden Endpunkte @@ -231,8 +231,127 @@ Vorzeichen zu, die Matrix ist \] \end{definition} +\subsection{Polyeder} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/95-homologie/images/polyeder.pdf} +\caption{Aufbau eines zweidimensionalen Polyeders aus +verschiedenen Simplizes. +Die Schnittmenge zweier Simplizes muss ein Untersimplex beider Simplizes +sein. +Die roten Kreise im linken Bild weisen auf verschiedene Situationen +hin, wo das diese Bedingung nicht erfüllt ist. +In rechten Bild sind zusätzliche Simlizes hinzugefügt worden, um +die Bedingungen eines Polyeders zu erfüllen. +\label{buch:homologie:figure:polyeder}} +\end{figure} +Aus einzelnen Simplizes können jetzt kompliziertere geometrische +Objekte gebaut werden. +Ein Graph ist ein Beispiel für ein geometrisches Objekt, welches +als Vereinigung von 1-Simplizes entsteht. +Die Vereinigung ist aber nicht beliebig, vielmehr ist die Schnittmenge +zweier beliebiger 1-Simplizes immer entweder leer, eine Menge +mit nur einem Vertex oder ein ganzes 1-Simplex. + +Dies reicht aber nicht, wie Abbildung~\ref{buch:homologie:polyeder} +zeigt. +In einem Graphen dürfen sich Kanten nicht in einem inneren Punkt treffen, +sondern nur in Endpunkten. +Verallgemeinert auf höherdimensionale Simplizes kann man dies als die +Bedingung formulieren, dass die Schnittmenge zweier beliebiger +Simplizes immer Untersimplizes beider Simplizes sein müssen. +Wir fassen dies zusammen in der folgenden Definition. + +\begin{definition} +\index{Polyeder}% +\index{Dimension eines Polyeders}% +\index{Polyeder, Dimension eines}% +Ein {\em Polyeder} ist eine Vereingung von endlich vielen Simplizes derart, +dass die Schnittmenge zweier beliebiger Simplizes immer ein Untersimplex +beider Simplizes ist. +Die {\em Dimension} des Polyeders ist die grösste Dimension der darin +enthaltenen Simplizes. +\end{definition} + +Ein Graph ist nach dieser Definition ein eindimensionales Polyeder. +Die Mengen in der Abbildung~\ref{buch:homologie:figure:polyeder} +ist kein Polyeder, kann aber leicht zu einem Polyeder gemacht werden, +indem man einzelne Kanten mit zusätzlichen Punkten unterteilt. +Auch müssen die zweidimensionalen Simplizes aufgeteilt werden. + +Die Abbildung~\ref{buch:homologie:figure:polyeder} zeigt auch, dass +die Darstellung einer Punktmenge als Polyeder nicht eindeutig ist. +Man kann die Kanten und Flächen jederzeit weiter unterteilen, ohne +dass sich die Gestalt der gesamten Menge dadurch ändert. \subsection{Triangulation -\label{buch:subsection:}} +\label{buch:subsection:triangulation}} +Unser Ziel ist, geometrische Objekte besser verstehen zu können. +Dabei sind uns Deformationen ja sogar Knicke egal, es interessiert uns +nur die ``Gestalt'' des Objekts. +Entfernungen zwischen Punkten sind ebenfalls von untergeordneter +Bedeutung, da sie bei Deformation nicht erhalten bleiben. +Der Begriff des ``topologischen Raumes'' fasst diese Ideen mathematisch +präzise ein, eine genaue Definition würde aber an dieser Stelle zu weit +führen. +Stattdessen beschränken wir uns auf eine Klasse von Punktmengen, die man +mit Simplizes beschreiben kann. + +Ein topologischer Raum zeichnet sich durch einen Nachbarschaftsbegriff +von Punkte aus, der erlaubt zu definieren, was eine stetige Abbildung ist. +Ein stetige Abbildungen bildet nahe beeinander liegende Punkte wieder +auf nahe beeinander liegende Punkte ab. +Dass nahe liegende Punkte nicht plötzlich auf weit auseinander liegende +Punkte abgebildet werden gibt die Intuition wieder, dass Deformationen +möglich sein sollen, dass der Raum dabei aber nicht ``reissen'' darf. +Zwei topologische Räume $X$ und $Y$ können daher als ``gleichgestaltig'' +betrachtet werden, wenn es zwei stetige Abbildungen $f\colon X\to Y$ +und $g\colon Y\to X$ gibt, die zu einander invers sein. +Oder wenn sich $X$ stetig auf $Y$ abbilden lässt, so dass auch die +Umkehrabbildung stetig ist. +Eine solche Abbildung heisst ein {\em Homöomorphismus}, die beiden Räume +$X$ und $Y$ heissen {\em homomorph}. + +Eine Kugel ist natürlich kein Polyeder, aber sie kann leicht homöomorph +auf ein dreidimensionales Simplex abgebildet werden. + +\begin{beispiel} +Sei $T$ ein reguläres Tetraeder mit den Ecken auf der dreidimensionalen +Einheitskugel $B^3$. +Für jeden Richtungsvektor $x\ne 0$ sei $l(x)$ Entfernung vom Mittelpunkt des +Tetraeders bis zum Durchstosspunkt einer Geraden durch den Mittelpunkt +mit Richtungsvektor $x$ durch die Oberfläche des Tetraeders. +Dann sind die Abbildungen +\[ +f\colon +T\to B^3 +: +x \mapsto\begin{cases} +\displaystyle +\frac{x}{l(x)}&\quad\text{für $x\ne 0$}\\ +0&\quad\text{für $x=0$} +\end{cases} +\qquad\text{und}\qquad +g\colon +B^3\to T +: +x \mapsto\begin{cases} +l(x) x&\quad\text{für $x\ne 0$}\\ +0&\quad\text{für $x=0$} +\end{cases} +\] +zueinander inverse stetige Abbildungen oder Homöomorphismen. +\end{beispiel} + +Im Folgenden sollen daher nur solche topologischen Räume untersucht werden, +die homöomorph sind zu einem Polyeder. +Man nennt die homöomorphe Abbildung eines Polyeders auf so einen Raum +auch eine Triangulation. +Durch Unterteilung der Simplizes in kleiner Simplizes kann eine solche +Triangulation beliebig verfeinert werden. + + + + |