卡積(cap product)
杯積把兩個上同調類相乘。卡積則是混合運算,讓上同調類作用在同調類上,降低其次數:上鏈吃掉鏈的一部分,留下其餘。它是使龐加萊對偶具體化的橋——與基本類取卡積,正是把流形上的上同調轉成同調的那個映射。
具體地,卡積把 H^p(X; R) 與 H_n(X; R) 配對,產生 H_{n-p}(X; R) 中的類。在鏈上:給定次數 p 的上鏈 alpha 與一個奇異 n 單純形 sigma,alpha cap sigma 是 alpha 作用於 sigma 的前 p 面,乘以 sigma 的後 (n-p) 面作為一個鏈,alpha cap sigma = alpha(sigma 限於 [v_0, ..., v_p]) 乘以 (sigma 限於 [v_p, ..., v_n])。所以上鏈消耗前面的各面,倖存下來的是一個較低維的鏈。一條聯繫邊界、上邊界、杯與卡的萊布尼茲型恆等式保證該運算下降到同調與上同調類,且卡與杯相容:(alpha cup beta) cap z = alpha cap (beta cap z)。
卡積的招牌角色是龐加萊對偶。在閉定向 n 流形 M 上有一個基本類 [M] 落在 H_n(M),與它取卡積,alpha -> alpha cap [M],是一個同構 H^p(M) -> H_{n-p}(M)。因此卡積不是稀奇玩意而是對偶的運算心臟:它是那個明確的同構,而不僅是群同構這個抽象斷言。它也給出投影公式,並支撐斜積與交截理論。
關於變性與符號的提醒。卡積以混合方式自然——它滿足投影公式 f_*(f^* alpha cap z) = alpha cap f_*(z) 而非單純的自然性,因為上同調反變而同調共變。如同杯積,有依次數而定的符號要遵守。而取卡積把同調次數降低上同調次數,絕不升高;搞混哪個因子被消耗(前面對後面)是符號與次數錯誤的標準來源。
在虧格 g 的閉定向曲面上,基本類 [M] 落在 H_2,把 1 次上同調類 alpha 與 [M] 取卡積得到 H_1 中的 1 次同調類 alpha cap [M],而這個對應正是龐加萊對偶同構 H^1(M) -> H_1(M)。幾何上,alpha 對偶於一條曲線,取卡積把那條曲線讀作一個同調閉鏈。
與基本類取卡積實現了龐加萊對偶同構。
卡積把同調次數降低上同調次數,且遵守投影公式而非單純的自然性,因為同調共變而上同調反變。要追蹤每個因子消耗哪個面(前對後),否則符號與次數會出錯。