代數拓樸一:同倫與基本群

圓的基本群(fundamental group of the circle)

初等同倫論中最重要的單一計算,是圓上的迴圈由一個整數分類:迴圈繞行的圈數,並計入方向。逆時針繞一圈你便無法解消它;繞一圈再倒繞一圈則兩者抵消。這個整數就是繞數,而命題 pi_1(S^1) ≅ Z 說的正是它是迴圈在形變意義下的完全不變量。

其證明是提升機制的範式例子。使用覆疊映射 p: R -> S^1,p(s) = (cos 2 pi s, sin 2 pi s),它把實直線纏繞到圓上,整數恰好落在基點 1 的上方。任何以 1 為基點的圓上迴圈 gamma 唯一地提升為 R 中從 0 出發的道路 gamma~(這是覆疊的道路提升性質)。因為 gamma 是迴圈,它的提升終止於某整數 n = gamma~(1);這個 n 就是繞數,而由同倫提升性質,映射 [gamma] -> n 是良好定義的同態 pi_1(S^1) -> Z。它是滿射(迴圈 s -> n s 繞行 n 次)也是單射(繞 0 圈的迴圈提升為 R 中的一條迴圈,而 R 可縮,故原迴圈零同倫)。因此此映射是同構。

這一個事實驅動了出人意料多的數學。它是二維布勞威爾不動點定理背後的引擎、是代數基本定理的根據(n 次多項式在大圓上繞行 n 次,故必有根)、以及圓盤到其邊界無收縮的原因。在結構上,它是第一個非平凡的覆疊空間計算,也是計算任何由圓搭建之空間的 pi_1 的範本。誠實一提:「繞 n 次」這幅俐落圖像是對的,但嚴格性完全寄於唯一道路提升與同倫提升——少了它們,繞數在同倫類上甚至沒有良好定義。

迴圈 gamma(t) = (cos 4 pi t, sin 4 pi t) 提升為 R 中的 gamma~(t) = 2t,終於 2,故 [gamma] 對應於 Z 中的 2——它繞行兩次。把它與一條順時針繞一圈的迴圈(提升終於 -1)接合,得到一條提升終於 1 的迴圈,故為類 1,恰如 Z 中 2 + (-1) = 1。

繞數在接合下相加,與 Z 中的加法吻合——同構 pi_1(S^1) = Z 的具體呈現。

此結果需要完整的覆疊 R -> S^1;像 n 重自覆疊 S^1 -> S^1 這樣的有限覆疊偵測不出完整的 Z,你無法從有限覆疊讀出 Z。正是萬有覆疊 R(其可縮)強迫了單射性。

又稱
pi_1(S^1) = Zwinding number theorem圓周基本群