代數拓樸一:同倫與基本群

提升判據(lifting criterion)

假設你有一個疊在基底上的覆疊 p: X~ -> X,以及一個從下方某個別空間上來的映射 f: Y -> X。自然的問題是:你能否把 f 抬升為一個落在覆疊裡的映射 f~: Y -> X~,使 p ∘ f~ = f?有時能、有時不能,而其障礙純粹是群論的。提升判據正是「提升何時存在」的精確陳述,也是把覆疊空間化為一部關於 pi_1 子群之字典的橋樑。

設 p: (X~, x~_0) -> (X, x_0) 是一個 X~ 道路連通的覆疊,f: (Y, y_0) -> (X, x_0) 是保基點映射,Y 道路連通且局部道路連通。則保基點的提升 f~: (Y, y_0) -> (X~, x~_0)(滿足 p ∘ f~ = f)存在,若且唯若 f 在基本群上的像落在覆疊的像之內:作為 pi_1(X, x_0) 的子群,f_*(pi_1(Y, y_0)) 包含於 p_*(pi_1(X~, x~_0))。當提升存在時它是唯一的(在選定基點下),因為兩個在某一點相符的提升,由道路提升的唯一性而處處相符。其證明是構造性的:要算 f~(y),取一條從 y_0 到 y 的道路,用 f 把它壓下去,在覆疊中從 x~_0 起提升那條道路,再讀出終點——子群條件正是使這與所選道路無關的關鍵。

這單一判據組織了整套理論。取 Y 為另一覆疊便得覆疊的比較與伽羅瓦對應;取 Y = X~ 且 f = p 便復現覆疊變換;取 Y 單連通(pi_1 平凡)便表明來自單連通空間的每個映射皆可提升,這也是萬有覆疊能接受任何映射之提升的原因。它還立即重證了 pi_1(S^1) = Z 的單射性以及繞數背後的唯一提升事實。值得指出的告誡:Y 的局部道路連通性是真正的假設、而非裝飾——去掉它,所構造的提升可能不連續。

試圖將恆等映射 S^1 -> S^1 透過雙重覆疊 p: S^1 -> S^1(p(z) = z^2)提升。此處 f_*(pi_1) = Z 而 p_*(pi_1) = 2Z,且 Z 不包含於 2Z,故無連續提升存在——整個圓上沒有連續的平方根函數,這正是判據一眼便預測到的。

Z 不在 2Z 中預示了整體平方根的失敗——覆疊空間障礙化作算術。

此判據針對保基點映射;當保基點提升不存在時,透過在纖維中選不同基點以共軛該子群,可能存在不保基點的提升。要記好基點,因為沒有基點時子群 p_*(pi_1) 只在共軛意義下確定。

又稱
lifting theoremthe criterion for lifting a map提升定理