覆疊變換(deck transformation)
在一座疊於圓形車道上的螺旋坡道上,你可以把整座坡道恰好往上滑一層,它便完美地落回自身——每一點都移動了,但地面上的投影不變。這種尊重往基底投影的覆疊自身對稱,就是一個覆疊變換。把它們收集起來構成一個群,結果竟編碼了基底的基本群。
給定覆疊 p: X~ -> X,一個覆疊變換是滿足 p ∘ phi = p 的同胚 phi: X~ -> X~——它在保持下方落點不變的同時置換覆疊。這些變換在複合下構成一個群 Deck(X~ / X),即覆疊變換群(也稱覆疊的自同構群)。一個源自唯一提升的關鍵剛性:一個覆疊變換完全由它把某一纖維中的單一點送往何處所決定,故覆疊變換群自由地作用(沒有非平凡的覆疊變換有不動點)。對萬有覆疊,作用在每個纖維上還是可遞的,於是 Deck(X~ / X) 同構於整個基本群 pi_1(X, x_0)。
這是覆疊空間理論的精華所在:pi_1 不只是抽象的迴圈群,它被具體地實現為萬有覆疊的對稱群,且 X = X~ / pi_1(X)。更一般地,對應於子群 H 的連通覆疊,恰當 H 是 pi_1 的正規子群時稱為正規(或正則、或伽羅瓦)覆疊,此時 Deck = pi_1 / H 在纖維上可遞地作用——與域擴張的伽羅瓦理論完美平行,覆疊扮演中間域、覆疊變換群扮演伽羅瓦群。誠實的告誡:對非正規覆疊,覆疊變換群小於 pi_1 / H(它是 H 的正規化子對 H 的商),故覆疊變換群並不總能「看見」整個基本群——只有正規覆疊、尤其是萬有覆疊,才給出乾淨的對應。
對於 R -> S^1,覆疊變換是整數平移 s -> s + n;此群為 Z,與 pi_1(S^1) = Z 吻合。對於 S^2 -> RP^2,唯一的非平凡覆疊變換是對徑映射 x -> -x,給出覆疊變換群 Z/2 = pi_1(RP^2)。
萬有覆疊的覆疊變換群再現 pi_1:圓的整數平移、射影平面的對徑翻轉。
Deck(X~ / X) 等於 pi_1(X) 只對萬有(或任一正規)覆疊成立;對非正規覆疊,覆疊變換群甚至可能平凡而 pi_1 卻很大。無條件地把「覆疊變換群」等同於「基本群」是常見的失誤。