代數拓樸二:同調與上同調

單純同調(simplicial homology)

若一個空間是由三角形、四面體及其高維類比沿邊黏合而成——一個單純複形——那麼就有一套有限、可動手的方法計算它的洞,完全不必碰奇異理論那不可數的機器。單純同調就是這套組合配方:你列出各單純形,帶符號寫下它們的邊界,然後在整數上做線性代數。

具體而言,先固定頂點的一個排序。一個定向 n 單純形 [v_0, ..., v_n] 為鏈群 C_n 貢獻一個生成元,而 C_n 現在是複形中有限多個 n 單純形上的自由阿貝爾群。邊界算子是明確的交錯面和 d[v_0, ..., v_n] = sum over i of (-1)^i [v_0, ..., v_i-hat, ..., v_n],其中帽子表示刪去該頂點。透過直接的符號記帳可驗證 d d = 0,然後 H_n = ker(d_n) / im(d_{n+1}),與先前完全一樣——但現在每個群都是有限生成的,因此你可以實際地把整數矩陣化為史密斯標準形,算出秩與撓元。

由艾倫伯格等人證明的深刻事實是:對可三角剖分的空間,任一三角剖分的單純同調與底空間的奇異同調一致,因此與所選的三角剖分無關。這正是一切手算的依據:你挑最經濟的三角剖分,把矩陣磨出來,答案就是真正的拓樸不變量。它也是整個學科歷史與概念上的根源——同調最初是單純的,奇異理論後來才出現以去除三角剖分的假設。

誠實的限制就是三角剖分假設本身。並非每個空間都是單純複形,即便對流形而言三角剖分的存在性也很微妙(在高維可能失敗)。當你已有組合模型時,單純同調是對的工具;對任意空間則退回奇異或胞腔同調。

把圓 S^1 三角剖分為一個三角形的邊界:三個頂點 a、b、c 與三條邊。1 鏈由 [a,b]、[b,c]、[c,a] 張成;閉鏈 [a,b]+[b,c]+[c,a] 的邊界為零,但它本身不是任何 2 鏈的邊界(沒有 2 單純形),因此生成 H_1 = Z,與圓的一個洞相符。

S^1 的邊界三角形:一個非平凡 1 閉鏈給出 H_1 = Z。

單純同調與奇異同調對可三角剖分的空間一致,但這個一致是定理而非定義;不要假設每個空間都容許三角剖分——在高維有些並不容許。

又称
simplicial homology groups單純同調群