§ 4. Đồng luân và phủ
1. Đồng luân và phủ
Mệnh đề 1 01Z5
Cho B là một không gian tôpô và E là một phủ của B. Cho là một không gian tôpô và và là các ánh xạ liên tục từ vào B. Nếu các ánh xạ và đồng luân, thì các phủ và của đẳng cấu.
Cho là một phép đồng luân nối với . Ta ký hiệu và là các ánh xạ và từ vào . Nếu , ta có và do đó các phủ và của đẳng cấu (I, p. 15). Vì không gian tôpô liên thông địa phương và đơn liên (I, p. 127, hệ quả), các phủ và của đẳng cấu (I, p. 130, hệ quả 1 của mệnh đề 8).
Hệ quả 01Z6
Một không gian tôpô đồng luân với một không gian tôpô đơn liên là đơn liên.
Cho B và là các không gian tôpô, cho là một tương đương đồng luân và cho là một ánh xạ liên tục, nghịch đảo của theo nghĩa đồng luân. Cho E là một phủ của B. Vì đồng luân với ánh xạ đồng nhất của B, nên phủ E đẳng cấu với phủ (mệnh đề 1). Nếu không gian đơn liên, phủ là tầm thường hóa được. Do đó, phủ E là tầm thường hóa được. Điều này chứng minh rằng không gian B là đơn liên.
Nhận xét 01Z7
Cho G là một nhóm tôpô rời rạc. Với ký hiệu của mệnh đề, giả sử E là một phủ chính với nhóm G. Khi đó các phủ và là các phủ chính đẳng cấu (I, p. 131, nhận xét).
Mệnh đề 2 (Nâng của các phép đồng luân) 01Z8
Cho B là một không gian tôpô và E là một phủ của B. Cho là một không gian tôpô và và là các ánh xạ liên tục từ vào B. Cho là một phép đồng luân nối với . Cho là một phép nâng liên tục của lên E. Tồn tại duy nhất một ánh xạ liên tục E nâng , là một phép đồng luân có số hạng ban đầu . Số hạng của nó là một phép nâng liên tục của lên E.
Điều này suy ra từ hệ quả 3 của mệnh đề 8 của I, p. 130, áp dụng cho không gian tôpô đơn liên và liên thông địa phương.
2. Nâng các đường
Mệnh đề 3 01Z9
Cho B là một không gian tôpô và là một phủ. Ta ký hiệu bằng ánh xạ . Ta ký hiệu bằng ( resp. ) ánh xạ được xác định bởi . Khi đó, biểu đồ
E
B là một bình phương Descartes.
Không gian tôpô liên thông địa phương, compact địa phương và đơn liên. Mệnh đề do đó suy ra từ mệnh đề 9 của I, p. 131, áp dụng với và .
Hệ quả 1 01ZA
Ánh xạ là một phủ.
Điều này suy ra từ I, p. 71, hệ quả 2 của mệnh đề 1.
Hệ quả 2 (Nâng các đường đi) 01ZB
Cho là một phủ, cho là một điểm của E và . Ánh xạ là một phép đồng phôi của không gian các đường đi trong E có gốc lên không gian các đường đi trong B có gốc .
Với ký hiệu của mệnh đề 3, ta có và . Hệ quả khi đó suy ra từ I, p. 10, hệ quả của mệnh đề 4.
Ta sẽ nói rằng một ánh xạ liên tục thỏa mãn tính chất nâng đường đi nếu, với mọi đường đi B và mọi điểm của E nằm trên , tồn tại một đường đi trong E có gốc nâng . Khi đó một đường đi như vậy là duy nhất nếu étale và tách được (I, p. 34, hệ quả 1 của mệnh đề 11). Cho E là một phủ và là phép chiếu của nó; ánh xạ là étale, tách được và có tính chất nâng đường đi (hệ quả 2). Đối với đảo lại từng phần, cf. III, p. 315, hệ quả.
Mệnh đề 4 01ZC
Cho là một ánh xạ étale và tách được thỏa mãn tính chất nâng đường đi. Cho và là các điểm của B và cho là một điểm của E sao cho . Cho và là hai đường đi đồng luân ngặt nối với trong B. Các đường đi có gốc trong E lần lượt nâng và có cùng số hạng và đồng luân ngặt.
Cho B là một đồng luân ngặt nối với . Với , cho là đường đi duy nhất có gốc trong E nâng đường đi . Với , đặt ; ta có . Ánh xạ là hằng trên ; theo cách dựng, nó liên tục trên với mọi . Do đó nó liên tục, theo I, p. 37, hệ quả 1 của định lý 1. Đặc biệt, ánh xạ từ vào xác định bởi là một nâng liên tục của đường đi hằng có ảnh là ; do đó nó là hằng. Điều này chứng minh rằng ánh xạ là một đồng luân ngặt nối với .
Hệ quả 1 01ZD
Cho B là một không gian tôpô và E là một phủ của B; ký hiệu là phép chiếu của nó. Với mọi cặp các điểm của E, ánh xạ là đơn ánh. Đặc biệt, với mọi điểm của E, đồng cấu là đơn ánh.
Hệ quả 2 01ZE
Cho B là một không gian tôpô và E là một phủ của B; ký hiệu là phép chiếu của nó. Cho là một điểm của E, và đặt . Để lớp trong của một đường cong kín trong B tại thuộc nhóm con ảnh của đồng cấu , điều kiện cần và đủ là đường đi có điểm đầu nâng phải là một đường cong kín của E tại .
Điều kiện này hiển nhiên là đủ. Ngược lại, cho là một đường cong kín của E tại . Đặt và giả sử rằng các đường cong kín và đồng luân chặt. Theo Mệnh đề 4, đường đi có cùng điểm cuối với đường đi . Do đó nó là một đường cong kín tại .
Hệ quả 3 01ZF
Cho B là một không gian tôpô và và là các phủ của B. Ký hiệu là tích thớ của chúng trên B, và cho là một điểm của E. Ảnh của đồng cấu là giao của các ảnh của các đồng cấu và .
Cho là một đường cong kín trong B tại và, với , cho là đường đi có điểm đầu trong nâng . Tích thớ trên B là một phủ của B (I, p. 72, hệ quả 3 của Mệnh đề 2), và đường đi là đường đi duy nhất có điểm đầu trong E nâng . Để là một đường cong kín, điều kiện cần và đủ là và cũng là các đường cong kín. Hệ quả 3 do đó suy ra từ Hệ quả 2.
3. Các phép toán của groupoid Poincaré trong các phủ
Cho B là một không gian tôpô và B là một ánh xạ étale và tách được thỏa mãn tính chất nâng đường đi (III, p. 302); đây là trường hợp nếu ánh xạ làm cho E trở thành một phủ của B (loc. cit.). Cho và là các điểm của B và là một đường đi trong B nối với . Với mỗi điểm của thớ , ta ký hiệu là số hạng của đường đi có điểm đầu trong E nâng . Điểm thuộc thớ và chỉ phụ thuộc vào lớp của đường đi III, p. 302, prop. 4); do đó ta sẽ viết thay cho .
Nếu là đường đi hằng tại , thì vì đường đi hằng có điểm đầu nâng .
Cho là một điểm khác của B và . Với mọi điểm của , ta có:
Thật vậy, gọi là phép nâng của có điểm đầu và là phép nâng của có điểm đầu . Các đường đi và có thể ghép nối với nhau và là đường đi có điểm đầu nâng .
Ta ký hiệu là ánh xạ sao cho, với và , ta có
Với mọi và mọi , từ quan hệ (1) suy ra
Họ do đó xác định một luật phép toán phải của nhómoid trên tập hợp E đối với ánh xạ B (II, p. 167). Nó được gọi là phép toán chính tắc của nhómoid liên kết với ánh xạ . Ánh xạ xác định một luật phép toán phải của nhóm trên thớ của E. Phép toán này được gọi là phép toán chính tắc của trên thớ .
Nhận xét 01ZG
Cho và là hai điểm của B một điểm của một đường đi trong B và đường đi trong E khởi đầu tại nâng . Với mọi , ký hiệu là đường đi ; đường đi trong E khởi đầu tại nâng là đường đi có số hạng là điểm . Do đó ta có với mọi .
Cho là một không gian tôpô và cho là một ánh xạ étale và tách biệt thỏa mãn tính chất nâng đường đi. Cho và là các ánh xạ liên tục sao cho . Với và , ta có:
Thật vậy, cho là một đường đi trong B có lớp đồng luân ngặt là , và ký hiệu là đường đi trong E khởi đầu tại nâng ; khi đó đường đi là nâng khởi đầu tại của trong .
Đặc biệt, với và Id, ta có
Cho và là các ánh xạ étale và tách biệt thỏa mãn tính chất nâng đường đi. Cho là một điểm của B. Nếu là một cấu xạ B, thì ánh xạ là một cấu xạ .
Định lý 1 01ZH
Cho B là một không gian tôpô, cho là một phủ của B, cho là một điểm của B và cho là một điểm của thớ .
a) Quỹ đạo của đối với phép toán chính tắc của nhóm là giao của và thành phần liên cung của trong E. Đặc biệt, nếu không gian E liên cung, phép toán này là bắc cầu.
b) Nhóm ổn định (A, I, p. 51) của là nhóm con của .
c) Với mọi , ta có Int( ) .
d) Nếu không gian B liên thông và phép phủ E là Galois, nhóm con là chuẩn tắc trong .
Mệnh đề a) là ngay lập tức. Mệnh đề b) suy ra từ Hệ quả 2 của Mệnh đề 4 (III, p. 303). Mệnh đề c) suy ra từ b) và từ Mệnh đề 2 của A, I, p. 52. Cuối cùng, giả sử B liên thông và E là một phép phủ Galois của B. Với mọi , tồn tại một tự đẳng cấu B của E sao cho I, p. 102, th. 2, c)). Ta có , do đó . Mệnh đề d) do đó suy ra từ c).
4. Trường hợp các phép phủ liên kết với một phép phủ chính
Cho B là một không gian tôpô, G là một nhóm tôpô rời rạc, và E là một phép phủ chính của B với nhóm G. Ký hiệu là phép chiếu của B-không gian E. Cho là một điểm của B và là một điểm của .
Mệnh đề 5 01ZI
Ánh xạ từ vào G, ánh xạ mỗi vào phần tử duy nhất của G sao cho , là một đồng cấu nhóm, có hạt nhân là nhóm con của . Nếu E liên thông, đồng cấu này là toàn ánh.
Với mọi , ta có Int().
Cho E là một phép phủ chính của B với nhóm G, cho là một điểm của , và ký hiệu là phép chiếu của E. Với mọi , ánh xạ là một tự đẳng cấu B của E. Do đó, với mọi , mọi , và mọi , ta có quan hệ cf. III, p. 305, quan hệ (4)). Do đó, với , ta có
điều này chứng minh rằng là một đồng cấu nhóm.
Hạt nhân của nó là nhóm ổn định của đối với phép toán chính tắc của , do đó bằng theo Định lý 1 của III, p. 305. Ánh xạ là một song ánh từ G lên . Ảnh của đồng cấu do đó là tập hợp các sao cho thuộc quỹ đạo của đối với phép toán này. Nếu E liên thông, tác động bắc cầu trên loc. cit.) và đồng cấu là toàn ánh.
Cho ; với mọi , ta có
do đó . Điều này hoàn tất chứng minh mệnh đề.
Ví dụ 1 01ZJ
Cho F là một tập hợp rời rạc được trang bị một phép toán của G, và cho là phép phủ liên kết của B. Ký hiệu là cấu xạ B chính tắc. Nó là một cấu xạ của các phép phủ. Với mọi và mọi , ta có
(5)
Nếu đồng nhất F với bằng ánh xạ song ánh , thì suy ra phép toán phải Aut(X) là hợp của đồng cấu , phản đồng cấu của G vào chính nó và đồng cấu Aut(F) suy ra từ phép toán của G trên F.
Ví dụ 2 01ZK
Cho H là một nhóm tôpô rời rạc, cho là một cấu xạ nhóm. Trang bị cho H phép toán trái của G xác định bởi , với và . Cho là phủ liên kết; nó là một phủ chính của nhóm H (I, p. 107, Ví dụ 6). Ký hiệu là ánh xạ chính tắc và đặt . Ta có .
Thật vậy, cho là một vòng tại trong B, cho là lớp của nó trong và cho ; do đó ta có . Cho là một đường đi có gốc trong E; khi đó là một đường đi có gốc trong nâng đường đi trong B, do đó
điều này chứng minh rằng .
Bài tập
Xem các bài tập cho § 4.