Bourbaki

§ 5. Đồng luân và các phép phủ (trường hợp các không gian liên thông cung địa phương)

1. Điều kiện đồng luân để nâng các ánh xạ liên tục

Mệnh đề 1 01ZL

Cho B là một không gian tôpô và cho (E,p)(E, p) là một phép phủ của B. Cho Y là một không gian tôpô và cho f:Y→Bf: Y\rightarrow B là một ánh xạ liên tục. Cho y∈y\in Y,x∈,x\in E,b∈,b\in B là các điểm sao cho f(y)=p(x)=bf(y) =p(x) =b. Giả sử không gian Y liên thông và liên thông cung địa phương. Để tồn tại một ánh xạ nâng liên tục g:Y→Eg: Y\rightarrow E của ff sao cho g(y)=xg(y) =x, điều kiện cần và đủ là ảnh của đồng cấu π1(f,y):π1(Y,y)→π1(B,b)\pi_1(f, y):\pi_1(Y, y)\rightarrow \pi_1(B, b) được chứa trong ảnh của đồng cấu π1(p,x):π1(E,x)→π1(B,b)\pi_1(p, x):\pi_1(E, x)\rightarrow \pi_1(B, b).

Điều kiện này là cần mà không cần bất kỳ giả thiết nào về không gian Y. Thật vậy, nếu một ánh xạ nâng gg như vậy tồn tại, ta có π1(f,y)=π1(p,x)∘π1(g,y)\pi_1(f, y) =\pi_1(p, x)\circ \pi_1(g, y).

Hãy chứng minh rằng điều kiện này là đủ. Gọi s:Λb(B)→Λx(E)s: \Lambda_b(B)\rightarrow \Lambda_x(E) là đồng phôi nghịch đảo của đồng phôi c↦p∘c(c\mapsto p\circ c(III, p. 302, hệ quả 2 của mệnh đề 3) và gọi φ:Λy(Y)→Λx(E)\varphi : \Lambda_y(Y)\rightarrow \Lambda_x(E) là ánh xạ d↦d\mapsto s(f∘d)s(f\circ d). Ánh xạ φ\varphi là liên tục (I, p. 132, bổ đề).

Cho dd và d′∈Λy(Y)d'\in \Lambda_y(Y) là các đường đi có gốc yy có cùng số hạng; hãy chứng minh rằng các đường đi φ(d)\varphi (d) và φ(d′)\varphi (d') có cùng số hạng. Đặt c=f∘d,c′=f∘d′c=f\circ d,c'=f\circ d'. Vì đường đi d∗d′‾d*\overline{d'} là một vòng trong Y tại yy, đường đi c∗c′‾c*\overline{c'} là một vòng trong B tại bb và lớp của nó thuộc về ảnh của đồng cấu π1(f,y)\pi_1(f, y), do đó thuộc về ảnh của đồng cấu π1(p,x)\pi_1(p, x) theo giả thiết. Theo hệ quả 2 của mệnh đề 4 (III, p. 303), đường đi s(c∗c′‾)s(c*\overline{c'}) là một vòng trong E tại xx. Điều tương tự cũng đúng với đường đi s(c′∗c‾)s(c'*\overline{c}), đường đi này, do tính duy nhất của phép nâng các đường đi, bằng s(c∗c′‾)s(c*\overline{c'}). Do đó s(c′∗c‾)(12)=s(c′)(1)=s(c)(1)s(c'*\overline{c})(\frac{1}{2}) =s(c')(1) =s(c)(1), như cần chứng minh.

Ta ký hiệu lần lượt bởi eE:Λx(E)→Ee_E: \Lambda_x(E)\rightarrow E và eY:Λy(Y)→Ye_Y: \Lambda_y(Y)\rightarrow Y các ánh xạ số hạng. Vì không gian Y được giả sử là liên thông và liên thông cung địa phương, ánh xạ eYe_Y là toàn ánh và mở (III, p. 262, mệnh đề 10). Theo đoạn trước, tồn tại một ánh xạ duy nhất g:Y→Eg: Y\rightarrow E sao cho eE∘φ=g∘eYe_E\circ \varphi =g\circ e_Y. Nó là liên tục, vì ánh xạ eYe_Y là ngặt ( I, p. 18, ví dụ 2).

Cuối cùng hãy kiểm tra rằng ánh xạ gg nâng ánh xạ ff và rằng g(y)=xg(y) =x. Mọi điểm zz của Y là số hạng của một đường đi cc có gốc yy. Đường đi φ(c)\varphi (c) là một phép nâng của f∘cf\circ c có gốc xx và có số hạng là điểm g(z)g(z). Do đó p(g(z))=f(z)p(g(z)) =f(z). Với z=yz=y và c=eyc=e_y, ta có φ(ey)=ex\varphi (e_y) =e_x, do đó g(y)=xg(y) =x.

Hệ quả 1 01ZM

Cho B là một không gian tôpô liên thông, địa phương liên thông bởi các đường đi, và bb là một điểm của B. Để một phủ (E,p)(E, p) của B là tầm thường hóa được, điều kiện cần và đủ là, với mọi điểm xx của thớ EbE_b, đồng cấu π1(p,x)\pi_1(p, x) là song ánh.

Nhắc lại rằng đồng cấu π1(p,x)\pi_1(p, x) là đơn ánh (III, p. 303, hệ quả 1 của mệnh đề 4). Do đó mệnh đề này suy ra từ mệnh đề 1 và I, p. 81, hệ quả 4 của mệnh đề 6.

Nhận xét 01ZN

Cho B là một không gian tôpô địa phương liên thông bởi các đường đi, bb là một điểm của B, và V là một lân cận mở liên thông của bb sao cho ảnh của đồng cấu từ π1(V,b)\pi_1(V, b) vào π1(B,b)\pi_1(B, b) là nhóm con rút gọn về phần tử đơn vị. Theo hệ quả 1, mọi phủ của B đều tầm thường hóa được trên V, và a fortiori trên mọi tập con của B được chứa trong V.

Hệ quả 2 01ZO

Cho B là một không gian tôpô liên thông, địa phương liên thông bởi các đường đi. Nếu, với một điểm bb của B, nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b) rút gọn về phần tử đơn vị, thì không gian B đơn liên.

Thật vậy, theo hệ quả 1, dưới các giả thiết này, mọi phủ của B đều tầm thường hóa được.

Hệ quả 3 01ZP

Cho

E′f′{E'}^{f'} E

p′pp'p

B′f{B'}^f B

là một bình phương Descartes. Giả sử E là một phủ của B và không gian B′B' liên thông và địa phương liên thông bởi các đường đi. Cho b′b' là một điểm của B′B' và b=f(b′)b=f(b'). Để (E′,p′)(E', p') là một phủ tầm thường hóa được của B′B', điều kiện cần và đủ là, với mọi điểm xx của thớ EbE_b, ảnh của π1(p,x)\pi_1(p, x) chứa ảnh của π1(f,b)\pi_1(f, b).

Điều này suy ra từ mệnh đề 1 và I, p. 81, hệ quả 5 của mệnh đề 6.

2. Các phép toán của nhóm Poincaré và các cấu xạ của các phủ

Cho B là một không gian tôpô liên thông, địa phương liên thông bởi các đường đi và bb là một điểm của B.

Cho E là một phủ của B. Vì không gian B được giả thiết là liên thông, thớ EbE_b khác rỗng nếu E khác rỗng (I, p. 74, mệnh đề 4). Theo mệnh đề a) của định lý 1 của III, p. 305, phủ E liên thông và khác rỗng khi và chỉ khi nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b) tác động bắc cầu trên EbE_b.

Mệnh đề 2 01ZQ

Cho E và E′E' là các phủ của B.

a) Cho f:E→E′f: E\rightarrow E' là một cấu xạ B. Ánh xạ fb:Eb→Eb′f_b: E_b\rightarrow E'_b dẫn xuất từ f tương thích với các phép toán của π1(B,b)\pi_1(B, b) trên EbE_b và Eb′E'_b tương ứng. Nó là song ánh khi và chỉ khi f là một đẳng cấu.

b) Ánh xạ f↦fbf\mapsto f_b là một song ánh từ tập hợp CB(E;E′)\mathscr{C}_B(E; E') các cấu xạ B từ E vào E′E' lên tập hợp Fπ1(B,b)(Eb;Eb′)\mathscr{F}_{\pi_1(B,b)}(E_b; E'_b) các cấu xạ π1(B,b)\pi_1(B, b) từ EbE_b vào Eb′E'_b.

Nếu f là một cấu xạ B từ E vào E′E', thì ánh xạ fb:Eb→Eb′f_b: E_b\rightarrow E'_b là một cấu xạ π1(B,b)\pi_1(B, b) (xem III, p. 305). Hơn nữa, hai cấu xạ B từ E vào E′E' trùng nhau trên thớ EbE_b thì bằng nhau (I, p. 80, hệ quả 3 của mệnh đề 6).

Cho φ:Eb→Eb′\varphi : E_b\rightarrow E'_b là một cấu xạ của các π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp; ta hãy chứng minh rằng tồn tại một cấu xạ B ff của E vào E′E' sao cho fb=φf_b=\varphi. Ta có thể giả sử rằng các không gian E và E′E' là liên thông và không rỗng, do đó EbE_b và Eb′E'_b là các π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp thuần nhất. Cho xx là một điểm của EbE_b; nhóm ổn định của nó G là ảnh của ánh xạ π1(p,x)\pi_1(p, x) (III, p. 305, Định lý 1). Vì ánh xạ φ\varphi là một π1(B,b)\pi_1(B, b)-cấu xạ, nhóm G cố định điểm x′=φ(x)x'=\varphi (x) của Eb′E'_b, và do đó được chứa trong ảnh của ánh xạ π1(p′,x′)\pi_1(p', x'). Theo Mệnh đề 1 của III, p. 308, tồn tại một cấu xạ B ff của E vào E′E' sao cho f(x)=x′f(x) =x'. Các ánh xạ fbf_b và φ\varphi là các π1(B,b)\pi_1(B, b)-cấu xạ từ π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp thuần nhất EbE_b vào Eb′E'_b trùng nhau tại điểm xx; do đó chúng bằng nhau.

Nếu f:E→E′f: E\rightarrow E' là một đẳng cấu B, ánh xạ fb:Eb→Eb′f_b: E_b\rightarrow E'_b là song ánh. Ngược lại, giả sử rằng ánh xạ fbf_b là song ánh, và cho g:E′→g: E'\rightarrow E là một cấu xạ B sao cho gb=(fb)−1g_b= (f_b)^{-1}. Cấu xạ B g∘f:E→Eg\circ f: E\rightarrow E cảm sinh trên EbE_b ánh xạ đồng nhất; do đó suy ra từ mệnh đề rằng g∘f=g\circ f= IdE_E. Tương tự, f∘g=f\circ g= IdE′_{E'}, điều này chứng minh rằng ff là một đẳng cấu B.

Hệ quả 1 01ZR

Các phủ E và E′E' đẳng cấu khi và chỉ khi các π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp EbE_b và Eb′E'_b đẳng cấu.

Hệ quả 2 01ZS

Cho (E,p)(E, p) và (E′,p′)(E', p') là các phủ liên thông của B. Cho xx là một điểm của EbE_b và x′x' là một điểm của Eb′E'_b. Để tồn tại một cấu xạ B g:E→E′g: E\rightarrow E' sao cho g(x)=x′g(x) =x', điều kiện cần và đủ là ta có p∗(π1(E,x))⊂p∗′(π1(E′,x′))p_*(\pi_1(E, x))\subset p'_*(\pi_1(E', x')). Một cấu xạ như vậy là duy nhất, và là một đẳng cấu khi và chỉ khi các nhóm con p∗(π1(E,x))p_*(\pi_1(E, x)) và p∗′(π1(E′,x′))p'_*(\pi_1(E', x')) của π1(B,b)\pi_1(B, b) bằng nhau.

Theo III, p. 305, Định lý 1, ánh xạ của π1(B,b)\pi_1(B, b) lên EbE_b được xác định bởi γ↦x⋅γ\gamma \mapsto x\cdot \gamma cảm sinh qua chuyển qua thương một đẳng cấu của π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp p∗(π1(E,x))\π1(B,b)p_*(\pi_1(E, x))\backslash \pi_1(B, b) lên EbE_b. Tương tự, tồn tại một đẳng cấu duy nhất của các π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp p∗(π1(E′,x′))\π1(B,b)p_*(\pi_1(E', x'))\backslash \pi_1(B, b) lên Eb′E'_b. Theo Mệnh đề 2, tồn tại một cấu xạ B g:E→E′g: E\rightarrow E' sao cho g(x)=x′g(x) =x' khi và chỉ khi tồn tại một cấu xạ của các π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp từ p∗(π1(E,x))\π1(B,b)p_*(\pi_1(E, x))\backslash \pi_1(B, b) lên p∗′(π1(E′,x′))\π1(B,b)p'_*(\pi_1(E', x'))\backslash \pi_1(B, b) gửi lớp p∗(π1(E,x))p_*(\pi_1(E, x)) lên lớp p∗′(π1(E′,x′))p'_*(\pi_1(E', x')). Một cấu xạ như vậy tồn tại khi và chỉ khi có p∗(π1(E,x))⊂p∗′(π1(E′,x′))p_*(\pi_1(E, x))\subset p'_*(\pi_1(E', x')). Khi đó nó là duy nhất, vì không gian E được giả thiết là liên thông (I, p. 34, hệ quả 2 của mệnh đề 11). Nó là một đẳng cấu khi và chỉ khi các nhóm con p∗(π1(E,x))p_*(\pi_1(E, x)) và p∗′(π1(E′,x′))p'_*(\pi_1(E', x')) của π1(B,b)\pi_1(B, b) bằng nhau.

Hệ quả 3 01ZT

Cho (E,p)(E, p) là một phủ liên thông của B và cho xx là một điểm của thớ EbE_b. Gọi N là chuẩn hóa tử của p∗(π1(E,x))p_*(\pi_1(E, x)) trong π1(B,b)\pi_1(B, b). Với mọi phần tử γ\gamma của N, tồn tại một tự đẳng cấu B duy nhất gg của E sao cho g(x)=x⋅γg(x) =x\cdot \gamma, và ánh xạ γ↦g\gamma \mapsto g xác định qua chuyển qua thương một đẳng cấu nhóm của N/p∗(π1(E,x))N/p_*(\pi_1(E, x)) lên AutB(E)_B(E).

Cho γ∈π1(B,b)\gamma \in \pi_1(B, b); ta có p∗(π1(E,x))=p_*(\pi_1(E, x)) = Int(γ\gamma )(p∗(π1(E,x⋅γ)))(p_*(\pi_1(E, x\cdot \gamma ))) (III, p. 305, Định lý 1, c)). Theo Hệ quả 2, để tồn tại một tự đẳng cấu B gg của E sao cho g(x)=x⋅γg(x) =x\cdot \gamma, điều kiện cần và đủ là γ\gamma thuộc N. Một đẳng cấu như vậy là duy nhất. Gọi α:N→\alpha : N\rightarrow AutB(E)_B(E) là ánh xạ γ↦g\gamma \mapsto g được xác định như trên.

Cho γ\gamma và γ′\gamma ' là hai phần tử của N. Đặt g=α(γ),g′=α(γ′)g=\alpha (\gamma ),g'=\alpha (\gamma '); ta có g(g′(x))=g(x⋅γ′)=g(x)⋅γ′=(x⋅γ)⋅γ′=x⋅(γγ′)g(g'(x)) =g(x\cdot \gamma ') =g(x)\cdot \gamma '= (x\cdot \gamma )\cdot \gamma '=x\cdot (\gamma \gamma ') theo các quan hệ (4), III, p. 305 và (1), p. 304. Do đó, α\alpha là một đồng cấu nhóm. Để α(γ)=\alpha (\gamma ) = IdE_E, điều kiện cần và đủ là có x⋅γ=xx\cdot \gamma =x, theo tính duy nhất của α(γ)\alpha (\gamma ), nghĩa là γ∈p∗(π1(E,x))\gamma \in p_*(\pi_1(E, x)) (III, p. 305, Định lý 1, b)). Cuối cùng, nếu gg là một tự đẳng cấu B của E, tồn tại một đường đi cc nối xx với g(x)g(x) trong E (vốn liên thông theo cung), và khi đó có g(x)=x⋅γg(x) =x\cdot \gamma, trong đó γ\gamma là lớp của đường đi p∘cp\circ c. Điều này chứng minh rằng đồng cấu α\alpha là toàn ánh.

Nhóm AutB(E)_B(E) tác động trên thớ EbE_b và được đồng nhất với nhóm tự đẳng cấu của tập hợp thuần nhất (phải) π1(B,b)\pi_1(B, b)-tập hợp Eb(E_b(cf. A, I, p. 56, mệnh đề 5 và 6).

Hệ quả 4 01ZU

Cho (E,p)(E, p) là một phủ liên thông của B và cho xx là một điểm của thớ EbE_b. Để E là một phủ Galois của B, điều kiện cần và đủ là p∗(π1(E,x))p_*(\pi_1(E, x)) là một nhóm con đặc biệt của π1(B,b)\pi_1(B, b). Khi đó nhóm AutB(E)_B(E) đẳng cấu với nhóm thương π1(B,b)/p∗(π1(E,x))\pi_1(B, b)/p_*(\pi_1(E, x)).

Nếu p∗(π1(E,x))p_*(\pi_1(E, x)) là một nhóm con đặc biệt của π1(B,b)\pi_1(B, b), nhóm AutB(E)_B(E) tác động bắc cầu trên thớ EbE_b theo Hệ quả 3, do đó E là một phủ Galois của B (I, p. 102, định lý 2). Đảo lại là mệnh đề d) của Định lý 1 (III, p. 305). Khẳng định cuối cùng suy ra từ Hệ quả 3.

3. Các phép toán không có đơn trị địa phương của groupoid Poincaré

Bổ đề 1 01ZV

Cho B là một không gian tôpô liên thông địa phương bởi các đường, cho p:E→Bp: E\rightarrow B và p′:E′→Bp': E'\rightarrow B là các ánh xạ étale và tách thỏa mãn tính chất nâng đường (III, p. 302). Cho g:E→E′g: E\rightarrow E' là một ánh xạ sao cho p′∘g=pp'\circ g=p. Giả sử rằng gg tương thích với các phép toán chính tắc của groupoid ϖ(B)\varpi (B) trên E và E′E'. Khi đó gg liên tục.

Cho cc là một đường trong E; đặt c′=g∘cc'=g\circ c và chứng minh rằng ánh xạ c′c' là liên tục. Gọi dd là đường p∘cp\circ c trong B và, với mọi t∈It\in \mathbf{I}, gọi dtd_t là đường s↦d(st)s\mapsto d(st). Với mọi t∈It\in \mathbf{I}, ta có c(t)=c(0)⋅dt(c(t) =c(0)\cdot d_t(III, p. 304, nhận xét 3), do đó c′(t)=c′(0)⋅dtc'(t) =c'(0)\cdot d_t theo giả thiết đã đặt ra trên gg, điều này chứng minh rằng c′c' là một đường nâng đường dd, theo cùng nhận xét. Điều này chứng minh rằng ánh xạ gg là liên tục theo đường. Vì không gian E liên thông địa phương bởi các đường (III, p. 261, hệ quả 2), ánh xạ gg là liên tục (III, p. 269, hệ quả của mệnh đề 13).

Cho B là một không gian tôpô. Xét một phép toán φ\varphi = (φa,b)(a,b)∈B×B(\varphi_{a,b})_{(a,b)\in B\times B} của groupoid ϖ(B)\varpi (B) trên một tập hợp E, tương đối với một ánh xạ p:E→Bp: E\rightarrow B. Người ta nói rằng ϖ(B)\varpi (B) tác động không có đơn trị trên E (cf. II, p. 168) nếu với mọi b∈b\in B và mọi lớp các vòng γ∈π1(B,b)\gamma \in \pi_1(B, b), tác động của γ\gamma trên thớ EbE_b là tầm thường. Nếu B liên thông bởi các đường, chỉ cần điều này đúng với một điểm của B là đủ (loc. cit.). Ta sẽ nói rằng phép toán φ\varphi của groupoid ϖ(B)\varpi (B) không có đơn trị địa phương nếu mọi điểm của B đều có một lân cận V sao cho ϖ(V)\varpi (V) tác động không có đơn trị trên tập hợp EVE_V = p−1(V)\overset{-1}{p}(V) tương đối với ánh xạ pV=p∣p−1(V)p_V=p|\overset{-1}{p}(V).

Nhận xét 01ZW

Cho B là một không gian tôpô liên thông địa phương bởi các đường và giả sử rằng mọi điểm bb của B đều có một lân cận V sao cho ảnh của π1(V,b)\pi_1(V, b) trong π1(B,b)\pi_1(B, b) thu gọn thành phần tử đơn vị (cf. IV, p. 340, định nghĩa 2). Khi đó mọi phép toán của groupoid ϖ(B)\varpi (B) đều không có đơn trị địa phương.

Thật vậy, xét một tập hợp E, một ánh xạ p:E→Bp: E\rightarrow B và một phép toán φ\varphi của nhómoid ϖ(B)\varpi (B) trên E tương đối với pp. Cho aa là một điểm của B và cho V là một lân cận của aa sao cho ảnh của π1(V,a)\pi_1(V, a) trong π1(B,a)\pi_1(B, a) thu gọn về phần tử đơn vị. Cho U là một lân cận liên thông đường của aa được chứa trong V. Cho bb là một điểm của U và cho γ∈π1(U,b)\gamma \in \pi_1(U, b). Cho δ\delta là lớp của một đường đi nối aa với bb trong U. Khi đó δγδ−1\delta \gamma \delta^{-1} là lớp của một vòng tại aa trong U; ảnh của nó trong π1(B,a)\pi_1(B, a) do đó là tầm thường. Vì vậy φa,a(δγδ−1)=\varphi_{a,a}(\delta \gamma \delta^{-1}) = IdEa_{E_a}, do đó φb,b(γ)=\varphi_{b,b}(\gamma ) = IdEb_{E_b}. Điều này chứng minh rằng phép toán của ϖ(U)\varpi (U) trên không gian U EUE_U là không có đơn trị. Do đó, phép toán φ\varphi là không có đơn trị địa phương.

Mệnh đề 3 01ZX

Cho B là một không gian tôpô liên thông đường địa phương và cho E là một tập hợp được trang bị một phép toán không có đơn trị địa phương φ\varphi của nhómoid ϖ(B)\varpi (B), tương đối với một ánh xạ p:E→Bp: E\rightarrow B. Khi đó tồn tại trên E một tôpô duy nhất sao cho các điều kiện sau được thỏa mãn:

(i) Tập hợp E được trang bị tôpô này và ánh xạ pp là một phép phủ của B;

(ii) Phép toán chính tắc của ϖ(B)\varpi (B) trên phép phủ này đồng nhất với phép toán φ\varphi.

Tính duy nhất của một tôpô như vậy suy ra từ bổ đề 1 của III, p. 312, trong đó lấy gg là ánh xạ đồng nhất của E. Để chứng minh sự tồn tại của nó, hơn nữa ta có thể giả sử rằng B là liên thông và khác rỗng.

Trước hết, giả sử rằng phép toán φ=(φa,b)(a,b)∈B×B\varphi = (\varphi_{a,b})_{(a,b)\in B\times B} của nhómoid ϖ(B)\varpi (B) trên tập hợp E, tương đối với pp, là không có đơn trị.

Cho aa là một điểm của B. Với mỗi điểm b∈Bb\in B, tồn tại một đường đi cc trong B nối aa với bb. Nếu γ∈ϖa,b(B)\gamma \in \varpi_{a,b}(B) là lớp của đường đi cc, thì song ánh φa,b(γ):Ea→Eb\varphi_{a,b}(\gamma ): E_a\rightarrow E_b độc lập với đường đi cc, vì phép toán là không có đơn trị; ký hiệu fa,bf_{a,b} là song ánh này. Ánh xạ Φa:B×Ea→\Phi_a: B\times E_a\rightarrow E được xác định bởi (b,x)↦fa,b(x)(b, x)\mapsto f_{a,b}(x) là một song ánh; song ánh ngược liên kết với x∈Ex\in E cặp (p(x),fp(x),a(x))(p(x), f_{p(x),a}(x)). Trang bị cho tập hợp EaE_a tôpô rời rạc, sao cho không gian B B×EaB\times E_a là một phép phủ tầm thường của B. Bằng phép chuyển cấu trúc, song ánh Φa\Phi_a trang bị cho E một tôpô làm cho nó trở thành một phép phủ của B.

Ta chứng minh rằng phép toán chính tắc của ϖ(B)\varpi (B) trên E trùng với phép toán φ\varphi. Cho xx là một điểm của EaE_a và bb là một điểm của B. Cho cc là một đường trong B nối điểm aa với điểm bb; ánh xạ t↦Φa(c(t),x)t\mapsto \Phi_a(c(t), x) khi đó là một đường trong E nối điểm xx với điểm Φa(b,x)=fa,b(x)\Phi_a(b, x) =f_{a,b}(x). Nếu γ∈ϖa,b(B)\gamma \in \varpi_{a,b}(B) biểu thị lớp của đường cc, thì ta có x⋅γ=fa,b(x)x\cdot \gamma =f_{a,b}(x). Điều này chứng minh rằng phép toán chính tắc của ϖ(B)\varpi (B) trên phủ E và phép toán φ\varphi trùng nhau trên các lớp của những đường có gốc aa. Vì các lớp này sinh ra groupoid ϖ(B)\varpi (B), nên hai phép toán bằng nhau.

Bây giờ ta xét trường hợp tổng quát. Cho B\mathscr{B} là tập hợp các tập con mở V của E sao cho ϖ(V)\varpi (V) tác động không có đơn điều trên p−1(V)\overset{-1}{p}(V). Theo giả thiết, các phần tử của B\mathscr{B} phủ B. Theo điều đã chứng minh ở trên, với mỗi V∈BV\in \mathscr{B} tồn tại một tôpô duy nhất trên tập hợp p−1(V)\overset{-1}{p}(V) sao cho (p−1(V),pV)(\overset{-1}{p}(V), p_V) là một phủ của V và phép toán chính tắc của ϖ(V)\varpi (V) trên phủ này trùng với phép toán cảm sinh bởi φ\varphi.

Cho V và V′∈BV'\in \mathscr{B}. Tôpô trên p−1(V∩V′)\overset{-1}{p}(V\cap V') cảm sinh bởi tôpô của p−1(V)\overset{-1}{p}(V) (tương ứng của p−1(V′)\overset{-1}{p}(V')) đã xác định ở trên biến nó thành một phủ của V∩V′V\cap V' trên đó phép toán chính tắc của ϖ(V∩V′)\varpi (V\cap V') được cảm sinh bởi phép toán φ\varphi. Do đó các tôpô này trùng với tôpô của p−1(V∩V′)\overset{-1}{p}(V\cap V'). Khi đó tồn tại một tôpô duy nhất trên E cảm sinh trên mỗi p−1(V)\overset{-1}{p}(V) tôpô đã xác định trước đó (xem I, § 2, p. 16).

Khi E được trang bị tôpô này, ánh xạ pp là liên tục và không gian B E là một phủ. Phép toán chính tắc của ϖ(B)\varpi (B) trên phủ này trùng với phép toán φ\varphi trên các lớp của những đường mà ảnh được chứa trong một trong các tập mở của B\mathscr{B}. Theo bổ đề 4 của III, p. 272, các lớp này sinh ra groupoid ϖ(B)\varpi (B). Suy ra rằng hai phép toán này bằng nhau (II, p. 167).

Hệ quả 01ZY

Cho B là một không gian tôpô liên thông, liên thông địa phương bởi các cung, cho (E,p)(E, p) là một không gian B mà phép chiếu pp là étale, tách được, và có tính chất nâng đường. Nếu phép toán chính tắc của ϖ(B)\varpi (B) trên tập hợp E, đối với pp, là không có đơn điều địa phương, thì E là một phủ của B.

Trang bị cho E phép toán chính tắc của ϖ(B)\varpi (B) được xác định bởi phép nâng đường (III, p. 303, no3^o3). Tồn tại một tôpô trên E sao cho các điều kiện (i) và (ii) của mệnh đề 3 được thỏa mãn. Tôpô này trùng với tôpô đã cho trên E theo bổ đề 1 của III, p. 312.

4. Tôpô khả nạp của các nhóm Poincaré

Cho B là một không gian tôpô và cho aa là một điểm của B. Một nhóm con H của π1(B,a)\pi_1(B, a) được gọi là khả nạp nếu mọi điểm bb của B có một lân cận V sao cho ta có γi∗(δ)γ−1∈H\gamma i_*(\delta )\gamma^{-1}\in H với mọi γ∈ϖa,b(B)\gamma \in \varpi_{a,b}(B) và mọi δ∈π1(V,b)\delta \in \pi_1(V, b), trong đó i:V→i: V\rightarrow B là đơn ánh chính tắc. Nếu H là một nhóm con chuẩn của π1(B,a)\pi_1(B, a), thì để H khả nạp, chỉ cần điều kiện này được thỏa mãn đối với một lớp đường γ∈ϖa,b(B)\gamma \in \varpi_{a,b}(B).

Mệnh đề 4 01ZZ

Tồn tại một tôpô duy nhất trên π1(B,a)\pi_1(B, a), tương thích với cấu trúc nhóm của nó, sao cho các nhóm con chuẩn khả nạp của π1(B,a)\pi_1(B, a) tạo thành một hệ cơ bản các lân cận của phần tử đơn vị. Đối với tôpô này, các nhóm con mở chính là các nhóm con khả nạp.

Các sự kiện sau đây suy ra từ định nghĩa của một nhóm con khả nạp:

a) Nhóm π1(B,a)\pi_1(B, a) là khả nạp;

b) Một nhóm con chứa một nhóm con khả nạp là khả nạp;

c) Giao của một họ hữu hạn các nhóm con khả nạp là khả nạp;

d) Đối với mọi nhóm con chấp nhận được H của π1(B,a)\pi_1(B, a), giao của các nhóm con γHγ−1\gamma H\gamma^{-1}, khi γ\gamma chạy qua π1(B,a)\pi_1(B, a), là chấp nhận được. Đặc biệt, tập hợp các nhóm con chuẩn chấp nhận được là một cơ sở lọc được tạo thành bởi các nhóm con của π1(B,a)\pi_1(B, a) thỏa mãn tiên đề (GVIII′'_{III}) của III, p. 4, do đó phần thứ nhất của mệnh đề sau TG, III, p. 5, ví dụ. Phần thứ hai khi đó là ngay lập tức (xem TG, III, p. 7, hệ quả của mệnh đề 4).

Tôpô trên nhóm π1(B,a)\pi_1(B, a) được đặc trưng trong mệnh đề 4 được gọi là tôpô chấp nhận được.

Nhận xét 1 0200

Nếu B0B_0 ký hiệu thành phần liên thông đường đi của aa trong B, thì đẳng cấu chính tắc π1(B0,a)→π1(B,a)\pi_1(B_0, a)\rightarrow \pi_1(B, a) là một đẳng cấu của các nhóm tôpô khi các nhóm này được trang bị tôpô chấp nhận được.

Nhận xét 2 0201

Cho B là một không gian tôpô. Cho bb và b′b' là các điểm của B thuộc cùng một thành phần liên thông đường đi và cho γ\gamma là một phần tử của ϖb,b′(B)\varpi_{b,b'}(B). Từ định nghĩa của một nhóm con chấp nhận được suy ra rằng, đối với mọi nhóm con chấp nhận được H của π1(B,b′)\pi_1(B, b'), nhóm con γHγ−1\gamma H\gamma^{-1} của π1(B,b)\pi_1(B, b) là chấp nhận được. Do đó, đẳng cấu uγ:δ↦γδγ−1u_{\gamma}:\delta \mapsto \gamma \delta \gamma^{-1} của π1(B,b′)\pi_1(B, b') lên π1(B,b)\pi_1(B, b) (xem III, p. 292) là một đồng phôi khi các nhóm này được trang bị các tôpô chấp nhận được.

Nhận xét 3 0202

Cho A và B là các không gian tôpô, cho aa là một điểm của A, và cho f:A→Bf: A\rightarrow B là một ánh xạ liên tục. Đặt b=f(a)b=f(a). Nếu H là một nhóm con chấp nhận được của π1(B,b)\pi_1(B, b), ảnh ngược của nó qua đồng cấu π1(f,a)\pi_1(f, a) là một nhóm con chấp nhận được của π1(A,a)\pi_1(A, a). Do đó, đồng cấu nhóm π1(f,a):π1(A,a)→π1(B,b)\pi_1(f, a):\pi_1(A, a)\rightarrow \pi_1(B, b) là liên tục, khi các nhóm này được trang bị tôpô chấp nhận được.

Mệnh đề 5 0203

Cho B là một không gian tôpô liên thông địa phương theo cung, và cho aa là một điểm của B. Để một nhóm con H của π1(B,a)\pi_1(B, a) là chấp nhận được, điều kiện cần và đủ là tồn tại một phủ (E,p)(E, p) của B và một điểm x∈Eax\in E_a sao cho H=p∗(π1(E,x))H =p_*(\pi_1(E, x)).

Cho (E,p)(E, p) là một phủ của B và cho xx là một điểm của EaE_a; đặt H=p∗(π1(E,x))H =p_*(\pi_1(E, x)) và ta hãy chứng minh rằng đây là một nhóm con chấp nhận được của π1(B,a)\pi_1(B, a). Cho bb là một điểm của B và cho V là một lân cận của bb sao cho EV=E_V= (p−1(V),pV)(\overset{-1}{p}(V), p_V) là một phủ tầm thường hóa được của V. Cho γ∈ϖa,b(B)\gamma \in \varpi_{a,b}(B) ; ta sẽ chứng minh rằng đối với mọi phần tử δ∈π1(V,b)\delta \in \pi_1(V, b), lớp các đường γδγ−1\gamma \delta \gamma^{-1} thuộc H.

Theo III, p. 301, mệnh đề 3, tồn tại duy nhất một lớp đồng luân ngặt γ′\gamma ' của đường có gốc xx trong E sao cho p∗(γ′)=γp_*(\gamma ') =\gamma Cho yy là điểm cuối của γ′\gamma '; ta có p(y)=b(p(y) =b(III, p. 302, mệnh đề 4). Khi đó cho δ′\delta ' là lớp đường duy nhất có gốc yy trong E sao cho p∗(δ′)=δp_*(\delta ') =\delta. Vì EVE_V là tầm thường hóa được, δ′\delta ' là lớp của một vòng tại yy. Khi đó γ′δ′(γ′)−1\gamma '\delta '(\gamma ')^{-1} là lớp của một vòng tại aa trong E mà ảnh của nó qua p∗p_* là lớp γδγ−1\gamma \delta \gamma^{-1}, điều phải chứng minh.

Ngược lại, cho H là một nhóm con khả chấp nhận của π1(B,a)\pi_1(B, a). Cho λa(B)\lambda_a(B) là thương của không gian Λa(B)\Lambda_a(B) gồm các đường đi có gốc aa theo quan hệ đồng luân ngặt; vì hai đường đi đồng luân ngặt có cùng điểm cuối, ánh xạ điểm cuối e:Λa(B)→Be: \Lambda_a(B)\rightarrow B xác định, bằng cách chuyển qua thương, một ánh xạ ε:λa(B)→B\varepsilon :\lambda_a(B)\rightarrow B. Phép hợp thành của các lớp đường đi trang bị cho tập hợp λa(B)\lambda_a(B) một tác động trái của nhóm π1(B,a)\pi_1(B, a). Trang bị cho nó tác động của nhóm H suy ra bởi hạn chế, và ký hiệu H\λa(B)H\backslash \lambda_a(B) là tập hợp các quỹ đạo của nó.

Ánh xạ ε:λa(B)→B\varepsilon :\lambda_a(B)\rightarrow B cảm sinh, bằng cách chuyển qua thương, một ánh xạ q:H\λa(B)→Bq: H\backslash \lambda_a(B)\rightarrow B. Phép hợp thành của các lớp đường đi trang bị cho tập hợp H\λa(B)H\backslash \lambda_a(B) một phép toán phải của nhómoid ϖ(B)\varpi (B) tương đối với ánh xạ qq.

Phép toán này không có đơn tạp địa phương. Thật vậy, cho bb là một điểm của B và cho V là một lân cận của bb sao cho γi∗(π1(V,b))γ−1⊂H\gamma i_*(\pi_1(V, b))\gamma^{-1}\subset H với mọi lớp đường đi γ\gamma nối aa với bb trong B, trong đó ii ký hiệu phép bao của V vào B. Vì B liên thông cung địa phương, hơn nữa ta có thể giả sử rằng V liên thông cung. Cho c∈Vc\in V, cho δ\delta là lớp trong π1(B,c)\pi_1(B, c) của một vòng tại cc được chứa trong V, và cho δ′\delta ' là một phần tử của λa(B)\lambda_a(B) sao cho ε(δ′)=c\varepsilon (\delta ') =c. Cho δ′′\delta '' là một phần tử của ϖc,b(V)\varpi_{c,b}(V) và đặt γ=δ′δ′′\gamma =\delta '\delta ''. Theo định nghĩa của V, phần tử δ′δ(δ′)−1=γ((δ′′)−1δδ′′)γ−1\delta '\delta (\delta ')^{-1}=\gamma ((\delta '')^{-1}\delta \delta '')\gamma^{-1} của π1(B,a)\pi_1(B, a) thuộc H. Khi đó Hδ′⋅δ=Hδ′H\delta '\cdot \delta = H\delta '; điều này chứng minh rằng π1(V,c)\pi_1(V, c) tác động tầm thường lên tập hợp q−1(c)\overset{-1}{q}(c).

Theo III, p. 313, Mệnh đề 3, tồn tại một tôpô duy nhất trên H\λa(B)H\backslash \lambda_a(B) sao cho qq là liên tục và không gian B (H\λa(B),q)(H\backslash \lambda_a(B), q) là một phủ sao cho phép toán chính tắc của ϖ(B)\varpi (B) trên phủ này là phép toán được định nghĩa ở trên. Theo mệnh đề b) của Định lý 1 của III, p. 305, nhóm q∗(π1(H\λa(B),H))q_*(\pi_1(H\backslash \lambda_a(B),H)) bằng H.

Ta sẽ nói rằng một phép toán của nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b) trên một tập hợp X là khả chấp nhận nếu hạt nhân của ánh xạ chính tắc π1(B,b)→SX\pi_1(B, b)\rightarrow \mathfrak{S}_X là một nhóm con mở của π1(B,b)\pi_1(B, b). Điều này tương đương với việc nói rằng đồng cấu π1(B,b)→SX\pi_1(B, b)\rightarrow \mathfrak{S}_X là liên tục nếu nhóm SX\mathfrak{S}_X được trang bị tôpô rời rạc. Khi đó ánh xạ π1(B,b)×X→X\pi_1(B, b)\times X\rightarrow X là liên tục, khi X được trang bị tôpô rời rạc. Ngược lại, xét một phép toán liên tục của π1(B,b)\pi_1(B, b) trên một không gian rời rạc X. Cho xx là một điểm của X; nhóm ổn định của nó là một nhóm con mở H của π1(B,b)\pi_1(B, b) theo giả thiết. Với γ∈π1(B,b)\gamma \in \pi_1(B, b), nhóm ổn định của γ⋅x\gamma \cdot x là nhóm con γHγ−1\gamma H\gamma^{-1}, sao cho nhóm con của π1(B,b)\pi_1(B, b) cố định mỗi phần tử của quỹ đạo của xx là giao của các nhóm con γHγ−1\gamma H\gamma^{-1}, với γ\gamma chạy trên π1(B,b)\pi_1(B, b). Nó là một nhóm con mở vì các nhóm con chuẩn mở của π1(B,b)\pi_1(B, b) tạo thành một cơ sở của tôpô của nó (III, p. 315, Mệnh đề 4). Suy ra rằng một phép toán liên tục của π1(B,b)\pi_1(B, b) trên một không gian rời rạc X là khả chấp nhận nếu nó là bắc cầu hoặc, nói chung hơn, nếu tập hợp các quỹ đạo của các phần tử của X là hữu hạn.

Với mọi nhóm rời rạc G, mọi phủ chính E của B với nhóm G, và mọi điểm x∈Ebx\in E_b, ta nhắc lại rằng ánh xạ h(E,x)h_{(E,x)} từ π1(B,b)\pi_1(B, b) vào G, ánh xạ gán cho γ∈π1(B,b)\gamma \in \pi_1(B, b) phần tử duy nhất g∈Gg\in G sao cho x⋅g=x⋅γ−1x\cdot g=x\cdot \gamma^{-1}, là một đồng cấu nhóm (III, p. 306, mệnh đề 5).

Mệnh đề 6 0204

Cho B là một không gian tôpô và b là một điểm của B. Trang bị cho nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b) tôpô khả chấp nhận được.

a) Với mọi nhóm rời rạc G, mọi phủ chính E của B với nhóm G, và mọi x∈Ebx\in E_b, đồng cấu h(E,x)h_{(E,x)} là một đồng cấu liên tục của các nhóm tôpô.

b) Với mọi phủ E của B, tác động chính tắc của π1(B,b)\pi_1(B, b) trên thớ EbE_b là khả chấp nhận được.

Chỉ cần chứng minh mệnh đề thứ hai. Gọi K là tập hợp các phần tử k∈π1(B,b)k\in \pi_1(B, b) sao cho x⋅k=xx\cdot k=x với mọi x∈Ebx\in E_b; ta hãy chứng minh rằng K là một nhóm con khả chấp nhận được của π1(B,b)\pi_1(B, b).

Cho b′b' là một điểm của B và V' là một lân cận của b′b' trong B trên đó phủ E tầm thường hóa được. Gọi γ\gamma là lớp của một đường đi c nối b với b′b' trong B và gọi c' là đường đi duy nhất trong E có điểm đầu x nâng c. Với mọi δ∈π1(V′,b′)\delta \in \pi_1(V', b') và mọi x′∈Eb′x'\in E_{b'}, ta có x′⋅δ=x′x'\cdot \delta =x'. Do đó, với x∈Ebx\in E_b và δ∈π1(V′,b′)\delta \in \pi_1(V', b'), ta có

x⋅γδγ−1=((x⋅γ)⋅δ)⋅γ−1=(x⋅γ)⋅γ−1=x x\cdot \gamma \delta \gamma^{-1}= ((x\cdot \gamma )\cdot \delta )\cdot \gamma^{-1}= (x\cdot \gamma )\cdot \gamma^{-1}=x

suy ra γδγ−1\gamma \delta \gamma^{-1} thuộc K. Nói cách khác, K là một nhóm con khả chấp nhận được, do đó mệnh đề được chứng minh.

Mệnh đề 7 0205

Cho B là một không gian tôpô liên thông, liên thông địa phương bởi các cung, và b là một điểm của B. Trang bị cho nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b) tôpô khả chấp nhận được.

a) Cho G là một nhóm tôpô rời rạc. Với mọi đồng cấu liên tục f:π1(B,b)→f:\pi_1(B, b)\rightarrow G, tồn tại một phủ chính E của B với nhóm G và một điểm xx của EbE_b sao cho h(E,x)=fh_{(E,x)}=f.

b) Với mọi không gian tôpô rời rạc F được trang bị một tác động phải khả chấp nhận được của nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b), tồn tại một phủ E của B sao cho các tập hợp π1(B,b)\pi_1(B, b)-F và EbE_b là đẳng cấu.

Ta hãy chứng minh a). Cho ff là một đồng cấu liên tục từ π1(B,b)\pi_1(B, b) vào một nhóm rời rạc G. Hạt nhân của nó là một nhóm con mở bất biến K của π1(B,b)\pi_1(B, b); gọi H là nhóm π1(B,b)/K\pi_1(B, b)/K và f‾:H→G\overline{f}: H\rightarrow G là đồng cấu nhóm suy ra từ f bằng cách chuyển qua thương. Theo III, p. 316, mệnh đề 5, tồn tại một phủ liên thông E′E' của B sao cho nhóm con K là nhóm ổn định của mọi điểm của thớ Eb′E'_b; phủ E′E' là chính với nhóm H=π1(B,b)/KH =\pi_1(B, b)/K. Gọi x′x' là một điểm của Eb′E'_b; đồng cấu h(E′,x′):π1(B,b)→Hh_{(E',x')}:\pi_1(B, b)\rightarrow H là toàn ánh với hạt nhân K (III, p. 306, mệnh đề 5). Do đó tồn tại một đồng cấu nhóm duy nhất φ:H→G\varphi : H\rightarrow G sao cho φ∘h(E′,x′)=f\varphi \circ h_{(E',x')}=f. Phủ liên kết E=E′×HGE = E'\times^HG của B là chính với nhóm G và ta có h(E,x)=φ∘h(E′,x′)=fh_{(E,x)}=\varphi \circ h_{(E',x')}=f (III, p. 307, ví dụ 2). Điều này chứng minh mệnh đề a).

Ta chứng minh b). Cho F là một tập hợp được trang bị một tác động phải khả chấp của nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b). Gọi f:π1(B,b)→SFf:\pi_1(B, b)\rightarrow \mathfrak{S}_F là tác động này và trang bị cho nhóm SF\mathfrak{S}_F tôpô rời rạc. Theo a), tồn tại một phủ E của B, chính với nhóm SF\mathfrak{S}_F, và một điểm x∈Ex\in E sao cho đồng cấu h(E,x)h_{(E,x)} bằng ff. Tác động chính tắc của nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b) trên thớ trên bb của phủ liên kết E×SFFE\times^{\mathfrak{S}_F}F của B được đồng nhất với tác động của π1(B,b)\pi_1(B, b) trên F (III, p. 306, Ví dụ 1).

Nhận xét 4 0206

Tôpô khả chấp trên π1(B,b)\pi_1(B, b) là tôpô ít mịn nhất sao cho tác động của π1(B,b)\pi_1(B, b) trên EbE_b là liên tục đối với mọi phủ liên thông E của B (Mệnh đề 6 của III, p. 318 và Mệnh đề 7 của III, p. 318). Nếu E là một phủ liên thông của B và xx là một điểm của thớ EbE_b, ánh xạ c′↦c′(1)c'\mapsto c'(1) từ Λx(E)\Lambda_x(E) vào E là liên tục. Do đó, ánh xạ c↦x⋅cc\mapsto x\cdot c từ Λb(B)\Lambda_b(B) vào E là liên tục (III, p. 302, Hệ quả 2 của Mệnh đề 3). Bằng hạn chế vào Ωb(B)\Omega_b(B) và chuyển qua thương, suy ra rằng ánh xạ γ↦x⋅γ\gamma \mapsto x\cdot \gamma là liên tục khi nhóm π1(B,b)\pi_1(B, b) được trang bị tôpô không gian thương của Ωb(B)\Omega_b(B). Vì vậy tôpô khả chấp trên π1(B,b)\pi_1(B, b) ít mịn hơn tôpô thương của tôpô hội tụ compact. Nó có thể ít mịn hơn một cách thực sự (III, p. 337, Bài tập 7).

Nhận xét 5 0207

Cho B là một không gian tôpô liên thông và liên thông cung địa phương, cho aa là một điểm của B, và cho H là một nhóm con của π1(B,a)\pi_1(B, a). Theo nhận xét trước, nếu H là khả chấp, thì nó cũng là mở đối với tôpô thương của tôpô hội tụ compact. Ngược lại, giả sử rằng H là một nhóm con chuẩn của π1(B,a)\pi_1(B, a) mở đối với tôpô thương của tôpô hội tụ compact. Cho xx là một điểm của B và cho γ∈ϖa,x(B)\gamma \in \varpi_{a,x}(B). Nhóm con γ−1Hγ\gamma^{-1}H\gamma của π1(B,x)\pi_1(B, x) lại mở đối với tôpô thương của tôpô hội tụ compact (III, p. 293, Nhận xét 3). Do đó tồn tại một lân cận V của xx trong B sao cho γ−1Hγ\gamma^{-1}H\gamma chứa lớp của mọi đường vòng tại xx có ảnh được chứa trong V. Do đó γπ1(V,x)γ−1⊂H\gamma \pi_1(V, x)\gamma^{-1}\subset H; vì H là chuẩn, điều này suy ra rằng H là một nhóm con khả chấp của π1(B,a)\pi_1(B, a).

Bài tập

Xem các bài tập cho § 5.

Machine translation of the English, by gpt-5-6-mini, against glossary version 34. Not checked by a person. That model is a cut down version of the one the rest of this language was written by.