Homologie singulière

En topologie algébrique, l'homologie singulière est une construction qui permet d'associer à un espace topologique X une suite homologique de groupes abéliens libres ou de modules. Cette association est un invariant topologique non complet, c'est-à-dire que si deux espaces sont homéomorphes alors ils ont mêmes groupes d'homologie singulière en chaque degré mais que la réciproque est fausse.

Origine : intégration des formes différentielles fermées

Le théorème de Stokes appliqué à des formes fermées donne des intégrales nulles. Cependant, il se fonde sur une hypothèse cruciale de compacité. En présence de trous dans la variété sous-jacente, on peut construire des formes fermées avec des intégrales de bord non nulles. Par exemple,

1-forme définie sur ℝ2 \ { (0, 0) }. Vérifions sa fermeture :

Pourtant sa circulation le long du cercle unité est non nulle :

C'est bien le trou à l'origine qui empêche le théorème de Stokes de s'appliquer. Si on trace le cercle ailleurs dans le plan, pour qu'il n'entoure plus l'origine, la circulation de ω s'annulera. Les contours d'intégration fermés et formes différentielles fermées permettent ainsi de mesurer des caractéristiques topologiques de la variété sous-jacente.

Or les contours d'intégration ont une structure algébrique de groupe abélien. On peut additionner deux contours ; cela veut dire qu'on intégrera les formes sur chacun et qu'on sommera les résultats. D'autre part, on souhaite décréter nuls les contours qui intègrent à 0 toutes les formes fermées ; par le théorème de Stokes, ce sont tous les contours qui enferment un compact. Ces contours dits bords forment un sous-groupe, par lequel on peut quotienter pour obtenir les informations topologiques recherchées : les différentes façons d'intégrer les formes différentielles fermées.

L'homologie singulière abstrait cette mesure algébrique des propriétés topologiques d'un espace, en se détachant des notions analytiques de variété différentielle, intégrale et forme différentielle.

Définitions

Avant de définir l'homologie singulière d'un espace topologique , il est nécessaire d'introduire quelques définitions.

Simplexes et chaînes

On appelle simplexe standard de dimension l'enveloppe convexe (dans ) des points de la base canonique de . Un simplexe standard est donc un analogue au triangle dans les dimensions supérieures.

Soit un espace topologique. Un simplexe singulier de dimension de est une application continue de dans . Ainsi, un -simplexe s'identifie à un point de . Un -simplexe est un chemin reliant deux points (éventuellement confondus). L'ordre des sommets est important car il fournit une orientation sur le simplexe. Il est donc courant de représenter le simplexe orienté par

Soit un anneau commutatif. On considère les combinaisons linéaires à coefficients dans de -simplexes, c'est-à-dire les éléments de la forme

avec et un -simplexe. On les appelle -chaînes et leur ensemble se note . L'ensemble des -chaînes constitue un module libre (sa base est l'ensemble des -simplexes de ). Si l'anneau choisi est , on obtient un groupe abélien libre.

L'application bord

Si est un simplexe de de dimension , la -ème face orientée de est obtenue en retirant le -ème sommet du simplexe. On la note

où les sont les sommets du simplexe et signifie que l'on omet le -ème sommet. Plus formellement, la -ème face de est la restriction de l'application au simplexe standard de dimension , enveloppe convexe des points . Le bord de est par définition égal à

Les -simplexes forment une base de donc l'application bord s'étend aux chaines et l'on obtient alors un morphisme défini sur et à valeurs dans . Le bord d'une chaîne partage des analogies avec la notion de frontière d'une partie, mais cette dernière est une partie de alors que le bord est un objet purement algébrique, sur lequel on peut effectuer des opérations.

Effet de l'application bord sur un 2-simplexe, puis sur son bord.

Par exemple, le bord d'un -simplexe reliant le point au point est la -chaîne . Le bord d'un -simplexe de sommets numérotés par , et est la -chaîne , en notant le chemin reliant à . On remarque que, si l'on prend le bord du bord du -simplexe, on obtient .

Plus généralement, on montre que la composition successive de deux applications bord est nulle. Autrement dit, .

On dit que la suite de module , munie de l'application bord, forme un complexe de chaînes. Ce complexe est représenté par :

En général, le complexe construit est « très gros » et incalculable en pratique. Par exemple, le premier groupe, d'indice zéro, est le groupe des sommes formelles, à coefficients entiers relatifs (si l'anneau choisi est ), des points de l'espace étudié : c'est un groupe abélien libre de rang le cardinal de X.

Cycles, bords et groupes d'homologies

Les éléments de sont appelés bords - on note cet ensemble - et sont les chaînes qui sont images d'une autre chaîne par l'application bord. Les éléments de sont appelés cycles - on note cet ensemble - et sont les chaînes dont le bord est nul. Ces deux ensembles sont des modules (en particulier, ce sont des groupes pour la L.C.I.), et le groupe des bords est un sous-groupe distingué du groupe des cycles.

Le groupe quotient ou module quotient est le -ième groupe d'homologie singulière de l'espace topologique . C'est un invariant topologique. On associe ainsi à tout espace topologique une suite de groupes abéliens et il est courant de s'intéresser directement à

Les groupes d'homologie permettent de quantifier l'excès de cycle par rapport aux bords et donnent donc une image algébrique de la forme d'un espace topologique. Pour , on note sa classe dans . On dit que deux cycles sont homologues s'ils sont dans la même classe.

Par exemple, pour deux points et , le cycle sera considéré comme nul dans le zéroième groupe d'homologie si c'est un bord. Il suffit qu'il soit le bord d'un chemin reliant à . C'est le cas si et sont dans la même composante connexe par arcs de .

Résultats

Le calcul effectif des groupes d'homologie est en général difficile. Nous donnons ici les résultats les plus classiques. Une version simplifiée de l'homologie singulière, l'homologie simpliciale permet de calculer les groupes d'homologie des espaces topologiques admettant une triangulation.

Le tableau suivant donne les groupes d'homologie pour quelques espaces topologiques usuels, avec comme coefficients les entiers relatifs ou les entiers modulo 2. On suppose de plus que .

Nom de l'espace topologique Groupes d'homologie à coefficients entiers Groupes d'homologie à coefficients entiers modulo 2
Point

Sphère

Espace contractile

Plan projectif réel ,

Espace projectif réel ,


Espace projectif complexe

Tore ,

,

Tore généralisé

L'anneau est fréquemment utilisé.

Homologie réduite

L'homologie réduite est une légère modification apportée à la théorie de l'homologie, motivée par l'intuition que tous les groupes d'homologie d'un seul point devraient être égaux à zéro.

Si est un espace topologique, on considère l'application définie par , que l'on appelle augmentation.

Au lieu de considérer le complexe de chaînes :

on considère le complexe de chaînes :

On définit alors les groupes d'homologie réduite de la sorte : et pour tout non-nul, . L'intuition derrière ce résultat consiste à définir le -simplexe standard comme l'ensemble vide. Dès lors, est assimilable à et l'application est remplacée par .

Le lien entre les groupes d'homologie et les groupes d'homologie réduite est d'autant plus fort que le résultat suivant garantit .

Propriétés

Homologie et connexité par arcs

Si est la famille des composantes connexes par arcs de alors, pour tout , est la somme directe des [1]. Il suffit donc de chercher les groupes d'homologie d'espaces connexes par arcs.

Dans le cas particulier d'un espace non vide et connexe par arcs, le groupe d'homologie est isomorphe à [1].

Dans le cas général, est donc le groupe abélien libre (ou le module libre) sur l'ensemble des composantes connexes par arcs de [1].

Homologie et homotopie

Soit un espace connexe par arcs. Un 1-cycle de est une -chaîne dont le bord est nul. Intuitivement, on peut le voir comme un chemin qui se referme, ou un lacet. Par ailleurs, un -bord est le bord d'une -chaîne. Si ce bord se décompose en deux cycles, ces deux cycles seront considérés comme égaux dans le groupe d'homologie , celui-ci étant le quotient de l'ensemble des cycles par l'ensemble des bords. Par ailleurs, on conçoit qu'on puisse déformer continûment l'un des cycles en l'autre en passant par la surface dont ils constituent les bords. On reconnaît alors la notion d'homotopie.

Il n'est donc pas étonnant qu'il existe un rapport entre le premier groupe d'homotopie ou groupe fondamental de Poincaré et le premier groupe d'homologie . Le théorème d'Hurewicz énonce que l'application qui, à une classe d'homotopie d'un lacet, associe la classe d'homologie de la -chaîne correspondant à ce lacet, est un morphisme surjectif de sur , dont le noyau est le sous-groupe des commutateurs de . Il en résulte que est l'abélianisé de , autrement dit isomorphe à après avoir rendu la loi de composition du groupe commutative.

Par exemple, le groupe fondamental d'un espace en forme de est le groupe libre engendré par deux éléments. Son groupe d'homologie est le groupe abélien libre engendré par deux éléments.

Deux espaces ayant même type d'homotopie (et a fortiori deux espaces homéomorphes) sont quasi-isomorphes donc ont mêmes groupes d'homologie mais la réciproque est fausse : par exemple si est un groupe parfait non trivial, l'homologie de l'espace d'Eilenberg-MacLane est la même que celle du point, mais pas son groupe fondamental.

Nombres de Betti et caractéristique d'Euler

Le n-ième nombre de Betti bn de l'espace X est le rang (en) de son n-ième groupe d'homologie Hn. (Lorsque ce groupe est de type fini, c'est le nombre de générateurs du groupe abélien libre obtenu en quotientant Hn par son sous-groupe de torsion, constitué de ses éléments d'ordre fini.)

On définit alors la caractéristique d'Euler de X comme étant égale à :

si cette somme a un sens.

Dans le cas d'un espace X construit à partir de a0 points, reliés par a1 chemins, liés par a2 faces, etc. (voir « Homologie cellulaire » et « CW-complexe » pour une description plus complète) on montre que :

Généralisations

Mentionnons enfin que des méthodes inspirées de l'homologie singulière sont appliquées en géométrie algébrique, dans le cadre des théories homotopiques des schémas (en). Elles ont pour but de définir une cohomologie motivique, et ont des répercussions spectaculaires en arithmétique.

Notes et références

  1. a b et c (en) Allen Hatcher, Algebraic Topology, New York, CUP, , 544 p. (ISBN 978-0-521-79540-1, lire en ligne), p. 109.

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

Read other articles:

18th-century Rococo Portuguese palace in Lisbon The Palace of Queluz. The Ceremonial Façade of the corps de logis designed by Mateus Vicente de Oliveira. Queen Maria I and King Pedro III, the founders of Queluz Palace The Palace of Queluz (Portuguese: Palácio de Queluz, Portuguese pronunciation: [kɛˈluʃ]) is an 18th-century palace located at Queluz, a city of the Sintra Municipality, in the Lisbon District, on the Portuguese Riviera. One of the last great Rococo buildings to be d...

 

Italian screenwriter, film director, actor and writer Damiano DamianiDamiani in 1990Born(1922-07-23)23 July 1922Pasiano di Pordenone, Friuli, ItalyDied7 March 2013(2013-03-07) (aged 90)Rome, Lazio, ItalyOccupation(s)Film director, screenwriterYears active1947–2002 Damiano Damiani (23 July 1922 – 7 March 2013) was an Italian screenwriter, film director, actor and writer. Poet and director Pier Paolo Pasolini referred to him as a bitter moralist hungry for old purity[cita...

 

City in Georgia, United StatesMorrow, GeorgiaCityMorrow city hallMotto: Come to MorrowLocation in Clayton County and the state of GeorgiaCoordinates: 33°34′43″N 84°20′24″W / 33.57861°N 84.34000°W / 33.57861; -84.34000CountryUnited StatesStateGeorgiaCountyClaytonArea[1] • Total3.39 sq mi (8.79 km2) • Land3.38 sq mi (8.76 km2) • Water0.01 sq mi (0.03 km2)Elevation922...

Untuk kota di Vietnam, lihat Kota Hồ Chí Minh. Hồ Chí MinhPotret Hồ Chí Minh, ca. 1947Ketua Partai Pekerja VietnamMasa jabatan19 Februari 1951 – 2 September 1969Sekretaris JenderalTrường Chinh Lê Duẩn (penjabat)PendahuluJabatan dibentukPenggantiJabatan dihapuskanSekretaris Pertama Partai Pekerja VietnamMasa jabatan1 November 1956 – 10 September 1960PendahuluTrường ChinhPenggantiLê DuẩnPresiden Republik Demokratik Vietnam ke-1Masa jabatan2 Septe...

 

Доставка коротких РНК, що містять шпильки, за допомогою вектора на основі лентівірусу і механізм РНК-інтерференції в клітинах ссавців РНК-інтерференція, РНКі (англ. RNA interference, RNAi) — система контролю активності генів еукаріотичних клітин, що здійснюється за допомогою к...

 

White supremacist Georgia lawyer and Mayor of Stone Mountain James R. VenableMayor of Stone Mountain, GeorgiaIn office1946–19491st Imperial Wizard of the National Knights of the Ku Klux KlanIn office1963–1987 Personal detailsBornJanuary 15, 1901Stone Mountain, Georgia, U.S.DiedJanuary 18, 1993(1993-01-18) (aged 92)Lawrenceville, Georgia, U.S.SpouseDorothy VenableChildrenGinger Fearria and Dorothea Wallsom James R. Venable (January 15, 1901 – January 18, 1993) was a whi...

Weapon that can kill many people or cause great damage Not to be confused with Weapons of Mass Destruction (album), Weapons of Mass Distortion, or Weapons of Mass Distraction. The examples and perspective in this article deal primarily with the United States and do not represent a worldwide view of the subject. You may improve this article, discuss the issue on the talk page, or create a new article, as appropriate. (April 2022) (Learn how and when to remove this template message) Weapons of ...

 

Скеля Голова Чацького (пам'ятка природи) 50°14′26″ пн. ш. 28°38′39″ сх. д. / 50.24056000002777722° пн. ш. 28.64444000002777813° сх. д. / 50.24056000002777722; 28.64444000002777813Координати: 50°14′26″ пн. ш. 28°38′39″ сх. д. / 50.24056000002777722° пн. ш. 28.64444000002777813° сх. д.&#...

 

Illinois Fighting Illini men's gymnasticsFounded1898UniversityUniversity of Illinois at Urbana–ChampaignHead coachDaniel Ribeiro (1st season)ConferenceBig TenLocationChampaign, IllinoisHome arenaHuff Hall (Capacity: 3,800)NicknameFighting IlliniColorsOrange and blue[1]   National championships1939, 1940, 1941, 1942, 1950, 1955, 1956, 1958, 1989, 2012NCAA Tournament appearances1938, 1939, 1940, 1941, 1942, 1948, 1949, 1950, 1951, 1952, 1953, 1954, 1955, ...

1961 Italian filmTriumph of the Son of HerculesDirected byTanio BocciaWritten byArpad DeRiso Nino ScolariProduced byMario BorghiStarringKirk MorrisCinematographyOberdan TroianiMusic byCarlo InnocenziRelease date 1961 (1961) CountryItalyLanguageItalian Triumph of the Son of Hercules (Italian: Il trionfo di Maciste) is a 1961 Italian peplum film directed by Tanio Boccia and starring Kirk Morris.[1][2][3] Plot This article needs a plot summary. Please add one in your...

 

Marvel Treasury Edition #28:Superman and Spider-ManCover of Superman and Spider-Man (1981). Painted art by Bob Larkin from a layout by John Romita, Sr.Publication informationPublisherDC Comics/Marvel ComicsFormatOne-shotGenre Superhero Publication dateJuly 1981No. of issues1Main character(s)SupermanSpider-ManDoctor DoomParasiteHulkWonder WomanCreative teamWritten byJim Shooter, Marv WolfmanPenciller(s)John BuscemaInker(s)Terry Austin, Klaus Janson, Bob Layton, Steve Leialoha, Bob McLeod, Al M...

 

Nobel Prize-winning American doctor (1905–1998) George HitchingsGeorge H. Hitchings in 1988BornGeorge Herbert HitchingsApril 18, 1905Hoquiam, Washington, U.S.DiedFebruary 27, 1998 (1998-02-28) (aged 92)Chapel Hill, North Carolina, U.S.NationalityAmericanAlma materUniversity of WashingtonHarvard UniversityKnown forchemotherapyAwards Gairdner Foundation International Award (1968) Cameron Prize for Therapeutics of the University of Edinburgh (1972) ForMemRS (1974)[1]...

此條目需要补充更多来源。 (2015年6月26日)请协助補充多方面可靠来源以改善这篇条目,无法查证的内容可能會因為异议提出而被移除。致使用者:请搜索一下条目的标题(来源搜索:2gether 4ever Encore演唱會影音館 — 网页、新闻、书籍、学术、图像),以检查网络上是否存在该主题的更多可靠来源(判定指引)。 2GETHER 4EVER ENCORE演唱會影音館S.H.E的现场专辑发行日期2015年7...

 

American actor (1929–1979) Paul WexlerWexler in Suddenly (1954)BornPaul Goodwin Wexler(1929-05-23)May 23, 1929Portland, Oregon, U.S.[1]DiedNovember 21, 1979(1979-11-21) (aged 50)Los Angeles, California, U.S.Resting placeMount Sinai Memorial Park, Los AngelesOccupationActorYears active1950–1979Spouses Susan Fox McAndie ​ ​(m. 1952; died 1958)​ Carole Minor(m. 19??; div. 19??) Marcella Wexler(m. 19??; his death 1979) Chil...

 

For the 2014 Kevin J. Anderson novel, see The Dark Between the Stars. The Dark Between the Stars AuthorPoul AndersonCover artistDavid EggeCountryUnited StatesLanguageEnglishGenreScience fictionPublished1987PublisherBerkley BooksMedia typePrint (paperback)Pages207ISBN0-425-04291-X The Dark Between the Stars is a 1981 collection of previously-published science fiction short stories by American writer Poul Anderson.[1] Contents The Sharing of Flesh (1968) - This story was origi...

Chairman of the Committee for State SecurityFlag of the ChairmanLongest servingYuri Andropov18 May 1967–26 May 1982Committee for State SecuritySeatLubyanka Building, 2 Bolshaya Lubyanka Street, Moscow, Russian SFSRAppointerPremierPrecursorMinister of State SecurityFormation13 March 1954First holderIvan SerovFinal holderVadim BakatinAbolished3 December 1991[1]Superseded byHead of the Inter-republican Security Service [ru]DeputyFirst Deputy Chairman The chairman of the KG...

 

Islamic head covering for women A Tunisian woman wearing a hijab In modern usage, hijab (Arabic: حجاب, romanized: ḥijāb, pronounced [ħɪˈdʒaːb]) generally refers to various head coverings conventionally worn by many Muslim women.[1] While a hijab can come in many forms, it often specifically refers to a headscarf, wrapped around the head, covering the hair, neck and ears, but leaving the face visible.[2][3] The use of the hijab has been on the r...

 

Radio station in ChesterChester's Dee RadioChesterBroadcast areaChester and FlintshireFrequencyFM: 106.3 MHzDAB: 10DRDSDEERADIOBrandingChester's Dee RadioProgrammingFormatAdult HitsOwnershipOwnerDee Radio GroupSister stationsCheshire's Silk RadioHistoryFirst air date1 March 2003 (20 years ago)Technical informationTransmitter coordinates53°11′37″N 2°52′48″W / 53.1935°N 2.8799°W / 53.1935; -2.8799LinksWebsitedee1063.com Chester's Dee Radio is an Independent L...

La Garenne-ColombesStasiun kereta La Garenne-Colombes di pusat kotaNegaraPrancisArondisemenNanterreAntarkomunetidak ada pada 2005Kode INSEE/pos92035 /  La Garenne-Colombes merupakan sebuah komune di pinggiran baratlaut Paris, Prancis. Terletak 9.6 km (6 mil) dari pusat kota Paris. Merupakan salah satu kotamadya terpadat di Eropa. Geografi La Garenne-Colombes sering disebut La Garenne, dan dipanggil petit Neuilly. Sekitar Empat kota yang mengelilingi La Garenne-Colombes: Colombes (Ut...

 

Monetary Authority of Cyprus Central Bank of CyprusKεντρική Τράπεζα Κύπρου (in Greek) Kıbrıs Merkez Bankası (in Turkish)HeadquartersNicosiaEstablished14 December 1963[1]Ownership100% state ownership[2]GovernorConstantinos Herodotou[3]Central bank ofCyprusReserves80 million USD[2]Succeeded byEuropean Central Bank (2008)1Websitecentralbank.cy1 The Central Bank of Cyprus still exists but many functions have been taken over by the E...

 

Strategi Solo vs Squad di Free Fire: Cara Menang Mudah!