代数拓扑

数学术语

代数拓扑(Algebraic topology)是使用抽象代数的工具来研究拓扑空间的数学分支。赋以拓扑的集合叫拓扑空间。拓扑基[topological(base)]设E为拓扑向量空间，则E的任一拓扑自由与拓扑生成的向量族皆称为拓扑基。分离的准希尔伯特向量空间的希尔伯特基是拓扑基。如果E是无限维的可分巴拿赫空间，则任何基皆非拓扑基，而任何拓扑基亦非基。

详细介绍

拓扑空间是一般拓扑学的基本研究对象。确定了拓扑T的集合X称为拓扑空间，记为(X，T)。具有拓扑结构的抽象空间是弗雷歇(Fréchet，M.-R.)于1906年和里斯(Riesz，F.(F.))于1907年首先引进的。弗雷歇用收敛序列，里斯用聚点分别定义了他们的空间。但里斯的定义过于一般且比较复杂，弗雷歇的定义过于狭窄。第一个令人满意的拓扑空间的定义是豪斯多夫(Hausdorff，F.)于1914年用邻域系提出的。他的定义发展了希尔伯特(Hilbert，D.)于1902年和外尔(Weyl，(C.H.)H.)于1913年的思想。希尔伯特和外尔用邻域分别给出平面和黎曼曲面的一种公理描述.而豪斯多夫将他们引进的概念给出适当的一般化，并发展成有系统且详尽的一般理论，从而奠定了一般拓扑学这一学科。稍后，穆尔(Moore，R.L.)于1916年用开集系，库拉托夫斯基(Kuratowski，K.)于1922年用闭包算子分别提出另一种公理系统，它们都是等价的。还可用闭集系、内部算子、收敛类等各种不同公理系统刻画拓扑空间。目前较常用的是开集系、邻域系或闭包算子等公理系统建立拓扑空间。

发展历史

欧几里得空间的一种推广。给定任意一个集，在它的每一个点赋予一种确定的邻域结构便构成一个拓扑空间。拓扑空间是一种抽象空间，这种抽象空间最早由法国数学家弗雷歇于1906年开始研究。1913年他考虑用邻域定义空间，1914年德国数学家豪斯多夫给出正式定义。豪斯多夫把拓扑空间定义为一个集合，并使用了“邻域”概念，根据这一概念建立了抽象空间的完整理论，后人称他建立的这种拓扑空间为豪斯多夫空间(即现在的T2拓扑空间)。同时期的匈牙利数学家里斯还从导集出发定义了拓扑空间。20世纪20年代，原苏联莫斯科学派的数学家П.С.亚里山德罗夫与乌雷松等人对紧与列紧空间理论进行了系统研究，并在距离化问题上有重要贡献。1930年该学派的吉洪诺夫证明了紧空间的积空间的紧性，他还引进了拓扑空间的无穷乘积(吉洪诺夫乘积)和完全正规空间(吉洪诺夫空间)的概念。

20世纪30年代后，法国数学家又在拓扑空间方面做出新贡献。1937年布尔巴基学派的主要成员H.嘉当引入“滤子”、“超滤”等重要概念，使得“收敛”的更本质的属性显示出来。韦伊提出一致性结构的概念，推广了距离空间，还于1940年出版了《拓扑群的积分及其应用》一书。1944年迪厄多内引进双紧致空间，提出仿紧空间是紧空间的一种推广。1945年弗雷歇又提出抽象距的概念，他的学生们进行了完整的研究。布尔巴基学派的《一般拓扑学》亦对拓扑空间理论进行了补充和总结。

此外，美国数学家斯通研究了剖分空间的可度量性，1948年证明了度量空间是仿紧的等结果。捷克数学家切赫建立起紧致空间的包络理论，为一般拓扑学提供了有力工具。他的著作《拓扑空间论》于1960年出版。近几十年来拓扑空间理论仍在继续发展，不断取得新的成果。

代数不变量方法

这里的目标是取拓扑空间然后把它们进一步分成范畴或分类。该课题的旧称之一是组合拓扑，蕴含着将重点放在如何从更简单的空间构造空间X的意思。如今应用于代数拓扑的基本方法是通过代数不变量，把空间映射到不变量上，例如，通过一种保持空间的同胚关系的方式映射到群上。

实现这个的两个主要方法是通过基本群，或者更一般的同伦理论，和同调及上同调群。基本群给了我们关于拓扑空间结构的基本信息，但它们经常是非交换的，可能很难使用。（有限）单纯复形的基本群的确有有限表示。

另一方面来讲，同调和上同调群是可交换群，并且在许多重要情形下是有限生成的。有限生成交换群有完整的分类，并且特别易于使用。

同调的结果

通过使用有限生成可交换群可以立刻得出几个有用的结论。单纯复形的n-阶同调群的自由阶等于n-阶贝蒂数(Betti number),所以可以直接使用单纯复形的同调群来计算它的欧拉特征数。作为另外一个例子，闭流形的最高维的积分上同调群可以探测可定向性：该群同构于整数或者0，分别在流形可定向和不可定向时。这样，很多拓扑信息可以在给定拓扑空间的同调中找到。

在只定义在单纯复形的单纯同调之上，还可以使用光滑流形的微分结构来通过德拉姆上同调或Čech上同调或层上同调来研究定义在流形上的微分方程的可解性。德拉姆证明所有这些方法是相互关联的，并且对于闭可定向流形，通过单纯同调得出的贝蒂数和从德拉姆上同调导出的是一样的。

在范畴论中

一般来讲，所有代数几何的构造都是函子式的：概念范畴, 函子和自然变换起源于此。基本群，同调和上同调群不仅是两个拓扑空间同胚时的不变量；而且空间的连续映射可以导出所相关的群的一个群同态，而这些同态可以用于证明映射的不存在性（或者，更深入的，存在性）。

代数拓扑的问题

代数拓扑的经典应用包括：

▲Brouwer不动点定理：每个从n维圆盘到自身的连续映射存在一个不动点。

▲Borsuk-Ulam定理:任何从n维球面到欧氏n维空间的映射至少将一对对角点映射到同一点。

▲任何自由群的子群是自由的。这个结果很有意思，因为该命题是纯代数的而最简单的证明却是拓扑的。也就是说，任何自由群G可以实现为图X的基本群。覆盖空间的主定理告诉我们每个G的子群H是某个X的覆盖空间Y的基本群；但是每个这样的Y又是一个图。所以其基本群H是自由的。

代数拓扑中最著名的几何问题是庞加莱猜想。它已经由Hamilton，Grigori Perelman等数学家们解决（庞加莱定理）。同伦理论领域包含了很多悬疑，最著名的有表述球面的同伦群的正确方式。

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