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定理已证明

边缘算子的平方为零

命题陈述

对单纯边缘映射,对每个 nn 都有 ∂n∘∂n+1=0\partial_n \circ \partial_{n+1} = 0。

为什么成立?

正是这一个恒等式使同调良定义:它保证 im⁡∂n+1⊆ker⁡∂n\operatorname{im} \partial_{n+1} \subseteq \ker \partial_n,从而 Hn(X)H_n(X) 定义中的商确实作为群有意义。

证明思路

只需在单个 nn-单形 σ=[v0,…,vn]\sigma = [v_0, \dots, v_n] 上验证该结论,再用线性性扩展即可。按定义,∂nσ=∑i=0n(−1)i[v0,…,vi^,…,vn]\partial_n \sigma = \sum_{i=0}^n (-1)^i [v_0, \dots, \hat{v_i}, \dots, v_n],其中 vi^\hat{v_i} 表示删去 viv_i。

对每一项作用 ∂n−1\partial_{n-1},再从 [v0,…,vi^,…,vn][v_0, \dots, \hat{v_i}, \dots, v_n] 中删去第二个顶点 vjv_j(j≠ij \ne i),得到恰好缺少两个顶点 vi,vjv_i, v_j 的面 [v0,…,vj^,…,vi^,…,vn][v_0, \dots, \hat{v_j}, \dots, \hat{v_i}, \dots, v_n]。仔细跟踪符号:当 j<ij < i 时,位置 jj 先被删去(符号 (−1)j(-1)^j),处于已带符号 (−1)i(-1)^i 的项内,总符号为 (−1)i+j(-1)^{i+j};当 j>ij > i 时,从 (n−1)(n-1)-单形 [v0,…,vi^,…,vn][v_0,\dots,\hat{v_i},\dots,v_n] 中删去 vjv_j 会移除此时位于位置 j−1j-1 的顶点(因为 viv_i 已先被删去),符号为 (−1)i(−1)j−1=−(−1)i+j(-1)^i (-1)^{j-1} = -(-1)^{i+j}。

因此 ∂n−1∂nσ=∑j<i(−1)i+j[…,vj^,…,vi^,… ]+∑j>i(−(−1)i+j)[…,vi^,…,vj^,… ]\partial_{n-1}\partial_n \sigma = \sum_{j<i} (-1)^{i+j} [\dots,\hat{v_j},\dots,\hat{v_i},\dots] + \sum_{j>i} \left(-(-1)^{i+j}\right) [\dots,\hat{v_i},\dots,\hat{v_j},\dots]。每个恰好缺少两个顶点 {vi,vj}\{v_i, v_j\}(i<ji < j)的面在此双重和中恰好出现两次:一次来自先删 viv_i 后删 vjv_j(贡献 −(−1)i+j-(-1)^{i+j}),一次来自先删 vjv_j 后删 viv_i(贡献 +(−1)i+j+(-1)^{i+j}),两者恰好相反。

所有项两两相消,故对每个单形 σ\sigma 有 ∂n−1∂nσ=0\partial_{n-1}\partial_n \sigma = 0,由线性性得 CnC_n 全体上 ∂n∘∂n+1=0\partial_n \circ \partial_{n+1} = 0。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Allen Hatcher (2002). Algebraic Topology
  2. James R. Munkres (1984). Elements of Algebraic Topology
  3. Gunnar Carlsson (2009). Topology and data