CW近似

同義語:CW approximationCW近似定理CW approximation theorem

概要

CW近似(CW approximation)とは、位相空間 $X$ に対し、CW複体 $Z$ と弱ホモトピー同値 $f\colon Z\to X$ を組にしたものである。任意の空間はCW近似をもち、一点から始めて、ホモトピー群の元を表す球面と余分な元を殺す円板を次元の順に付け加えていくことで構成できる。CW近似はホモトピー同値を除いて一意で、空間の間の写像はCW近似の間の写像をホモトピーを除いて一意に誘導するが、ワルシャワ円のように近似をホモトピー同値にはとれない空間もある。弱ホモトピー同値は特異ホモロジーも保つので、一般の空間についての問いをCW複体の胞体ごとの議論に帰着させる基本の道具になる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: CW複体, ホモトピー群, 弱ホモトピー同値, Whiteheadの定理

CW 近似は、位相空間 $X$ に対し、CW複体 $Z$ と弱ホモトピー同値 $f\colon Z\to X$ を組にしたものである。どの空間にも CW 近似があり、それはホモトピー同値を除いて一意に決まる。弱ホモトピー同値は球面からの写像で測れる情報(弧状連結成分とすべてのホモトピー群)をすべて保ち、特異ホモロジーも保つので、一般の空間についての多くの問いは、その CW 近似についての問いに置き換えられる。CW 複体の上では、写像やホモトピーを胞体ごとに組み立てる議論が使える。
存在は、一点から始めて、ホモトピー群の足りない元を表す球面を付け加え、余分な元を殺す円板を付け加えることを次元の順に繰り返して示す。一意性は、Whiteheadの定理の記事の定理「弱ホモトピー同値とホモトピー類」と Whitehead の定理から従う。

定義

CW 近似

位相空間 $X$ の CW 近似(CW approximation)とは、CW 複体 $Z$ と弱ホモトピー同値 $f\colon Z\to X$ の組 $(Z,f)$ のことである。

これは Hat02 §4.1, p. 352 の定義である。向きに注意する。CW 複体から $X$ へ向かう写像であり、$X$ から CW 複体へ向かう弱ホモトピー同値は一般には存在しない(ex-cwa-sequence)。$X$ が CW 複体なら、恒等写像 $\operatorname{id}_X$ は CW 近似である。

準備

円板への延長と零ホモトピー

$k\ge1$、$W$ を位相空間、$\varphi\colon(S^{k-1},s_0)\to(W,w_0)$ を基点付き写像とする。$\varphi$ が連続写像 $D^k\to W$ に延長できることと、$\varphi$ が基点を止めたホモトピーで定値写像 $w_0$ とホモトピックであることは同値である。$k\ge2$ なら、後者は $[\varphi]=0\in\pi_{k-1}(W,w_0)$ を意味する。

延長 $\Phi\colon D^k\to W$ があるとき、$H(s,u):=\Phi\bigl((1-u)s+us_0\bigr)$($s\in S^{k-1}$、$u\in I$)は $D^k$ の凸性により定義でき、$H(\cdot,0)=\varphi$、$H(\cdot,1)$ は定値写像 $\Phi(s_0)=w_0$、$H(s_0,u)=w_0$ である。
逆に、$H\colon S^{k-1}\times I\to W$ を $H(\cdot,0)=\varphi$、$H(\cdot,1)\equiv w_0$ となるホモトピーとする。写像 $c\colon S^{k-1}\times I\to D^k$、$c(s,u):=(1-u)s$ は連続な全射で、コンパクト空間から Hausdorff 空間への写像なので閉写像であり、商写像である。$c$ が同一視するのは $S^{k-1}\times\{1\}$ の点どうしだけで、そこでは $H$ の値は $w_0$ で一定である。よって $\Phi(c(s,u)):=H(s,u)$ は well-defined な連続写像 $D^k\to W$ を定め、$\Phi|_{S^{k-1}}=H(\cdot,0)=\varphi$ である。$\square$

次の補題は、胞体を付け加えたときにホモトピー群がどう変わるかを述べる。

高い次元の胞体はホモトピー群を低い次数で変えない

弧状連結な CW 複体 $Z$ と弧状連結な部分複体 $A$ があり、$Z\setminus A$ の胞体の次元がすべて $n$ より大きいとする。このとき $a\in A$ について、包含が誘導する $\pi_i(A,a)\to\pi_i(Z,a)$ は $1\le i< n$ で同型、$i=n$ で全射である。

補題の扱い

この記事では証明しない。Hat02 §4.1 Corollary 4.12(p. 351)による。胞体近似定理(同書 Theorem 4.8, p. 349)により、$i\le n$ のとき写像 $(D^i,S^{i-1})\to(Z,A)$ は $S^{i-1}$ の上で動かないホモトピーで $A$ の中へ変形でき、対 $(Z,A)$ のホモトピー群の完全列(同書 Theorem 4.3, p. 344)から主張が従う。

存在

CW 近似の存在

任意の位相空間 $X$ は CW 近似 $f\colon Z\to X$ をもつ。$X$ が弧状連結なら、$Z$ は $0$ 胞体をただ一つもち、そのほかの胞体の接着写像がすべてその $0$ 胞体を基点とする基点付き写像であるようにとれる。

弧状連結な場合。 点 $x_0\in X$ を固定する。$k\ge1$ について、次の性質 $(\mathrm{P}_k)$ をもつ CW 複体 $Z_k$ と連続写像 $f_k\colon Z_k\to X$ を、$Z_{k-1}\subset Z_k$ が部分複体で $f_k|_{Z_{k-1}}=f_{k-1}$ となるように順に作る。

$(\mathrm{P}_k)$:$Z_k$ は次元 $k$ 以下で、$0$ 胞体はただ一つ $z_0$、$f_k(z_0)=x_0$ であり、正の次元の胞体の接着写像はどれも $z_0$ を基点とする基点付き写像である。$Z_k$ は弧状連結で、$f_{k*}\colon\pi_i(Z_k,z_0)\to\pi_i(X,x_0)$ は $1\le i< k$ で同型、$i=k$ で全射である。
$Z_k$ の各閉胞体は $D^m$ の連続像で、$m\ge1$ なら境界が $z_0$ を通る道で結べるので、弧状連結性は構成から明らかである。
第 1 段:$\pi_1(X,x_0)$ の元 $\beta$ ごとに、代表のループ $g_\beta\colon(S^1,s_0)\to(X,x_0)$ を選ぶ。一点 $z_0$ に $1$ 胞体 $e_\beta$ を両端とも $z_0$ に貼り付け、$D^1\to D^1/S^0\cong S^1$ と $g_\beta$ の合成で $f_1$ を $e_\beta$ の上に定める。$Z_1$ は円周の一点和で、$e_\beta$ を一周するループ $\iota_\beta$ について $f_{1*}[\iota_\beta]=[g_\beta]=\beta$ なので、$(\mathrm{P}_1)$ が成り立つ。
第 $k$ 段($k\ge2$):$(\mathrm{P}_{k-1})$ を仮定する。
(i) 核を殺す胞体:$f_{k-1*}\colon\pi_{k-1}(Z_{k-1},z_0)\to\pi_{k-1}(X,x_0)$ の核の元 $\alpha$ ごとに代表 $\varphi_\alpha\colon(S^{k-1},s_0)\to(Z_{k-1},z_0)$ を選び、これを接着写像として $k$ 胞体 $e_\alpha$ を貼り付ける。$Z_{k-1}$ は次元 $k-1$ 以下なので、その全体が $(k-1)$ 骨格であり、貼り付けた空間は CW 複体である。$[f_{k-1}\circ\varphi_\alpha]=0$ なので、lem-cwa-extension により $f_{k-1}\circ\varphi_\alpha$ は $F_\alpha\colon D^k\to X$ に延長でき、これで $f$ を $e_\alpha$ の上に延ばす。
(ii) 元を作る胞体:$\pi_k(X,x_0)$ の元 $\beta$ ごとに代表 $g_\beta\colon(S^k,s_0)\to(X,x_0)$ を選び、定値写像 $S^{k-1}\to\{z_0\}$ を接着写像として $k$ 胞体 $e_\beta$ を貼り付ける。その閉包は球面 $S^k\cong D^k/S^{k-1}$ で、包含 $\iota_\beta\colon(S^k,s_0)\to(Z_k,z_0)$ を定める。$f$ を $e_\beta$ の上では $D^k\to D^k/S^{k-1}\cong S^k\xrightarrow{g_\beta}X$ で定める。
こうしてできた CW 複体を $Z_k$、写像を $f_k$ とする。$f_k$ は各特性写像との合成が連続なので連続である(CW複体の記事の定理「胞体ごとの判定」)。$(\mathrm{P}_k)$ を確かめる。$Z_k\setminus Z_{k-1}$ の胞体は $k$ 次元なので、lem-cwa-high-cells により、包含 $\iota\colon Z_{k-1}\hookrightarrow Z_k$ は $1\le i< k-1$ で $\pi_i$ の同型、$i=k-1$ で全射を誘導する。$f_k\circ\iota=f_{k-1}$ である。

  • $1\le i< k-1$:$f_{k-1*}=f_{k*}\circ\iota_*$ で $f_{k-1*}$ と $\iota_*$ が同型なので、$f_{k*}$ は同型である。
  • $i=k-1$ の全射性:$f_{k-1*}=f_{k*}\circ\iota_*$ が全射なので $f_{k*}$ も全射である。
  • $i=k-1$ の単射性:$f_{k*}(\gamma)=0$ となる $\gamma\in\pi_{k-1}(Z_k,z_0)$ をとる。$\iota_*$ は全射なので $\gamma=\iota_*(\alpha)$ と書け、$f_{k-1*}(\alpha)=f_{k*}(\gamma)=0$ である。よって $\alpha$ は (i) で胞体 $e_\alpha$ を貼った元であり、$\varphi_\alpha$ は $e_\alpha$ の特性写像 $D^k\to Z_k$ に延長されるので、lem-cwa-extension により $\gamma=\iota_*[\varphi_\alpha]=0$ である。$\pi_{k-1}$ は群なので($k-1\ge1$)、核が自明なことから単射である。
  • $i=k$ の全射性:$\beta\in\pi_k(X,x_0)$ について $f_{k*}[\iota_\beta]=[g_\beta]=\beta$ である。

極限。 $Z:=\bigcup_kZ_k$ に、各 $Z_k$ を $k$ 骨格とする弱位相を入れると CW 複体であり、$f|_{Z_k}:=f_k$ で定まる $f\colon Z\to X$ は「胞体ごとの判定」により連続である。$i\ge1$ をとり $k:=i+1$ とする。$Z\setminus Z_k$ の胞体の次元は $k$ より大きいので、lem-cwa-high-cells により $\pi_i(Z_k,z_0)\to\pi_i(Z,z_0)$ は同型であり、$(\mathrm{P}_k)$ により $f_{k*}\colon\pi_i(Z_k,z_0)\to\pi_i(X,x_0)$ も同型である。$f_k$ は $f$ と包含 $Z_k\hookrightarrow Z$ の合成なので、$f_{k*}$ は $f_*\colon\pi_i(Z,z_0)\to\pi_i(X,x_0)$ と同型 $\pi_i(Z_k,z_0)\to\pi_i(Z,z_0)$ の合成であり、$f_*$ は同型である。$Z$ と $X$ は弧状連結なので $\pi_0$ は一点どうしであり、弱ホモトピー同値の記事の補題「一つの基点で足りる」により、$f$ は弱ホモトピー同値である。
一般の場合。 $X$ の弧状連結成分を $X_\lambda$($\lambda\in\Lambda$)とし、それぞれの CW 近似 $f_\lambda\colon Z_\lambda\to X_\lambda$ をとる。非交和 $Z:=\bigsqcup_\lambda Z_\lambda$ は CW 複体であり、$f:=\bigsqcup_\lambda f_\lambda\colon Z\to X$ は連続である。$Z_\lambda$ は $Z$ の弧状連結成分なので $f_*\colon\pi_0(Z)\to\pi_0(X)$ は全単射である。球面 $S^n$ と $S^n\times I$ は弧状連結なので、点 $z\in Z_\lambda$ を基点とする球面からの写像とそのホモトピーは $Z_\lambda$ に収まり、$\pi_n(Z_\lambda,z)=\pi_n(Z,z)$ であり、$X$ についても同様である。よって $f$ は各点で $\pi_n$ に同型を誘導する。$X=\emptyset$ なら $Z=\emptyset$ とすればよい。$\square$

この構成は Hat02 §4.1 の Proposition 4.13(p. 353)の証明(p. 352–353)と同じ方針である。同書では、(i) で接着写像を胞体写像に取り替えて既存の CW 複体に胞体を貼るが、上の構成では $Z_{k-1}$ の次元が $k-1$ 以下なので取り替えが要らない。(i)(ii) では核や群のすべての元について胞体を付け加えたが、$k\ge2$ の (i) では核の生成元、(ii) では群の生成元だけで足りる(同書 p. 353)。

一意性と関手性

以下、$[K,Y]$ は連続写像 $K\to Y$ のホモトピー類の集合である。Whiteheadの定理の記事の定理「弱ホモトピー同値とホモトピー類」により、弱ホモトピー同値 $f\colon Y\to Z$ と CW 複体 $K$ について $f_*\colon[K,Y]\to[K,Z]$ は全単射である。

CW 近似の一意性

$f\colon Z\to X$ と $f'\colon Z'\to X$ を $X$ の二つの CW 近似とする。このとき連続写像 $h\colon Z\to Z'$ で $f'\circ h\simeq f$ となるものが存在し、そのような $h$ はホモトピーを除いて一意であり、ホモトピー同値である。

$f'$ は弱ホモトピー同値で $Z$ は CW 複体なので、$f'_*\colon[Z,Z']\to[Z,X]$ は全単射である。よって $f'_*[h]=[f]$ となる類 $[h]$ がただ一つあり、これが存在と一意性を与える。$f'\circ h$ は弱ホモトピー同値 $f$ とホモトピックなので弱ホモトピー同値である(弱ホモトピー同値の記事の命題「ホモトピックな写像」)。$f'\circ h$ と $f'$ が弱ホモトピー同値なので、同記事の定理「2 つのうち 2 つの性質」により $h$ は弱ホモトピー同値である。$Z,Z'$ は CW 複体なので、Whiteheadの定理の記事の定理「Whitehead の定理」の 1 により $h$ はホモトピー同値である。$\square$

この一意性は Hat02 §4.1, p. 352 に述べられている。同書の議論は、合成 $Z\to X\hookrightarrow M_{f'}$ を圧縮補題で $Z'$ に押し込むもので、上の証明はそれを定理「弱ホモトピー同値とホモトピー類」の形にまとめたものにあたる。

CW 近似の関手性

連続写像 $g\colon X\to X'$ と、CW 近似 $f\colon Z\to X$、$f'\colon Z'\to X'$ が与えられたとする。

  1. 連続写像 $h\colon Z\to Z'$ で $f'\circ h\simeq g\circ f$ となるものが、ホモトピーを除いてただ一つ存在する。これを $h_g$ と書く。
  2. $g\simeq\tilde g$ なら $h_g\simeq h_{\tilde g}$ である。$X=X'$、$Z=Z'$、$f=f'$ で $g=\operatorname{id}_X$ なら $h_g\simeq\operatorname{id}_Z$ である。
  3. さらに $g'\colon X'\to X''$ と CW 近似 $f''\colon Z''\to X''$ があれば、$h_{g'\circ g}\simeq h_{g'}\circ h_g$ である。
  4. $g$ が弱ホモトピー同値なら、$h_g$ はホモトピー同値である。

1:$f'_*\colon[Z,Z']\to[Z,X']$ が全単射なので、$[g\circ f]$ の逆像がただ一つある。
2:$g\simeq\tilde g$ なら $g\circ f\simeq\tilde g\circ f$ なので、1 の一意性による。$g=\operatorname{id}_X$ のとき、$h=\operatorname{id}_Z$ は $f\circ\operatorname{id}_Z=\operatorname{id}_X\circ f$ を満たすので、一意性により $h_g\simeq\operatorname{id}_Z$ である。
3:$f''\circ h_{g'}\circ h_g\simeq g'\circ f'\circ h_g\simeq g'\circ g\circ f$ なので、$h_{g'}\circ h_g$ は $g'\circ g$ について 1 の条件を満たし、一意性により $h_{g'\circ g}$ とホモトピックである。
4:$f'\circ h_g$ は $g\circ f$ とホモトピックで、$g\circ f$ は弱ホモトピー同値の合成なので弱ホモトピー同値である。thm-cwa-uniqueness の証明と同じく、「ホモトピックな写像」と「2 つのうち 2 つの性質」により $h_g$ は弱ホモトピー同値であり、Whitehead の定理によりホモトピー同値である。$\square$

各空間に CW 近似を一つずつ選んでおくと、1–3 により、写像のホモトピー類 $[g]$ に CW 近似の間の写像のホモトピー類 $[h_g]$ を対応させる対応は、恒等写像と合成を保つ。すなわち、位相空間と写像のホモトピー類のなす圏から、CW 複体と写像のホモトピー類のなす圏への関手が得られ、4 によりこの関手は弱ホモトピー同値をホモトピー同値に写す。写像 $X\to X'$ が CW 近似の間の写像をホモトピーを除いて一意に誘導することは、Hat02 §4.1, p. 356 にも述べられている。

例と反例

CW 複体と弱可縮空間
  1. $X$ が CW 複体なら $\operatorname{id}_X$ は CW 近似であり、thm-cwa-uniqueness により $X$ の任意の CW 近似 $f\colon Z\to X$ はホモトピー同値である。
  2. 位相幾何学者の正弦曲線の記事のワルシャワ円 $W$ は弧状連結ですべての $\pi_n$ が自明なので、一点 $p\in W$ の包含 $\{p\}\hookrightarrow W$ は弱ホモトピー同値であり、一点が $W$ の CW 近似である(弱ホモトピー同値の記事の例「ワルシャワ円」)。$W$ 自身は可縮でないので、CW 近似 $\{p\}\to W$ はホモトピー同値でない。
収束列

$K:=\{0\}\cup\{1/n\mid n\ge1\}\subset\mathbb{R}$ とし、$\mathbb{N}$ に離散位相を入れる。$\mathbb{N}$ は $0$ 胞体だけからなる CW 複体であり、弱ホモトピー同値の記事の例「離散空間と収束列」により、全単射 $f\colon\mathbb{N}\to K$、$f(0)=0$、$f(n)=1/n$ は弱ホモトピー同値なので CW 近似である。一方、$K$ から CW 複体 $Z$ への弱ホモトピー同値は存在しない。

連続写像 $u\colon K\to Z$ をとる。$K$ はコンパクトなので $u(K)$ は $Z$ のコンパクト部分集合であり、CW複体の記事の定理「コンパクト集合は有限部分複体に含まれる」により有限個の胞体としか交わらない。各胞体 $e$ は弧状連結な閉胞体 $\overline{e}$($D^m$ の連続像)に含まれるので、$u(K)$ は $Z$ の有限個の弧状連結成分にしか含まれない。よって $u_*\colon\pi_0(K)\to\pi_0(Z)$ の像は有限集合である。$K$ の弧状連結成分は一点ずつで無限個あるので、$u_*$ は単射でなく、$u$ は弱ホモトピー同値でない。$\square$

特異ホモロジーと直積

弱ホモトピー同値は、任意の係数の特異ホモロジーと特異コホモロジーに同型を誘導する(Hat02 §4.1 Proposition 4.21, p. 356)。したがって CW 近似 $f\colon Z\to X$ により、$X$ の特異ホモロジーは CW 複体 $Z$ の胞体ホモロジーで計算できる。ワルシャワ円の特異ホモロジーが一点と同じになるのはこのためである。また、CW 近似 $Z\to X$、$Z'\to X'$ の直積 $Z\times Z'\to X\times X'$ は、$Z\times Z'$ に CW 複体としての位相を入れても CW 近似になる(同書 p. 357)。この記事ではこれらを証明しない。

条件を外した反例

外す条件反例成り立たなくなること
写像に求めるのを弱ホモトピー同値までにすること(ホモトピー同値に強めると外れる)ワルシャワ円 $W$任意の空間が近似をもつこと(thm-cwa-existence)
CW 複体から $X$ へ向かうこと$K=\{0\}\cup\{1/n\}$$X$ から CW 複体への弱ホモトピー同値が存在すること
近似する側が CW 複体であること$W\to\{\ast\}$ と $\{\ast\}\to\{\ast\}$一点の二つの「近似」がホモトピー同値であること
反例の確かめ

1 行目:$W$ とホモトピー同値な CW 複体 $Z$ があれば、$Z$ も弧状連結ですべての $\pi_n$ が自明になり、Whiteheadの定理の記事の例「すべてのホモトピー群が自明な CW 複体」により $Z$ は可縮で、$W$ も可縮になる。これは ex-cwa-basic の 2 に反する。したがって、近似の写像をホモトピー同値まで強めると、$W$ は近似をもたない。
2 行目:ex-cwa-sequence による。
3 行目:$W\to\{\ast\}$ と恒等写像 $\{\ast\}\to\{\ast\}$ はどちらも一点への弱ホモトピー同値であるが、$W$ は一点とホモトピー同値でない。thm-cwa-uniqueness の証明は、近似する側が CW 複体であることを Whitehead の定理と定理「弱ホモトピー同値とホモトピー類」の両方で使っている。

使われ方

CW 近似は、一般の空間についての主張を CW 複体についての主張に帰着させる道具である。弱ホモトピー同値の記事の定理「弱ホモトピー同値で生成される同値関係」は、二つの空間が弱ホモトピー同値の連鎖で結ばれることと、共通の CW 近似をもつことが同値であることを示しており、その証明に存在と定理「弱ホモトピー同値とホモトピー類」を使う。この意味で、空間の弱ホモトピー型は、その CW 近似のホモトピー型で代表される。同じ「胞体を付け加えてホモトピー群を調整する」構成は、Postnikov 塔や Whitehead 塔の構成にも使われる(Hat02 §4.1 Example 4.16, p. 354、Example 4.20, p. 356)。

関連項目

参考文献

[1]
Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, §4.1 Lemma 4.6, p. 346、Theorem 4.3, p. 344、Theorem 4.8, p. 349、Corollary 4.12, p. 351、p. 352(CW 近似の定義と一意性)、Proposition 4.13 とその構成, pp. 352–353、Example 4.16, p. 354、Example 4.20・p. 356 の注意(CW 近似の関手性)、Proposition 4.21, p. 356、Proposition 4.22 と直積の注意, p. 357

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