Whiteheadの定理(Whitehead's theorem)とは、CW複体の間の連続写像が弧状連結成分の集合とすべてのホモトピー群に同型を誘導する(弱ホモトピー同値である)ならばホモトピー同値であり、部分複体の包含ならその部分複体は強変位レトラクトになるという定理である。証明は、写像を胞体ごとに部分空間へ押し込む圧縮補題と写像柱を使い、弱ホモトピー同値が任意のCW複体からの写像のホモトピー類の集合に全単射を誘導することを示して行う。ワルシャワ円のようにCW複体でない空間では成り立たず、ホモトピー群が抽象的に同型であるだけでなく同型を誘導する写像があることも必要である。CW複体のホモトピー型をホモトピー群の計算で判定する基本の道具であり、CW近似と組み合わせて空間を弱ホモトピー同値を除いて扱う理論の土台になる。
Whitehead の定理は、CW複体の間の連続写像が弧状連結成分の集合とすべてのホモトピー群に同型を誘導するならば、その写像はホモトピー同値である、という定理である。一般の位相空間では、球面からの写像で測る弱ホモトピー同値は、逆向きの写像とホモトピーで比べるホモトピー同値より真に弱い。CW 複体は、球面を境界にもつ円板を次元の順に貼り合わせてできているので、写像やホモトピーを円板ごとに組み立てられる。そのため CW 複体どうしでは、球面で測れる情報だけでホモトピー型が決まる。
証明の中心は、写像を胞体ごとに部分空間へ押し込む圧縮補題である。これと写像柱を組み合わせると、弱ホモトピー同値 $f\colon Y\to Z$ が任意の CW 複体 $K$ について写像のホモトピー類の全単射 $[K,Y]\to[K,Z]$ を誘導すること(thm-wh-bijection)が分かり、Whitehead の定理はその直接の帰結になる。
位相空間 $K,Y$ について、連続写像 $K\to Y$ のホモトピー類全体の集合を $[K,Y]$ と書く。$I:=[0,1]$ とする。ホモトピー $H\colon K\times I\to Y$ が部分集合 $L\subset K$ の上で動かない(rel $L$)とは、各 $x\in L$ について $H(x,t)$ が $t$ によらないことをいう。
証明は、準備の節で圧縮補題と写像柱の性質を示し、thm-wh-bijection を経たあと、節「Whitehead の定理の証明」で与える。
これは Hat02 §4.1 Theorem 4.5(p. 346)とその言い換え(p. 352)である。弱ホモトピー同値の定義は、弧状連結成分の集合 $\pi_0$ の全単射と、すべての基点でのすべての $\pi_n$($n\ge1$)の同型である。弧状連結な空間では、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、一つの基点で確かめれば足りる。
弧状連結な CW 複体の間の連続写像 $f\colon X\to Y$ が、ある点 $x_0\in X$ とすべての $n\ge1$ について同型 $f_*\colon\pi_n(X,x_0)\to\pi_n(Y,f(x_0))$ を誘導するならば、$f$ はホモトピー同値である。
$\pi_0(X)$ と $\pi_0(Y)$ はともに一点なので $f_*\colon\pi_0(X)\to\pi_0(Y)$ は全単射である。$X$ は弧状連結なので、任意の点 $x\in X$ は $x_0$ と同じ弧状連結成分にあり、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 $f_*\colon\pi_n(X,x)\to\pi_n(Y,f(x))$ も同型である。よって $f$ は弱ホモトピー同値であり、thm-wh-main の 1 によりホモトピー同値である。$\square$
定理は、二つの CW 複体のホモトピー群が群として同型であるだけでは何も言わない。同型を誘導する写像が要る。たとえば実射影平面 $\mathbb{R}P^2$ と $S^2\times\mathbb{R}P^\infty$ は、基本群がともに $\mathbb{Z}/2$ で、高次のホモトピー群も普遍被覆 $S^2$ と $S^2\times S^\infty$ を通じて同型であるが、ホモトピー同値でない(後者はホモロジーが無限に多くの次数で消えない)。この記事ではこの例を証明しない。Hat02 §4.1, p. 348 による。
ホモトピー同値を作るには、逆向きの写像 $g\colon Y\to X$ と二つのホモトピーを作る必要がある。$Y$ が CW 複体なら、$g$ は胞体ごとに作れる。$0$ 胞体の行き先を決め、$1$ 胞体の両端がすでに決まっていれば内部をつなぐ道を探し、$n$ 胞体の境界の球面がすでに写されていれば、それを円板へ延ばす。この延長ができるかどうか、またどの延長を選ぶかの違いを、ホモトピー群が測っている。$f$ がすべてのホモトピー群に同型を誘導すれば、各段の障害が消え、選び方の違いもホモトピーで吸収できる。
一般の空間ではこの胞体ごとの構成ができない。位相幾何学者の正弦曲線の記事にあるワルシャワ円は、すべてのホモトピー群が自明なのに一点に縮まない。球面や円板からの写像ではこの空間の「一周」をたどれないからである。
$Y$ を位相空間、$B\subset Y$ を部分空間とし、$n\ge0$ とする。$D^n$ は $n$ 次元閉球体、$S^{n-1}=\partial D^n$ はその境界で、$D^0$ は一点、$S^{-1}=\emptyset$ である。対 $(Y,B)$ が次の条件 $(\mathrm{C}_n)$ を満たすとは:
連続写像 $g\colon D^n\to Y$ で $g(S^{n-1})\subset B$ となるものはどれも、$S^{n-1}$ の上で動かないホモトピーによって、像が $B$ に含まれる写像に変形できる。
$n=0$ のとき、これは「$Y$ の各点が $B$ の点と道で結べる」ことを意味する。Hat02 §4.1, p. 346 は、この条件が $i\le n$ で成り立つ対を $n$ 連結な対と呼んでいる。
部分空間 $B\subset Y$ の包含写像 $B\hookrightarrow Y$ が弱ホモトピー同値ならば、すべての $n\ge0$ について $(Y,B)$ は $(\mathrm{C}_n)$ を満たす。
要点:$n=0,1$ は $\pi_0$ と $\pi_1$ の条件から道を直接作り替える。$n\ge2$ は相対ホモトピー群の完全列から $\pi_n(Y,B,b)$ が一点になることを導き、圧縮判定法を使う。
$n=0$:$\pi_0(B)\to\pi_0(Y)$ は全射なので、$Y$ の各弧状連結成分は $B$ の点を含む。
$n=1$:$D^1=[-1,1]$ とし、$g\colon[-1,1]\to Y$ を $b_0:=g(-1)$、$b_1:=g(1)$ が $B$ に属する道とする。$b_0,b_1$ は $Y$ の中で $g$ により結ばれるので、$\pi_0(B)\to\pi_0(Y)$ の単射性から $B$ の中の道 $\delta$($b_1$ から $b_0$ へ)がある。道の積 $g\cdot\delta$ は $b_0$ を基点とする $Y$ のループであり、$\pi_1(B,b_0)\to\pi_1(Y,b_0)$ の全射性から、$B$ のループ $\varepsilon$ で $\varepsilon\simeq g\cdot\delta$(端点を止めたホモトピー)となるものがある。端点を止めたホモトピーの範囲で $$ g\simeq g\cdot\delta\cdot\bar\delta\simeq\varepsilon\cdot\bar\delta $$ であり($\bar\delta$ は逆向きの道。基本群の群の公理を確かめるときの道のホモトピーと同じ)、$\varepsilon\cdot\bar\delta$ は $B$ の中の道である。端点を止めたホモトピーは $S^0=\{\pm1\}$ の上で動かないホモトピーなので、$(\mathrm{C}_1)$ が成り立つ。
$n\ge2$:相対ホモトピー群を使う。$b\in B$ について、$\pi_n(Y,B,b)$ を、写像 $(D^n,S^{n-1},s_0)\to(Y,B,b)$ のこの形を保つホモトピーによる類の集合とする(Hat02 §4.1, p. 343)。次の二つの事実をこの記事では証明せずに使う。
・圧縮判定法(Hat02 p. 343):写像 $g\colon(D^n,S^{n-1},s_0)\to(Y,B,b)$ が $\pi_n(Y,B,b)$ の自明な元を表すことと、$g$ が $S^{n-1}$ の上で動かないホモトピーで像が $B$ に含まれる写像に変形できることは同値である。
・完全列(Hat02 Theorem 4.3, p. 344):包含 $i\colon B\hookrightarrow Y$ と $j\colon(Y,b,b)\hookrightarrow(Y,B,b)$、境界写像 $\partial$($S^{n-1}$ への制限)からなる列 $$ \pi_n(B,b)\xrightarrow{i_*}\pi_n(Y,b)\xrightarrow{j_*}\pi_n(Y,B,b)\xrightarrow{\partial}\pi_{n-1}(B,b)\xrightarrow{i_*}\pi_{n-1}(Y,b) $$ は完全である。
仮定により二つの $i_*$ は同型である。$\pi_n(Y,b)$ での完全性から $j_*$ の像は自明な元だけであり、$\pi_{n-1}(B,b)$ での完全性から $\partial$ の像も自明な元だけである。すると $\pi_n(Y,B,b)$ のすべての元は $\partial$ の核に属し、$\pi_n(Y,B,b)$ での完全性から $j_*$ の像、すなわち自明な元に等しい。よって $\pi_n(Y,B,b)$ は一点である。$g\colon D^n\to Y$ が $g(S^{n-1})\subset B$ を満たすとき、$b:=g(s_0)$ とおけば $g$ は $\pi_n(Y,B,b)$ の元を表し、それは自明なので、圧縮判定法により $(\mathrm{C}_n)$ の変形が得られる。$\square$
CW 複体 $K$ と区間 $I$ の積 $K\times I$ は、$K$ の胞体 $e$ について $e\times\{0\}$、$e\times\{1\}$、$e\times(0,1)$ を胞体とする CW 複体であり、その CW 複体としての位相は積位相と一致する(Hat02 Appendix, Theorem A.6, p. 524)。とくに、$K\times I$ からの写像が連続であることは、各特性写像 $\Phi\colon D^m\to K$ について $D^m\times I$ 上で確かめれば足りる(CW複体の記事の定理「胞体ごとの判定」)。
$K$ を CW 複体、$L$ をその部分複体とする。連続写像 $G_0\colon K\to Y$ と、ホモトピー $h\colon L\times I\to Y$ で $h(x,0)=G_0(x)$($x\in L$)となるものが与えられたとき、連続写像 $G\colon K\times I\to Y$ で $G(\cdot,0)=G_0$、$G|_{L\times I}=h$ となるものがある。
この記事では証明しない。Hat02 Chapter 0, Proposition 0.16(p. 15)による。証明は、閉球体の柱 $D^m\times I$ から $D^m\times\{0\}\cup S^{m-1}\times I$ への放射状の射影(点 $(0,2)$ からの射影)によるレトラクションを、$L$ に属さない胞体について次元の順に使うものである。
$K$ を CW 複体、$L$ をその部分複体(空でもよい)とし、$B\subset Y$ を位相空間の部分空間とする。$K\setminus L$ が $n$ 胞体をもつようなすべての $n$ について $(Y,B)$ が $(\mathrm{C}_n)$ を満たすとする。このとき、連続写像 $g\colon K\to Y$ で $g(L)\subset B$ となるものは、$L$ の上で動かないホモトピーによって、像が $B$ に含まれる写像に変形できる。
$K^k$ を $K$ の $k$ 骨格とし、$K^{-1}:=\emptyset$、$g_{-1}:=g$ とおく。$k=0,1,2,\dots$ の順に、連続写像 $g_k\colon K\to Y$ とホモトピー $G^{(k)}\colon K\times I\to Y$ を次の 3 条件を満たすように作る。
この証明は Hat02 §4.1 Lemma 4.6(p. 346)の証明を、骨格ごとの延長と時間の割り振りまで書き下したものである。
連続写像 $f\colon Y\to Z$ の写像柱(mapping cylinder)$M_f$ を、非交和 $(Y\times I)\sqcup Z$ を $(y,1)\sim f(y)$($y\in Y$)で割った商空間とする。商写像を $q$ と書き、
$$
i\colon Y\to M_f,\ i(y):=q(y,0),\qquad j\colon Z\to M_f,\ j(z):=q(z),\qquad r\colon M_f\to Z,\ r(q(y,t)):=f(y),\ r(q(z)):=z
$$
とおく。$r$ は同値関係と両立する連続写像から誘導されるので連続である。
要点:1 は商写像が飽和した開集合の上で同相になることから、2 は柱を $Z$ の側へ押しつぶす具体的なホモトピーから、3 は 2 と「2 つのうち 2 つの性質」と lem-wh-pair から従う。
1:$U:=Y\times[0,1)$ は $(Y\times I)\sqcup Z$ の開集合で、その点は自分以外の点と同一視されないので、$q^{-1}(q(U))=U$ である。よって $q(U)$ は開集合で、$q|_U\colon U\to q(U)$ は連続な単射で開集合を開集合に写す($U$ に含まれる開集合 $V$ について $q^{-1}(q(V))=V$)ので同相写像である。$i$ は同相写像 $Y\cong Y\times\{0\}\subset U$ と $q|_U$ の合成なので、像への同相写像である。
2:$r(j(z))=z$ と $r(i(y))=r(q(y,0))=f(y)$ は定義から従う。$H\colon M_f\times I\to M_f$ を $$ H(q(y,t),s):=q\bigl(y,\,(1-s)t+s\bigr),\qquad H(q(z),s):=q(z) $$ で定める。$t=1$ では $q(y,1)=q(f(y))$ に写るので、同一視された点の値は一致する。$I$ は局所コンパクトなので $q\times\operatorname{id}_I$ は商写像であり(Hat02 Appendix, Proposition A.17, p. 532)、$H\circ(q\times\operatorname{id}_I)$ は連続なので $H$ は連続である。$H(\cdot,0)=\operatorname{id}_{M_f}$、$H(q(y,t),1)=q(y,1)=j(f(y))=j(r(q(y,t)))$、$H(q(z),1)=q(z)=j(r(q(z)))$ であり、$H$ は $j(Z)$ の上で動かない。よって $j\circ r\simeq\operatorname{id}_{M_f}$、$r\circ j=\operatorname{id}_Z$ で、$r$ はホモトピー同値である。
3:$r$ はホモトピー同値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「ホモトピー同値は弱ホモトピー同値」)。$f=r\circ i$ と $r$ 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 $i\colon Y\to M_f$ は弱ホモトピー同値である。包含 $i(Y)\hookrightarrow M_f$ は、1 の同相写像 $i(Y)\to Y$ と $i$ の合成なので弱ホモトピー同値であり、lem-wh-pair により $(\mathrm{C}_n)$ がすべての $n$ で成り立つ。$\square$
$f\colon Y\to Z$ を弱ホモトピー同値、$K$ を CW 複体とする。このとき写像
$$
f_*\colon[K,Y]\to[K,Z],\qquad[g]\mapsto[f\circ g]
$$
は全単射である。
写像柱 $M_f$ と $i,j,r$ を前節のとおりとし、$B:=i(Y)$ とおく。prop-wh-mapping-cylinder の 3 により、$(M_f,B)$ はすべての $(\mathrm{C}_n)$ を満たす。$f_*$ が well-defined であることは、ホモトピックな写像に $f$ を合成してもホモトピックであることによる。
全射:連続写像 $g\colon K\to Z$ をとる。lem-wh-compression を $L=\emptyset$ と $j\circ g\colon K\to M_f$ に使うと、$j\circ g$ はホモトピー $G$ で像が $B$ に含まれる写像 $G(\cdot,1)$ に変形できる。$g':=i^{-1}\circ G(\cdot,1)\colon K\to Y$(prop-wh-mapping-cylinder の 1 により連続)とおくと $i\circ g'\simeq j\circ g$ であり、$r$ を合成すると
$$
f\circ g'=r\circ i\circ g'\simeq r\circ j\circ g=g
$$
となる。よって $f_*[g']=[g]$ である。
単射:連続写像 $g_0,g_1\colon K\to Y$ と、ホモトピー $F\colon K\times I\to Z$ で $F(\cdot,0)=f\circ g_0$、$F(\cdot,1)=f\circ g_1$ となるものがあるとする。$G\colon K\times I\to M_f$ を
$$
G(x,s):=\begin{cases}q\bigl(g_0(x),3s\bigr) & (0\le s\le\tfrac13),\\ j\bigl(F(x,3s-1)\bigr) & (\tfrac13\le s\le\tfrac23),\\ q\bigl(g_1(x),3-3s\bigr) & (\tfrac23\le s\le1)\end{cases}
$$
で定める。$s=\tfrac13$ では $q(g_0(x),1)=j(f(g_0(x)))=j(F(x,0))$、$s=\tfrac23$ でも同様に値が一致するので、$G$ は三つの閉集合の上の連続写像を貼り合わせたもので連続である。$G(x,0)=i(g_0(x))$、$G(x,1)=i(g_1(x))$ なので、$G$ は部分複体 $K\times\{0,1\}$ を $B$ に写す。$K\times I$ の胞体のうち $K\times\{0,1\}$ に含まれないものは $e\times(0,1)$ の形で、$(M_f,B)$ はすべての $(\mathrm{C}_n)$ を満たすので、lem-wh-compression により $G$ は $K\times\{0,1\}$ の上で動かないホモトピーで、像が $B$ に含まれる写像 $G'$ に変形できる。$i^{-1}\circ G'\colon K\times I\to Y$ は $g_0$ から $g_1$ へのホモトピーである。よって $[g_0]=[g_1]$ である。$\square$
これは Hat02 §4.1 Proposition 4.22(p. 357)の前半で、同書では基点付きのホモトピー類についても同じ主張を示している。$K$ が球面 $S^n$ のとき、この定理は球面からの自由ホモトピー類(各弧状連結成分で、基点付きの類 $\pi_n$ を $\pi_1$ の作用で割ったもの)についての主張になり、定義から比較的すぐ分かる。定理の要点は、$K$ を球面から任意の CW 複体に広げても全単射が保たれることにある。
1:$f\colon X\to Y$ を CW 複体の間の弱ホモトピー同値とする。thm-wh-bijection を CW 複体 $K=Y$ に使うと、$f_*\colon[Y,X]\to[Y,Y]$ は全射なので、連続写像 $g\colon Y\to X$ で $f\circ g\simeq\operatorname{id}_Y$ となるものがある。すると
$$
f\circ(g\circ f)=(f\circ g)\circ f\simeq\operatorname{id}_Y\circ f=f\circ\operatorname{id}_X
$$
であり、thm-wh-bijection を $K=X$ に使うと $f_*\colon[X,X]\to[X,Y]$ は単射なので、$g\circ f\simeq\operatorname{id}_X$ である。よって $g$ は $f$ のホモトピー逆写像である。
2:lem-wh-pair により $(Y,X)$ はすべての $(\mathrm{C}_n)$ を満たす。lem-wh-compression を CW 複体 $Y$、部分複体 $L=X$、$B=X$、$g=\operatorname{id}_Y$ に使うと、$X$ の上で動かないホモトピー $H\colon Y\times I\to Y$ で $H(\cdot,0)=\operatorname{id}_Y$、$H(Y\times\{1\})\subset X$ となるものが得られる。これが求める強変位レトラクションである。$\square$
Hat02 p. 347 は 1 を、写像柱 $M_f$ が $X$ に強変位レトラクトすることから導いている。$f$ が胞体写像(各 $n$ 骨格を $n$ 骨格に写す写像)なら $M_f$ は $X$ を部分複体とする CW 複体になって 2 が使え、そうでなければ胞体近似定理(同書 Theorem 4.8, p. 349)を使うか、圧縮補題を二度使う。上の証明では写像柱を圧縮の行き先としてだけ使うので、$M_f$ が CW 複体である必要はない。
弧状連結な CW 複体 $X$ のすべてのホモトピー群が自明なら、$0$ 胞体 $x_0$ の包含 $\{x_0\}\hookrightarrow X$ は弱ホモトピー同値であり、$\{x_0\}$ は部分複体なので、thm-wh-main の 2 により $x_0$ は $X$ の強変位レトラクトである。とくに $X$ は可縮である。この帰結とその一般の空間での扱いは 弱可縮空間 の記事で述べる。
$S^\infty=\bigcup_nS^n$ を CW 複体とし、対蹠写像で割った $\mathbb{R}P^\infty$ を考える。$\mathbb{R}P^\infty$ は $\pi_1\cong\mathbb{Z}/2$ で、$S^\infty$ が可縮なので $n\ge2$ の $\pi_n(\mathbb{R}P^\infty)$ は自明である(Hat02 §1.B Example 1B.3, p. 88 と §4.1 Proposition 4.1, p. 342)。同じ性質をもつ弧状連結な CW 複体 $X$ と、$\pi_1$ に同型を誘導する連続写像 $X\to\mathbb{R}P^\infty$ があれば、$n\ge2$ の $\pi_n$ は両辺とも自明なので、cor-wh-connected によりこの写像はホモトピー同値である。$\pi_1$ の準同型を誘導する写像が存在すること(Hat02 §1.B Proposition 1B.9, p. 90)と合わせると、このような CW 複体のホモトピー型は $\pi_1\cong\mathbb{Z}/2$、$\pi_n=0$($n\ge2$)という情報だけで決まる(同書 Theorem 1B.8)。写像の存在はこの記事では証明しない。
単連結な CW 複体の間の連続写像が整数係数のすべてのホモロジー群に同型を誘導すれば、ホモトピー同値である(Hat02 §4.2 Corollary 4.33, p. 367)。これは Hurewicz の定理で相対ホモトピー群の消滅に帰着させ、thm-wh-main を使うものである。単連結の仮定は外せず、$n\ge2$ について、一点和 $S^1\vee S^n$ に $(n+1)$ 胞体を付け加えて、包含 $S^1\hookrightarrow X$ がすべてのホモロジー群に同型を誘導するが $\pi_n$ に同型を誘導しない例がある(同書 Example 4.35, p. 368)。この記事ではこれらを証明しない。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 定義域が CW 複体であること | ワルシャワ円 $W$ から一点への写像 | 弱ホモトピー同値ならホモトピー同値であること(1) |
| 値域が CW 複体であること | 一点から $W$ への写像 | 弱ホモトピー同値ならホモトピー同値であること(1) |
| $\pi_0$ の全単射 | $S^0$ から一点への写像 | すべての $\pi_n$($n\ge1$)の同型からホモトピー同値が従うこと |
| $\pi_1$ の同型 | 被覆写像 $\mathbb{R}\to S^1$ | $\pi_0$ と $\pi_n$($n\ge2$)の同型からホモトピー同値が従うこと |
| すべての次数での同型 | 包含 $S^n\hookrightarrow D^{n+1}$($n\ge1$) | 次数 $n$ 未満の同型からホモトピー同値が従うこと |
| 部分空間が部分複体であること | 平面の閉円板 $D$ に含まれるワルシャワ円 $W\subset D$ | 包含が弱ホモトピー同値なら強変位レトラクトであること(2) |
1・2 行目:位相幾何学者の正弦曲線の記事の命題「ワルシャワ円のホモトピー群と可縮性」により、$W$ は弧状連結ですべての $\pi_n$($n\ge1$)が自明であり、可縮でない。よって $W$ から一点への写像は $\pi_0$ と $\pi_n$ に同型を誘導し、一点から $W$ への写像も同様である。どちらかがホモトピー同値なら $W$ は一点とホモトピー同値になり、可縮になってしまう。
3 行目:$S^0$ と一点はともに CW 複体で、各点の $\pi_n$($n\ge1$)はどれも自明な群なので同型である。$\pi_0(S^0)$ は二点、一点の $\pi_0$ は一点なので、ホモトピー同値ではない(ホモトピー同値の記事の命題「道成分は保存される」)。
4 行目:$\mathbb{R}$ と $S^1$ はともに CW 複体である。弱ホモトピー同値の記事の例「被覆写像と $\pi_0$」により、被覆写像は $\pi_0$ と $n\ge2$ の $\pi_n$ に同型を誘導するが、$\pi_1(\mathbb{R})=0$、$\pi_1(S^1)\cong\mathbb{Z}$ なので $\pi_1$ には同型を誘導しない。ホモトピー同値は $\pi_1$ に同型を誘導するので、これはホモトピー同値でない。
5 行目:$S^n$ と $D^{n+1}$ は、$0$ 胞体・$n$ 胞体・$(n+1)$ 胞体からなる CW 構造で、$S^n$ を部分複体とする。$1\le k< n$ では $\pi_k(S^n)=0$(ホモトピー群の記事の例「球面の次元未満の群 $\pi_k(S^n)=0\ (1\leq k< n)$」)で、$D^{n+1}$ は凸集合なので可縮であり、すべての $\pi_k(D^{n+1})$ は自明である。$n\ge1$ なのでどちらも弧状連結で、包含は $\pi_0$ と次数 $n$ 未満の $\pi_k$ に同型を誘導する。しかし $\pi_n(S^n)\cong\mathbb{Z}$(同記事の例「球面自身: $\pi_n(S^n)\cong\mathbb{Z}$」)なので次数 $n$ では同型でなく、包含はホモトピー同値でない。
6 行目:$D$ は閉円板として CW 複体であり、可縮である。$W$ と $D$ はともに弧状連結ですべての $\pi_n$ が自明なので、包含 $W\hookrightarrow D$ は弱ホモトピー同値である。$W$ が $D$ の強変位レトラクトなら、包含はホモトピー同値になり(変位レトラクトの記事の命題「変位レトラクトはホモトピー同値」)、$W$ は可縮な $D$ とホモトピー同値になって可縮になる。これは 1 行目の事実に反する。$W$ は CW 複体のホモトピー型をもたない(弱ホモトピー同値の記事の系「CW 複体のホモトピー型をもつ空間」の後の説明)ので、$D$ のどの CW 構造の部分複体にもならない。
Whitehead の定理により、CW 複体のホモトピー型の問題は、写像を一つ作ってホモトピー群を計算する問題に置き換えられる。分類空間の記事では、普遍束の全空間のホモトピー群がすべて消え、それが CW 複体のホモトピー型をもてば可縮であることを示すのに使われる。また thm-wh-bijection は、CW 複体を定義域とするホモトピー類の集合 $[K,-]$ が弱ホモトピー同値で変わらないことを述べている。任意の空間をこの意味で CW 複体に置き換えるのが CW近似 である。
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