Quellcodebibliothek Statistik Leitseite products/Sources/formale Sprachen/GAP/pkg/hap/www/SideLinks/About/   (Algebra von RWTH Aachen Version 4.15.1©)  Datei vom 19.6.2025 mit Größe 13 kB image not shown  

Quelle  aboutCoveringSpaces.html   Sprache: HTML

 
 products/Sources/formale Sprachen/GAP/pkg/hap/www/SideLinks/About/aboutCoveringSpaces.html


<!DOCTYPE html>
<html>
<head>


<script src='https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/mathjax/2.7.5/MathJax.js?config=TeX-MML-AM_CHTML' async></script>


<link rel="stylesheet" type="text/css" href="hapstyle.css">
<style>
body {
  font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;
  background-color: rgb(214, 255, 255);;
}
</style>
<link rel="stylesheet" type="text/css" href="hapstyle.css">
</head>
<body>

<a href="aboutPeripheral.html" class="previous">« Previous</a>
<a href="aboutContents.html" class="previous"> Top</a>
<a href="aboutQuandles.html" class="next">Next »</a> 
<h2>About HAP: Covering Spaces</h2>

<h3>Joint work with Kelvin Killeen</h3>

<p>
Let <math>Y</math> denote a finite regular CW-complex. 
Let <math>U</math>  denote its universal covering space. 
The covering space  inherits a regular CW-structure which 
can be computed  and stored using the data type of a 
<math>π<sub>1</sub>Y</math>-equivariant CW-complex. The 
cellular chain complex <math>CU</math> of <math>U</math> can  
be computed and stored as an equivariant chain complex.
Given an admissible discrete vector field  on 
<math>Y</math>, we can endow <math>Y</math> with a smaller  
non-regular CW-structre whose cells correspond to the critical 
cells in the vector field.
 This smaller CW-structure leads to a more efficient chain complex
 <math>CU</math> involving one free generator for each critical cell in the vector field. 
</p>

<h3>Cellular chains on the universal cover</h3>
<p>
The following commands construct a <math>6</math>-dimensional 
regular CW-complex  
<math>Y⋍S<sup>1</sup
S<sup>1</sup>×S<sup>1</sup></math> 
homotopy equivalent to a product of three circles.
</p>

<div><code>
gap> A:=[[1,1,1],[1,0,1],[1,1,1]];;<br>
gap> S:=PureCubicalComplex(A);;<br>
gap> T:=DirectProduct(S,S,S);;<br>
gap> Y:=RegularCWComplex(T);;<br>
gap> Size(Y);<br>
110592
</code></div>

<p>
The CW-somplex <math>Y</math> has <math>110592</math> cells. 
The next commands construct a free 
<math>π<sub>1</sub>Y</math>-equivariant chain complex
<math>CU</math> homotopy equivalent to the chain complex of the 
universal cover of <math>Y</math>. The chain complex <math>CU</math>
has just <math>8</math> free generators.
</p>

<div><code>
gap> Y:=ContractedComplex(Y);<br>
gap> CU:=ChainComplexOfUniversalCover(Y,"vector field");;<br>
gap> List([0..Dimension(Y)],n->CU!.dimension(n));<br>
[ 1, 3, 3, 1 ]
</code></div>

<p>The next commands construct a subgroup <math>H < π<sub>1</sub>Y</math>
of index <math>50</math> and the chain complex
<math>CU⊗<sub>ℤH</sub>ℤ</math> which is 
homotopy equivalent to the cellular chain complex 
<math>CU<sub>H</sub></math> of the <math>50</math>-fold cover 
<math>U<sub>H</sub></math> of 
<math>Y</math> corresponding to <math>H</math>.
</p>

<div><code>
gap> L:=LowIndexSubgroupsFpGroup(CU!.group,50);;<br>
gap> H:=L[Length(L)-1];;<br>
gap> Index(CU!.group,H);<br>
50<br>
gap> D:=TensorWithIntegersOverSubgroup(CU,H);<br>
Chain complex of length 3 in characteristic 0 .<br
</code></div>

<p> General theory implies that the <math>50</math>-fold covering space 
<math>U<sub>H</sub></math>  should again be homotopy equivalent to a 
product of three circles. As a check for this, the following commands 
establish that <math>U<sub>H</sub></math> has the same integral homology 
as <math>S<sup>1</sup>× S<sup>1</sup>×S<sup>1</sup></math>
 
<div><code>
gap> Homology(D,0);<br>
[ 0 ]<br>
gap> Homology(D,1);<br>
[ 0, 0, 0 ]<br>
gap> Homology(D,2);<br>
[ 0, 0, 0 ]<br>
gap> Homology(D,3);<br>
[ 0 ]
</code></div>

<h3>Cohomology with local coefficients</h3>

<p>
The <math>π<sub>1</sub>Y</math>-equivariant cellular chain complex 
<math>CU</math> of the universal cover <math>U</math> of a regular 
CW-complex <math>Y</math> can be used to compute the homology 
<math>H<sub>n</sub>(Y,A)</math> and cohomology <math>H<sup>n</sup>(Y,A)</math> 
of <math>Y</math> with local coefficients in a 
<math>ℤπ<sub>1</sub>Y</math>-module <math>A</math>. 
To illustrate this we consister the space <math>Y</math> arising as the 
complement of the trefoil knot, with fundamental group 
<math>π<sub>1</sub>Y = <x,y : xyx=yxy ></math>. 
We take <math>A= ℤ</math> to be the integers with non-trivial 
<math>π<sub>1</sub>Y</math>-action given by <math>x.1=-1, y.1=-1</math>. 
We then compute
</p>
<center>
<math>H<sub>0</sub>(Y,A) = ℤ<sub>2</sub></math> ,<br><br>
<math>H<sub>1</sub>(Y,A) = ℤ<sub>3</sub></math> ,<br><br>
<math>H<sub>2</sub>(Y,A) = ℤ</math> .
</center>

<div><code>
gap> K:=PureCubicalKnot(3,1);;<br>
gap> Y:=PureComplexComplement(K);;<br>
gap> Y:=ContractedComplex(Y);;<br>
gap> Y:=RegularCWComplex(Y);;<br>
gap> Y:=SimplifiedComplex(Y);;<br>
gap> C:=ChainComplexOfUniversalCover(Y);;<br>
gap> G:=C!.group;;<br>
gap> GeneratorsOfGroup(G);<br>
[ f1, f2 ]<br>
gap> RelatorsOfFpGroup(G);<br>
[ f2^-1*f1^-1*f2^-1*f1*f2*f1, f1^-1*f2^-1*f1^-1*f2*f1*f2 ]<br>
gap> hom:=GroupHomomorphismByImages(G,Group([[-1]]),[G.1,G.2],[[[-1]],[[-1]]]);;<br>
gap> A:=function(x); return Determinant(Image(hom,x)); end;;<br>
gap> D:=TensorWithTwistedIntegers(C,A); #Here the function A represents the integers with twisted action of G.<br>
Chain complex of length 3 in characteristic 0 .<br>
gap> Homology(D,0);<br>
[ 2 ]<br>
gap> Homology(D,1);<br>
[ 3 ]<br>
gap> Homology(D,2);<br>
[ 0 ]<br>
</code></div>


<h3>Finite covers as regular CW-complexes</h3> 
<p>
We next construct a 4-dimensional CW-complex <math>Y⋍S<sup>1</sup>×S<sup>1</sup></maths> 
homotopy equivalent to a 2-dimensional torus, involving 
2304 cells.  We choose a subgroup <math>H < π<sub>1</sub>Y</math>
of index <math>50</math> and  construct the covering space <math>U<sub>H</sub></math> 
corresponding to <math>H</math> as a finite regular CW-complex. The fundamental group
<math>π<sub>1</sub>(U<sub>H</sub>)</math> is shown to be free abelian on two generators.
This is in keeping with the fact that <math>U<sub>H</sub></math> is homotopy equivalent to
<math>Y</math>.  
</p>

<div><code>
gap> G:=U!.group;;<br>                      
gap> L:=LowIndexSubgroupsFpGroup(G,50);;<br>
gap> H:=L[Length(L)-3];;Index(G,H);<br>
50<br>
gap> W:=EquivariantCWComplexToRegularCWComplex(U,H);<br>
Regular CW-complex of dimension 4<br>
gap> Size(W);<br>
115200<br>
<br>
gap> F:=FundamentalGroup(W);<br>
<fp group of size infinity on the generators [ f1, f2 ]><br>
gap> RelatorsOfFpGroup(F);<br>
[ f2^-1*f1*f2*f1^-1 ]
</code></div>

<h3>Covering maps</h3>
<p>
It may be that we are interested in the covering map 
<math>p:U<sub>H</sub> → Y</math> and not just the  covering <math>U<sub>H</sub></math> itself. As an illustration we construct the map <math>p</math> for 
<math>Y</math> homotopy equivalent to a torus, for <math>H<π<sub>1</sub>Y</math> a subgroup with
</p>
<center>
<math>π<sub>1</sub>Y / H ≅ ℤ<sub>3</sub>⊕ℤ<sub>3</sub></math>,
</center>
<p>and for <math>p</math> the corresponding covering map.
</p>

<div><code>
gap> A:=[[1,1,1],[1,0,1],[1,1,1]];;<br>
gap> S:=PureCubicalComplex(A);;<br>
gap> T:=DirectProduct(S,S);;<br>
gap> Y:=RegularCWComplex(T);;<br>
gap> U:=UniversalCover(Y);<br>
Equivariant CW-complex of dimension 4<br>
gap> G:=U!.group;;<br>
gap> L:=LowIndexSubgroupsFpGroup(G,9);;<br>
gap> H:=L[58];;<br>
gap> AbelianInvariants(G/H);<br>
[ 3, 3 ]<br>
gap> p:=EquivariantCWComplexToRegularCWMap(U,H);<br>
Map of regular CW-complexes<br>

gap> Source(p);<br>
Regular CW-complex of dimension 4<br>
gap> Size(Source(p));<br>
20736<br>

gap> Target(p);<br>
Regular CW-complex of dimension 4<br>
gap> Size(Target(p));<br>
2304<br>
</code></div>

<p>
The covering map <math>p</math> induces homomorphisms 
<math>H<sub>n</sub>(p):H<sub>n</sub>(W,Z) → H<sub>n</sub>(Y,Z)</math> 
on integral homology. These homomorphisms, together with their cokernels, 
can be computed as follows.
</p>

<div><code>
gap> P:=ChainMap(p);<br>
Chain Map between complexes of length 4 .<br>

gap> h0:=Homology(P,0);;<br>
gap> AbelianInvariants(Target(h0)/Image(h0));<br>
[  ]<br>

gap> h1:=Homology(P,1);;<br>
gap> AbelianInvariants(Target(h1)/Image(h1));<br>
[ 3, 3 ]<br>

gap> h2:=Homology(P,2);;<br>
gap> AbelianInvariants(Target(h2)/Image(h2));<br>
[ 9 ]<br>
</code></div>

<h3>Second homotopy groups of spaces</h3>
<p>
If <math>p:U → Y</math> is the map from the universal cover 
<math>U</math> of <math>Y</math>, then the fundamental group of 
<math>U</math> is trivial and the Hurewicz homomorphism 
<math>π<sub>2</sub>U-->H<sub>2</sub>(U,ℤ)</math> from the second 
homotopy group of <math>U</math> to the second integral homology of 
<math>U</math> is an isomorphism. Furthermore, the map <math>p</math> 
induces an isomorphism  <math>π<sub>2</sub>U → 
π<sub>2</sub>Y</math>. Thus <math>H<sub>2</sub>(U,ℤ)</math>
 is isomorphic to 
the second homotopy group <math>π<sub>2</sub>Y</math>.
</p>
<p>
If the fundamental group of <math>Y</math> happens to be finite, then 
in principle we 
can calculate <math>H<sub>2</sub>(U.ℤ) ≅ π<sub>2</sub>Y</math>. 
We illustrate this computation for <math>Y</math> equal to the 
real projective plane.
</p>

<div><code>
gap> K:=[ [1,2,3], [1,3,4], [1,2,6], [1,5,6], [1,4,5], [2,3,5], [2,4,5], [2,4,6], [3,4,6], [3,5,6]];;<br>

gap> K:=MaximalSimplicesToSimplicialComplex(K);<br>
Simplicial complex of dimension 2.<br>

gap> Y:=RegularCWComplex(K);  # Y is a regular CW-complex corresponding to the projective plane.<br>
Regular CW-complex of dimension 2</br>

gap> U:=UniversalCover(Y);<br>
Equivariant CW-complex of dimension 2<br>

gap> G:=U!.group;; #G is the fundamental group of Y, which by the next command is finite of order 2.</br>
gap> Order(G);<br>
2<br>

gap> U:=EquivariantCWComplexToRegularCWComplex(U,Group(One(G))); #U is the universal cover of Y</br>
Regular CW-complex of dimension 2</br>

gap> Homology(U,0);<br>
[ 0 ]<br>
gap> Homology(U,1);<br>
[  ]<br>
gap> Homology(U,2);<br>
[ 0 ]<br>
</code></div>

<p>
The above computation shows that the space <math>Y</math> has 
infinite cyclic second homotopy group <math>π<sub>2</sub>Y = ℤ</math> .
</p>

<h3>Third homotopy groups of simply connected spaces</h3>

<p>
For any simply connected space <math>U</math> there is an exact sequence
</p>
<center>
→ π<sub>4</sub>U → H<sub>4</sub>(U,ℤ) →
 H<sub>4</sub>( K(π<sub>2</sub>U,2), ℤ ) → π<sub>3</sub>U 
→   H<sub>4</sub>(U,ℤ) → 0
</center>
<p>
due to J.H.C.Whitehead.  Here 
<math>K(π<sub>2</sub>U,2)</math> is an Eilenberg-MacLane space with 
second homotopy group equal to <math>π<sub>2</sub>U</math>.
</p>
<center><b>First Example</b></center>
<p>
Continuing with the above example where <math>Y</math> is the real 
projective plane and <math>U</math> its universal cover, we see that 
<math>H<sub>4</sub>(U,ℤ) = H<sub>4</sub>(U,ℤ) = 0</math>
 since <math>U</math> is a 2-dimensional CW-space. The exact sequence implies 
 <math>π<sub>3</sub>U ≅ H<sub>4</sub>(K(π<sub>2</sub>U,2), ℤ )</math>. Furthermore, <math>π<sub>3</sub>U = π<sub>3</sub>Y</math> since 
<math>U</math> is the universal cover. The following commands establish that
</p>
<center>
<math>
π<sub>3</sub>Y ≅ ℤ .
</math></center
<div><code>
gap> A:=AbelianPcpGroup([0]);<br>
Pcp-group with orders [ 0 ]<br>
 
gap> K:=EilenbergMacLaneSimplicialGroup(A,2,5);;<br>
gap> C:=ChainComplexOfSimplicialGroup(K);<br>
Chain complex of length 5 in characteristic 0 .<br>

gap> Homology(C,4);<br>
[ 0 ]<br>
</code></div>

<center><b>Second Example</b></center>
<p>
The following commands construct a 4-dimensional simplicial complex 
<math>Y</math> with 9 vertices and 36 4-dimensional simplices, 
and establish that
</p>
<center>
<math>π<sub>1</sub>Y=0 , π<sub>2</sub>Y=ℤ , H<sub>3</sub>(Y,ℤ)=0, H<sub>4</sub>(Y,ℤ)=ℤ, H<sub>4</sub>(K(π<sub>2</sub>U,2), ℤ) =ℤ</math> .
</center>


<div><code>
gap> Y:=[ [ 1, 2, 4, 5, 6 ], [ 1, 2, 4, 5, 9 ], [ 1, 2, 5, 6, 8 ], [ 1, 2, 6, 4, 7 ], [ 2, 3, 4, 5, 8 ], [ 2, 3, 5, 6, 4 ], [ 2, 3, 5, 6, 7 ], [ 2, 3, 6, 4, 9 ], [ 3, 1, 4, 5, 7 ],<br>
        [ 3, 1, 5, 6, 9 ], [ 3, 1, 6, 4, 5 ], [ 3, 1, 6, 4, 8 ], [ 4, 5, 7, 8, 3 ], [ 4, 5, 7, 8, 9 ], [ 4, 5, 8, 9, 2 ], [ 4, 5, 9, 7, 1 ], [ 5, 6, 7, 8, 2 ], [ 5, 6, 8, 9, 1 ],<br>
        [ 5, 6, 8, 9, 7 ], [ 5, 6, 9, 7, 3 ], [ 6, 4, 7, 8, 1 ], [ 6, 4, 8, 9, 3 ], [ 6, 4, 9, 7, 2 ], [ 6, 4, 9, 7, 8 ], [ 7, 8, 1, 2, 3 ], [ 7, 8, 1, 2, 6 ], [ 7, 8, 2, 3, 5 ],<br>
        [ 7, 8, 3, 1, 4 ], [ 8, 9, 1, 2, 5 ], [ 8, 9, 2, 3, 1 ], [ 8, 9, 2, 3, 4 ], [ 8, 9, 3, 1, 6 ], [ 9, 7, 1, 2, 4 ], [ 9, 7, 2, 3, 6 ], [ 9, 7, 3, 1, 2 ], [ 9, 7, 3, 1, 5 ] ];;<br>

gap> Y:=MaximalSimplicesToSimplicialComplex(Y);<br>
Simplicial complex of dimension 4.<br>

gap> Y:=RegularCWComplex(Y);<br>
Regular CW-complex of dimension 4<br>

gap> Order(FundamentalGroup(Y));<br>
1<br>
gap> Homology(Y,2);<br>
[ 0 ]<br>
gap> Homology(Y,3);<br>
[  ]<br>
gap> Homology(Y,4);<br>
[ 0 ]<br>
</code></div>

<p>
Whitehead's sequence reduces to an exact sequence
</p>
<center>
<math>ℤ → ℤ → π<sub>3</sub>Y → 0</math> 
</center>
<p>
in which the first map is
<math>
H<sub>4</sub>(Y,ℤ)=ℤ → H<sub>4</sub>(K(π<sub>2</sub>Y,2), ℤ)=ℤ
</math>.
In order to determine <math>π<sub>3</sub>Y</math> it remains compute this first map. This computation is currently not available in HAP.
</p>
<p>
[The simplicial complex in this second example is due to W. Kiihnel and 
T. F. Banchoff and is of the homotopy type of the complex projective plane. 
So, assuming this extra knowledge, we have <math>π<sub>3</sub>Y=0</math>.]
</p>
</body>
</html>

Messung V0.5
C=95 H=97 G=95

¤ Dauer der Verarbeitung: 0.14 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤

*© Formatika GbR, Deutschland






Wurzel

Suchen

Beweissystem der NASA

Beweissystem Isabelle

NIST Cobol Testsuite

Cephes Mathematical Library

Wiener Entwicklungsmethode

Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.

Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung und die Messung sind noch experimentell.