В алгебричній топології симпліційна гомологія формалізує уявлення про кількість пустот даного виміру у симпліційному комплексі. У випадку розмірності 0 симпліційна гомологія визначає кількість компонент зв'язності у симпліційному комплексі.
Симпліційна гомологія виникла як спосіб вивчення топологічних просторів , будівельними блоками яких є n-симплекси , n-вимірні аналоги трикутників. Сюди входять точка (0-симплекс), відрізок лінії (1-симплекс), трикутник (2-симплекс) і тетраедр (3-симплекс). За означенням, такий простір є гомеоморфним симпліційному комплексу (точніше, геометричній реалізації абстрактного симпліційного комплексу). Такий гомеоморфізм називають триангуляцією даного простору. Багато важливих топологічних просторів можна триангулювати, зокрема усі гладкі многовиди (Кернс та Уайтхед ).
Важливим є факт, що симпліційна гомологія залежить лише від топологічного простору, а не конкретної триангуляції. Як результат це дає спосіб відрізнити один простір від іншого.
Сингулярна гомологія — споріднена теорія, яка краще адаптується до теорії, а не до обчислення. Сингулярна гомологія визначена для всіх топологічних просторів і очевидно залежить лише від топології, а не будь-якої триангуляції. Сингулярна гомологія є рівною симпліційній для просторів, які можна триагулювати. Тим не менше, оскільки можна просто та ефективно обчислити симпліційну гомологію симпліційного комплексу, симпліційна гомологія стала важливою для застосувань, наприклад, у аналізі зображень та аналізі даних загалом.
Означення
Ключовим поняттям у означенні симпліційної гомології є поняття орієнтації симплекса. За означенням орієнтація k-симплекса задається впорядкуванням вершин, записаних як [v0,...,vk], з правилом, що два впорядкування визначають одну і ту ж орієнтацію, якщо і тільки якщо вони відрізняються парною перестановкою. Таким чином, кожен симплекс має рівно дві орієнтації, а зміна порядку двох вершин змінює орієнтацію на протилежну. Наприклад, вибір орієнтації 1-симплекса означає вибір одного з двох можливих напрямків, а вибір орієнтації 2-симплекса означає вибір того, що має означати "проти годинникової стрілки".
Нехай S — симпліційний комплекс. Симпліційним k-ланцюгом називається скінченна формальна сума
де кожне ci є цілим числом, а σi — орієнтованим k-симплексом. При цьому вважається, що кожен орієнтований симплекс дорівнює симплексу з протилежною орієнтацією із знаком мінус. Наприклад,
Група k-ланцюгів на S записується як Ck. Вона є вільною абелевою групою, базисом якої є множина k-симплексів у S. При цьому потрібно вибрати орієнтацію кожного симплекса. Одним із стандартних способів цього є вибір упорядкування всіх вершин і надання кожному симплексу орієнтації, що відповідає індукованому впорядкуванню його вершин.
Нехай σ = [v0,...,vk] — орієнтований k-симплекс, що розглядається як базисний елемент Ck. Граничним оператором
називається гомоморфізм рівний за означенням:
де орієнтований симплекс
є i-ою гранню симплекса σ, отриманою шляхом видалення її i-ї вершини.
В групі — елементи підгрупи
називаються циклами, а елементи підгрупи
границями.
Пряме обчислення показує, що ∂2 = 0. З геометричної точки зору це означає, що, що границя чого-небудь не має границі. Еквівалентно абелеві групи
утворюють ланцюговий комплекс. Іншим еквівалентним твердженням є те, що є підмножиною .
Група гомології порядку k для простору S (позначається як ) за означенням є факторгрупою
Зокрема є ненульовою тоді, коли на S є k-цикли, які не є границями. У певному сенсі це означає, що в комплексі є k-вимірні пустоти.
Наприклад, розглянемо простір S, отриманий склеюванням двох границь трикутників уздовж однієї сторони. Сторони кожного трикутника можна орієнтувати так, щоб утворився цикл. Ці два цикли за побудовою не є границями (оскільки кожен 2-ланцюг є рівним нулю). Можна обчислити, що група гомології є ізоморфною і базовими елементами є два згадані цикли. Цей результат можна вважати чіткою формалізацією твердження про те, що у S є дві "одновимірні діри".
Загалом ранг k-ї групи гомології, тобто число
називається k-м числом Бетті простору S. Він в певному сенсі є мірою кількості k-вимірних пустот у S.
Приклад
Нехай S — границя трикутника, що розглядається як симпліційний комплекс. Таким чином, S має три вершини і три ребра, які є одновимірними симплексами. Для обчислення гомологічних груп простору S почнемо з опису ланцюгових груп . А саме, є ізоморфною з породжуючою множиною а є ізоморфною і базисними елементами є орієнтовані 1-симплекси і Ланцюгові групи розмірності 2 і більше є тривіальними.
Граничний гомоморфізм ∂: C1 → C0 задається як:
Оскільки група є тривіальною, кожен 0-ланцюг є циклом (тобто ). Натомість підгрупа 0-границь породжується трьома елементами праворуч цих рівнянь, утворюючи двовимірну підгрупу у . Отже, 0-група гомології є ізоморфною , де базовим елементом можна взяти, наприклад 0-цикл
Група 1-циклів є ядром гомоморфізму ∂, яке є ізоморфним Z , з базовим елементом (наприклад) (Зображення показує, що цей 1-цикл обходить навколо трикутника в одному з двох можливих напрямків.) Оскільки то підгрупа 1-границь є тривіальною, і тому гомологічна група є ізоморфною .
Групи гомологій для i, що не дорівнює 0 або 1 є тривіальними.
Симпліційні відображення
Нехай S і T — симпліційні комплекси. Симпліційним відображенням f із S у T називається функція із множини вершин комплекса S у множину вершин комплекса T, така що образ множини вершин будь-якого симплекса в S є множина вершин симплекса у T. Симпліційне відображення f: S → T задає гомоморфізм груп гомології Hk(S) → Hk(T) для кожного цілого k. Цей гомоморфізм, пов'язаний із ланцюговим відображенням із ланцюгового комплексу S у ланцюговий комплекс T. Явно це ланцюгове відображення задається на k-ланцюгах як
якщо f(v0), ..., f(vk) є різними вершинами у T і f((v0, ..., vk)) = 0 в іншому випадку.
Ця конструкція робить симпліційну гомологію функтором із категорії симпліційних комплексів у категорію абелевих груп. Це важливо для застосувань теорії, включаючи теорему Брауера про нерухому точку та топологічну інваріантність симпліційної гомології.
Застосування в інформатиці
Стандартними даними у багатьох комп'ютерних програмах є набір точок (вимірювання, темні пікселі в бітовій карті тощо), в яких необхідно знайти топологічну особливість. Гомологія може бути інструментом пошуку такої ознаки, оскільки вона легко піддається обчисленню на основі комбінаторних даних, таких як симпліційний комплекс. Однак спершу необхідно здійснити триангуляцію, тобто дані замінюють симпліційним наближенням. Розрахунок симпліційної гомології включає аналіз гомології при різних розширеннях і реєстрацію класів гомології, які зберігаються при зміні роздільної здатності. Такі особливості можна використовувати для виявлення структур молекул, пухлин на рентгенограмах та кластерних структур у складних даних.
Більш загально, симпліційна гомологія відіграє центральну роль в топологічному аналізі даних, техніці в галузі аналізу даних.
Імплементація обчислювальних методів
- На доступний пакет Plex (Vin de Silva , Gunnar Carlsson), набір інструментів MATLAB для обчислення симпліційної гомології.
- Автономні реалізації в C++ доступні як частина програмних проектів Perseus [ 30 листопада 2020 у Wayback Machine.] і Dionysus [ 13 травня 2020 у Wayback Machine.].
Примітки
- V. V. Prasolov. Elements of combinatorial and differential topology. Section 5.3.2
- M. A. Armstrong. Basic topology. Section 8.6.
- A. Hatcher. Algebraic topology. Theorem 2.27
- Edelsbrunner et al.2002 [ 7 вересня 2019 у Wayback Machine.]Robins, 1999 [ 9 червня 2008 у Wayback Machine.]
Див. також
Література
- Armstrong, M. A. (1983), Basic topology, Springer-Verlag, ISBN , MR 0705632
- Hatcher, Allen (2002), , Cambridge University Press, ISBN , MR 1867354, архів оригіналу за 15 травня 2018, процитовано 28 травня 2020
- Prasolov, V. V. (2006), Elements of combinatorial and differential topology, American Mathematical Society, ISBN , MR 2233951
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
V algebrichnij topologiyi simplicijna gomologiya formalizuye uyavlennya pro kilkist pustot danogo vimiru u simplicijnomu kompleksi U vipadku rozmirnosti 0 simplicijna gomologiya viznachaye kilkist komponent zv yaznosti u simplicijnomu kompleksi Simplicijna gomologiya vinikla yak sposib vivchennya topologichnih prostoriv budivelnimi blokami yakih ye n simpleksi n vimirni analogi trikutnikiv Syudi vhodyat tochka 0 simpleks vidrizok liniyi 1 simpleks trikutnik 2 simpleks i tetraedr 3 simpleks Za oznachennyam takij prostir ye gomeomorfnim simplicijnomu kompleksu tochnishe geometrichnij realizaciyi abstraktnogo simplicijnogo kompleksu Takij gomeomorfizm nazivayut triangulyaciyeyu danogo prostoru Bagato vazhlivih topologichnih prostoriv mozhna triangulyuvati zokrema usi gladki mnogovidi Kerns ta Uajthed Vazhlivim ye fakt sho simplicijna gomologiya zalezhit lishe vid topologichnogo prostoru a ne konkretnoyi triangulyaciyi Yak rezultat ce daye sposib vidrizniti odin prostir vid inshogo Singulyarna gomologiya sporidnena teoriya yaka krashe adaptuyetsya do teoriyi a ne do obchislennya Singulyarna gomologiya viznachena dlya vsih topologichnih prostoriv i ochevidno zalezhit lishe vid topologiyi a ne bud yakoyi triangulyaciyi Singulyarna gomologiya ye rivnoyu simplicijnij dlya prostoriv yaki mozhna triagulyuvati Tim ne menshe oskilki mozhna prosto ta efektivno obchisliti simplicijnu gomologiyu simplicijnogo kompleksu simplicijna gomologiya stala vazhlivoyu dlya zastosuvan napriklad u analizi zobrazhen ta analizi danih zagalom OznachennyaKlyuchovim ponyattyam u oznachenni simplicijnoyi gomologiyi ye ponyattya oriyentaciyi simpleksa Za oznachennyam oriyentaciya k simpleksa zadayetsya vporyadkuvannyam vershin zapisanih yak v0 vk z pravilom sho dva vporyadkuvannya viznachayut odnu i tu zh oriyentaciyu yaksho i tilki yaksho voni vidriznyayutsya parnoyu perestanovkoyu Takim chinom kozhen simpleks maye rivno dvi oriyentaciyi a zmina poryadku dvoh vershin zminyuye oriyentaciyu na protilezhnu Napriklad vibir oriyentaciyi 1 simpleksa oznachaye vibir odnogo z dvoh mozhlivih napryamkiv a vibir oriyentaciyi 2 simpleksa oznachaye vibir togo sho maye oznachati proti godinnikovoyi strilki Nehaj S simplicijnij kompleks Simplicijnim k lancyugom nazivayetsya skinchenna formalna suma i 1Ncisi displaystyle sum i 1 N c i sigma i de kozhne ci ye cilim chislom a si oriyentovanim k simpleksom Pri comu vvazhayetsya sho kozhen oriyentovanij simpleks dorivnyuye simpleksu z protilezhnoyu oriyentaciyeyu iz znakom minus Napriklad v0 v1 v1 v0 displaystyle v 0 v 1 v 1 v 0 Grupa k lancyugiv na S zapisuyetsya yak Ck Vona ye vilnoyu abelevoyu grupoyu bazisom yakoyi ye mnozhina k simpleksiv u S Pri comu potribno vibrati oriyentaciyu kozhnogo simpleksa Odnim iz standartnih sposobiv cogo ye vibir uporyadkuvannya vsih vershin i nadannya kozhnomu simpleksu oriyentaciyi sho vidpovidaye indukovanomu vporyadkuvannyu jogo vershin Nehaj s v0 vk oriyentovanij k simpleks sho rozglyadayetsya yak bazisnij element Ck Granichnim operatorom k Ck Ck 1 displaystyle partial k C k rightarrow C k 1 nazivayetsya gomomorfizm rivnij za oznachennyam k s i 0k 1 i v0 vi vk displaystyle partial k sigma sum i 0 k 1 i v 0 dots widehat v i dots v k de oriyentovanij simpleks v0 vi vk displaystyle v 0 dots widehat v i dots v k ye i oyu grannyu simpleksa s otrimanoyu shlyahom vidalennya yiyi i yi vershini V grupi Ck displaystyle C k elementi pidgrupi Zk ker k displaystyle Z k ker partial k nazivayutsya ciklami a elementi pidgrupi Bk im k 1 displaystyle B k operatorname im partial k 1 granicyami Pryame obchislennya pokazuye sho 2 0 Z geometrichnoyi tochki zoru ce oznachaye sho sho granicya chogo nebud ne maye granici Ekvivalentno abelevi grupi Ck k displaystyle C k partial k utvoryuyut lancyugovij kompleks Inshim ekvivalentnim tverdzhennyam ye te sho Bk displaystyle B k ye pidmnozhinoyu Zk displaystyle Z k Grupa gomologiyi poryadku k dlya prostoru S poznachayetsya yak Hk S displaystyle H k S za oznachennyam ye faktorgrupoyu Hk S Zk Bk displaystyle H k S Z k B k Zokrema Hk S displaystyle H k S ye nenulovoyu todi koli na S ye k cikli yaki ne ye granicyami U pevnomu sensi ce oznachaye sho v kompleksi ye k vimirni pustoti Napriklad rozglyanemo prostir S otrimanij skleyuvannyam dvoh granic trikutnikiv uzdovzh odniyeyi storoni Storoni kozhnogo trikutnika mozhna oriyentuvati tak shob utvorivsya cikl Ci dva cikli za pobudovoyu ne ye granicyami oskilki kozhen 2 lancyug ye rivnim nulyu Mozhna obchisliti sho grupa gomologiyi H2 S displaystyle H 2 S ye izomorfnoyu Z2 displaystyle mathbb Z 2 i bazovimi elementami ye dva zgadani cikli Cej rezultat mozhna vvazhati chitkoyu formalizaciyeyu tverdzhennya pro te sho u S ye dvi odnovimirni diri Zagalom rang k yi grupi gomologiyi tobto chislo bk rank Hk S displaystyle beta k operatorname rank H k S nazivayetsya k m chislom Betti prostoru S Vin v pevnomu sensi ye miroyu kilkosti k vimirnih pustot u S PrikladNehaj S granicya trikutnika sho rozglyadayetsya yak simplicijnij kompleks Takim chinom S maye tri vershini v0 v1 v2 displaystyle v 0 v 1 v 2 i tri rebra yaki ye odnovimirnimi simpleksami Dlya obchislennya gomologichnih grup prostoru S pochnemo z opisu lancyugovih grup Ck displaystyle C k A same C0 displaystyle C 0 ye izomorfnoyu Z3 displaystyle mathbb Z 3 z porodzhuyuchoyu mnozhinoyu v0 v1 v2 displaystyle v 0 v 1 v 2 a C1 displaystyle C 1 ye izomorfnoyu Z3 displaystyle mathbb Z 3 i bazisnimi elementami ye oriyentovani 1 simpleksi v0 v1 v0 v2 displaystyle v 0 v 1 v 0 v 2 i v1 v2 displaystyle v 1 v 2 Lancyugovi grupi rozmirnosti 2 i bilshe ye trivialnimi Granichnij gomomorfizm C1 C0 zadayetsya yak v0 v1 v1 v0 displaystyle partial v 0 v 1 v 1 v 0 v0 v2 v2 v0 displaystyle partial v 0 v 2 v 2 v 0 v1 v2 v2 v1 displaystyle partial v 1 v 2 v 2 v 1 Oskilki grupa C 1 displaystyle C 1 ye trivialnoyu kozhen 0 lancyug ye ciklom tobto Z0 C0 displaystyle Z 0 C 0 Natomist pidgrupa 0 granic porodzhuyetsya troma elementami pravoruch cih rivnyan utvoryuyuchi dvovimirnu pidgrupu u C0 displaystyle C 0 Otzhe 0 grupa gomologiyi H0 S Z0 B0 displaystyle H 0 S Z 0 B 0 ye izomorfnoyu Z displaystyle mathbb Z de bazovim elementom mozhna vzyati napriklad 0 cikl v0 displaystyle v 0 Grupa 1 cikliv ye yadrom gomomorfizmu yake ye izomorfnim Z z bazovim elementom napriklad v0 v1 v0 v2 v1 v2 displaystyle v 0 v 1 v 0 v 2 v 1 v 2 Zobrazhennya pokazuye sho cej 1 cikl obhodit navkolo trikutnika v odnomu z dvoh mozhlivih napryamkiv Oskilki C2 0 displaystyle C 2 0 to pidgrupa 1 granic ye trivialnoyu i tomu gomologichna grupa H1 S displaystyle H 1 S ye izomorfnoyu Z displaystyle mathbb Z Grupi gomologij Hi S displaystyle H i S dlya i sho ne dorivnyuye 0 abo 1 ye trivialnimi Simplicijni vidobrazhennyaNehaj S i T simplicijni kompleksi Simplicijnim vidobrazhennyam f iz S u T nazivayetsya funkciya iz mnozhini vershin kompleksa S u mnozhinu vershin kompleksa T taka sho obraz mnozhini vershin bud yakogo simpleksa v S ye mnozhina vershin simpleksa u T Simplicijne vidobrazhennya f S T zadaye gomomorfizm grup gomologiyi Hk S Hk T dlya kozhnogo cilogo k Cej gomomorfizm pov yazanij iz lancyugovim vidobrazhennyam iz lancyugovogo kompleksu S u lancyugovij kompleks T Yavno ce lancyugove vidobrazhennya zadayetsya na k lancyugah yak f v0 vk f v0 f vk displaystyle f v 0 ldots v k f v 0 ldots f v k yaksho f v0 f vk ye riznimi vershinami u T i f v0 vk 0 v inshomu vipadku Cya konstrukciya robit simplicijnu gomologiyu funktorom iz kategoriyi simplicijnih kompleksiv u kategoriyu abelevih grup Ce vazhlivo dlya zastosuvan teoriyi vklyuchayuchi teoremu Brauera pro neruhomu tochku ta topologichnu invariantnist simplicijnoyi gomologiyi Zastosuvannya v informaticiStandartnimi danimi u bagatoh komp yuternih programah ye nabir tochok vimiryuvannya temni pikseli v bitovij karti tosho v yakih neobhidno znajti topologichnu osoblivist Gomologiya mozhe buti instrumentom poshuku takoyi oznaki oskilki vona legko piddayetsya obchislennyu na osnovi kombinatornih danih takih yak simplicijnij kompleks Odnak spershu neobhidno zdijsniti triangulyaciyu tobto dani zaminyuyut simplicijnim nablizhennyam Rozrahunok simplicijnoyi gomologiyi vklyuchaye analiz gomologiyi pri riznih rozshirennyah i reyestraciyu klasiv gomologiyi yaki zberigayutsya pri zmini rozdilnoyi zdatnosti Taki osoblivosti mozhna vikoristovuvati dlya viyavlennya struktur molekul puhlin na rentgenogramah ta klasternih struktur u skladnih danih Bilsh zagalno simplicijna gomologiya vidigraye centralnu rol v topologichnomu analizi danih tehnici v galuzi analizu danih Implementaciya obchislyuvalnih metodiv Na dostupnij paket Plex Vin de Silva Gunnar Carlsson nabir instrumentiv MATLAB dlya obchislennya simplicijnoyi gomologiyi Avtonomni realizaciyi v C dostupni yak chastina programnih proektiv Perseus 30 listopada 2020 u Wayback Machine i Dionysus 13 travnya 2020 u Wayback Machine PrimitkiV V Prasolov Elements of combinatorial and differential topology Section 5 3 2 M A Armstrong Basic topology Section 8 6 A Hatcher Algebraic topology Theorem 2 27 Edelsbrunner et al 2002 7 veresnya 2019 u Wayback Machine Robins 1999 9 chervnya 2008 u Wayback Machine Div takozhSimplicijnij kompleks Singulyarni gomologiyi Simplicijna sferaLiteraturaArmstrong M A 1983 Basic topology Springer Verlag ISBN 0 387 90839 0 MR 0705632 Hatcher Allen 2002 Cambridge University Press ISBN 0 521 79540 0 MR 1867354 arhiv originalu za 15 travnya 2018 procitovano 28 travnya 2020 Prasolov V V 2006 Elements of combinatorial and differential topology American Mathematical Society ISBN 0 8218 3809 1 MR 2233951