Комбинаторная реализация циклов

О теме диссертации.

В конце 1940;х годов Н. Стинрод (см. [33]) поставил следующую проблему, известную как проблема о реализации циклов: существуют ли для данного класса (сингулярных) гомологий z Е Нп (Х]Ъ) замкнутое ориентированное многообразие Nn и непрерывное отображение /: Nn —> X, такие что MNn] — z? Здесь X — произвольное топологическое пространство. Однако без ограничения общности можно считать, что X — компактный полиэдр. Классическим результатом является следующая теорема Р. Тома.

Теорема (Р. Том [19]). Для каждого натурального числа п существует такое натуральное число к — к (п), что для любого n-мерного целочисленного класса гомологий z? Нп{Х Z), класс kz реализуем в виде образа ориентированного замкнутого гладкого многообразия.

В той же работе Р. Том доказал, что все классы гомологий размерностей ^ 6 реализуемы и построил первый пример 7-мерного целочисленного класса гомологий, не реализуемого по Стинроду. Таким классом является класс гомологий z Е Н-[{К{Ъ3,2)-Z), такой что {St%StL, pz (z)) ф 0, где рз — операция приведения по модулю 3 и ь G H2(K (Z 3, 2) — Z3)—канонический класс. Такой класс z существует, так как pStfStli Ф 0, где р: #7(A'(Z3, 2) — Z3) HS (K (Z3,2) — Z3) — гомоморфизм Бокштейна.

Задача о реализации циклов тесно связана с задачей о дифференциалах в гомологической спектральной последовательности Атья-Хирцебруха в теории S0*(-) ориентированных бордизмов. Член Е2 этой спектральной последовательности имеет вид Egt = Hs (X]Qf°), а член Е°° присоединён к градуированной группе SO*(X) ориентированных бордизмов пространства X. Класс z? Нп (ХЪ) = Е%0 реализуем образом гладкого многообразия тогда и только тогда, когда он является циклом всех дифференциалов. Аналогично, класс z может быть реализован образом стабильно комплексного многообразия тогда, и только тогда, когда он является циклом всех дифференциалов спектральной последовательности Атья-Хирцебруха в теории ?/*(•) унитарных бордизмов. Согласно классической теореме Милнора-Новикова [39], [15], кольцо комплексных кобордизмов не имеет кручения. Опираясь на этот факт, С. П. Новиков [15] заметил, что, если целочисленные гомологии пространства X не имеют кручения, то все дифференциалы спектральной последовательности Атья-Хирцебруха в теории ?/*(•) тривиальны и, следовательно, все классы гомологий пространства X реализуются по Стиироду.

Каждый компактный полиэдр X можно вложить в ориентированное замкнутое гладкое многообразие, так чтобы вложение индуцировало изоморфизмы гомотопических групп и групп гомологий вплоть до любой наперёд заданной размерности. Таким образом, задачу о реализации циклов достаточно исследовать в случае, когда X = Qm — ориентированное замкнутое гладкое многообразие. В этом случае двойственность Пуанкаре устанавливает изоморфизм между гомологической и когомологической спектральными последовательностями Атья-Хирцебруха для теорий ориентированных бордизмов и ориентированных кобордизмов соответственно. Первым нетривиальным дифференциалом в гомологической спектральной последовательности Атья-Хирцебруха является дифференциал о: Hn{Qm- = ffn (QmZ) -> Hn^(QmZ) = Hn^(Qm.

Двойственный ему дифференциал в когомологической спектральной последовательности имеет вид.

Дифференциалы 0 тривиальны при п ^ 6. Дифференциал может быть нетривиален: примером класса гомологий, не принадлежащего его ядру, является класс z из примера Р. Тома.

Порядки дифференциалов в спектральной последовательности Атья-Хирцебруха были вычислены В. М. Бухштабером [2]. В результате им были получены важные результаты о числах к (п).

Классический подход к проблеме Стинрода о реализации циклов, при помощи которого были получены все указанные выше результаты, заключается в её сведении к гомотопической задаче при помощи теоремы трансверсальности Тома и последующего исследования этой гомотопической задачи методами алгебраической топологии. В настоящей работе мы предлагаем новый, комбинаторный подход к проблеме Стинрода, основанный на изучении локальной комбинаторной структуры цикла, представляющего заданный класс гомологий. sti.

QmZ3) Д Н m-n+5(Qm-Z).

Хорошо известно, что всякий целочисленный класс сингулярных гомо-логий может быть реализован непрерывным образом ориентированного симплициального псевдомногообразия. Поэтому задача о реализации по Стинроду произвольных целочисленных классов гомологий сводится к задаче о реализации фундаментальных классов ориентированных симпли-циальных псевдомногообразий. Для каждого ориентированного симплициального псевдомногообразия Zn мы даём явную комбинаторную конструкцию гладкого многообразия Nn и отображения /: Nn —" Zn, таких что /*[iVn] = qZn] для некоторого ненулевого целого числа q.

Некоторые идеи нашего подхода восходят к работе Д. Сулливана [42], в которой был предложен подход к проблеме Стинрода, основанный на разрешении особенностей псевдомногообразий. Пусть Zn — псевдомногообразие, ЕС Zn — подмножество, такое что Zn Е — гладкое ориентированное многообразие. Разрешение особенностей псевдомногообразия Zn в смысле Д. Сулливана — это отображение /: Nn —> Zn, где iV" —гладкое ориентированное многообразие, такое что ограничение является диффеоморфизмом. Первым примером псевдомногообразия, не допускающего разрешения особенностей, является 7-мерный цикл, представляющий построенный Р. Томом [19] 7-мерный целочисленный класс гомологий, не реализуемый по Стинроду. В работе [42] Д. Сулливан построил серию геометрических препятствий к существованию разрешения особенностей псевдомногообразия. Эти препятствия дают геометрическую интерпретацию дифференциалов в спектральной последовательности Атья-Хирцебруха. Отметим, что исследование задачи о разрешение особенностей Д. Сулливан проводил с помощью теории кобордизмов, то есть по сути всё равно с помощью сведения к гомотопической задаче и исследования её методами алгебраической топологии. Наш подход заключается в том, чтобы построить отображение /: Nn —> Zn исходя из локальной комбинаторной структуры псевдомногообразия Zn. При этом нам на самом деле не нужно стремиться к тому, чтобы отображение / было разрешением особенностей в смысле Д. Сулливана, а достаточно лишь выполнения гомологического условия f*[Nn] = q[Zn] для некоторого ненулевого целого числа q.

Представляет интерес задача о реализации классов гомологии образами фундаментальных классов специальных многообразий, имеющих сравнительно простое топологическое строение. Классическим примером является задача о реализации классов гомологий образами сфер, то есть задача об описании образа гомоморфизма Гуревича. Отметим, что при такой постановке аналог теоремы Р. Тома очевидно не верен: существуют целочисленные классы гомологий, для которых никакой кратный им класс гомологий не лежит в образе гомоморфизма Гуревича. В настоящей работе мы решаем задачу о нахождении набора Л4п гладких п-мерных многообразий, достаточного для реализации с некоторой кратностью всех целочисленных n-мерных классов гомологий любого пространства X.

В центре нашей конструкции находится многообразие Мп изоспек-тральных вещественных симметрических трёхдиагональных (тИ-1) х (гг+1) матриц, то есть многообразие вещественных симметрических трёхдиагональных матриц с фиксированным простым спектром Ai > А2 >. > An+i. (Матрица, А = (а^) называется трёхдиагоналъной, если ац = 0 при i — j > 1.) Многообразие Mn возникает в теории интегрируемых систем при изучении цепочки Тоды (см. [40], [13]). Топологические свойства многообразия Мп были первоначально изучены К. Томеи [43]. Им было построено клеточное разбиение многообразия Мп и, опираясь на результаты М. Дэвиса [30], доказана его асферичность. Напомним, что пространство X называется асферичным, если оно имеет тип К (тг, 1), то есть если X линейно связно и 7Ti (X) — 0 при i > 1. К. Томеи также доказал, что класс диффеоморфизма многообразия Мп не зависит от чисел Ai, Л2,., An+i.

В настоящей работе мы доказываем, что в качестве набора Мп многообразий, достаточных для реализации всех n-мерных классов гомологий, можно взять набор всевозможных конечнолистных накрытий над многообразием Мп. Для любого класса гомологий z € Нп{ХЖ) мы строим явно накрытие Мп над многообразием Мп и непрерывное отображение /: Мп —" X, такие что f±[Mn} = qz для некоторого ненулевого целого числа q. Если пространство X линейно связно, полученное многообразие Мп связно. Многообразие Мп асферично. Значит, все его связные накрытия также асферичны. Таким образом, мы получаем, что любой целочисленный класс гомологий любого линейно связного топологического пространства X может быть реализован образом ориентированного гладкого асферичного многообразия.

Проблема Н. Стинрода о реализации циклов непрерывными образами многообразий тесно связана с проблемой о реализации циклов в замкнутом гладком многообразии Qm ориентированными подмногообразиями (см. [19]). Эта проблема имеет два случая: стабильный (при п < у) и нестабильный (при n ^ тг). В нестабильном случае вопрос о том, какими именно подмногообразиями может быть реализован заданный класс гомологий многообразия, исследовался в малых размерностях (двумерные классы гомологий в трёхмерных и четырёхмерных многообразиях). Эта проблема известна как проблема о вычислении минимального рода гладко вложенной поверхности, реализующей двумерный класс гомологий. Важные результаты по этой задаче были получены В. А. Рохлиным [16]. Классическим результатом также является знаменитая гипотеза Р. Тома, доказанная П. Кронхаймером и Т. Мровкой [38], утверждающая, что число является наименьшим родом гладко вложенной поверхности, представляющей класс гомологий ки, где и — стандартная образующая группы #2(CP2-Z).

Наши результаты относятся к стабильному случаю. Если п < у, то любой класс гомологий z? Hn (QmZ), реализуемый, но Стинроду, может быть реализован замкнутым ориентированным подмногообразием. Таким образом, из упомянутых выше результатов следует, что при п < у любой класс гомологий z? Hn (QmZ) с некоторой кратностью может быть реализован асферичным гладким подмногообразием, диффеоморфным ко-нечнолистному накрытию над многообразием Мп.

Многообразие Мп изоспектральных симметрических трёхдиагональ-иых матриц является важным представителем интересного класса гладких многообразий с действием группы Z??, называемых малыми накрытиями над многогранниками, индуцированными из линейной модели. Этот класс многообразий был введён и исследован М. Дэвисом и Т. Янушкевичем в работе [32]. Ранее важные примеры малых накрытий были исследованы в работах [43], [36], [31]. Использование этих результатов играет большую роль в наших конструкциях.

Важным инструментом, систематически использующимся в настоящей работе, является конструкция, которая сопоставляет n-мерное симплици-альное псевдомногообразие каждому однородному графу с вершинами степени п+1 и рёбрами раскрашенными правильным образом в п+1 цвет. Эта конструкция принадлежит М. Пеццана [41] в размерности 3 и М. Ферри [34] в произвольной размерности (см. также [35]). Эта конструкция даёт удобный язык для кодирования псевдомногообразий на языке графов. Практически все конструкции настоящей работы описаны на этом языке. Мы даём необходимые нам обобщения конструкции Пеццана-Ферри на случай псевдомногообразий, склеенных из произвольных простых многогранников.

Ещё одной задачей, исследуемой в настоящей диссертации, является задача об изучении канонической (п + 1)-значной динамики Т на множестве n-мерных симплексов n-мерного симплициально клеточного псевдомногообразия К.

В 1971 году в работе В. М. Бухштабера и С. П. Новикова [6] возникла конструкция в теории характеристических классов векторных расслоений, в которой произведением двух элементов некоторого множества являлся набор (с кратностями) из m элементов того же множества. Эта конструкция привела к понятию m-значной группы. Изначально казалось, что условие ассоциативности для m-значных групп является очень сильным и запас примеров m-значных групп невелик. Однако позже было найдено большое количество примеров различной природы. Теория m-значных групп развивалась в работах В. М. Бухштабера [4] и В. М. Бухштабера и у.

Е. Г. Риса [8], [27], [28]. Обзор основных направлений развития теории т-значных групп, а также обзор литературы можно найти в работе [26].

С момента возникновения теории многозначных групп одними из основных её приложений являются её приложения в теории m-значных динамических систем с дискретным временем или, короче, m-значных динамик [29], и в примыкающей к ней теории действий m-значных групп на графах [23], [24], [25]. Важным примером многозначной динамики является введённая В. М. Бухштабером [26] каноническая (п + 1)-динамика Т на множестве максимальных (по включению) симплексов n-мерного симпли-циально клеточного псевдомногообразия, сопоставляющая каждому симплексу набор симплексов, имеющих с ним общую гипергрань. (Симпли-циально клеточным комплексом называется комплекс, склеенный из симплексов вдоль изоморфизмов их граней так, что разрешается склеивать два симплекса по нескольким общим граням, но запрещается приклеивать одну грань симплекса к другой грани того же симплексаточное определение см. в разделе 1.1.) Класс канонических динамик на множествах максимальных симплексов симплициально клеточных псевдомногообразий достаточно широк. В частности, каждая m-значная динамика, задаваемая однородным графом степени т, может быть реализована в таком виде.

Хорошо известно, что каждая обратимая однозначная динамика задаётся действием бесконечной циклической группы Z. При этом обратимая динамика на конечном множестве всегда задаётся действием некоторой конечной циклической группы Zj. Естественный вопрос, поставленный В. М. Бухштабером в работе [26], заключается в том, может ли т-значная динамика быть проинтегрирована при помощи некоторой однопорождённой m-значной группы. Аналогично, естественно выяснить, может ли m-значная динамика на конечном множестве быть проинтегрирована при помощи конечной однопорождённой m-значной группы. Мы исследуем эти вопросы для канонических динамик на множествах максимальных симплексов симплициально клеточных псевдомногообразий. Наш подход основан на применении к рассматриваемой задаче хорошо разработанных методов изучения комбинаторики симплициальных комплексов. Основным инструментом является конструкция Пеццана-Ферри, применённая к барицентрическому подразделению исходного псевдомногообразия.

Опираясь на методы, разработанные при исследовании интегрируемости канонических многозначных динамик на множествах максимальных симплексов псевдомногообразий, П. В. Ягодовским и автором [12] был доказан следующий достаточный признак интегрируемости m-значной динамики: всякая m-значная динамика Т интегрируема при помощи некоторой однопорождённой m-значной группы, если число прообразов (с учётом кратностей) каждой точки при этой динамике равно т. При этом интегрирующая группа конечна, если множество, на котором задана динамика, конечно. Этот результат не вошёл в настоящую диссертацию.

Краткий перечень результатов.

Основными результатами настоящей работы являются следующие.

1. Даётся новый подход к проблеме реализации циклов, основанный на изучении локальной комбинаторной структуры симплициального псевдомногообразия, реализующего цикл. Получена явная конструкция, которая по каждому целочисленному сингулярному циклу? топологического пространства X строит ориентированное гладкое замкнутое многообразие Nn и отображение /: Nn X, реализующее с некоторой кратностью класс гомологий цикла то есть такое, что f*[Nn] = для некоторого ненулевого целого числа q. Таким образом, получено комбинаторное доказательство теоремы Р. Тома о том, что каждый целочисленный класс гомологий с некоторой кратностью реализуется непрерывным образом ориентированного гладкого многообразия, не использующее теорем трансверсальности и аппарата алгебраической топологии.

2. Доказано, что каждый n-мерный целочисленный класс гомологий любого топологического пространства может быть с некоторой кратностью реализован непрерывным образом конечнолистного накрытия над многообразием изоспектральных симметрических трёхдиагональ-ных вещественных (n + 1) х (n + 1) матриц. В частности, доказано, что каждый целочисленный класс гомологий любого линейно связного топологического пространства может быть с некоторой кратностью реализован непрерывным образом ориентированного гладкого асферичного многообразия. Доказано, что каждый n-мерный целочисленный класс гомологий связного замкнутого гладкого многообразия Qm, такого что т > 2п, может быть реализован асферичным гладким подмногообразием, диффеоморфным конечнолистному накрытию над многообразием изоспектральных симметрических трёхдиагональных вещественных (n + 1) х (n + 1) матриц.

3. Изучена каноническая [п 4- 1)-значная динамика Т на множестве n-мерных симплексов n-мерного симплициально клеточного псевдомногообразия. Дана явная конструкция однопорождённой бикосетной (п + 1)!-значной группы, интегрирующей (п + 1)!-значную динамику пТ, кратную динамике Т. Для каждого неотрицательного целого числа п построена универсальная однопорождёниая бикосетная (n + 1)!-значная группа Xn+i, такая что каноническая (п + 1)-значная динамика на множестве максимальных симплексов любого п-мерного симплициально клеточного псевдомногообразия может быть проинтегрирована с кратностью п! при помощи (п + 1)!-значной группы Хп+1.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [5], [10], [11]. Содержание работы.

Здесь мы кратко опишем структуру работы. Диссертация разбита на главы, а главы — на разделы. Теоремы, предложения, примеры, замечания и т. д. нумеруются в пределах раздела, а рисунки и уравнения — в пределах главы.

В конце введения мы приводим соглашения, которые используются в работе и список наиболее часто встречающихся обозначений.

1. Бурбаки Н., Группы и алгебры Ли, главы 4−6. М.: Мир, 1972.

2. Бухштабер В. М., Модули дифференциалов спектральной последова-тельсти Атья-Хирцебруха I, II, Матем. сб., т. 78 (1969), № 2, с. 307 320- т. 83 (1970), № 1, с. 61−76.

3. Бухштабер В. М., Характеристические классы в кобордизмах и топологические приложения теорий однозначных и двузначных формальных групп, Итоги науки и техн. ВИНИТИ, Соврем, пробл. мат., т. 10 (1978), с. 5−178.

4. Бухштабер В. М., Функциональные уравнения, ассоциированные с теоремами сложения для эллиптических функций, и двузначные алгебраические группы, Успехи математических наук, т. 45 (1990), № 3, с. 185−186.

5. Бухштабер В. М., Гайфуллин А. А., Представления т-значных групп на триангуляциях многообразий, Успехи математических наук, т. 61 (2006), №, с. 171−172.

6. Бухштабер В. М., Новиков С. П., Формальные группы, степенные системы и операторы Адамса, Матем. сб., т. 84 (1971), № 1, с. 81−118.

7. Бухштабер В. М., Панов Т. Е., Торические действия в топологии и комбинаторике. М.: МЦНМО, 2004.

8. Бухштабер В. М., Рис Е. Г., Многозначные группы и п-алгебры Хопфа, Успехи математических наук, т. 51 (1996), № 4, с. 149−150.

9. Винберг Э. Б., Дискретные линейные группы, порождённые отражениями, Известия АН СССР, сер. матем., т. 35 (1971), № 5, с. 1072−1112.

10. Гайфуллин А. А., Явное построение многообразий, реализующих заданные классы гомологий, Успехи математических наук, т. 62 (2007), № 6, с. 167−168.

11. Гайфуллин А. А., Реализация циклов асферичными многообразиями, Успехи математических наук, т. 63 (2008), № 3, с. 5J-5%.

12. Гайфуллин А. А., Ягодовский П. В., Об интегрируемости т-значных динамик при помощи однопорождённых т-значных групп, Успехи математических наук, т. 62 (2007), № 1, с. 201−202.

13. Захаров В. Е., Манаков С. В., Новиков С. П., Питаевский J1. П., под ред. Новикова С. П., Теория солитонов: Метод обратной задачи. М.: Наука, 1980.

14. Зейферт Г., Трельфалль В., Топология. M.-JL: ГОНТИ, 1938; Ижевск: НИЦ РХД, 2001.

15. Новиков С. П., Гомотопические свойства комплексов Тома, Матем. сб., т. 57 (1962), № 4, с. 407−442.

16. Рохлин В. А., Двумерные подмногообразия четырёхмерных многообразий, Функц. анал. и прил., т. 5 (1971), № 1, с. 48−60.

17. Рохлин В. А., Фукс Д. В., Начальный курс топологии. Геометрические главы. М.: Наука, 1977.

18. Рурк К., Сандерсон В., Введение в кусочно линейную топологию. М.: Мир, 1974.

19. Том Р., Некоторые свойства «в целом» дифференцируемых многообразий, Расслоенные пространства. М.: ИЛ, 1958, с. 291−348.

20. Хилтон П.Дж., Уайли С., Теория гомологий.

Введение

в алгебраическую топологию. М.: Мир, 1966.

21. Ягодовский П. В., Деформация многозначных групп, Успехи математических наук, т. 52 (1997), № 3, с. 179−180.

22. Ягодовский П. В., Линейная деформация дискретных групп и конструкции многозначных групп, Известия РАН, сер. матем., т. 64 (2000), № 5, с. 197−224.

23. Ягодовский П. В., Представления многозначных групп на графах, Успехи математических наук, т. 57 (2002), № 1, с. 181−182.

24. Ягодовский П. В., Бикосетные группы и симметрические графы, Записки науч. сем. ПОМИ, т. 292 (2002), с. 161−174.

25. Ягодовский П. В., а-Расширения дискретных многозначных групп, Записки науч. сем. ПОМИ, т. 325 (2005), с. 225−242.

26. Buchstaber V. M., The n-valued groups: theory and applications, Moscow Math. J., v. 6 (2006), № 1, p. 57−84.

27. Buchstaber V. M., Rees E.G., Multivalued groups, their representations and Hopf algebras, Transformation Groups, v. 2 (1997), № 4, p. 325−349.

28. Buchstaber V. M., Rees E. G., Multivalued groups, n-Hopf algebras and Tiring homomorphisms. In book: Lie Groups and Lie Algebras. Netherlands, Kluwer Academic Publishers, 1998, p. 85−107.

29. Buchstaber V. M., Veselov A. P., Integrable correspondences and algebraic representations of multivalued groups, Int. Math. Res. Not., v. 8 (1996), p. 381−400.

30. Davis M. W., Groups generated by reflections and aspherical manifolds not covered by Euclidean space, Ann. Math. (2), v. 117 (1983), № 2, p. 293−324.

31. Davis M. W. Some aspherical manifolds, Duke Math. J., v. 55 (1987), № 1, p. 105−139.

32. Davis M.W., Januszkiewicz Т., Convex polytopes, Coxeter orbifolds and torus actions, Duke Math. J., v. 62 (1991), № 2, p. 417−451.

33. Eilenberg S., Problems in topology, Ann. Math. (2), v. 50 (1949), p. 246 260.

34. Ferri M., Una rappresentazione delle n-varieta topologiche triangolabili mediante grafi (n + 1)-colorati Boll. Un. Mat. Ital., Ser. 5, v. 13-B (1976), m, p. 250−260.

35. Ferri M., Gagliardi С., Grasselli L., A graph-theoretical representation of PL-manifolds — A survey on crystallizations, Aequationes Math., v. 31 (1986), № 2−3, p. 121−141.

36. Fried D., The cohomology of an isospectral flow, Proc. Amer. Math. Soc., v. 98 (1986), p. 363−368.

37. Goresky M., MacPherson R., Intersection homology theory, Topology, v. 19 (1980), № 2, p. 135−162.

38. Kronheimer P., Mrowka Т., The genus of embedded surfaces in the projective plane, Math. Res. Lett., v. 1 (1994), № 6, p. 797−808.

39. Milnor J., On the cobordism ring and a complex analogue. I, Amer. Math. J., v. 82 (1960), № 3, p. 505−521.

40. Moser J., Finitely many mass points on the line under the influence of an exponential potential — an integrable system, Lecture Notes in Physics, v. 38 (1975), Springer-Verlag, p. 467−497.

41. Pezzana M., Diagrammi di Heegaard e triangolazione contratta, Boll. Un. Mat. Ital., Ser. 4., v. 12 (1975), Suppl. al № 3, p. 98−105.

42. Sullivan D., Singularities in spaces, Proc. of Liverpool Singularities Symposium II, Lecture notes in Mathematics, v. 209 (1971), p. 196−206.

43. Tomei C., The topology of the isospectral manifold of tridiagonal matrices, Duke Math. J., v. 51 (1984), № 4, p. 981−996.

44. Ziegler G. M., Lectures on polytopes, Graduate Texts in Math., v. 152, Springer-Verlag, 1995.