群论和拓扑学有什么关系?

求问,科普一下… 顺便再问一下:中学学的数论,几何;大学学的微积分,线性代数,图论等内容,这些是不是都是建立在群论和拓扑学的基础上的?
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谢邀。

群属于代数结构。拓扑里面自然的有代数结构,比如拓扑空间上可以定义基本群、(上)同调群,还有拓扑空间的自同胚群,等等。代数结构的特点在于方便计算,方便比较;比如要确定两个拓扑空间不同胚,你只需要算一下它们的基本群不一样就行了;当然要证明两个东西同胚就麻烦很多。。

群上面也可以带拓扑结构,也就是所谓的 拓扑群,一个群上面带拓扑结构,或者说一个拓扑空间上面带群结构,取决于你怎么看,重点在于群运算要是连续的。拓扑群里面有一个重要的子类是所谓的李群,里面又有一个重要的子类叫做典型群(矩阵群),比如你在线代里面可能接触到的 GL(n), O(n), U(n),等等,皆属于这一类。

“中学学的数论,几何;大学学的微积分,线性代数,图论等内容,这些是不是都是建立在群论和拓扑学的基础上的?”

这个问题我不知道怎么回答。。因为问得太泛了。。中学学的数论主要用到的就是整除性质和同余理论,并没有牵扯到太多高层次的数学;中学的几何主要是平面几何、解析几何、立体几何,也是比较初等的数学,并不需要很现代的观点;微积分跟拓扑有关,或者说微积分里面的 \mathbb{R}^n 及其上的连续函数是一般拓扑学的“原型”;线代考虑的对象主要就是线性空间和线性映射,这里面自然包含群,比如我上面提到的GL(n)等等,当然还有它自带的加法群,不过这也太平凡了。。图论的话,其实更多算是组合的范畴,图论的命题并不需要你一定学过群论或者拓扑学才能看懂,当然图论可以和它们扯上关系;数学里面有交叉学科并不奇怪,图论还可以和分析产生联系呢,比如图上可以定义离散的调和函数,这个在领域内恐怕都是比较熟知的理论了。

最后说一句,为什么老是要讨论“学科之间的联系”这种虚头巴脑的东西呢,自己去学、去体会,不是更有意思么?

和拓扑中的基本群(fundamental group)有许多关系。

比如:由 Cartan-Hadamard定理: the universal cover of a complete m-dimensional Riemannian manifold X of non-positive sectional curvature is diffeomorphic to R^m, in particular its universal cover is contractible.

由此人们会关注于 aspherical space: A manifold M is aspherical if it’s path connected and its universal cover is contractible.

再由 Whitehead’s Theorem: If a map f : X → Y between connected CW complexes induces
isomorphisms f∗ : πn(X) → πn(Y ) for all n, then f is a homotopy equivalence.

由 Whitehead’s Theorem, an aspherical CW-complex 由它的fundamental group决定, 由此,关于基本群就可以展开很多讨论,相反人们会把一个群看成一个基本群,进而研究其对应manifold的性质进而研究这个群,Eilenberg–MacLane space就保证了这个的可行性。


又比如, Milnor-Sˇvarc Lemma,保证了在一定条件下( 群G acts properly
and coboundedly on the geodesic metric space)这个群的Cayley graph就与这个geodesic metric space“相似” (quasi-isometric).


这类的问题,基本上是属于几何群论的范畴,上世纪Gromov把很多微分几何方面的想法概念引入了群论,做出了许多相关工作。