C OMPOSITIO M ATHEMATICA
M AKOTO A BE
Über die Methode der Polyederentwicklung der Kompakten und ihre Anwendungen auf die Abbildungstheorie
Compositio Mathematica, tome 7 (1940), p. 185-193
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Abbildungstheorie
von
Makoto Abe Tokyo
§
1. Tlon denPolyederentwicklungen
derKornpakten.
Wie H.
Freudenthal 1)
bewiesenhat, läßt sich jedes Kompaktum
in eine irreduzible
auf-Rn-adische Polyederfolge
entwickeln. Für dieAnwendung
ist es aberzweckmäßig,
auch einegleichzeitige Entwicklung
von einemKompaktum
und einem(beliebig
aberfest
gewählten) Teilkompaktum
desselben in eineauf-Rn-adische Polyederfolge
zu betrachten. DieMÕglichkeit
solcherEntwicklung
ist durch
folgende
leichte Modifikation des Hilfssatzes XII2),
l.c. versichert.
HILFSSATZ. Ein
Kompaktum
R sei in eineauf-Rn-adische Folge
derPolyeder {Ln} entwickelt 2a):
ferner
seien dieAbbildungen 4) f.1 (und
daher auchfln) irreduzibel 5).
F sei ein
beliebig
aberfest gewâhltes Teilkompaktum
von R. Dannläßt
sich R auch in eineFolge {L’,1
mitfolgenden Eigenschaften I)2013IV)
entwickeln.’-) H. FREUDENTHAL, Entwicklungen von Râumen und ihren Gruppen [Com- positio Math. 4 (1937), 145-234], insbesondere Kap. IV. Wir setzen im folgenden
diese Arbeit als bekannt voraus und zitieren sie als "Entwicklungen" . 2) "Entwicklungen", Kap. IV, S. 189.
2a) Wir bezeichnen im folgenden mit L, K usw. die "absoluten Komplexe" als
rein kombinatorische Gebilde (also als Mengen der "Zellen" ) und mit L, K usw.
die von den Komplexen L, K usw. bestimmten "Polyeder" als Punktmengen.
Vgl. ALEXANDROFF & HOPF, S. 128.
3) Wir bezeichnen mit lim (R,,, fm) den Limesraum der Rn-adischen Folge Rm :Jf Rn.
4) Wir setzen im folgenden immer die Stetigkeit der in Frage kommenden Abbildungen voraus, auch wenn es nicht ausdrücklich erwâhnt ist.
186
1) {Lnv}
ist eineTeilfolge
von{Ln}. L’nv
t, ist eineUnterteilung
von
Lnv.
Il) hvu
ist einesinîpliziale Abbildung
vonL’,, auf
eine Unter-teilung
vonL:¿ .
ist eine
zuliissige
Abân-Simplizialzerlegung Lnu. Sie
sindalso
auchirreduzibel 5) (in bezug auf Ln ).
IV) hv
F =Kv, Kv
ist einTeilkomplex
vonLn Y
.In derauf-Rn-
adischen
Entwicklung
vonF,
sind
hvu, hu
irreduzibel inbezug auf Ku.
Von den
Bedingungen I)2013IV)
ist natürlich die letzte die wesentlichste. Die bei Freudenthal nichtvorausgesetzte
Irredu-zibilitât der
ursprünglichen Folge
wird hierdeswegen verlangt,
weil wir erzielen
wollen,
daB das ganzeKompaktum R
nach derAbânderung
noch in eineauf-R,,-adischen (irredtiziblen) Polyeder- folge
entwickelt bleibt. Der Beweis verh,uft fast genau wie beiFreudenthal;
wirübergehen
ihnhier,
um eineWiederholung
zuvermeiden.
Aus diesem Hilfssatz lassen sich
folgende Folgerungen
ziehen:1.5a)
JedesKompaktuin F läßt
sich in eineauf-Rn-adische Polyederfolge
derart
entwickeln, dap fnm
einesimpliziale Abbildung
vonKn auf
eine
Unterteilung
vonKn2 ist,
u.ndfnm , fm
irreduzibel sind.Beweis. Wie bei Freudenthal
6)
stellen wir uns F als Teil-kompaktum
desFundamentalquaders R
des Hilbertschen Raumesvor.
Ln
sei der n-dimensionaleQuader,
der aus R durch Null-setzen aller Koordinaten von der
(n
+1 ) -ten
ab entsteht. Die5) Es seien F ein Kompaktum, K ein Komplex. Eine Abbildung gF C K heiBt
nach Freudenthal zuh,ssige Abänderung der Abbildung f F C .K (in bezug auf die Simplizialzerlegung K), wenn ga für jeden Punkt a von F auf dem Trâgersimplex von fa in K liegt. Wenn für jede zuh,ssige Abânderung g von f F C K immer gF=f F gilt, heiBt die Abbildung f irreduzibel (in bezug auf die Simplizialzerlegung K).
5a ) Dies ist nichts anders als der Hauptsatz 1 von "Entwicklungen".
6) ,.Entwicklungen", Kap. IV, S. 191.
von
fnm L n
-Lm(lim Ln = R) irreduziLeJ,
und dieBehauptung folgt
aus dem Hilfssatz.
II. F sei ein
Kompaktuln,
F’ einTeilkompaktum
desselben.F und F’ lassen sich
gleichzeitig
in irreduzibleaitf-R,,-adische Folgen
entwickeln :Hierbei ist
Kn
einTeilkomplex
vonL., f,n
einesimpliziale
Ab-bildung
vonLn auf
eineUnterteilung
vonLm. , fnm, f m
sind irreduzibel.Beweis. F sei nach 1 in eine irreduzible
auf-Rn-adische Polyeder- folge
entwickelt. Im Hilfssatz crsetze man nun R durchF,
F durch F’. Dannergibt
sich dieobige Behauptung
ohne weiteres.Nun seien F’ und F" zwei
Teilkompakten
von F. Ist F’ einm alnach II
gleichzeitig
mit F irreduzibelauf-R,,-adisch entwickelt,
so werden- diese
Eigenschaften
derEntwicklung
von F’ offenbarnicht zerstôrt
7),
wenn man dieAbànderungsprozesse
des Hilfs-satzes nochmals bez.
F,
F" anwendet. Esgilt
alsoallgemein:
III.
F(1), ..., F(’)
seienTeilkompakten
von F. Fläßt
sich ineine
Polyederfolge {Ln}
derartentwickeln, dap
dannF(1),
..., F(v)alle
gleichzeitig
inFolgen
derTeilpolyeder {Kn(1)},..., {Knv}
vonln
mit denBedingungen
wie bei II irreduzibel entzvickelt zuerden.Bemerkung.
Wenn dieFolge fnm Kn = Rm,
limKn
=F,
irre-duzibel
ist,
sosteigt
die dimKn
mit n, und esgilt
lim dimKn
=dim F
8).
Ist also dim F = rC oc, kann man für alle n dimKn
- rannehmen.
§
2. Tjon denstetigen Abbildungen
derKompakten
in dieSphâre.
Wir wollen nun die im letzten
Paragraphen hergestellte Polyeder- entwicklung
derKompakten
auf dieUntersuchung
derstetigen Abbildungen
derKompakten
in dieSphäre
anwenden.Zunâchst
einige Vorbemerkungen:
1) F
sei einKompaktum,
F’ einTeilkompaktum
von F.Die
Opération 1
derRandbildung
bildet dieGruppe
der cn-Zyklen 3"+’(F) mod F9)
in dieGruppe
derBn-Zyklen S;n(F’) homomorph
ab. Dabeigeht
dieGruppe
derBn-Rander S):I(F)
7) Dies folgt nicht direkt aus dem Hilfssatz, ist aber âhnlieh zu beweisen.
Übrigens
brauchen wir im folgenden die Folgerung III nicht.8) Vgl. "Entwicklungen", Kap. VII, S. 229.
9) ,Entwicklungen", Kap. VI, S. 194.
188
mod F’
9)
in dieGruppe
dersn-Rander S)fl(F/)
über. DieOpera-
tion T bildet also auch die Bettische
En-Gruppe n 1 ( F )
modF’ 9)
in die Bettische
s,-Gruppe ;n(F/) homomorph
ab. Diese Ilomo-morphismen ( n =1,
2, 3, ..., lim-,, = 0)
bestimmen einen Homo-morphismus
derLimesgruppe
limmod F’
1°)
in dieLimesgruppe
limBildet nun eine
Abbildung f F
in 0 undzugleich
F’ in0’ C fl
ab,
so ist die vonf
induziertehomomorphe Abbildung
der
entsprechenden
BettischenGruppen (die
wir wieder mitf
bezeichnen
wollen)
offenbar mit tvertauschbar,
d.h. die zweiAbbildungen
stimmen überein.
2)
EinKompaktum
7’ sei in eineRn-adische Folge
der Kom-pakten
entwickelt.
f F
C .S sei einestetige Abbildung
von F in dieSphäre
S(oder allgemeiner
inirgendeinen
RetraktS).
Esgibt
fur alle n
Abbildungen
derart,
daBf F
C S und alle miteinanderhomotop sind, ebenso j
C S. Zum Beweise fassen wir alleFn
und F in einemKompaktum
R zusammen, so dal3 dien-te
"Koordinate"
an =h?2a C Fn
eines Punktes a C F für wach- sendes ngleichmäßig
und,wirk-lich"
in R gegen den Punkt akonvergiert 11 ) .
Man kannf F
C S mi einerAbbildung
einerUmgebung U
von F in S erweitern12).
Dieses U enthâlt fast alleFn.
Die so aufF 1l
definierteFortsetzung
vonf
bezeichnenwir mit
fn Fn
C S. Für ein hinreichendgrol3es n liegen a
undhn a
bzw. an undhr:nan
sehr nahebeieinander,
also auchf a
undf1t hna
bzw.f n anund fm h an, infolge
derStetigkeit
derFortsetzung
von
f.
Daher sindf n hn
fur fast alle nhomotop
mitf
und alsoauch
miteinander,
ebensofmhnm
mitf n,
w.z.b.w.10) ,,Entwicklungen", Kap. VI, S. 198.
11) "Entwicklungen", Kap. I, S. 153.
12) Sr sei in Rr+1 eingebettet. f F’ C Sr làl3t sich zu f F C Rr+1 erweitern. Für eine hinreichend kleine Umgebung U von F’ ist
fU
dem Mitteipunkt o der SphâreSi fremd. p sei die Projektion der Punkte von Rr+1 - o auf Sr aus dem Zentrum o.
Dann liefert
çf .
U C Sr die gewünschte Erweiterung von f.Abbildung Gruppen,
so bedeuten diese
Homotopien,
D.h.
{fn}
bildet dieFolge ab,
undf
ist dieLimesabbildung
vonSATZ 1.
Erweiterungssatz14).
F sei ein(r+1)-dimensionales Kompaktum,
F’ einTeilkompaktum
von F.f
F’ C Sr sei einestetige Abbildung
von F’ in die r-dimensionaleSphâre
S’’. Damit sich dieseAbbildung
zu einerAbbildung
des ganzen F in die S’’erweitern
läßt,
ist dieBedingung .ft[jr+I(F)
mod F’ coffi115)
= 0notwendig
und hinreichend.Beweis.
Hat f
eineErweiterung
mod Sr - 0. Daher ist die
Bedingung notwendig.
Um die Bedin-gung als auch hinreichend
nachmiweisen,
setzen wir einmalvoraus,
daß f F’
C S’’ sich nicht auf das ganze F erweitern lâl3t.Nach §
1, II entwickeln wir nunF,
F’ irreduzibel in dieFolge
wobei
Ln D K,,
und dimLn
- r + 1 ist. Nach 2 kônnen wirAbbildungen fn
für(fast)
alle ndefinieren,
sodaß f
und
fn hn
bzw.fn
undf m hm
miteinanderhomotop
sind.bilden eine
G,,-adisehe Folge
13) "Entwicklungen", Kap. I, S. 156.
14) Dieser Satz ist im Falle des Polyeders als der Hopfsche Erweiterungssatz bekannt. Vgl. ALEXANDROFF & HOPF, Topologie I, SS. 499-509. Im Falle des
Kompaktums hat K. Kodaira diesen Satz bewiesen [Compositio Math. 7 (1939), 1772013184]. Der dort gebrauchte Koeffizientenbereich ist jedoch die Gruppe der
reellen Zahlen mod 1 statt der der rationalen Zahlen mod 1. Unser Satz ist eine leichte Verschârfung des Satzes von Kodaira. Im wesentlichen ist aber dieser Satz schon in der Arbeit von Alexandroff-Hopf-Pontrjagin "Über den Brouwerschen
Dimensionsbegriff" [Compositio Math. 4 (1937), 2372013255] enthalten, wenn er auch dort nicht explizit formuliert ist.
15) Unter "co 9t," verstehen wir "mit der Gruppe der rationalen Zahlen redu- ziert mod 1 als Koeffizientenbereich". Übrigens werden wir späterhin nur diesen Koeffizientenbereich gebrauchen.
190
mit der
Limesgruppe ?
==3r+’(F)
niod F’ co9î,.
Die
Abbildungsfolge fn t>Sn C 5br(Sr)
co9t,
bildet eineAbbildung 16)
der
Folge {5Bn}
i nBr(sr) co ?1
mit derLimesabbildung fr>S
CBr( sr)
coffi1,
denn esgelten
dieZusammensetzungs-
Niun sind die
Abbildungen fn hnF’
C Srhomotop
mitf F’
C5,r,
lassen sich also ebenso wie
f
nicht auf dasganze F
erweitern17)
und daher auch nicht
fn Kn
CS" auf das ganzeLn.
Nach dembekannten
Hopfschen Erweiterungssatz 18) folgt
daraush§§llJ,
bilden nun für ein bestimmtcs 1n eine mit n monotonabsteigende Folge
derUntergruppen von 58.:
Da aber alle
Gruppen h’ ’ n e,,
von demTypus
der direkten Summeeiner endlicher Anzahl von
R1
und einer endlichenGruppe
sind19),
kônnen sie nicht eine wirklich
absteigende
unendlicheFolge
bil-den. Also sind von einem
gewissen
lV =N (ni)
ab allehn gleich:
Offenbar kann man
N(m)
sowählen,
daßN(m)
>N(m-1)
ist.und als
Limesgruppe
wieder B hat.h;[(n) BN(n)
ist also mithn B gleich.
Darausergibt
sichDie
Bedingung
des Satzes istfolglich
nicht erfüllt. Aus der16) l Siehe 13).
17) K. Kodaida, a. a. O., Hilfssatz 2.
18) Siehe 14).
19) Vgl. z.B. Alexandroff & Hopf, Topologie I, S. 234.
20) D.h. Die Folge Bm
hnm Bn
gehôrt zu einem ,,Auftypus" in der TerminologieFreudenthals.
Bedingung Abbildnng,
KOROLLAR. Ist die Brnuwersche
Dimension,
dimF,
des Kom-paktums
Fgleich
r, sogibt
es einTeilkompaktum
F’ von,F,
soBeweis. Die letzte
Behauptung
erklärt sichdaraus,
daù F sich in eineFolge
r-dimensionalerPolyeder
entwickcln läßt.Es
gibt
nun eine wesentlichcAbbildung f
von F auf die r-dimen-sionale
vollkugel
E’’. Sr-1 sei dieRandsphäre
vonF’’,
F’ dasf-Urbild
von Sr-1.f F’
C .Sr-1 läßt sich dann zu keinerAbbildung.
des ganzen F in die S’’-1 erweitern. Nach dem soeben bewiesenen Satz ist
ftÇJJr(F)
mod F’ co9ti #
0,also tr(F)
mod F’ co8ti
=1=0’v .z. h. w.
Bemerkung.
In derSprache
derkonvergenten Zyklen
la13t sichdie
Beziehung tÇJJr(F)
modF’ =1=
0 so deuten: Esgibt
cinen(r-1 )-dimensionalen konvergenten Zyklus
inF’,
der inF,
abernicht in F’
berandet,
d.h. einen r-1-dimensionalen berandenden,vese11tlich-kon’vergenten Zyklus
inF; ÇJJl’(F)
mod F’ = 0 be-deutet andererseits: Es
gibt
einen r-dimensionalen nicht be- randendenkonvergenten Relativzyklus
in F mod F’. Esgibt dagegen
keinen solchenZyklus
hôherer Dimensionen. Dies ist derHauptinhalt
der Arbeit vonA leNandroff-Hopf-Pontr j a gin : ,,Über
den BrouwerschenDimensionsbegriff". 21)
Das oben Ge-sagte
ist mit derdortigen
Schreibweise soausgedrückt :
SATZ 2.
Homotopiesatz 22).
F sei ein r-dinieîisionalesKompak-
tum. Zwei
Abbildungen f0F
C S’’ undf1F
C S’’ von F in die 1’-dimensionale
Sphäre
Srjehôren
dann und nu1’ dann ZUT selbenAbbildungsklasse,
wenn sie denselbenHomomorphismus von Br(F)
coR1
in5lJr(sr)
coffil
ro-.Iffil
induzieren.(Den
vonf
in-duzierten
Homomorphismus
können wir als Charakter mod 1 derGruppe 5lJr(F)
coffil
betrachten. Wir werden ihn imfolgenden
mit XI
bezeichnen.)
Beweis. Die
Notwendiglçeit
dergenannten Bedingung
ist klar.Nun sei diese erfüllt. Man setze 21) Siehe 14).
22l Im Falle eines Polyeders, ALEXANDROFF & HOPF, Topologie I, Kap. XIII,
§ 2,’ Satz I.
23)
Das topologische Produkt von F und der Strecke 0 t 1.192
tP ist dann ein
( r +1 )-dimensionales Kompaktum.
Dietopolo- gische Abbildung x - xf t (für x
ausF )
bezeichnen wir mit g t;g IF = F > t = FI.
Wir definieren ferner eineAbbildung f(Fo + Fl)
CSI,
indem wirf(x > 0) = fox, f(x > 1) = f1 x
fürx aus F setzen.
( fgo = fo’ fgl =f1. ) F 0 + F 1
ist einTeilkompaktuni
von 0. La13t sich dieses
f
auf dasganze 0 erweitern,
so wird derSatz bewiesen
sein. Ç
sei nun einbeliebiges
Element aus5Sr+1(f/J)
mod(Fo+F1)
co9î,.
Offenbar ist[1r(Fo+F1)
-Br(Fo) + Br(FI)
= goBr(F) + glBr(F); t
läßt sich daher in der Form tC =go Ç’ - g1 " darstellen, wobei Ç’, Ç"
Elemente ausBr(F)
sind. Bezeichnen wir die
Projektion
x > t -> x > 0 mit990
=Fo,
so daß 99 g = go, und bilden wir
cpt’!
Es ist einerseits andererseitsalso Aus der
Die
Bedingnng
der Erweiterba,rkeit vonf
ist alsoerfüllt,
w.z.b.w.Von jetzt
an schreiben wirkurz 5B(F)
statt5Br(F)
coR1.
LEMMA.
K
sei ein r-dimensionalesPolyedei,.
Fürjeden
CharakterX58(K)
C9î, gibt
es eineAbbilduns f E
CSr,
sodap
X = XI ist.Beweis. Der Charakter X der
Gruppe B(K) ^’ 3r (K)
co9î,
läßt sich zun1 Charakter X der
Gruppe
deralgebraischen
Korn-die r-dimensionalen
Simplexe
in Ksind. Z
wird durch die Homo-morphismen X(ffi10153i)
C§Ri, 1 = 1 ,
2,..., ri,vollstandig bestimmt; diese
letztenHomomorphismen
sind aber von demTypus Z(txi)
=nit, wobei ni ganz-rational
und t einbeliebiges
Element ausR1
ist. Mankann in üblicher
Weise 24)
eineAbbildung fR C sr
derart kon-struieren, da13 F(Xi)
ein festgewàhltes Siniplex
genauni-mal
bedeckt. Für diese
f
ist XI = Z, w.z.b.w.SATZ 3. F sei ein r-dimensionales
Kompaktuni.
Fürjeden
Charakter
XB(F)
C9î, gibt
es eineAbbildung fF
Csr,
sodaf3
xf=x ist.
Beweis. F sei in eine
auf-Rn-adische Folge
der r-dimensionalenPolyeder
entwickelt:Xn bzw. X sei die
Charakterengruppe
mod 1von B(Kn)
bzw.24) ALEXANDROFF & HOPF, Topologie I, Kap. XIII, § 1, Nr. 7, Hilfssatz.
B (F). 5B(F) der Folge
Nach einem der
algebraischen
Dualitätssátze(Vierter
Dualitäts-satz,
"Entwicklungen", Kap. II )
ist X derG,,-ale
Limes derFolge Xm hm
C Xn.Folglich gibt
es fürjedes X
aus X einx’2,
so daBNach dem Lemma
gibt
Nach den Sätzen 2-3
entspricht jeder Abbildungsklasse
vonF in S’’
eineindeutig
und restlos ein einzelnes Element der Charak-terengruppe X
von58(F).
Definiert man die Addition zweierAbbildungsklassen entsprechend
der Addition inX,
so entstehtdie
zu B(F)
dualeAbbildungsklassengruppe
von F25).
Dieselben
Betrachtungen
führen auch im Falle derstetigen Abbildungen
von F in die Kreislinie S’ zu denanalogen
Resul-taten. Der
Ausgangspunkt
ist wieder derErweiterungssatz
fürdite
Abbildungen
desPolyeders
in Sl26),
der sich viel leichter beweisenlàùt,
als derHopfsche Erweiterungssatz.
Esgelten
dieSatzes,
die den Sätzen 1, 2, 3entsprechen,
und schliel3lich ist dieAbbildungsklassengruppe
von F in S’ dual zur 1-dimensionalen BettischenGruppe
von F.(Eingegangen den 17. Mârz 1939.)
25) H. FREUDENTHAL, Bettische Gruppe mod 1 und Hopfsche Gruppe [Com- position Math. 4 (1937), 235-238].
26) ALEXANDROFF & HOPF, Topologie I, Kap. XIII, Nr. 2, Satz III.