C OMPOSITIO M ATHEMATICA
P. A LEXANDROFF H. H OPF
L. P ONTRJAGIN
Über den Brouwerschen Dimensionsbegriff
Compositio Mathematica, tome 4 (1937), p. 239-255
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Dimensionsbegriff
von
P.
Alexandroff,
H.Hopf
und L.Pontrjagin
Moskau Zürich Moskau
EINLEI1.’UNG.
1. Es
sei 3
eine AbelscheGruppe 1 ).
Eine Linearform c
= tZxi,
derenUnbestimmte xi Simplexe
der Dimensionszahl r, deren Koeffizienten Elemente
von 3 sind,
heiBt ein r-dimensionaler
algebraischer Komplex
desKoeffizienten-
bereiches
3. 2)
Dabei wirdvorausgesetzt,
dal3t(-xr)
= - teist. Unter einem
Simplex
wird dabei entweder einSimplex
einesEuklidischen Rn oder aber eine endliche
Punktmenge, ein "Gericst",
eines metrischen Raumes R
verstanden;
eineMenge
von r + 1Punkten des metrischen Raumes heiBt dabei ein r-dimensionales
Simplex;
ist der Durchmesser derMenge ô,
so ist dasSimplex
ein
ô-Simplex.
DieOrientierung
wird dabei wiegewôhnlich
ein-geführt.
Sind inalle
x2 t5-Simplexe,
so heiBt c einô-Komplex.
Unter dem Rand des orientierten
Simplex xr
=(ao
...ar)’
-
die ai
sind dieEckpunkte
von xr - wird derKomplex (des
Koeffizientenbereiches
0) 1)
unter dem Rande von txr der
Komplex (des
Koeffizientenberei-ches 3)
1) Im folgenden kommen nur folgende Gruppen g vor: die additive Gruppe
der ganzen Zahlen, G; die additive Gruppe der rationalen Zahlen, 9î; die Gruppe Q)m der Restklassen modulo ml m = 2, 3, ... in infinitum; die (additive) Gruppe ml der modulo 1 reduzierten rationalen Zahlen.
2) Vgl. P. ALEXANDROFF, Einfachste Grundbegriffe der Topologie [Berlin Springer 1932], sowie "Über die Urysohnschen Konstanten" [Fund. Math. 20 (1933), 140-150], wo der Begriff eines beliebigen Koeffizientenbereiches zum ersten Mal in voller Allgemeinheit eingeführt wurde.
unter dem Rande von
(1)
derKomplex
verstanden.
2. Ein
algebraischer l5-Kornplex
c des metrischen Raumes R heiBt einl5-Zyklus
bisauf
R’(wobei
R’ eineTeilmenge
von Rist),
wenn der Rand von c(d.h. jeder Eckpunkt
diesesRandes)
zu R’
gehôrt 3).
In
analoger
Weise definiert man einenZyklus
von K bisauf K’,
wobei K ein absoluterKomplex 4)
und K’ ein absoluterTeilkomplex
von K ist.Verschwindet der Rand des
algebraischen Komplexes,
so heiBter ein
Zyklus schlechtweg.
Ein
l5-Zyklus
c bis auf R’ e-berandet bisauf
R’(ist e-homolog
Null bis auf
R’),
in Zeichenc 7’
0(mod R’),
falls es einenc-Komplex
c’gibt
mit c’ - c + q,wobei q
einKomplex
in R’ ist.Unter einem wahren r-dimensionalen
Komplex
deskompakten
metrischen Raumes F und des
Koeffizientenbereiches S
ver-stehen wir eine
Folge
wobei ck ein
Dk-Komplex
desKoeffizientenbereiches J
in Fund
lim k
= 0 ist. Sind alle ckZyklen
bis aufF’,
F’ CF,
so istauch C
definitionsgemäß
ein wahrei-Zyklus
bisauf F’;
er heil3thomolog
Null bis aufF’,
falls ekÉ
BI:; 0(niod F’ )
undlim Bk
= 0ist. Sind alle ck
Zyklen schlechtweg,
so heif3t auch Cschlechtweg
ein wahrer
Zyklus.
Jede
abgeschlossene Teilmenge
vonF,
in der dieEckpunkte
fast aller Ck
liegen,
heiùt einTriiger
des wahrenKomplexes
C.Ein wahrer
Zyklus
heiBtwesentlich,
wenn er mindestens einenTräger besitzt,
in dem er nicht berandet.3. Die Dimension. von F in
bezug auf §§
istdefinitionsgemäß
die
gräßte
ganze Zahl r von derEigenschaft, dal3
es in F einenwesentlichen berandenden
(r -1 )-dimensionalen
wahrenZyklus
inbezug auf
denKoeffizientenbereich §§ gibt 5).
3) Dieser Begriff rührt von LEFSCHKTZ her. Vgl. "Topology" und die dort
angegebenen früheren Arbeiten.
4) Unter einem absoluten Komplex verstehen wir hier ein endliches System
von Simplexen.
5) P. ALEXANDROFF, "Dimensionstheorie" [Math. Ann. 106 (1932), 161-238]
(zitiert als Dimensionstheorie), sowie ,,1.T rysohnsche Konstanten".
Die Dimension von in
bezug auf 3
wird bezeichnet durchir s(F).
Ein wahrer
Zyklus
bis aufF’,
etwa(2),
heiBtkonvergent,
falls es
zu jedem e
eink(e) gibt,
so daBfür k > k(e),
k’ >k(s)
ist. Gibt es einen
Träger,
in dem derZyklus gleichzeitig
wesentlichund
konvergent ist,
so heiBt er wesentlichkonvergent.
Wir bezeichnen mit
A’ ;(F)
diegrôBte
Zahl von derEigen-
schaft,
daß es in F einen(r-1 )-dimensionalen
berandenden wesentlichkonvergenten Zyklus gibt.
Offenbar ist stetsLI(F) > LI(F).
Wir bezeichnen ferner mit
AC’A(F)
bzw.A"(F)
diegrÕ13te
Zahlr von der
Eigenschaft,
daß es in F einen r-dimensionalen bzw.einen r-dimensionalen
konvergenten Zyklus
des Koeffizienten-bereiches §§
bis auf einegewisse (passend
zuwählende ) abgeschlos-
sene
Teilmenge
F’gibt,
welcher bis auf F’ nicht berandet.Wir erinnern an noch eine bekannte
Definition.6)
Unter einem wahrenKomplex (2)
nach variablem Modul versteht man eineFolge ( 2 ),
in der Ck einKomplex
des Koeffizientenbereiches@)mk
(und
mk eine sich imallgemeinen
mit k ândernde ganze Zahl> 2
ist).
Man kann insbesondere von wahrenZyklen
nach varia-blem Modul
sprechen.
Ein solcher ist dannhomolog Null,
fallsjedes
ck inbezug
auf den betreffenden Koeffizientenbereich0
ek-berandet.
Die
grôl3te
Zahl r von derEigenschaft,
daB es in F einenwesentlichen berandenden wahren
Zyklus
nach variablem Modulgibt,
heiBt die Dimension von F nach variablemModul, L1 ( F) ;
die
größte
Zahl r von derEigenschaft,
daß es in F einen nicht berandenden r-dimensionalenZyklus
nach variablem Modul bisauf ein
gewisses
F’gibt,
nennen wir für einenAugenblick A(F).
Es ist nun
folgendes bekannt 6):
Es sei F eine beschrânkte
abgeschlosse-ne Menge
einesR", §§
einerder
Koeffizientenbereiche 9t
oder0153rn,
m = 2, 3, 4, ..., , dim F die Brouwersche Dimension vonF;
esgelten
die Formeln:4. Der Zweck der
vorliegenden
Arbeitist,
zubeweisen,
dal36) Dimensionstheorie, § 2-3.
für jede
beschrânkteabgeschlossene Menge
des Rnfolgendes gilt:
Indem wir den
gemeinsamen
Wertvon L1m1(F), L1m1(F), Am1(F), Am1(F)
als die Dimension modulo 1 von Fbezeichnen,
drückenwir diesen Satz kurz so aus: die Brouwersche Dimension ist mit der Dimension modulo 1 identisch.
Bemerkung. Der Anteil der drei Autoren an diesem - im Winter 1933-34 bewiesenen - Satz ist der folgende. Nachdem Alexandroff durch die Formel (3) die Brouwersche Dimension in die Gestalt einer Homologie-Invariante gebracht hatte, hat Pontrjagin die Variabilitat des Koeffizientenbereiches eliminiert, indem
er aus seinem allgemeinen Dualitatssatz 7) und dem Rechtfertigungssatz von
Alexandroff (Dimensionstheorie, 3. Hauptsatz, S. 208) das Resultat erhalten hat,
daB die Brouwersche Dimension mit der Dimension in bezug auf die Gruppe Il
der modulo 1 reduzierten reellen Zahlen
(und
sogleich auchmit L1ae1 (F»)
identischist. Daraufhin hat Hopf vermutungsweise den in der vorliegenden Arbeit zu bewei-
senden Satz ausgesprochen und unabhângig davon die Homologie-Eigenschaften
der Komplexe in bezug auf den Koeffizientenbereich 111 untersucht. Hierdurch (s. u. § 2) wurden die Hilfsmittel zum Beweise der Formel (5) gegeben. Der
Beweis selbst ist von Alexandroff; die Abschnitte 2-5 von § 1 haben durch Herm
H. Freudenthal ihre vereinfachte gegenwartige 8 ) Gestalt erhalten, wofür die Verff. Herrn Freudenthal ihren aufrichtigen Dank aussprechen.
§
1.Beweis der Formel dim F >
A3,. .,(F) > L19l1(F). Zurückführung
des
übrigen
Teils der Formel(5) auf
einenKonvergenzsatz.
1. SATZ I.
Für jeden Koeffizientenbereich g gilt
Der Satz 1 ist in den
folgenden
beiden Sätzen enthalten:SATZ II. Eine
(im
BrouwerschenSinne)
r-dimensionaleMenge
enthâlt keinen nichtberandenden
Relativzyklus
von einer Dimen- sionszahl > r.SATZ III. Wenn
A, s(F)
= rist,
so enthâlt F einen nicht be- randenden r-dimensionalenRelativzyklus (des
Koeffizienten-bereiches §§).
Beweis von Satz II.
Hilfssatz
1. DerZyklus
sei
total-unhomolog
Null in F bis auf F’ CF 9).
7) Verh. Intern. Math. Kongr. Zürich 1932, 2, 195, sowie die ausführliche
Darstellung in den Annals of Math. (2) 35 (1934), 9fl4-914.
8) 28. November 1936.
9 ) D.h. es existiert ein solches e, daB keiner von den Zyklen zk in F bis auf
Es existiert ein solches a > 0, daB bei
jeder a-Überführung f
von F der
Zyklus f ( Z )
inf(F)
bis auff ( F‘ )
totalunhomolog
Null ist. Der Beweis des Hilfssatzes 1 beruht auf
folgender Bemerkung.
Ist z einô-Zyklus
in F bis auf F’und f(z)
inf(F)
bis
auf f(F’) e-homolog Null,
so ist z in F bis auf F’(e+5a)- homolog Null10).
Denn zunâchstist z âGj(Z)
inF + f(F)
bisauf
(F’+f(F’»,
also -da f(z) - 0 in f ( F )
bisauf f ( F’ ) -
Es
gibt
mit anderen Worten einen ingelegenen (e+3a)- Komplex
C mitDadurch,
daJB man C in Fprojiziert (d.h. jeden Eckpunkt
vonC durch einen zu diesem
Eckpunkt môglichst
nahegelegenen
Punkt von F ersetzt unter der zusàtzlichen
Bedingung,
daß diezu
f( F’ ) gehôrenden Eckpunkte
durch Punkte von F’ ersetztwerden), geht
C in einen(s+5J)-Komplex Ci über,
wobeiist. Hiermit ist die in unserer
Bemerkung
enthalteneBehauptung
bewiesen.
Um
jetzt
den Hilfssatz 1 zubeweisen,
wählen wir ein so kleines a, daB keiner unter denZyklen
Zk6a-homolog
Nullin
F bisauf F’ ist. Nach der soeben bewiesenen
Bemerkung
kann keinerder
Zyklen f(Zk)
derHomologie f(Zk) à
0 inf(F)
bis auff ( F’ ) genügen,
womit der Hilfssatz 1 bewiesen ist.Vermôge
des Hilfssatzes 1 und des dimensionstheoretischenÜberführungssatzes 11 )
brauchen wir den Satz II bloB unter derVoraussetzung,
F sei ein r-dimensionalesPolyeder,
zu beweisen.Diesem Beweis schicken wir den
folgenden
Hilfssatz voran.Hilfssatz
II. Ist derZyklus (7 )
in F bis auf F’ totalunhomolog Null,
sogibt
es ein a > 0derart,
daß beibeliebiger
Wahl derar-Umgebung
U von F’(in bezug
aufF)
derZyklus (7) (als Zyklus
bis auf U
betrachtet)
nicht berandet.F’ e-homolog Null ist. Ist der Zyklus (7) unhomolog Null in F bis auf F’, so existiert offenbar eine unendliche Teilfolge
so daB Z’ in F bis auf F’ total-unhomolog Null ist. Für konvergente Zyklen stimmen
die Begriffe nicht homolog Null und total unhomolog Null überein.
10) Dabei ist f eine a-Überführung von F.
11) Dimensionstheorie, S. 169.
Wir führen den Beweis indirekt. Wâre der Hilfssatz II
falsch,
so
gâbe
es eineFolge
vonO’i-Umgebungen Ui
von F’ inbezug
auf
F,
lim cri = 0, und eineFolge
voncri-Komplexen Ci
mitDurch eine
gi-Verschiebung
der zuUi
aber nicht zu F’gehôrenden Eckpunkte
derC’
kônnte manKomplexe Ci’
mitCi === Zki
+Cl’, Ci"’
CF’ erhalten,
was bedeutenwürde,
daß gegenVoraussetzung
in F bis auf F’ berandet.
Nachdem der Hilfssatz II bewiesen
ist,
brauchen wir zumBeweise des Satzes II nur
wenige
Worte. Es sei im r-dimen-sionalen
Polyeder
P einZyklus (7)
bis auf F’ C P von einer Dimensionszahl s > rgegeben.
Wir nehmen an, daB er in Pbis auf F’ total
unhomolog
Null ist und wählen die ausSimplexen
einer hinreichend feinen
Simplizialzerlegung K
von P zusammen-gesetzte Umgebung
U von F’ so, dal3(7)
auch bis auf U nicht berandet. Esgibt
dann eineTeilfolge
von(7),
die totalunhomolog
Null
ist;
wir bezeichnen sie wiederum durch(7)
und bestimmena
e(F’, P-U)
so, daB keiner derZyklen Zk
in P bis auf Ua-homolog
Null ist. Sodann kann man eineUnterteilung
K’ vonK so
wählen,
daß für alle hinreichendgroBen
k dieZyklen Zk
mittels
einer 4 -verschiebung
inZyklen z’ k
desKomplexes
K’übergehen.
Da bei dieserVerschiebung
der Rand von Zk dieMenge
U nichtverlaBt,
istk
einZyklus
bis aufU,
der bis auf Umit Zk a-homolog ist, folglich
in P bis auf U nicht or-berandenkann;
dies istjedoch unmôglich, denn z’ k
ist als s-dimensionalerTeilkomplex
des r-dimensionalenKomplexes
K’ Null.Hiermit ist der Satz II
vollstândige
bewiesen.Beweis von Satz III. Da nach
Voraussetzung A,,(F) -
rist,
gibt
es in F einen wesentlichen berandenden(r-l )-dimen-
sionalen
Zyklus
F’ sei ein
Träger,
in dem Zr-1 totalunhomolog
Null ist. Fernerseien die durch
Zr-’ k
berandetenek- Komplexe Ck, lim Ek
= 0,gegeben.
Dann istein r-dimensionaler
Zyklus
in F bis auf F’. Er ist totalunhomolog
Null,
denn aus der Existenz derak-Komplexe Crk+ll "M ak
= 0,Ck+’
=Ck
+Qk, Qk C F’,
würdefolgen -
daCk und Qk
densel-ben Rand
z"-’
haben -, daßz’-’ -
0 in F’ist,
was unsererVoraussetzung widerspricht.
Hiermit ist Satz
III, folglich
auch Satz 1 bewiesen.2. In 3 und 4 soll
AmI (F) > dim F
undLI ml (F) > dim F
bewiesen
werden;
a fortiori ist dannAm! ( r) > dim F
undA5îl(F)
>dim F,
alsogilt
dann(5).
Erst treffen wireinige
Vor-bereitungen :
a. Zu dem
Simplex T,
das imFolgenden
auftretenwird,
seidie Zahl oc so
bestimmt,
dal31. ein im Abstand oc zu T
paralleles gleichdimensionales
echtes
Teilsimplex To C
Texistiert,
2. ein
o--Grundzyklus
von T bis aufT-To (der
auch wieder Tgenannt wird)
in T bis aufT-To
nichtoc-homolog
0ist,
3. sein
Randzyklus
inT-To
nichtoc-homolog
0 ist.(Siehe
hierzu den Beweis von Hilfssatz
II.)
b. Die
Abbildung f ( R )
deskompakten
R in dasSimplex
TheiBt bekanntlich
unwesentlich,
wennsich f
unterFesthaltung
auf dem Urbild des Randes S von T ersetzen la13t durch ein g, das R auf eine echte
Teilmenge
von T(oder,
was auf dasselbehinauskommt,
aufS) abbildet;
andernfalls heiBtf
wesentlich.Wegen
2a, 1 darf man statt"Festhaltung auf f-1(S)
auch sagen:"veränderung
umweniger
als cc auff-’(S)".
c. Nach einem Satz von H.
Hopf 12) gibt
es zu einer wesent-lichen
Abbildung f
des hôchstens r-dimensionalenPolyeders
P13)
in das r-dimensionale
Simplex
T einen r-dimensionalenZyklus
z bisauf f-’(S) (Koeffizientenbereich 9îl),
derdurch f vom Grade #- 0 abgebildet
wird:f(z)
= x T bis aufS, ; :A
0.(Eigentlich
liefertder
Hopfsche
Satz einenZyklus
modganzzahligem m (# 0);
um unsere
Behauptung
zuerhalten,
braucht man aber nur x unddie Koeffizienten von z durch m zu
dividieren.)
d. Zu
jedem
F mit dim F = r läßt sich einabgeschlossenes Fo
C F und eineAbbildung f finden,
dieFo
wesentlich auf ein r-dimensionalesSimplex
T abbildet13a).
Dennsei fJ
> 0 soklein,
daß keine
2P-Überführung
des(im
Hilbertschen Raumgedachten)
12) Recueil Moscou 37 (1930), 53-62, Folg. II aus Satz II.
13 ) Auf beliebige kompakte Râume hat H. Freudenthal [Compositio Mathe-
matica 4 (1937), 234-237] im Wesentlichen diesen Satz ausgedehnt; wir machen
aber davon hier keinen Gebrauch.
13a) Dimensionstheorie, 170, Hauptsatz 1. Man kann übrigens Fa = F nehmen.
.F dim F herabsetzt
14),
seif
eineP-Überführung
von F in einr-dimensionales
Polyeder Q,
dessenSimplexe {J seien;
dannkann sicher nicht für alle r-dimensionalen T von
Q
dieAbbildung f
vonf-’(T)
in T unwesentlichsein,
weil sonst eineAbbildung
g
existierte,
die(auf
denSimplexen
kleinerer Dimensionmit f
übereinstimmte
und)
F in dieMenge
derSimplexe
kleinererDimension
abbildete, gleichzeitig
aber eine2P-Überführung
wâre.Wir kônnen
Fo = f-1 (T)
wählen.e.
f(Fo)
C T sei also wesentlich. Wir setzenf
auf eine y-Umgebung
U vonFo
im Hilbertschen Raum fort und wâhlenE > 0 so, daB das Bild
jeder E-Menge (aus U)
a wird. Es sei 36e, ô
y und g eineà-Ùberführung
vonFoin
ein hôchstens r-dimensionalesPolyeder
P. Auf P heiBe dieangegebene
Fort-setzung von f
auch h. Dann isthg(j-l(S))
fremd zuT0 (wegen
2a,
1).
h mul3
h-1(To}
wesentlich aufTo
abbilden. Denn wâre etwaho
auf h-1(T To)
mit h identisch undho (h-1(To)) C T To,
so wâre
hog
aufg-lh-1(T To)
mithg
identisch undhog (g-lh-’(T-To»
CT-T.;
dann unterschiede sich aberhog
auff-’(T-TO) von f
umweniger
als oc,und f
wâre nach 2b un-wesentlich.
3. Unter diesen Umstânden
gibt
es(nach
2c fürTo
stattT)
in P einen r-dimensionalen
l5-Zyklus
z’ bis aufh-1(T To) (Koef-
fizientenbereich
ml)
mith(z’) == "T
bis aufT-To (" =1= 0).
z in
Fo
entsteheaus z’,
indem manjeden Eckpunkt
durcheines seiner h-Urbilder ersetze; z ist ein
3ô-Zyklus
bis aufg-lh-’(T-TO) == F’ 0
inFo,
und man hathg(z)
= mT bis aufT-To.
DieselbeGleichung gilt
fürjeden
mit ze-homologen Zyklus;
nach 2a, 2 kann die rechte Seite nichtoc-homolog
0sein,
also auch z nicht
e-homolog
0(in Fo )
sein.Wir wenden nun den
folgenden Konvergenzsatz
an, dessenBeweis der Inhalt
von §
3 ist:Zu
gegebenen F,
F’ C F und 8 > 0gibt
es ein a. > 0, sodafl (für
denKoeffizientenbereich ml) jeder (Je-Zyklus
in F bisauf
F’ einem bis
auf
F’ in Fkonvergenten Zyklus
bisauf
F’ e-homo-log
ist.Haben wir oben 3ô (Je
geivàhlt,
soerzeugt (mit F., F’ 0
statt
F, F’ )
derKonvergenzsatz
aus unserm z einenkonvergenten
r-dimensionalen
Zyklus
inFo
bis aufF§,
der inFo
nichtberandet,
14) P. ALEXANDROFF [Annals of lklath. (2) 30 (1929), 101-187], 120.
also auch einen
solchen,
der in F bis auf F’ =F’ 0 + (F - FO)
nicht berandet. Also ist
AmI (F)
> r.4. Wir haben nun einen r-dimensionalen
konvergenten
r-dimensionalen
Zyklus
in
Fo
bis aufFô;
dabei istNach 2a, 3 ist
hg(Zk)
==hg(Zk)
für fast alle k inT
a-un-homolog
0, alsototal
unhomolog
inF0.
Dagegen ist Z
inFo,
also auch inF, nullhomolog.
SchlieBlichkonvergiert Z
inF";
denn Zkonvergiert
bis aufFô,
d.h.Damit ist , bewiesen.
5. Das
einzige,
was nochübrig bleibt,
ist der Nachweis desKonvergenzsatzes.
Um diesen zuerbringen,
werden wir imnächsten §
die Grundtatsachen derHomologie-Theorie gewÕhn-
licher
Komplexe
auseinandersetzen.Man kônnte aber auch ganz anders verfahren. Für den Koef- fizientenbereich der reellen Zahlen mod 1 sind die Bettischen
Gruppen
vonPolyedern abgeschlossene Untergruppen
vonTorusgruppen.
In derSprechweise
von H.Freudenthal15)
läßtsich die Bettische
Gruppe
von F mod F’ alsG.-adischer
Limesder
Folge
darstellen. Da
jede absteigende Folge abgeschlossener
Unter-gruppen einer
Torusgruppe abbricht,
ist das eineauf-G,,-adische Folge;
man darfdaher 16) annehmen,
daß alleAbbildungen
in15) Compositio Mathematica 4 (1937), Kap. V.
16 , H. FREUDENTHAL, a.a.0. 15), 161.
der
Folge "Abbildungen
auf" sind. Darausergibt
sich leicht derKonvergenzsatz.
§
2.Über
dieZyklen
desKoeffizientenbereiches ffi1
in einem
Komplex.
1. K sei ein absoluter endlicher
Komplex,
also einSystem
von endlich vielen
Simplexen (mit
derEigenschaft: jede
Seiteeines
Simplexes
von K ist selbstSimplex
vonK).
Diealgebraischen Komplexe
C in K inbezug
auf einenKoeffizientenbereich §§
und ihre Ränder
é
sind wie in Nr. 1 der"Einleitung"
definiert.Es sei ferner ein
Teilkomplex
K’ von K festgegeben (d.h.
einabsoluter
Komplex,
dessenSimplexe zugleich Simplexe
von Ksind).
Einalgebraischer Komplex
in K heil3t"Relativzyklus
bis auf K"’ wenn sein Rand ein
algebraischer Komplex
in Kist. Der
Relativzyklus
C bis auf K’ heil3t"homolog
0 bis aufK"’,
wenn es einenalgebraischen Komplex
D in K und einenalgebraischen Komplex Q’
in K’ sogibt,
daB C= D
+Q’
ist.Dieser
Homologiebegriff
führt fürjeden
Koeffizientenbereich.3
in bekannter Weise zurEinteilung
der Gesamtheit aller r-dimensionalen
Relativzyklen
bis auf K’ in"Homologieklassen
bis auf
K"’ ;
diese bildenbezüglich
der Addition eine AbelscheGruppe -
die r-dimensionale BettischeGruppe
von K bis auf K"’(in bezug auf §§ ) .
Die Elemente endlicher
Ordnung
in der,,ganzzahligen"
Bet-tischen
Gruppe,
d.h. der BettischenGruppe
inbezug
auf dieadditive
Gruppe
der ganzenZahlen,
bilden selbst eineGruppe
- die
"Torsionsgruppe".
Aus der bekanntenTatsache,
daß dieganzzahlige
BettischeGruppe
eines endlichenKomplexes
durchendlich viele ihrer Elemente
erzeugt
werdenkann, folgt
bekannt-lich leicht die
folgende Tatsache,
die für uns vonBedeutung
seinwird: die
Torsionsgruppe
ist eine endlicheGruppe.
Im
folgenden
sind K und K’ festgegeben.
Da es sich in die-sem
Paragraphen
niemals um andereZyklen
undHomologien
handeln wird als um solche
"bis
aufK"’,
lassen wir den Zusatz,,bis
auf K"’ ein für alle Mal weg.2. Zum ZwTeck der
Untersuchung
derZyklen
des Koeffizien- tenbereiches9î, -
also der additivenGruppe
der modulo 1reduzierten rationalen Zahlen - betrachten wir
gleichzeitig
denKoeffizientenbereich ffi - also die additive
Gruppe
der rationalenZahlen. Ist s eine rationale
Zahl,
so verstehen wirunter t(s)
die Restklasse module l, der s
angehôrt,
also ein Element vonlJli;
ist
umgekehrt t
ein Element vonffi1,
sogibt
es immer rationaleZahlen s mit
t(s) = t.
IstC = Xl six;
i ein rationalerKomplex (d.h.
einalgebraischer Komplex
inbezug auf ffi),
so verstehenwir
unter t(C)
denKomple; £ t(si)x,,
i also einenKomplex
inbezug
auflJli;
istumgekehrt y = S tiXi
einKomplex
inbezug
i
auf
ffi1,
sogibt
es rationaleKomplexe
C mit y= t(C),
nàmlichdie
Komplexe Àl six,, wobei t(si)
= t2 ist.Es ist
klar,
daB für die Rander dieBeziehung gilt:
Daraus
folgt
insbesondere: Ist C ein(rationaler) Zyklus,
so istr(C)
einZyklus
inbezug
auf9î,.
Die auf diese Weisegebildeten Zyklen
inbezug
auf9î,
nennen wir die,,Zyklen
1. Art" inbezug
auf
9î,.
Daß es imallgemeinen
auch"Zyklen
2. Art"gibt,
d.h.Zyklen,
die nicht von der 1. Artsind,
wird sich aus Nr. 4 diesesParagraphen ergeben.
Die r-dimensionalen
Zyklen
1. Art bilden offenbar eineGruppe;
*
sie heiBe
Z’’;
sie ist eineUntergruppe
derGruppe
Z’’ allerr-dimensionalen
Zyklen
inbezug
auf8li.
Wir interessieren uns hier besonders für dieRestklassen,
in welche dieGruppe
Z’’ modulo ihrerUntergruppe
Z’’ zerfällt.3. Zunâchst stellen wir fest: Zwei r-dimensionale
Zyklen
inbezug auf 9î,,
die einanderhomolog sind, befinden
sich in derselben Restklasse modulo Zr.Um dies zu
beweisen,
hat man zuzeigen: jeder
Rand(in bezug
auf
9il)
ist einZyklus
1. Art. Aber in der Tat:ist Ç
der Rand desKomplexes y
inbezug
aufffi1,
sogibt
es einen solchen ratio-nalen
Komplex C, da13 J) = (C), also = - -c(é) ist;
daC
einrationaler
Zyklus ist,
istdaher C
von der 1. Art.4. Die für uns
wichtigste
Tatsache ist diefolgende:
Die Anzahl der
Restklassen,
in welche dieZyklengruppe
ZurrrzoduLo der
Gruppe
Z’’ derZyklen
1. Artzerfâllt,
ist endlich.Dieser Satz
ist, infolge
der Endlichkeit derTorsionsgruppen (vgl.
Nr.1),
in demfolgenden
schârferen Satz enthalten:Die
Restklassengruppe (,,Faktorgruppe")
von Z’’ modulo Zr istder
(r-1 )-dimensionalen Torsionsgruppe
Tr-1 von Kisomorph.
Den Beweis
17)
dieses Satzes führen wirdadurch,
daB wir einehomomorphe Abbildung
h derZyklengruppe
Zr auf dieTorsionsgruppe
yr-1angeben,
bei welcher denZyklen
1.Art,
und nur
diesen,
das Nullelement von Tr-1entspricht.
Es
sei Ç
ein r-dimensionalerZyklus
inbezug
auf9î,;
dann ist= r(B),
wobei B ein rationalerKomplex ist;
indem man dieKoeffizienten der
Simplexe in
B auf ihrenHauptnenner bringt,
kann man B
= 1
C setzen, wobei m eine ganze Zahl und C einm
ganzzahliger Komplex
ist. Es ist alsoDie
Tatsache, da13 1; Zyklus ist,
bedeutet:in r (-;’ ;î t)
m sind dieKoeffizienten aller
Simplexe gleich
dem Nullelement von9îl,
in
1
mé
sind also die Koeffizienten allerSimplexe ganzzahlig,
mitanderen Worten:
wobei z ein
ganzzahliger Komplex,
und zwar,da t Zyklus ist,
ein
ganzzahliger Zyklus
ist.Bestehen neben
(1)
und(2)
für denselbenZyklus Ç analoge Gleichungen
so
folgt
aus(1)
und( l’ )
die Existenz einesganzzahligen
Kom-plexes
A mitalso nach
(2)
und(2’)
Somit ist die
Homologieklasse
der(r-l)-dimensionalen Zyklen
z und z’ in
(2)
bzw.(2’) eindeutig durch © bestimmt,
und wirdürfen diese Klasse daher mit
h ( )
bezeichnen.17) Dieser Beweis ist inzwischen - d.h. zwischen der inhaltlîchen Beendigung
und der endgültigen Redaktion der vorliegenden Arbeit - in den 1. Band der
"Topologie" von ALEXANDROFF und HOPF (Berlin, Springer, 1935), 223-224,
aufgenommen worden.
Da nach
(2)
mz - 0ist,
isth(ç,)
Element derTorsionsgruppe
7’-’. Ist
umgekehrt z
einbeliebiger (r-l )-dimensionaler Zyklus
von endlicher
Ordnung,
d.h. ein solcherZyklus,
daß seine Homo-logieklasse
Element von p-list,
sogibt
es eine ganze Zahl mund einen
ganzzahligen Komplex
C so, daB(2) gilt;
der durch(1)
bestimmteKomplex
inbezug
aufffi-1
istinfolge (2)
einZyklus,
und für ihn istgema13
Definitionh(Ç)
dieHomologie-
klasse von z. Somit ist h eine
eindeutige Abbildung
derGruppe
Z’’
auf
dieGruppe
Tr-l.Diese
Abbildung h
ist einHomomorphismus.
Sind nâmlich, ’1 Zyklen,
für welcheGleichungen (1), (2)
bzw.gelten,
so istNach
(3)
und(4)
isth(’+’l)
dieHomologieklasse
desZyklus
z + Zl’ also
h(1+ti)
=h(1)
+h(C1).
Diesbedeutet,
daB h einHomomorphismus
ist.Zu
zeigen
bleibt: dann und nur dann isth ( )
= 0,wenn i
von der 1. Art ist.
Erstens :
seiZyklus
1. Art. Dann dürfen wir den rationalenKomplex 2013C
m in(1)
als rationalenZyklus,
also auch den ganz-zahligen Komplex
C alsZyklus annehmen;
dann ist in(2) z
= 0, alsoh(C)
= 0.Zweitens: es sei
h(C)
= 0. Dann dürfen wir z in(2)
alsRand,
also z
= À annehmen,
wobei A einganzzahliger Komplex ist;
dann ist
C - mA
= 0, also C - mA = Z einganzzahliger Zyklus
und ein rationaler
Zyklus ist,
istsomit (
von der 1. Art.Damit ist alles bewiesen.
§
3.Beweis des
Konvergenzsatzes.
1. F sei
kompakter
metrischerRaum,
F’ eine festeabge-
schlossene
Teilmenge
von F. Unter a-,ô-,
U8W.Zyklen
bzw. unterE- USW.
Homologien
sind in dieseinParagraphen durchweg Zyklen
bzw.
Honiologien
bisauf
F’ zu verstehen.Wir
beginnen
mitfolgendem
VERFEINERUNGSSATZ. Zu
jedem e gibt
es ein 0152e von derEigen- schaft, dap jeder 0152£-Zyklus (in bezug auf 9î,
alsKoeffizienten- bereich)
beibeliebiger
Wahl von a einemJ-Zyklus e-homolog
ist.Beweis. Wir betrachten zuerst
irgendeine positive Zahl q
undein -1-Netz
x-on F(d.h.
eine endlicheTeilmenge
A vonF,
diedie
Eigenschaft hat, da13 jeder
Punkt von F von mindestenseinem Punkte von A eine
Entfernung A hat).
Wir nehmenan, daß dieses Netz A die beiden
folgenden Bedingungen
erfüllt:1. Die zu F’
gehôrenden
Punkte von A bildenein -1-Netz
A’ von
F’;
2. Die in F -F’
gelegenen
Punkte von A(d.h.
die Punktevon
A -A’ )
bildenein -1-Netz
von F-F’.Jede
Teilmenge
derMenge
A fassen wir dann und nur dann alsEckpunktgerüst
einesSimplexes auf,
wenn dieseTeilmenge
einen Durchmesser n hat. Auf diese Weise entsteht ein Kom-
plex K(A),
dessenSimplexe
kleinerals q
sind. Da es uns aufdie eine oder andere Wahl des Netzes A nicht
ankommt,
sondernnur auf das betreffende q, schreiben wir
K,,
anstattK(A ).
DieSimplexe
vonK17
mit zu F’gehôrenden Eckpunkten
bilden einenTeilkomplex K n
vonK.; Kn
ist ein17-Komplex
in F’.Jeden
-1-Zyklus z
3(irgendeines Koeffizientenbereiches)
bildenwir
simplizial
auf einenZyklus
von K bisauf
K’ dadurchab,
daB wir
jedem Eckpunkt
von z einen von ihmweniger
als umentfernten Punkt von A als
Bildpunkt entsprechen lassen,
und dabei dafür sorgen, daß
Eckpunkte
von z, die zu F- F’bzw. zu F’
gehôren,
auf Punkte von A - A’ bzw. von A’abge-
bildet werden. Solch eine
Abbildung
soll eineProjektion
von zin K heiBen.
Hilfssatz
1. DieAussage
desVerfeinerungssatzes
istrichtig,
wenn man in ihr den Koeffizientenbereich
ffil
durch 91 ersetzt.Beweis des
Hilfssatzes
1. Wir setzenjetzt
17 == E undsprechen dementsprechend
vonKe
bzw.Ké.
Für ôA ist jeder ô-Zyklus (des
Koeffizientenbereiches9t)
einemZyklus
vonKe
bisauf K",
E-homolog.
Darausfolgt,
dal3 die Ma.ximalanzahlp(f5, e)
der inbezug
auf6-Homologie unabhangigell ô-Zyklen
endlich ist. Dap (ô, E )
mit abnehmenden 5 nur abnehmenkann, gibt
es ein (Jsderart,
daBp(b, -) = p(acg e) für jedes à
cr, ist. Essei jetzt irgendein (JE-Zyklus z
und einbeliebiges
6 Oggegeben.
Manwâhlen die im Sinne der
s-Homologie unabhängigen a-Zyklen
zi, ..., z., wobei p
= p((T, e)
=p( a s’ ê)
ist. Dadie z,
erst rechtIg.-Zyklen
sind und es keine p + 1 im Sinne ders-Homologie unabhängigen (JE-Zyklen gibt,
muß z einer Linearkombinationder
also einema-Zyklus s-homolog sein,
womit Hilfssatz 1 bewiesen ist18).
2.
Analog
demim §
2 für denKomplex K eingeführten Begriff
nennen
wir jetzt
einenô-Zyklus
Zl des KoeffizientenbereichesOîl
einenô-Zyklus
1.Art,
wenn er aus einemZyklus z
des Koef-fizientenbereiches ffi dadurch
entsteht,
daß man die Koeffizienten derSimplexe
von z durch ihre Restklassen modulo 1 ersetzt.Wir schreiben
dann: z, = t(z).
Aus dem Hilfssatz 1
folgt
unmittelbar derHilfssatz
II. Zujedem
sgibt
es ein or, von derEigenschaft, daB jeder aE-Zyklus
erster Artbei jedem a
einema-Zyklus
(ebenfalls
ersterArt) s-homolog
ist.Denn ist z, =
t(z)
unda.-Zyklus (wobei g,
wie im Hilfssatz 1definiert
ist)
und(in bezug
auf9t),
so ist
auch z,
=r(z)
7t(z’),
was 2013 wenn man für z’ einen a-Zyklus
wàhlt - dieBehauptung
des Hilfssatzes II enthâlt.3. Wir
kônnen jetzt
den Beweis desVerfeinerungssatzes
schnell zu Ende führen.
Die Zahl s sei
gegeben.
Wirwählen a,
=al(s)
so,daB jeder G1-Zyklus
erster Artbei jedem o’
> a, einema-Zyklus s-homolog
ist
19).
Sodann betrachten wirirgendein 3
-Netz und konstruieren diedazugehôrigen Komplexe
K =KO’l
undK= K’
C K. Dajeder
3-Zyklus
z von F mittelsProjektion
in einenZyklus
von.K
übergeht, gilt
eineHomologie
wobei
einZyklus
in K ist2°).
Ergehôrt
einer der -gemäÑß
18) Vgl. VIETORIS [Math. Ann. 97 (1927), 454-472], 464; LEFSCHETZ a.a.O.
19) Der Koeffizientenbereich ist jetzt immer Oîl.
20) Zyklen und Homologien in K sind bis auf K’ zu verstehen. Man beachte, daß K’ C F’ ist.
§
2, Nr. 4, in endlicher Anzahl vorhandenen - Klassenllli,
...,88
an, in welche die
Gruppe
allerZyklen
von K modulo der Unter- gruppe derZyklen
1. Art zerfällt. Dabei ist diese Klasse offenbareindeutig
durch zbestimmt;
dieMenge
allerZyklen z,
für welchezo C 8h ist,
heil3eUh, h==1,2,...,s.
Für jedes b i
bezeichneU§/
die - evtl. leere -Menge
der in
Uh
enthaltenenô-Zyklen.
Bei abnehmendem ô kann dieMenge Ut
niezunehmen;
dahergibt
es, falls - bei festem h - einegewisse Menge U§/
leerist,
eine solche Zahlb h,
dal3 dieMengen U§f
für alle ôôh
leersind;
und da h nur endlich viele Indicesdurchl,uft, gibt
es eine Zahla, 3
mitfolgender Eigenschaft:
Es seien 1, 2,
..., s’ diejenigen
unter den Indices 1, 2, ..., s,für welche die
Mengen U’51, U as
nicht leersind;
dann enthâltjede
derMengen U1,
...,Us, a-Zyklen für jedes beliebig
kleine a.Jetzt sei z ein
a.-Zyklus;
ergehôre
etwa zu derMenge U1.
Zu der
beliebig
kleinen Zahl a, a aE,gibt
es dann inU1
einena-Zyklus z’;
er erfüllt eineHomologie
und dabei ist
z’ 0
in derselben Klasse8,
enthaltenwie zo,
es istalso Zo
- z 0 1
einZyklus ,1. Art,
und zwar eina1-Zyklus.
Nachdem Hilfssatz II
gibt
es daher einena-Zyklus z",
so daBist. Aus
(1), (1’), (2) folgt
also
Da z’ und z" beide
6-Zyklen sind,
ist damit derVerfeinerungs-
satz bewiesen.
4. Jetzt kommen wir endlich zu dem Beweis des
Konvergenz-
satzes.
Beweis. Wir setzen
ôo
= e,ôl
= or,(dabei
ist Ge im Sinne desVerfeincrungssatzes definiert)
und wàhlen diepositiven
ZahlenÔ-.>, Ô3, - - -, Ôk,
... so, daBfür jedes k
dieUngleichungen
gelten (a
immer im Sinne desVerfeinerungssatzes).
Man be-zeichne den willkürlich
gegebenen a,Zyklus mit zi
und nehmenan, daß ein
Ôk-Zyklus Zk
bereits konstruiert ist. Nach dem Ver-feinerungssatz gibt
es einenl5k+1-Zyklus
Zk+1’ welcher demZyklus
Zk
l5k-1-homolog
ist. Auf diese Weise fortfahrend erhalten wir dieFolge
wobei Zk
einô-Zyklus und Zk Zk+1
ist. Da lim()k
= 0ist,
ist
(3)
einkonvergenter
wahrerZyklus,
der demgegebenen u-Zyklus
zis-homolog
ist.Moskau und Zürich, Februar 1934.
(Eingegangen den 19. Marz 1936.)