フレヴィッツの定理

数学において、フレヴィッチの定理（英: Hurewicz theorem）は、代数的位相幾何学の基本的結果であり、フレヴィッチ準同型と呼ばれる写像を通して、ホモトピー論とホモロジー論を結びつけるものである。定理の名前は、ヴィトルド・フレヴィッチ（英語版） (Witold Hurewicz) に因んでいて、アンリ・ポアンカレ (Henri Poincaré) による以前の結果を一般化した定理である。 フレヴィッチの定理は、ホモトピー群とホモロジー群を結びつける重要な定理である。 任意の位相空間 X と正の整数 k に対し、k 次ホモトピー群から k 次（整数係数）ホモロジー群への、フレヴィッチ準同型 (Hurewicz homomorphism) と呼ばれる群準同型 h ∗ : π k ( X ) → H k ( X ) {\displaystyle h_{\ast }\colon \pi _{k}(X)\to H_{k}(X)\,\!} が存在する。k = 1 と弧状連結な X に対して、フレヴィッツの定理は、標準的なアーベル化写像 h ∗ : π 1 ( X ) → π 1 ( X ) / [ π 1 ( X ) , π 1 ( X ) ] {\displaystyle h_{\ast }\colon \,\pi _{1}(X)\to \pi _{1}(X)/[\pi _{1}(X),\pi _{1}(X)]\,\!} と同値となる。 フレヴィッツの定理は、X が (n − 1)-連結であれば、フレヴィッツ準同型写像は n ≥ 2 のときすべての k ≤ n に対し同型となり、n = 1 のときアーベル化となる、というものである。特に、フレヴィッツの定理は、第一ホモトピー群（基本群）のアーベル化が第一ホモロジー群 H 1 ( X ) ≅ π 1 ( X ) / [ π 1 ( X ) , π 1 ( X ) ] {\displaystyle H_{1}(X)\cong \pi _{1}(X)/[\pi _{1}(X),\pi _{1}(X)]\,\!} に同型であることを言っている。従って、X が弧状連結で、π1(X) が完全（英語版）であれば、第一ホモロジー群が 0 となる。 さらに、n ≥ 2 に対し、X が (n − 1)-連結のときはいつも、フレヴィッツ準同型写像は π n + 1 ( X ) {\displaystyle \pi _{n+1}(X)} から H n + 1 ( X ) {\displaystyle H_{n+1}(X)} への全射である。 群の準同型は、標準的な生成子 u n ∈ H n ( S n ) {\displaystyle u_{n}\in H_{n}(S^{n})} を選び、写像 f ∈ π n ( X ) {\displaystyle f\in \pi _{n}(X)} のホモトピー類を f ∗ ( u n ) ∈ H n ( X ) {\displaystyle f_{*}(u_{n})\in H_{n}(X)} に写すことにより得られる。 位相空間対 (X, A) と整数 k > 1 に対し、相対ホモトピー群から相対ホモロジー群への準同型 h ∗ : π k ( X , A ) → H k ( X , A ) {\displaystyle h_{\ast }\colon \pi _{k}(X,A)\to H_{k}(X,A)\,\!} が存在する。相対フレヴィッツの定理は、X と A が連結であり、対 (X, A) が (n − 1)-連結であれば、k < n に対し、Hk(X,A) = 0 であり、Hn(X, A) は πn(X, A) から π1(A) への作用で割ることで得られるという定理である。このことは、Whitehead (1978) では帰納法により証明され、絶対バージョンとホモトピー加法補題と証明された。 この相対的フレヴィッツの定理は、Brown & Higgins (1981)において、射 π n ( X , A ) → π n ( X ∪ C A ) . {\displaystyle \pi _{n}(X,A)\to \pi _{n}(X\cup CA)\,\!.} に関するステートメントとして再定式化された。 このステートメントは、ホモトピー切除定理（英語版）(homotopical excision theorem)の特別な場合であり、n > 2 に対し誘導加群（ n = 2 に対しては、接合加群(crossed module)）を意味し、相対ホモトピー群の高次ホモトピーのファン・カンペンの定理(van Kampen theorem)から導かれる。証明は 3次のホモトピー亜群のテクニックの発展を必要とした。 位相空間についてのフレヴィッツの定理は、n-連結なカンの条件を満す単体的集合（英語版）(simplicial set)についての成立するとする定理である。 有理フレヴィッツ定理(Rational Hurewicz theorem)： i ≤ r {\displaystyle i\leq r} に対し π i ( X ) ⊗ Q = 0 {\displaystyle \pi _{i}(X)\otimes \mathbb {Q} =0} であるような X を単連結な位相空間とすると、 フレヴィッツ写像 h ⊗ Q : π i ( X ) ⊗ Q ⟶ H i ( X ; Q ) {\displaystyle h\otimes \mathbb {Q} :\pi _{i}(X)\otimes \mathbb {Q} \longrightarrow H_{i}(X;\mathbb {Q} )} は、 1 ≤ i ≤ 2 r {\displaystyle 1\leq i\leq 2r} に対して同型を、 i = 2 r + 1 {\displaystyle i=2r+1} に対しては全射を引き起す。 ^ ここにある、 C A {\displaystyle CA} は、 A {\displaystyle A} の約錐(reduced cone) : C A = A ∧ I     ( I = [ 0 , 1 ] ) {\displaystyle CA=A\wedge I\ \ (I=[0,1])} を表す。ちなみに、 A {\displaystyle A} の約懸垂(reduced suspension)は S A = A ∧ S 1 {\displaystyle SA=A\wedge S^{1}} で表す。 ^ Goerss, P. G.; Jardine, J. F. (1999), Simplicial Homotopy Theory, Progress in Mathematics, 174, Basel, Boston, Berlin: Birkhäuser, ISBN 978-3-7643-6064-1 , III.3.6, 3.7 ^ Klaus, S.; Kreck, M. (2004), “A quick proof of the rational Hurewicz theorem and a computation of the rational homotopy groups of spheres”, Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 136: 617–623, doi:10.1017/s0305004103007114  ^ Cartan, H.; Serre, J. P. (1952), “Espaces fibres et groupes d'homotopie, II, Applications”, C. R. Acad. Sci. Paris 2 (34): 393–395  Brown, R. (1989), “Triadic Van Kampen theorems and Hurewicz theorems”, Contemporary Mathematics 96: 39–57, doi:10.1090/conm/096/1022673, ISSN 0040-9383  Brown, Ronald; Higgins, P. J. (1981), “Colimit theorems for relative homotopy groups”, Journal of Pure and Applied Algebra 22: 11–41, doi:10.1016/0022-4049(81)90080-3, ISSN 0022-4049  Brown, R.; Loday, J.-L. (1987), “Homotopical excision, and Hurewicz theorems, for n-cubes of spaces”, Proceedings of the London Mathematical Society. Third Series 54: 176–192, doi:10.1112/plms/s3-54.1.176, ISSN 0024-6115  Brown, R.; Loday, J.-L. (1987), “Van Kampen theorems for diagrams of spaces”, Topology 26 (3): 311–334, doi:10.1016/0040-9383(87)90004-8, ISSN 0040-9383  Rotman, Joseph J. (1988), An Introduction to Algebraic Topology, Graduate Texts in Mathematics, 119, Springer-Verlag (1998-07-22発行), ISBN 978-0-387-96678-6  Whitehead, George W. (1978), Elements of Homotopy Theory, Graduate Texts in Mathematics, 61, Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-90336-1