Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피

Manifold series, part 18: homotopy of curves with fixed endpoints and its equivalence classes, the product of curves, the fundamental group of loops, the homomorphism a continuous function induces, and a closing note for the seriesManifold 시리즈 18편: 끝점을 고정한 곡선의 호모토피와 동치류, 곡선의 곱, 고리가 이루는 기본군, 연속 함수가 만드는 준동형사상, 그리고 시리즈 맺음

Manifold series매니폴드 시리즈Part 18 of 1818편 중 18번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 18강 Homotopy에 해당하고, 이 시리즈의 마지막 편입니다. 지난 편까지는 위상 공간 안에서 점과 열린집합으로 공간을 살폈습니다. 이번 편은 대수적 위상수학algebraic topology의 첫 강의로, 공간 안의 곡선을 군으로 읽기 시작합니다.

이번 편의 바탕: 군

강의는 시작에서 군론을 알고 있어야 한다고 못박습니다. 이번 편에서 쓰는 것은 다음 정도입니다.

  • 군group의 정의
  • 군 사이의 준동형사상homomorphism. 위상 공간 사이의 위상동형사상homeomorphism과 다른 것입니다. 일대일 대응일 필요는 없지만 군의 구조는 지킵니다.
  • 준동형사상의 핵kernel과 정규부분군normal subgroup, 그리고 동형사상isomorphism

바로 쓰지는 않아도 준동형사상을 아는 사람이라면 함께 알고 있을 내용입니다. 군은 위상 공간보다 구조가 많은 대상이라, 공간의 성질을 군의 말로 옮기면 계산할 거리가 생깁니다.

곡선과 호모토피

위상 공간 XX 안에 두 점 aa와 bb를 잡습니다. 곡선curve은 닫힌 구간에서 XX로 가는 연속 함수 γ:[0,1]→X\gamma : \I \to X이고, 여기서는 γ(0)=a\gamma(0) = a, γ(1)=b\gamma(1) = b인 곡선을 봅니다. 앞으로 모든 함수는 연속이라고 생각하고 따로 말하지 않겠습니다. 같은 aa에서 bb로 가는 곡선은 여러 개 있을 수 있어서 γ0\gamma_0, γ1\gamma_1처럼 이름을 붙입니다.

위상동형사상이 공간을 열린집합째로 연속적으로 찌그러뜨려 다른 공간으로 옮겼다면, 이번에는 한 공간 안에서 곡선 하나를 연속적으로 찌그러뜨려 다른 곡선으로 옮길 수 있는지 묻습니다. 곡선의 점마다 조금씩 움직이고, 곡선을 끊지 않고, 늘이거나 줄여도 좋습니다. 그렇게 옮길 수 있으면 두 곡선은 호모토픽homotopic하다고 합니다.

이것을 수식으로 쓰면 두 변수 함수입니다.

F:[0,1]×[0,1]→X,F(s,0)=γ0(s),F(s,1)=γ1(s)F : \I \times \I \to X, \qquad F(s, 0) = \gamma_0(s), \quad F(s, 1) = \gamma_1(s)

ss는 곡선 위의 위치를 정하는 매개변수이고, tt는 몇 번째 곡선인지를 정합니다. γt(s)=F(s,t)\gamma_t(s) = F(s, t)로 쓰면 tt가 0에서 1까지 변하는 동안 곡선이 γ0\gamma_0에서 γ1\gamma_1로 서서히 바뀝니다. 중간 곡선도 모두 끝점이 같아야 하므로 다음 조건이 붙습니다.

F(0,t)=a,F(1,t)=b(0≤t≤1)F(0, t) = a, \qquad F(1, t) = b \qquad (0 \le t \le 1)

이 함수 FF를 γ0\gamma_0에서 γ1\gamma_1로 가는 호모토피homotopy라고 합니다. 이번 편은 끝점을 고정한 호모토피만 다룹니다. 끝점이 달라도 되는 더 넓은 호모토피는 강의에서 나중으로 미룹니다.

호모토피 FF를 하나 찾았다고 해서 호모토픽한 곡선을 전부 찾은 것은 아닙니다. γ0\gamma_0이 γ1\gamma_1과 호모토픽하다는 것을 보였을 뿐이고, 그림에 없는 다른 곡선과도 호모토픽할 수 있습니다.

평면에서는 모두 같고, 구멍이 있으면 갈립니다

평면 R2\R^2 안의 두 점을 잇는 곡선은 서로 다 호모토픽합니다. 곡선끼리 교차해도 상관없습니다. 증명은 쉬워서 강의는 보이지 않고 넘어갑니다. 한 가지 방법은 점마다 두 곡선을 잇는 직선 위를 움직이는 것입니다. F(s,t)=(1−t) γ0(s)+t γ1(s)F(s, t) = (1 - t)\,\gamma_0(s) + t\,\gamma_1(s)이고, 끝점은 두 곡선이 같아서 고정됩니다. (이 식은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 모든 곡선이 서로 호모토픽하니 평면은 이 점에서 가장 단순한 공간입니다. 호모토피로 알아낼 것이 없습니다.

볼록convex한 부분집합도 같습니다. 집합 안의 두 점을 이은 선분이 항상 집합 안에 들어 있으면 볼록하고, 위의 직선 보간이 집합 밖으로 나가지 않아서 그 안의 곡선은 모두 호모토픽합니다. 볼록하지 않은 집합이어도 구멍이 없으면 같은 일이 생길 수 있습니다. 문제가 되는 것은 구멍입니다.

평면에서 원판 DD를 뺀 공간 R2∖D\R^2 \setminus D를 생각합니다. 점 AA와 BB를 구멍 양쪽에 놓으면 위로 지나가는 곡선과 아래로 지나가는 곡선이 있습니다. 두 곡선 사이에는 구멍이 있어서, 구멍을 지나지 않고는 한쪽을 다른 쪽으로 옮길 수 없습니다. 큰 평면 R2\R^2 안에서는 호모토픽하지만 구멍 난 공간 안에서는 그렇지 않습니다. 위로 지나는 곡선, 아래로 지나는 곡선, 구멍을 한 바퀴 돌고 BB로 가는 곡선, 두 바퀴 돌고 가는 곡선은 모두 서로 호모토픽하지 않습니다. 몇 번 도느냐마다 호모토픽한 곡선의 한 무리가 생기니 무리가 무한히 많습니다.

아래 장난감으로 확인해 보세요. 파란 꺾은선의 꼭짓점을 끌어 곡선을 바꾸면, 구멍이 있을 때 기준 곡선과 같은 무리인지 번호 kk로 알려 줍니다. 구멍에 닿는 곡선은 이 공간 밖의 곡선이므로 빨갛게 표시됩니다. 슬라이더 tt는 기준 곡선에서 파란 곡선으로 직선 보간으로 옮겨 가는 곡선을 보여 주고, “구멍 없음”으로 바꾸면 어떤 곡선이든 한 무리입니다.

(번호 kk는 곡선이 구멍 둘레를 쓸고 간 각도로 정한 것입니다. 이 번호와 장난감의 판정은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. 호모토피가 있으려면 두 곡선의 끝점이 같아야 하나요?
A. 이번 편의 호모토피는 그렇습니다. 중간 곡선도 모두 aa에서 시작해 bb에서 끝나야 합니다. 끝점을 움직여도 되는 호모토피도 있지만 강의에서 나중에 다룹니다.

강의는 구멍이 만드는 이 큰 차이를 보면서, 호모토피 부류로 공간의 무언가를 잴 수 있다는 힌트를 얻었다고 말합니다. 위상동형인 공간은 호모토피에서도 같은 성질을 가집니다. 하지만 거꾸로 곡선의 부류가 같은 성질을 가진 두 공간이 꼭 위상동형인 것은 아닙니다. 군론으로 위상 전체를 풀어내려던 큰 기대는 이루어지지 않았고, 군은 위상의 일부만 알려 줍니다. 위상과 군론은 일대일로 대응하는 학문이 아닙니다.

호모토피는 동치관계입니다

곡선들 사이의 “호모토픽하다”는 관계가 동치관계equivalence relation임을 확인합니다. 곡선 γ0≃γ1\gamma_0 \simeq \gamma_1로 호모토픽하다는 것을 씁니다.

  1. 반사성reflexive: 모든 곡선은 자기 자신과 호모토픽합니다. F(s,t)=γ(s)F(s, t) = \gamma(s)로 두면 됩니다.
  2. 대칭성symmetric: F(s,t)F(s, t)가 γ1\gamma_1에서 γ2\gamma_2로 가는 호모토피이면 F(s,1−t)F(s, 1 - t)는 γ2\gamma_2에서 γ1\gamma_1으로 가는 호모토피입니다. 곡선 사이의 변화를 거꾸로 돌린 것입니다.
  3. 추이성transitive: FF가 γ0\gamma_0에서 γ1\gamma_1로, HH가 γ1\gamma_1에서 γ2\gamma_2로 가는 호모토피이면, 두 호모토피를 이어 붙인 G(s,t)G(s, t)가 γ0\gamma_0에서 γ2\gamma_2로 갑니다.
G(s,t)=F(s,2t)(0≤t≤12),G(s,t)=H(s,2t−1)(12≤t≤1)G(s, t) = F(s, 2t) \quad (0 \le t \le \tfrac12), \qquad G(s, t) = H(s, 2t - 1) \quad (\tfrac12 \le t \le 1)

tt를 두 배로 빠르게 움직여서 앞 절반에 FF, 뒤 절반에 HH를 넣었습니다. t=12t = \tfrac12에서 두 식 모두 γ1\gamma_1이라 이어집니다.

동치관계이므로 곡선 하나씩 보지 않고 호모토픽한 곡선 전체의 모임을 다룰 수 있습니다. 이것이 γ\gamma의 동치류equivalence class [γ][\gamma]이고, 괄호 안에는 그 모임의 아무 곡선이나 대표로 넣어도 됩니다. 몫공간에서 동치류를 묶은 것과 같은 생각입니다. 구멍 난 평면에서는 구멍을 위로 지나는 곡선의 부류, 아래로 지나는 부류, 한 바퀴 더 도는 부류처럼 부류가 무한히 많고, 구멍이 없는 평면에서는 부류가 하나뿐입니다.

Q. 호모토픽하다는 것이 동치관계라는 사실이 왜 중요한가요?
A. 곡선을 하나씩 따지지 않고 부류를 하나의 원소로 다룰 수 있게 되기 때문입니다. 부류 사이에 곱을 정의하면 군을 만들 수 있고, 이 군이 이번 편의 목표입니다.

곡선의 곱

대수로 가려면 곡선을 곱할 수 있어야 합니다. α\alpha가 aa에서 bb로, β\beta가 bb에서 cc로 가는 곡선이면, α\alpha를 먼저 가고 β\beta를 이어 가는 곡선 αβ\alpha\beta를 만듭니다.

(αβ)(s)=α(2s)(0≤s≤12),(αβ)(s)=β(2s−1)(12≤s≤1)(\alpha\beta)(s) = \alpha(2s) \quad (0 \le s \le \tfrac12), \qquad (\alpha\beta)(s) = \beta(2s - 1) \quad (\tfrac12 \le s \le 1)

두 배의 속도로 α\alpha를 달리고, 이어서 두 배의 속도로 β\beta를 달리면 ss가 0에서 1까지 가는 동안 aa에서 cc까지 갑니다. 이 곱은 α\alpha의 부류에 속한 어느 곡선과 β\beta의 부류에 속한 어느 곡선으로 만들어도 같은 부류를 줍니다. 그래서 부류끼리 곱을 이렇게 정의합니다.

[α][β]=[αβ][\alpha][\beta] = [\alpha\beta]

곡선 셋이면 αβγ\alpha\beta\gamma는 3s3s, 3s−13s - 1, 3s−23s - 2로 이어 붙이면 되고, ([α][β])[γ]=[α]([β][γ])([\alpha][\beta])[\gamma] = [\alpha]([\beta][\gamma])로 결합법칙associativity이 성립합니다. 군도 결합법칙이 필요하니 좋은 소식입니다. 역곡선inverse path도 있습니다. β\beta가 bb에서 cc로 가면 βˉ(s)=β(1−s)\bar\beta(s) = \beta(1 - s)는 cc에서 bb로 되돌아갑니다. 같은 길을 거꾸로 걷는 곡선입니다.

군을 만들 재료가 거의 모였지만 아직 부족합니다. 곱은 앞 곡선의 끝점이 뒤 곡선의 시작점과 같을 때만 정의되고, 점의 쌍마다 곡선의 부류가 따로 있어서 너무 많습니다. 그래서 범위를 좁힙니다.

고리와 기본군

점 bb를 하나 정하고 bb에서 출발해 bb로 돌아오는 곡선만 봅니다. 이것을 고리loop라고 하고, bb를 기준점base point이라고 합니다. 고리는 곡선의 특수한 경우일 뿐 나머지는 모두 같습니다. 고리 사이의 호모토피도 끝점 bb를 고정하고, 구멍이 있으면 구멍을 도는 방식이 다른 고리는 호모토픽하지 않습니다.

기준점이 같으니 어떤 두 고리든 곱할 수 있습니다. 고리의 부류 전체의 집합에는 군에 필요한 것이 다 있습니다.

  • 곱: [α][β]=[αβ][\alpha][\beta] = [\alpha\beta], 결합법칙이 성립합니다.
  • 항등원: bb를 떠나지 않고 계속 머무는 상수 곡선의 부류
  • 역원: [α][\alpha]의 역원은 반대 방향으로 도는 [αˉ][\bar\alpha]

이 군을 XX의 bb에서의 기본군fundamental group이라 하고 π1(X,b)\pi_1(X, b)로 씁니다. 첫 번째 호모토피 군이라고도 부릅니다. 어느 공간의 어느 점에서 시작하는 고리인지가 정보의 전부라서 XX와 bb를 모두 적습니다. 강의는 이것이 가장 단순하고 가장 중요한 군이라고 합니다. 구멍이 하나 있는 평면에서는 한 바퀴씩 도는 횟수를 셀 수 있어서 원소가 셀 수 있게 무한히 많습니다. (이 군이 정수의 덧셈군과 같다는 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

기준점마다 군이 하나씩 있어서 번거로워 보입니다. 하지만 공간의 한 덩어리 안에서 모든 점에서의 기본군은 서로 동형입니다. 점 ee에서 점 hh로 가는 곡선 δ\delta를 하나 잡고, hh에서의 고리 γ\gamma를 δγδˉ\delta\gamma\bar\delta로 보냅니다. ee에서 δ\delta를 따라 hh까지 가서 고리를 돌고, δˉ\bar\delta로 ee로 돌아오는 ee에서의 고리입니다. 이 대응이 군의 동형사상이 됩니다. (강의는 “연결된 영역”이라고 말하지만, 곡선으로 두 점을 이을 수 있다는 뜻이므로 정확히는 경로 연결path-connected 조건입니다.) 그러니 기준점을 빼고 공간의 기본군 π1(X)\pi_1(X)만 말해도 됩니다.

원으로 본 고리

고리는 α(0)=α(1)\alpha(0) = \alpha(1)이므로 구간 [0,1]\I의 두 끝점을 같은 점으로 붙인 몫공간에서 XX로 가는 함수로 볼 수 있습니다. 두 끝점을 붙인 구간은 원 S1S^1과 위상동형입니다. 그래서 고리는 원에서 XX로 가는 함수이기도 합니다. 원을 복소평면의 e2πise^{2\pi i s}로 쓰면 s=0s = 0과 s=1s = 1이 같은 점이라는 사실이 자연스럽게 보입니다. 구멍이 있으면 이 원이 구멍을 감을 수도, 비켜 갈 수도 있습니다.

문헌에는 점이 하나 표시된 공간 (X,b)(X, b)를 쓰는 일이 많고, 이것을 점 있는 공간pointed space이라고 부릅니다. 두 점 있는 공간 사이의 함수는 보통 f(c)=bf(c) = b 처럼 표시한 점을 표시한 점으로 보내야 합니다.

연속 함수가 만드는 준동형사상

점 있는 공간 (Y,c)(Y, c)에서 (X,b)(X, b)로 가는 연속 함수 ff가 있고 f(c)=bf(c) = b라고 합시다. YY에 cc를 기준점으로 하는 고리 α\alpha가 있으면 ff로 XX에 옮긴 f∘αf \circ \alpha는 bb에서의 고리입니다. 그래서 기본군 사이의 함수가 하나 생깁니다.

f∗:π1(Y,c)→π1(X,b),f∗([α])=[f∘α]f_* : \pi_1(Y, c) \to \pi_1(X, b), \qquad f_*([\alpha]) = [f \circ \alpha]

호모토피로 이어진 두 고리를 ff로 옮기면 옮긴 고리도 호모토픽하니 이 정의는 대표 고리를 어떻게 고르든 같습니다. (이 확인은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 이 f∗f_*를 ff가 유도하는 준동형사상induced homomorphism이라 부릅니다.

정말 준동형사상입니다. 곱을 지키고, 역원을 역원으로 보내고, 상수 곡선을 상수 곡선으로 보냅니다.

f∗([α][β])=f∗([α]) f∗([β]),f∗([α]−1)=f∗([α])−1f_*([\alpha][\beta]) = f_*([\alpha])\, f_*([\beta]), \qquad f_*([\alpha]^{-1}) = f_*([\alpha])^{-1}

위상으로 정의한 연속 함수가 군의 준동형사상 하나를 만들어 낸다는 큰 결론입니다. 준동형사상일 뿐 동형사상이 되는 것은 아니므로, 두 기본군이 같을 필요는 없습니다. 구멍이 둘인 공간에서는 구멍 하나를 도는 고리도, 다른 구멍을 도는 고리도, 두 구멍을 차례로 도는 고리도 있어서 구멍이 하나인 공간보다 군이 클 수 있습니다. 그런 두 공간 사이를 연속 함수가 이으면 일대일 대응이 되지 못합니다.

그런데 ff가 위상동형사상이면 f∗f_*는 동형사상입니다. (역함수 f−1f^{-1}이 유도하는 (f−1)∗(f^{-1})_*가 f∗f_*의 역이 되기 때문이고, 이 이유는 이해를 위해 보탠 것이며 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 위상동형인 두 공간의 기본군은 동형이고, 연속 함수 하나로만 이어진 공간의 기본군은 준동형사상으로 이어집니다. 그래도 둘 사이에 연결이 생긴다는 것만으로 충분히 큽니다.

Q. 두 공간의 기본군이 동형이면 두 공간이 위상동형인가요?
A. 그렇지 않을 수 있습니다. 위상동형이면 기본군이 동형인 것은 맞지만 거꾸로는 성립하지 않습니다. 기본군은 공간의 구멍 같은 성질만 보여 주는 도구이고, 위상 전체를 알려 주지는 못합니다.

시리즈를 마치며

이 시리즈는 집합에 열린집합의 모음을 주는 일로 시작했습니다. 그 위상을 분리, 가산성, 콤팩트, 연결 같은 성질로 가르고, 국소적으로 Rn\R^n과 같은 공간으로 매니폴드를 만들고, 미분 구조를 얹어 접공간과 여접공간, 접다발로 나아갔습니다. 몫공간으로 원기둥과 뫼비우스 띠를 만들었고, 지난 편에서는 위상 이전에 있던 거리를 되짚었습니다. 마지막인 이번 편에서는 공간 안의 곡선을 호모토피로 묶어 부류로 만들고, 부류에 곱을 주어 기본군이라는 군을 얻었습니다. 구멍이 있는 공간과 없는 공간의 차이가 군이라는 대수적 대상으로 드러났고, 연속 함수는 군 사이의 준동형사상을 하나씩 만들어 냈습니다.

강의는 이번 편 끝에서 다음 강의에서 기본군을 더 구체적으로 기술하는 방법, 피복 공간, 그리고 몇 가지 예로 이어 가겠다고 예고합니다. 이 노트는 거기까지 따라가지 않고 여기서 맺습니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 18 of the playlist, Homotopy, and it is the last post of this series. Up to the last post we examined a space inside a topological space through points and open sets. This post is the first lecture of algebraic topology, and we start reading the curves in a space as a group.

What we need from group theory

The lecture opens by insisting that you know group theory. This post uses roughly the following.

  • The definition of a group
  • A homomorphism between groups. This is a different thing from a homeomorphism between topological spaces. It need not be one-to-one but it keeps the structure of the group.
  • The kernel and normal subgroups of a homomorphism, and isomorphisms

We do not use them right away, but anyone who knows homomorphisms knows these too. A group is an object with more structure than a topological space, so translating properties of a space into the language of groups gives us something to compute.

Curves and homotopy

Pick two points aa and bb in a topological space XX. A curve is a continuous function γ:[0,1]→X\gamma : \I \to X from a closed interval to XX, and here we look at curves with γ(0)=a\gamma(0) = a and γ(1)=b\gamma(1) = b. From now on all functions are continuous and I will not say so each time. There can be several curves from the same aa to bb, and we name them γ0\gamma_0, γ1\gamma_1, and so on.

A homeomorphism continuously deformed a space, open sets and all, into another space. Now we ask whether we can continuously deform one curve into another inside a single space. Each point of the curve moves a little at a time, the curve is never cut, and stretching or shrinking is allowed. If this can be done, the two curves are called homotopic.

In symbols it is a function of two variables.

F:[0,1]×[0,1]→X,F(s,0)=γ0(s),F(s,1)=γ1(s)F : \I \times \I \to X, \qquad F(s, 0) = \gamma_0(s), \quad F(s, 1) = \gamma_1(s)

The variable ss is a parameter giving the position on the curve, and tt says which curve we are on. Writing γt(s)=F(s,t)\gamma_t(s) = F(s, t), as tt runs from 0 to 1 the curve changes gradually from γ0\gamma_0 to γ1\gamma_1. Every intermediate curve must have the same endpoints, so there is one more condition.

F(0,t)=a,F(1,t)=b(0≤t≤1)F(0, t) = a, \qquad F(1, t) = b \qquad (0 \le t \le 1)

This function FF is called a homotopy from γ0\gamma_0 to γ1\gamma_1. This post treats only homotopies with fixed endpoints. The lecture postpones broader homotopies in which the endpoints may differ.

Finding one homotopy FF does not mean we have found every curve homotopic to it. We have only shown that γ0\gamma_0 is homotopic to γ1\gamma_1, and it may be homotopic to other curves not in the picture too.

In the plane everything is the same, and a hole splits the curves

Any two curves joining two points in the plane R2\R^2 are homotopic to each other. It does not matter if the curves cross. The proof is easy, so the lecture does not show it. One way is to move each point along the straight line joining the two curves. F(s,t)=(1−t) γ0(s)+t γ1(s)F(s, t) = (1 - t)\,\gamma_0(s) + t\,\gamma_1(s), and the endpoints stay fixed because the two curves share them. (This formula is added for understanding and was not covered in the lecture.) Since all curves are homotopic to each other, the plane is the simplest space in this respect. Homotopy has nothing to find out there.

A convex subset is the same. A set is convex if the segment joining any two of its points always lies in the set, and the straight-line interpolation above does not leave the set, so all curves in it are homotopic. A non-convex set can behave the same way if it has no hole. What causes trouble is a hole.

Consider the space R2∖D\R^2 \setminus D, the plane with a disc DD removed. Put the points AA and BB on either side of the hole, and there is a curve passing above and a curve passing below. There is a hole between them, so we cannot move one to the other without crossing the hole. In the big plane R2\R^2 they are homotopic, but in the space with a hole they are not. Beyond the curves passing above once and below once, a curve that goes once around the hole and on to BB, and a curve that goes twice around, are not homotopic to any of the others. Each number of turns gives one group of homotopic curves, so there are infinitely many groups.

Check it with the toy below. Drag the vertices of the blue polyline to change the curve, and when the hole is present the toy tells you with a number kk whether it is in the same group as the reference curve. A curve touching the hole is not a curve of this space, so it turns red. The slider tt shows the curve moving by straight-line interpolation from the reference curve to the blue curve, and if you switch to “No hole” every curve is in one group.

(The number kk is fixed by the angle the curve sweeps around the hole. This number and the verdicts of the toy are added for understanding and were not covered in the lecture.)

Q. For a homotopy to exist, must the two curves have the same endpoints?
A. In this post, yes. Every intermediate curve must also start at aa and end at bb. There are homotopies in which the endpoints may move too, but the lecture treats them later.

Seeing this large difference the hole makes, the lecture takes it as a hint that homotopy classes can measure something about a space. Homeomorphic spaces have the same properties regarding homotopy. But two spaces with the same properties of curve classes are not necessarily homeomorphic. The big hope of untangling all of topology with group theory did not come true, and groups tell us only part of topology. Topology and group theory are not subjects in one-to-one correspondence.

Homotopy is an equivalence relation

We check that the relation “is homotopic to” among curves is an equivalence relation. Write γ0≃γ1\gamma_0 \simeq \gamma_1 for homotopic curves.

  1. Reflexive: every curve is homotopic to itself. Take F(s,t)=γ(s)F(s, t) = \gamma(s).
  2. Symmetric: if F(s,t)F(s, t) is a homotopy from γ1\gamma_1 to γ2\gamma_2, then F(s,1−t)F(s, 1 - t) is a homotopy from γ2\gamma_2 to γ1\gamma_1. It runs the change between the curves backwards.
  3. Transitive: if FF is a homotopy from γ0\gamma_0 to γ1\gamma_1 and HH is a homotopy from γ1\gamma_1 to γ2\gamma_2, then G(s,t)G(s, t), which glues the two homotopies, goes from γ0\gamma_0 to γ2\gamma_2.
G(s,t)=F(s,2t)(0≤t≤12),G(s,t)=H(s,2t−1)(12≤t≤1)G(s, t) = F(s, 2t) \quad (0 \le t \le \tfrac12), \qquad G(s, t) = H(s, 2t - 1) \quad (\tfrac12 \le t \le 1)

We run tt twice as fast, putting FF in the first half and HH in the second. At t=12t = \tfrac12 both formulas give γ1\gamma_1, so they join.

Since it is an equivalence relation, we can handle the whole collection of homotopic curves without looking at them one at a time. This is the equivalence class [γ][\gamma] of γ\gamma, and any curve of the collection can be put in the brackets as a representative. It is the same idea as grouping equivalence classes in a quotient space. In the plane with a hole there are infinitely many classes, such as the class of curves passing above the hole, the class passing below, and the class going around once more, and in the plane without a hole there is only one class.

Q. Why does it matter that being homotopic is an equivalence relation?
A. Because we can treat a class as a single element without examining curves one by one. If we define a product between classes we can build a group, and this group is the goal of this post.

The product of curves

To reach algebra we must be able to multiply curves. If α\alpha goes from aa to bb and β\beta goes from bb to cc, we make the curve αβ\alpha\beta that goes along α\alpha first and continues along β\beta.

(αβ)(s)=α(2s)(0≤s≤12),(αβ)(s)=β(2s−1)(12≤s≤1)(\alpha\beta)(s) = \alpha(2s) \quad (0 \le s \le \tfrac12), \qquad (\alpha\beta)(s) = \beta(2s - 1) \quad (\tfrac12 \le s \le 1)

Run along α\alpha at double speed, then along β\beta at double speed, and while ss goes from 0 to 1 we travel from aa to cc. This product gives the same class whichever curve of the class of α\alpha and whichever curve of the class of β\beta we use. So we define the product of classes as follows.

[α][β]=[αβ][\alpha][\beta] = [\alpha\beta]

For three curves, αβγ\alpha\beta\gamma is glued with 3s3s, 3s−13s - 1, 3s−23s - 2, and ([α][β])[γ]=[α]([β][γ])([\alpha][\beta])[\gamma] = [\alpha]([\beta][\gamma]) gives associativity. A group needs associativity, so this is good news. There is an inverse path too. If β\beta goes from bb to cc, then βˉ(s)=β(1−s)\bar\beta(s) = \beta(1 - s) goes back from cc to bb. It is the curve that walks the same road backwards.

We almost have the material for a group, but not quite. The product is defined only when the endpoint of the first curve equals the starting point of the second, and every pair of points has its own classes of curves, which is too many. So we narrow the scope.

Loops and the fundamental group

Fix one point bb and look only at curves that start at bb and return to bb. These are called loops, and bb is called the base point. A loop is a special case of a curve and everything else is the same. A homotopy between loops also fixes the endpoint bb, and if there is a hole, loops that go around the hole in different ways are not homotopic.

Since the base point is the same, any two loops can be multiplied. The set of all classes of loops has everything a group needs.

  • Product: [α][β]=[αβ][\alpha][\beta] = [\alpha\beta], which is associative.
  • Identity: the class of the constant curve that never leaves bb.
  • Inverse: the inverse of [α][\alpha] is [αˉ][\bar\alpha], which goes around in the opposite direction.

This group is called the fundamental group of XX at bb and is written π1(X,b)\pi_1(X, b). It is also called the first homotopy group. Which space and which point the loops start from is all the information, so we write both XX and bb. The lecture says it is the simplest and the most important group. In a plane with one hole, we can count the number of times we go around, so the group has countably infinitely many elements. (The remark that this group equals the additive group of integers is added for understanding and was not covered in the lecture.)

There is one group per base point, which looks burdensome. But within one piece of the space, the fundamental groups at all points are isomorphic to each other. Pick a curve δ\delta from a point ee to a point hh, and send a loop γ\gamma at hh to δγδˉ\delta\gamma\bar\delta. This is a loop at ee that goes along δ\delta to hh, runs the loop, and returns to ee along δˉ\bar\delta. This correspondence is an isomorphism of groups. (The lecture says “connected region”, but it means two points can be joined by a curve, so precisely the condition is path-connected.) So we may leave out the base point and speak only of the fundamental group π1(X)\pi_1(X) of the space.

Loops seen as circles

A loop satisfies α(0)=α(1)\alpha(0) = \alpha(1), so it can be seen as a function from the quotient of the interval [0,1]\I with its two endpoints glued to a single point into XX. The interval with its endpoints glued is homeomorphic to the circle S1S^1. So a loop is also a function from the circle to XX. If we write the circle as e2πise^{2\pi i s} in the complex plane, it is natural that s=0s = 0 and s=1s = 1 are the same point. If there is a hole, this circle may wind around the hole or may miss it.

In the literature one often uses a space (X,b)(X, b) with one marked point, called a pointed space. A function between pointed spaces usually must send the marked point to the marked point, as in f(c)=bf(c) = b.

The homomorphism a continuous function induces

Let ff be a continuous function from a pointed space (Y,c)(Y, c) to (X,b)(X, b) with f(c)=bf(c) = b. If α\alpha is a loop in YY with base point cc, then f∘αf \circ \alpha, which ff carries into XX, is a loop at bb. So we get a function between fundamental groups.

f∗:π1(Y,c)→π1(X,b),f∗([α])=[f∘α]f_* : \pi_1(Y, c) \to \pi_1(X, b), \qquad f_*([\alpha]) = [f \circ \alpha]

If two loops are joined by a homotopy and we carry them over with ff, the carried loops are homotopic too, so this definition does not depend on which loop we choose as the representative. (This check is added for understanding and was not covered in the lecture.) This f∗f_* is called the homomorphism induced by ff.

It really is a homomorphism. It keeps products, sends inverses to inverses, and sends the constant curve to the constant curve.

f∗([α][β])=f∗([α]) f∗([β]),f∗([α]−1)=f∗([α])−1f_*([\alpha][\beta]) = f_*([\alpha])\, f_*([\beta]), \qquad f_*([\alpha]^{-1}) = f_*([\alpha])^{-1}

This is a big conclusion: a continuous function defined through topology produces a homomorphism of groups. It is a homomorphism and not an isomorphism, so the two fundamental groups need not be the same. A space with two holes has loops around one hole, loops around the other, and loops around both in turn, so its group can be larger than that of a space with one hole. A continuous function between such spaces cannot be a one-to-one correspondence.

But if ff is a homeomorphism, then f∗f_* is an isomorphism. (This is because (f−1)∗(f^{-1})_*, induced by the inverse f−1f^{-1}, is the inverse of f∗f_*. This reason is added for understanding and was not covered in the lecture.) The fundamental groups of two homeomorphic spaces are isomorphic, and the fundamental groups of spaces joined only by a continuous function are joined by a homomorphism. Even so, getting a connection between the two is already a lot.

Q. If the fundamental groups of two spaces are isomorphic, are the spaces homeomorphic?
A. Not necessarily. Homeomorphic spaces do have isomorphic fundamental groups, but the converse does not hold. The fundamental group is a tool that shows properties of a space such as its holes, and it cannot stand in for the whole topology.

Closing the series

This series began by giving a set a collection of open sets. We sorted that topology by properties such as separation, countability, compactness, and connectedness, made manifolds from spaces that look locally like Rn\R^n, and then added a differentiable structure and moved on to tangent spaces, cotangent spaces, and the tangent bundle. We made a cylinder and a Möbius strip with quotient spaces, and last time we looked back at the distance that came before topology. In this final post we gathered the curves in a space into classes by homotopy, gave the classes a product, and obtained a group, the fundamental group. The difference between a space with a hole and a space without one showed up in an algebraic object, a group, and each continuous function produced a homomorphism between groups.

At the end of this lesson the lecture announces that the next lecture will continue with ways to describe the fundamental group more concretely, covering spaces, and some examples. These notes do not follow it that far and close here.

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