Dos recorridos pueden deformarse uno en otro sin romperse ni salir del espacio. Para estudiarlo necesitamos fijar qué puntos no se pueden mover. Mantendremos un punto base en los lazos, aprenderemos a concatenarlos y calcularemos las clases del círculo mediante ángulos que recuerdan sus vueltas. Después compararemos el círculo, el plano y el plano con un punto ausente.
1. Una homotopía es una deformación continua en sus dos variables
f,g:A→X son homotópicas si existe H:[0,1]×A→X continua con H(0,a)=f(a) y H(1,a)=g(a). s controla el avance de la deformación y a sigue siendo el punto de entrada. Se exige continuidad conjunta, no solo describir por separado un movimiento para cada punto.
Para caminos γ,η de a a b, una homotopía relativa a extremos conserva H(s,0)=a y H(s,1)=b para todo s. Además cada punto de la deformación debe permanecer en X. Una fórmula válida en el plano puede dejar de serlo al quitar un punto del plano.
Aplanar una gráfica en el plano
f(t)=(t,t²), g(t)=(t,0), t∈[−1,1].
Fórmula
H(s,t)=(t,(1−s)t²).Principio y final
s=0 da f y s=1 da g.Continuidad
Las dos coordenadas son polinomios de s,t y permanecen en ℝ².
Es una homotopía en el plano.
Los extremos del dominio no se mantienen fijos en esta deformación, porque aquí no hemos impuesto esa condición adicional.
La misma interpolación puede atravesar un punto prohibido
Camino superior y camino inferior entre (−1,0) y (1,0) en el círculo.
Intermedio
En t=1/2 sus posiciones son (0,1) y (0,−1).Interpolar
La media, s=1/2, es el origen.Ambiente
La interpolación sirve dentro de ℝ², pero no dentro de ℝ²∖{0}.
Hay que comprobar pertenencia durante toda la deformación.
Esta cuenta descarta esa fórmula en el plano perforado; más adelante el número de vueltas detectará la obstrucción topológica.
2. Un lazo empieza y termina en el mismo punto base
Dos lazos representan la misma clase si se deforman manteniendo ambos extremos en x₀ para todo s. La clase incluye muchas maneras de recorrer y deformar una trayectoria.
Un lazo nulo-homotópico se deforma al constante en x₀. No se exige que la imagen sea una circunferencia simple, ni que evite cruces, ni que tenga derivadas. Recorrer la misma imagen varias veces puede dar clases diferentes, porque la clase conserva información del recorrido y del espacio permitido.
Una fórmula con un entero de vueltas
γₙ(t)=(cos(2πnt),sen(2πnt)), n entero.
Base
En t=0 y t=1 se obtiene (1,0).Sentido
n positivo gira en sentido positivo; n negativo en el contrario.
Casos
n=0 es constante; n=1 y n=2 recorren la misma circunferencia con distinta cantidad de vueltas.
Son lazos basados en uno, con recorridos diferentes.
Si n no fuera entero, el extremo final no tendría por qué volver al punto base.
Un lazo puede cruzarse
γ(t)=(sen(2πt),sen(4πt)) en ℝ².
Continuidad
Las dos coordenadas son continuas.
Base
γ(0)=γ(1)=(0,0).Cruce
También pasa por (0,0) en t=1/2 y forma una figura con dos lóbulos.
Es un lazo válido aunque no sea inyectivo.
La definición no prohíbe repetir la base durante el recorrido.
3. Concatenar significa recorrer un lazo y después el otro
Para lazos γ,η con la misma base, definimos γ*η como γ(2t) en la primera mitad y η(2t−1) en la segunda. Las dos fórmulas dan x₀ en el empalme y son continuas por pegado de dos mitades cerradas.
Si deformamos γ y η mediante homotopías basadas, concatenamos las dos deformaciones con la misma división temporal. Coinciden en todo el borde de empalme, así la homotopía conjunta sigue siendo continua. Por eso el producto [γ][η]=[γ*η] está bien definido para clases, independientemente del representante elegido.
Dos vueltas unitarias concatenadas
γ₁*γ₁ en el círculo.
Primera mitad
γ₁(2t)=e^(4πit).Segunda
γ₁(2t−1)=e^(4πit−2πi)=e^(4πit).Resultado
Aquí ambas mitades coinciden con la fórmula de γ₂.
En este caso la concatenación es exactamente el recorrido de dos vueltas uniformes.
La igualdad literal es especial de estos representantes; la operación general se define por mitades.
Vueltas con una velocidad distinta en cada mitad
Concatena γ₃ con γ₋₁.
Primero
Tres vueltas positivas en la mitad inicial.
Después
Una negativa en la mitad final.
Ángulo acumulado
Termina en tres menos uno, igual a dos vueltas netas.
La clase tendrá grado dos, aunque el recorrido no sea γ₂ literalmente.
Contar vueltas netas no significa que se haya recorrido la misma trayectoria temporal.
4. Las leyes de grupo se cumplen en clases de lazos
Las dos asociaciones de tres lazos reparten el tiempo de modo distinto. (γ*η)*ζ usa duraciones 1/4,1/4,1/2; γ*(η*ζ) usa 1/2,1/4,1/4. Podemos variar continuamente las duraciones como (1+s)/4,1/4,(2−s)/4 y recorrer cada lazo en su tramo. Permanecen positivas y los empalmes están en la base: da una homotopía basada y prueba asociatividad en clases.
El lazo constante es neutro en clases, pues la espera puede acortarse continuamente.
El recorrido de ida y vuelta se contrae retirando progresivamente su parte más lejana. Estas propiedades hacen de las clases el grupo fundamental π₁(X,x₀).
Una contracción explícita del recorrido de ida y vuelta
Considera γ*γ̄.
Fórmula
H(s,t)=γ((1−s)min(2t,2−2t)).Al inicio
s=0 recorre γ hasta el final y vuelve por la misma ruta.
Al final
s=1 da γ(0)=x₀ para todo t; los extremos permanecen en x₀ durante toda la deformación.
[γ̄] es el inverso de [γ].
El argumento de γ siempre está entre cero y uno y la fórmula depende continuamente de s,t.
Eliminar la espera al terminar un lazo
γ seguido del lazo constante.
Inicio
La parametrización es γ(min(2t,1)): termina en la primera mitad y espera.
Deformar reloj
Usa rₛ(t)=(1−s)min(2t,1)+st.Final
γ(rₛ(t)) pasa continuamente a γ(t), fijando rₛ(0)=0 y rₛ(1)=1.
El lazo constante es neutro para las clases.
No hace falta que las dos parametrizaciones sean iguales para que representen el mismo elemento del grupo.
5. Convexidad permite contraer todo lazo manteniendo la base
Empieza en γ, acaba en la constante y deja fijos los extremos porque γ(0)=γ(1)=x₀. Además C es conexo por caminos. Su grupo fundamental es trivial y se dice que es simplemente conexo.
Un espacio contráctil tiene su identidad homotópica a una aplicación constante. Esto implica conexión por caminos y grupos fundamentales triviales; la contracción general puede mover la base y se compensa con el camino que esta recorre. La implicación inversa falla: la esfera S² es simplemente conexa y no contráctil.
Detectar su obstrucción requiere información de dimensión superior a los lazos.
El dibujo de contracción en el plano
Un lazo γ basado en el origen de ℝ².
Reducir
H(s,t)=(1−s)γ(t).Base
En t=0 y t=1, el producto sigue siendo cero.Final
En s=1, todos los puntos han llegado al origen, sin salir de ℝ².
Cualquier lazo del plano es nulo-homotópico.
El dibujo muestra círculos que pasan por la base y se reducen; la misma fórmula sirve para cualquier forma continua del lazo.
Convexo es suficiente, pero no necesario
X es la unión de los dos ejes coordenados del plano.
No convexo
El segmento entre (1,0) y (0,1) sale de X.
Estrellado
Cada punto sí tiene todo su segmento al origen dentro de su propio eje.
Contracción
H(s,x)=(1−s)x mantiene cada punto en ese eje y contrae X al origen.
X es contráctil aunque no sea convexo.
Puede haber recorridos con cruces y rincones sin que quede un obstáculo para contraer lazos.
6. Levantar el ángulo recuerda cuántas vueltas se dieron
Usamos p:ℝ→S¹, p(u)=e^(2πiu). u mide vueltas completas; no es un ángulo en radianes. En un arco pequeño del círculo podemos escoger un ángulo continuo. Dado un camino basado en uno, fijamos θ(0)=0 y prolongamos ese ángulo por tramos, sumando enteros al cambiar de rama para mantener continuidad.
La continuidad uniforme en el intervalo permite subdividir el recorrido en finitos tramos que caben en arcos pequeños; fijado el valor inicial, sus ángulos se pegan de una sola manera.
El teorema de levantamiento de homotopías permite elegir θ conjuntamente continuo durante una homotopía basada. El entero final depende continuamente de s y no puede saltar entre enteros. Por eso el número de vueltas con signo es invariante de la clase. No bastaría observar que cada lazo aislado tiene algún ángulo: necesitamos la continuidad conjunta del levantamiento.
La gráfica de dos vueltas
γ₂(t)=e^(4πit).
Levantar
θ(t)=2t cumple p(θ(t))=γ₂(t).Extremos
θ(0)=0 y θ(1)=2.Interpretación
La salida del círculo vuelve a uno y el ángulo levantado conserva el entero dos.
El grado del lazo es dos.
No se calcula mirando solo el punto final del círculo: todos los lazos basados terminan en ese mismo punto.
Cambiar el ritmo conserva el entero final
θ(t)=2t+(1/5)sen(2πt), γ(t)=p(θ(t)).
Base inicial
θ(0)=0.Base final
θ(1)=2 y p(2)=1.Recorrido
El término oscilante cambia el ángulo intermedio, pero el grado sigue siendo dos.
Este lazo tiene el mismo grado que γ₂.
La clasificación de la sección siguiente demostrará que ese dato también basta para deformarlos uno en otro.
7. En el círculo, el grado clasifica todas las clases y la concatenación suma
Si dos lazos tienen el mismo grado n, sus levantamientos θ₀,θ₁ empiezan en cero y terminan en n. H(s,t)=p((1−s)θ₀(t)+sθ₁(t)) los deforma continuamente, fijando los extremos porque p(0)=p(n)=1.
En una concatenación, el segundo levantamiento empieza en el entero donde terminó el primero. Su incremento se suma y el grado total es n+m. Tenemos un isomorfismo π₁(S¹,1)≅(ℤ,+). Grados distintos no son homotópicos por invariancia, y grados iguales sí lo son por la interpolación. Un lazo del círculo se contrae exactamente cuando su grado es cero.
Contraer la oscilación del ángulo
El lazo con θ(t)=2t+(1/5)sen(2πt).
Interpolar
θₛ(t)=2t+((1−s)/5)sen(2πt).Mantener extremos
Siempre θₛ(0)=0 y θₛ(1)=2.Proyectar
p(θₛ(t)) da una homotopía basada hasta γ₂.
La irregularidad del ritmo se elimina sin cambiar las dos vueltas.
No lo contrae a una constante, porque el entero dos permanece distinto de cero.
Calcular producto e inverso con enteros
Clases de grados tres y menos uno.
Producto
3+(−1)=2.Inverso
La clase inversa de grado dos tiene grado −2.
Neutralizar
2+(−2)=0, la clase del lazo constante.
El cálculo del grupo es suma de enteros.
Que estos productos conmuten es una propiedad del grupo del círculo; no se exige en todo grupo fundamental.
8. Las funciones continuas transportan lazos y los caminos transportan bases
Las homotopías también se componen con f, así está bien definido y conserva producto, neutro e inversos. Un homeomorfismo induce un isomorfismo porque la función inversa induce el homomorfismo inverso.
Si c va de x₀ a x₁, un lazo α basado en x₁ se lleva a x₀ con c*α*c̄. El camino inverso da el isomorfismo inverso, usando las contracciones de ida y vuelta. Elegir otro c puede cambiar el isomorfismo por una conjugación: en un espacio conexo por caminos el tipo de grupo es el mismo, pero la identificación concreta no siempre es canónica.
Una función que multiplica grados
f:S¹→S¹, f(z)=z³.
Componer
f(γₙ(t))=e^(2πi3nt).Inducido
f_* envía n a 3n.
No isomorfismo
No alcanza la clase de grado uno: la imagen es 3ℤ.
La continuidad produce un homomorfismo, no necesariamente un isomorfismo.
La función es sobreyectiva en puntos del círculo, pero eso no hace sobreyectivo al mapa sobre las clases de lazos basados.
Una reflexión del círculo invierte el grado
f(z)=conjugado de z.
Componer
e^(2πint) pasa a e^(−2πint).
Inducido
n se transforma en −n.
Inversa
Aplicar otra vez devuelve n; es un isomorfismo.
El homeomorfismo invierte el sentido de las vueltas.
No cambia el hecho de que el grupo sea ℤ: cambia la identificación de su generador positivo.
Cambiar del punto uno al punto menos uno
c(t)=e^(πit), de uno a menos uno; α(t)=−e^(2πit), basado en menos uno.
Ida
c acumula media vuelta.
Lazo
α añade una vuelta completa.
Vuelta
c̄ resta la media vuelta inicial; el lazo transportado tiene grado uno.
La clase de una vuelta se reconoce después de transportar la base.
Las medias vueltas son incrementos de ángulo de caminos; el entero de grado corresponde al recorrido completo cerrado.
9. Retracciones y van Kampen permiten calcular espacios más complejos
En ℝ²∖{0}, H(s,x)=((1−s)+s/‖x‖)x lleva cada punto al círculo unidad y fija ese círculo. El radio pasa de r a (1−s)r+s, siempre positivo. Es una retracción por deformación. La inclusión y la retracción son inversas salvo homotopía, así inducen isomorfismos: el plano perforado tiene grupo fundamental ℤ.
Van Kampen reúne dos abiertos U,V conexos por caminos que cubren X, con intersección no vacía y conexa por caminos, y base en ella. Combinamos los grupos de U y V respetando sus leyes e identificando las dos imágenes de cada lazo de la intersección. Es un teorema de pegado; sus hipótesis permiten organizar los recorridos por las dos regiones.
El resultado puede ser no abeliano. La cantidad de agujeros dibujada no reemplaza el cálculo ni convierte todos los grupos en sumas de enteros. Además, el grupo fundamental solo recoge una parte de la topología: espacios no homeomorfos pueden tener el mismo grupo.
Una vuelta doble que no se contrae en el plano perforado
γ(t)=3e^(4πit).
Retracción
Dividir por la norma lleva γ a e^(4πit).
Grado
La imagen tiene grado dos en el círculo.
Obstrucción
Si γ se contrajera evitando el origen, la retracción daría una contracción de grado dos a cero, imposible.
La contracción por multiplicación escalar no sirve en el plano perforado.
Terminaría en el origen, fuera del espacio; la retracción radial sí mantiene radio positivo.
Dos círculos unidos en un punto dan un grupo no abeliano
X es una figura de ocho con círculos a y b.
Abiertos
U elimina un punto del círculo b lejos de la unión; V elimina un punto de a. U se retrae a a y V a b.
Intersección
Son los cuatro brazos alrededor de la unión, contráctiles y conexos por caminos.
Van Kampen
El grupo es ℤ*ℤ, el grupo libre con generadores a,b. Las palabras reducidas ab y ba son distintas.
Aquí recorrer a y después b no da la misma clase que hacerlo al revés.
El conmutador aba⁻¹b⁻¹ no se reduce a la palabra vacía, así no es nulo-homotópico.
Un grupo trivial no identifica el espacio completo
Compara S² con un punto.
Cálculo de la esfera
Los abiertos que omiten cada uno un polo son como ℝ²; su intersección es conexa por caminos. Van Kampen combina dos grupos triviales y da π₁(S²)=0.
El punto
Solo tiene el lazo constante: grupo trivial.
Límite del dato
No son homeomorfos. Además S² no es contráctil: su homología de dimensión dos es ℤ, mientras la del punto es cero.
El grupo fundamental no clasifica por sí solo todos los espacios.
La homología aporta información de dimensión superior; su uso aquí señala el límite del invariante de lazos, sin sustituir su desarrollo específico.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Contraer en el plano
Contrae un lazo γ basado en 0 dentro de R².
Base
γ(0)=γ(1)=0 en ℝ².Proponer
H(s,t)=(1−s)γ(t).Continuidad conjunta
γ es continua y la multiplicación por el escalar 1−s es continua en los dos parámetros.
Inicio y final
H(0,t)=γ(t), H(1,t)=0.Extremos fijos
H(s,0)=H(s,1)=0 durante toda la deformación.Pertenencia
Todos los múltiplos siguen en ℝ². Sirve para cualquier lazo y prueba que todos son nulo-homotópicos. En el plano perforado el punto final ya no estaría permitido.
Todo lazo es nulo-homotópico.
El grupo fundamental del plano es trivial, con una única clase. Si se quitara el origen, esta homotopía ya no sería válida porque terminaría fuera del espacio.
EJEMPLO RESUELTO 2
Sumar vueltas
Concatena lazos del círculo de grados 2 y −3.
Contexto
Los lazos comparten punto base y sus clases del círculo se identifican con ℤ.
Primero
El ángulo levantado del lazo de grado dos acumula dos vueltas positivas.
Después
El segundo recorrido empieza desde ese ángulo y resta tres vueltas.
Operación
La concatenación suma los incrementos enteros.
Cuenta
2+(−3)=−1: una vuelta neta negativa.Clase y recorrido
El concatenado puede hacer más movimientos que e^(−2πit), pero ambos lazos basados tienen grado −1 y son homotópicos por la clasificación.
Clase de grado −1.
Sumarle una vuelta positiva da grado cero y una clase contraíble. El inverso de una clase de grado n tiene grado −n.
Los símbolos que hemos usado
- H(s,t)
- Deformación continua donde s indica el avance de la homotopía y t el parámetro del camino.
- x₀
- Punto base que deben mantener los extremos de todos los lazos.
- [γ]
- Clase del lazo γ bajo homotopías que fijan la base.
- γ*η
- Concatenación que recorre primero γ y después η, reparametrizando cada mitad del intervalo.
- π₁(X,x₀)
- Grupo de clases de lazos en X basados en x₀.
- S¹
- Círculo unidad de C, formado por e^(2πiu) con u real.
- f_*
- Homomorfismo inducido por una aplicación continua al componerla con lazos.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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