¿Qué hace que un grupo fundamental no sea abeliano o abeliano? ¿Podría dar ejemplos y contraejemplos? ¿Cómo abelianizar este grupo?

Un ejemplo algo más simple de un grupo fundamental no abeliano que el dado por Ivan es el plano menos dos puntos, o (equivalentemente) la figura 8.

El grupo fundamental de este espacio es el grupo libre en dos generadores, y eso es bastante intuitivo de ver: que A sea un bucle en sentido antihorario alrededor de uno de los puntos faltantes (o alrededor de la mitad superior de los 8), y que B sea en sentido antihorario bucle alrededor del otro. Entonces, cada camino cerrado en este espacio se describe esencialmente por una secuencia arbitraria de A, B y sus inversas. La única cancelación que ocurre en una secuencia de este tipo es cuando se sigue un bucle inmediatamente como su inverso.

Este es un “grupo extremadamente no abeliano”: admite cualquier grupo generado por dos elementos como cociente, y esto incluye (por ejemplo) cada grupo de permutación finita.

Suponga que un grupo G actúa libre y adecuadamente de forma discontinua en un espacio X conectado de forma simple (esto significa que la acción G x X -> X es continua, y que cada punto x de X tiene una vecindad U tal que gU es disjunto de U para cada elemento no unitario g de G.) Entonces el mapa del cociente X -> X / G es un mapa de cobertura universal, y el grupo fundamental del espacio del cociente X / G es isomorfo a G.

Por ejemplo, el grupo de enteros Z actúa sobre la línea real R por traducción. El espacio cociente R / Z = S ^ 1 (el círculo) tiene un grupo fundamental isomorfo a Z. Como otro ejemplo, el mapa antipodal (multiplicación por -1) es un homeomorfismo de orden 2 de la esfera bidimensional S ^ 2 en sí mismo. Esto define una acción libre y adecuadamente discontinua del grupo Z / 2Z en S ^ 2. El espacio cociente (el plano proyectivo RP ^ 2) tiene Z / 2Z como su grupo fundamental.

Un famoso ejemplo de un espacio con un grupo fundamental no abeliano es la 3-esfera de homología de Poincaré, que es el cociente de S ^ 3 por el grupo icosaédrico binario J * (del orden 120). Uno ve a S ^ 3 como el grupo unitario especial SU (2), el grupo de cobertura universal del grupo ortogonal especial SO (3). El grupo icosaédrico binario J * es la imagen previa debajo del mapa de cobertura SU (2) -> SO (3) del grupo J de simetrías rotacionales del icosaedro / dodecaedro regular. La acción de J * en SU ​​(2) viene dada por la multiplicación (digamos, a la derecha). La esfera de Poincaré se puede describir alternativamente como el cociente SO (3) / J, pero para calcular su grupo fundamental, uno tiene que pasar a la cubierta SU (2) = S ^ 3 conectada de forma simple. Entonces, el grupo fundamental en cuestión es J *.

Según el teorema de Hurewicz, la abelianización del grupo fundamental de un espacio X conectado a la ruta es el primer grupo de homología (con coeficientes enteros) de X. Por ejemplo, el grupo J * del ejemplo anterior coincide con su subgrupo conmutador, por lo que el Poincaré La esfera tiene una primera homología trivial, al igual que S ^ 3.

La abelianización del grupo fundamental de una variedad es su primer grupo de homología.

Ciertamente, hay múltiples con un grupo fundamental finito nobeliano. Como ejemplo, puede tomar el espacio vectorial complejo C ^ 2 con (0,0) eliminado. Los generadores actúan sobre un grupo diédrico.

(x, y) -> (-y, x)

(x, y) -> (xu, y / u)

donde u es la enésima raíz de 1.

Esta acción es gratuita, el espacio está simplemente conectado y el cociente es el ejemplo que está buscando.

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