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Homologie cellulaire

Le but de cet article est d’introduire, pour les espaces cellulaires, une théorie homologique, qui soit facile à calculer et généralise l’homologie polyédrale. Nous montrons ici que l’on obtient les même groupes d’homologie que ceux que donne l’homologie singulière.

Chaînes cellulaires

On va associer à un complexe cellulaire un complexe de chaînes d’une manière analogue à celle des complexes polyédraux.

Soit $X=\bigcup X^{(n)}$ une décomposition cellulaire d’un CW-complexe $X$. On note encore $I_{X^{(n)}}$ l’ensemble des cellules ouvertes de dimension $n$ de $X$.

Définition (Chaînes cellulaires)

On note $CW_i (X)$ le $\mathbb{Z}$-module des $i$-chaînes cellulaires (à support compact) sur $X$, c’est-à-dire le groupe abélien $\mathbb{Z}\langle I_{X^{(i)}}\rangle $ librement engendré par les cellules ouvertes de dimension $i$. Une $i$-chaîne cellulaire $c \in CW_i (X)$ est donc une combinaison linéaire

$$c = \sum_{e^i_{\alpha} \in X^{(i)}} c_{\alpha} e^i_{\alpha}$$

où $c_{\alpha} \in \mathbb{Z}$ est non-nul seulement pour un ensemble fini de cellules $e^i_{\alpha} \in X^{(i)}\setminus X^{(i-1)}$.

Application bord

Étant donné une $(i-1)$-cellule $e^{i-1}_\beta$, on dispose de l’application

$$p_\beta^{i-1}: X^{(i-1)} \longrightarrow X^{(i-1)}/X^{(i-2)} \cong \bigvee_{I_{X^{(i-1)}}} \mathbb{S}^{i-1} \stackrel{\pi_{\beta}}\longrightarrow \mathbb{S}^{i-1}$$

où $\pi_\beta$ est l’identité sur la sphère correspondant à la cellule $e^{i-1}_\beta$ et projette les autres sphères sur leur point base. Étant donné une $i$-cellule $e^i_\alpha$, la restriction de l’application caractéristique $f_\alpha: e_\alpha^i \to X^{(i)}$ au bord de la $i$-cellule $e_\alpha^i$ définit une application $\iota_{\alpha}^i: \mathbb{S}^{i-1}=\partial e_\alpha^i \to X^{(i-1)}$. La composée

$$q_{\alpha,\beta}: \mathbb{S}^{i-1} \stackrel{\iota^i_{\alpha}}\longrightarrow X^{(i-1)} \stackrel{p^{i-1}_\beta}\longrightarrow \mathbb{S}^{i-1}$$

est une application d’une sphère dans elle-même, elle a donc un degré : $\mathrm{deg} (q_{\alpha, \beta}) \in \mathbb{Z}$. [1]

Définition (Application bord)

On définit l’application $\partial: CW_i(X) \to CW_{i-1}(X)$ comme l’application linéaire qui envoie tout générateur $e^i_{\alpha}$ sur la somme $\sum_{\beta \in I_{X^{(i-1)}}} \mathrm{deg} (q_{\alpha, \beta}) e^{i-1}_\beta$. En d’autres termes :

$$ \partial \Big( \sum_{e^i_{\alpha} \in X^{(i)}} c_{\alpha} e^i_{\alpha}\Big) = \sum_{\substack{e^i_{\alpha} \in X^{(i)} \\ e^i_{\beta} \in X^{(i-1)}}} c_{\alpha}\cdot \mathrm{deg}(q_{\alpha, \beta}) e_{\beta}^{(i-1)}. $$

Complexe des chaînes cellulaires et homologie cellulaire

Pour que $(CW_\bullet , \partial )$ définisse un complexe il reste à vérifier le lemme suivant.

Lemme

Le bord $\partial$ vérifie $\partial \circ \partial =0$. Autrement dit $(CW_\bullet (X), \partial)$ est un complexe de chaînes.

On notera simplement $H_i(X)=H_i(CW_\bullet(X), \partial)$ l’homologie du complexe $CW_\bullet(X)$.

Démonstration. Notons que $CW_i(X) \cong \tilde{H}_i^{\rm sing}(\bigvee_{I_{X^{(i)}}} S^{i})\cong H_i^{\rm sing} (X^{(i)}, X^{(i-1)})$ d’après les calculs fait ici en homologie singulière.

On identifie maintenant l’opérateur de bord au travers de ces isomorphismes.

Lemme

Le diagramme suivant

$$\xymatrix{CW_i(X) \ar[d]_{\cong}\ar[rr]^{\partial} && CW_{i-1}(X) \ar[d]^{\cong} \\ H_i(X^{(i)}, X^{(i-1)}) \ar[r]^{\delta} & H_{i-1}(X_{i-1}) \ar[r] & H_{i-1}(X^{(i-1)}, X^{(i-2)})} $$

est commutatif. Les flèches en bas sont les morphismes des suites exactes longues des paires $(X^{(i)}, X^{(i-1)})$ et $(X^{(i-1)}, X^{(i-2)})$ respectivement.

L’identité $\partial \circ \partial =0$ découle alors du fait que la composition

$$H_{i-1}(X_{i-1}) \to H_{i-1}(X^{(i-1)}, X^{(i-2)})\stackrel{\delta}\to H_{i-2}(X^{(i-2)})$$

est nulle dans la suite exacte longue de la paire $(X^{(i-1)}, X^{(i-2)})$.

C.Q.F.D.

$$ $$

Démonstration du lemme.

Tout d’abord, la naturalité de la suite longue d’une paire donne un diagramme commutatif

$$\xymatrix{ H_i ( X^{ (i) } , X^{ (i-1) } ) \ar[r]^{ \delta } & H_{i-1} ( X^{ (i-1) } ) \\ H_i ( e_\alpha^i , \partial e_\alpha^i ) \ar[u]^{ ( f_\alpha )_* } \ar[r]^{ \delta }_{ \cong } & H_{i-1} ( \partial e^i_{ \alpha } ) . \ar[u]_{ ( \iota^{i}_{ \alpha } )_* } }$$

Le générateur $e^i_{\alpha}$ dans $CW_i(X)$ est donc l’image du générateur de $H_{i-1}(\partial e^i_\alpha)\cong \mathbb{Z}$ par $(f_\alpha )_*\circ \delta^{-1}$. Il suffit maintenant de comparer l’image de ce générateur par la flèche du bas du diagramme du lemme avec celle donnée par $\partial$.

Le calcul de l’homologie d’un bouquet d’espaces donne le diagramme commutatif :

$$\xymatrix{ \tilde{H}_{i-1} ( \bigvee_{I_{X^{(i-1) }}} S^{i-1} ) \ar[rd]^{ ( \pi_{\beta} )_* } \ar[d]_{ \cong } & \\ \bigoplus \limits_{I_{X^{(i-1) }}} \tilde{H}_{i-1} ( e^{ (i-1) }_{\gamma } / \partial e^{i-1}_\gamma ) \ar[r] & \tilde{H}_{i-1} ( e^{i-1}_\beta / \partial e^{i-1}_\beta ) } $$

où la flèche du bas est la projection sur le facteur correspondant à la cellule $e_\beta^{i-1}$. En combinant les deux diagrammes précédents et le théorème d’écrasement, on obtient le diagramme commutatif

$$\xymatrix{ H_i ( X^{(i)} , X^{(i-1)} ) \ar[r]^{\delta} & H_{i-1} (X_{i-1} ) \ar[r] & H_{i-1} ( X^{(i-1)} , X^{(i-2)} ) \ar[d]^{\cong} & \bigoplus \limits_{I_{X^{(i-1)}}} \tilde{H}_{i-1} ( e^{(i-1)}_{\gamma } / \partial e^{i-1}_\gamma ) \ar[l]_{\cong} \\ \mathbb{Z} e^i_\alpha \, \cong \, H_{i-1} ( \partial e^i_{\alpha}) \ar@{^{(}->}[u] \ar[ru]_{( \iota^i_\alpha )_*} & & \tilde{H}_{i-1}(\bigvee_{I_{X^{(i-1)}}} S^{i-1}) \ar[r]^{( \pi_\beta )_* } & \tilde{H}_{i-1}(e^{i-1}_\beta / \partial e^{i-1}_\beta)\, \cong \, \mathbb{Z} e_\beta^{i-1} \ar@{^{(}->}[u]} $$


Il suit que l’image du générateur $e^i_\alpha$, par la composition

$$H_i(X^{(i)}, X^{(i-1)}) \stackrel{\delta}\to H_{i-1}(X_{i-1}) \to H_{i-1}(X^{(i-1)}, X^{(i-2)}),$$

projetée sur la composante $\mathbb{Z}e^{i-1}_\beta$ est l’image du générateur de $H_{i-1}(\partial e^i_\alpha)$ par l’application $( p_{\alpha,\beta} )_*$. Elle est donc donnée par $\mathrm{deg}(p_{\alpha,\beta})$ par définition.

C.Q.F.D.

$$ $$

Remarque

Si $X$ est un CW-complexe de dimension $n$, alors $CW_{i>n}(X)=0$ et donc $H_{i > n} (X)$ est nulle. De même, si $X$ est un CW-complexe fini, son homologie est de type finie. En particulier, la caractéristique d’Euler d’un CW-complexe fini est bien définie. Par ailleurs la formule d’Euler-Poincaré est encore vérifiée (la démonstration est la même que dans le cas simplicial).


[1] On notera que définir le bord en homologie cellulaire requiert donc un embryon de théorie homologique. Suffisamment au moins pour avoir une notion de degré pour les applications continues entre sphères.