italian journal of pure and applied mathematics – n. 302013 (714) 7
COCAT´
EGORIE ET NILPOTENCE
Mohammed El Haouari
Universit´e des Sciences et Technologies de Lille
U.F.R. de Math´ematiques Pures et Appliq´ees
F-59655 Villeneuve d’Ascq Cedex
France
email: [email protected]le1.fr
Abstract. The Lusternik-Schnirelmann category of a topological space X, denoted
catX, is the least integer nsuch that Xcan be covered by n+ 1 open sets, each of
them contractible in X. This is a homotopical invariant. We give dualisation of this
invariant in the sense of Eckmann-Hilton and we show that the nilpotent class of the
space [G, X] is a lower bound.
R´esum´e. La cat´egorie de Lusternik-Schnirelmann d’un espace X, not´ee catX, est le
plus petit entier naturel ntel que Xsoit recouvert par n+ 1 ouverts contractiles dans
X. C’est un invariant topologique. Des d´efinitions ´equivalentes ont ´et´e donn´ees dans
la litt´erature, en particulier au sens de Whitehead et de Ganea. De mˆeme plusieurs
r´esultats donnent le lien entre la cat´egorie de Lusternik-Schnirelmann et d’autres inva-
riants topologiques: Invariant de Toomer, nilpotence de la cohomologie. Nous donnons
une dualisation de cet invariant au sens d’Eckmann-Hilton et nous le minorons par la
classe de nilpotence de l’espace [G, X] des classes d’homotopies d’applications continues
de Gdan X.
Mots cl´es: L.S.cat´egorie, co-H-espace.
Mathematical Subject Classification: 55P30, 55P50.
1. Introduction
Dans cet article, nous nous int´eressons `a des invariants de type d’homotopie: L.S.
catt´egorie et L.S. cocat´egorie des espaces topologiques simplement connexes. Rap-
pelons que la L.S.cat´egorie de Lusternik-Schnirelmann d’un espace X, not´ee catX,
est le plus petit entier naturel ntel que Xsoit recouvert par n+1 ouverts contrac-
tiles dans X. T. Ganea et G.W. Whitehead ont donn´e d’autres descriptions de
cet invariant en termes de sections de fibrations gn:Gn(X)Xappel´ees fibra-
tions de Ganea et rel`evements de la diagonale ∆ : XXn+1 via des applications
Tn+1 Xn+1 o`u Tnest le ni`eme bouquet garni de X.
8mohammed el haouari
Une dualisation des deux approches Ganea et Whitehead donnent naissance
`a deux invariants topologiques: les cocat´egories de Ganea et Whitehead. L’´egalit´e
entre ces deux invariants n’est pas ´etablie et reste un probl`eme ouvert. Ce qui
rend l’´etude de ces invariants difficiles.
Notre contribution consiste `a ´etablir une liaison entre les cocat´egories de
Ganea et Whitehead et la classe de nilpotence de l’espace [G, X] des classes
d’homotopies d’applications continues de Gdans X.
Dans la suite nous donnons les d´efinitions des cocat´egories au sens de Ganea
et Whitehead, et nous d´emontrons les deux th´eor`emes suivants:
Th´eor`eme 4 Soit Xun espace 1-connexe et Gun co-H-espace. Si la cocat´egorie
de Whitehead cocatWXnalors l’espace [G, X]des classes d’homotopie d’appli-
cations continues de Gdans Xest nilpotent de classe n.
Th´eor`eme 7 Soit Xun espace 1-connexe et Gun co-H-espace. Si la cocat´egorie
de Ganea cocatGXnalors l’espace [G, X]des classes d’homotopie d’applications
continues de Gdans Xest nilpotent de classe n.
1) La Cocat´egorie cocatW
Soit Xun espace topologique 1-connexe. D’abord on d´efinit, par r´ecurrence, des
espaces WnX, n 0 et des applications continues wn(X) :
n+1
XWnX:
w0(X) : XW0X=est l’application triviale et wn(X) :
n+1
XWnX
est le cojoint des applications ´evidentes
n+1
X(
n
X)X
n
Xet
n+1
X(
n
X)XWn1XX(cette construction est fonctorielle).
Rappelons que le cojoint de 2 applications ABet ACest le produit
fibr´e homotopique (homotopy pullback) de BSet CS, o`u Sest la somme
amalgam´ee homotopique (homotopy pushout) de ABet AC.
D´efinition 1 cocatWXnsi et seulement si l’application :
n+1
XXse
factorise, `a homotopie pr´es, `a travers wn(X) :
n+1
XWnX, c’est `a dire il existe
une application continue f:WnXXtelle que le diagramme suivant:
n+1 X
wn(X)
n+1 //X
WnX
f
==
soit homotopiquement commutatif.
cocat´
egorie et nilpotence 9
2) La Cocat´egorie cocatG
Soit Xun espace topologique 1-connexe. On d´efinit d’abord par r´ecurrence, pour
tout n0, des espaces G
nXet des applications continues gn(X) : XG
nX:
g0(X) : XG
0X=est l’application triviale et gn(X) : XG
nXpar le
cojoint de gn1(X) : XG
n1Xet g0(X) : X→ ∗.
Les cofibrations de Ganea sont: XG
nXCn(X) o`u Cn(X) est la cofibre
de gn(X) : XG
nX.
Notons que G
nXest la fibre homotopique de G
n1XCn1(X)
D´efinition 2 cocatGXnsi et seulement si l’application gn:XG
nXadmet
une r´etraction rn.
Proposition 3
1) Il existe un diagramme:
n+1
X
n+1
wn(X)//WnX
Xgn(X)//G
n(X)
qui commute `a homotopie pr`es.
2) cocatWXcocatGX
Preuve.
1) C’est une dualisation imm´ediate du Th´eor`eme 5.5 dans [3].
2) L’in´egalit´e suit `a partir des d´efinitions.
Th´eor`eme 4 Soit Xun espace 1-connexe et Gun co-H-groupe. Si cocatWXn
alors l’espace [G, X]des classes d’homotopie d’applications continues de Gdans
Xest nilpotent de classe n.
a) D´efinition du commutateur [,]#:GGG:
Posons µ:GGGla loi du co-H-groupe G, j:GGl’inverse et
pk:GGG, k = 1,2 les restrictions des projections pkde G×Gsur G.
Posons G:GGGl’application qui envoie (x, ) et (, x) sur x.
On a p1µp2µ1Get les applications G(j1G)µet G(1Gj)µ
sont homotopiquement triviales.
On d´efinit alors [,]#par la compos´ee GG(µT µj)µ, o`u T:GG
GGest la restriction de l’application de transposition T:G×GG×G
d´efinie par T(x, y) = (y, x).
10 mohammed el haouari
Lemme 5 Si kest l’inclusion de GGdans G×Galors k[,]#est homotopique-
ment triviale.
Preuve. D’apr`es la propri´et´e universelle du produit fibr´e homotopique, il suffit
de montrer que pk[,]#est triviale pour k= 1,2.
Il est facile de voir que
pkGG(fg) = G(pkfpkg),f, g :GGG.
Ainsi:
pk[,]#=pkGG(µT µj)µ=G(pkµpkT µj)µ=G(1Gj)µ˜e,
o`u ˜eest l’application triviale.
b) D´efinition des Φn:G
n
G:
On d´efinit Φn:G
n
Gpar induction,
Φ1=idG, Φ2= [,]#et Φn+1 = (1GΦn)Φ2.
Proposition 6 Soit wn(G) :
n+1
GWnG. On a wn(G)Φn+1 ≃ ∗.
Preuve. Par r´ecurrence:
Le cas n= 0 est trivial.
Le cas n= 1 est donn´e par le Lemme 5.
Supposons wn1(G)Φn≃ ∗ par une homotopie H.
On peut supposer que wn1(G) :
n
GWn1Gune fibration et de l`a
il existe une application continue Ψ:G×I
n
Gtelle Ψ(., 0) = Φnet
wn1Ψ(., 1) = H(., 1) =
Soit alors Ψ : (GG)×IG
n
Gpar
Ψ((x, ), t) = (x, ) et Ψ((, x), t) = (,Ψ(x, t)).
On a alors Ψ0= 1 Φnet posons F= Ψ1.
On a: xG:F(x, ) = (x, ) et F(, x) = (,Ψ(x, 1)) = (,Ψ
1(x)).
En consid´erant le produit fibr´e homotopique:
WnG//
pfh
n
G
wn1(G)
GWn1G1G//Wn1G
cocat´
egorie et nilpotence 11
Les applications (,Ψ
1) : G×G
n
Get (1,) : G×GGWn1G
induisent une application ˜
Ψn:G×GWnGtelle que le diagramme suivant
n
G
wn1
&&
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
G×G
(,Ψ
1)
44
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
(1,)**
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
Ve
Ψn//WnG
&&
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
99
s
s
s
s
s
s
s
s
s
s
sh.p.b. Wn1G
GWn1G
1G
77
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
commute `a homotopie pr`es.
De mˆeme, les restrictions de (,Ψ
1) et (1,) `a GGeterminent l’ applica-
tion wnF:GGWnGtelle que le diagramme suivant
n
G
wn1
%%
K
K
K
K
K
K
K
K
K
K
K
GG
(,Ψ
1)
55
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
j
(1,)**
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
wnF//WnG
&&
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
::
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
th.p.b. Wn1
GWn1
1G
77
p
p
p
p
p
p
p
p
p
p
p
commute `a homotopie pr`es.
Ainsi par unicit´e, wnFse factorise `a travers ˜
Ψnvia l’inclusion
k:GGG×G.
D’o`u
wnΦn+1 wn(1GΦn)Φ2wnFΦ2˜
ΨnkΦ2≃ ∗
(d’apr´es le Lemme 5).
D´emonstration du th´eor`eme. Soit Γ = [G, X].
On pose Z1(Γ) = Γ et Zi+1(Γ) = [Γ, Zi(Γ)] pour i1.
Γ est nilpotent si et seulement s’il existe c1 tel que Zc+1(Γ) = 0.
On pose, par induction, pour tout {fi}idans Γ:
[f1, f2, ..., fq+1] = [f1[f2[...fq+1]]].
On a: Γ est nilpotent de classe nsi et seulement si tous les commutateurs
[f1, f2, ..., fn+1] sont nuls.
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