单连通

单连通是拓扑学中拓扑空间的一种性质。直观地说，单连通空间中所有闭曲线都能连续地收缩至一点。此性质可以由空间的基本群刻划。拓扑空间的基本群是一个空间是否为单连通的标志：当且仅当空间的基本群是平凡群时，道路连通的拓扑空间是单连通的。

定义

这个集合不是单连通的，因为任何一个包含“洞”的闭曲线都不能收缩至一点

考虑道路连通的拓扑空间X。若拓扑空间X 中的任意闭曲线皆同伦等价于一个点，则称该空间为单连通的。 换言之， 拓扑空间X 是单连通的充要条件为：对任意连续映射

$\gamma :\mathrm {S} ^{1}\to X$

在拓扑空间X 中，存在一点x 及同伦等价

$h:[0,1]\times \mathrm {S} ^{1}\to X$

使得

$\forall t\in S^{1},\;h(0,t)=\gamma (t)$

$\forall t\in S^{1},\;h(1,t)=x$

另一种等价的定义是：当且仅当拓扑空间X 道路连通，并对任意的、同起点的（即 p(0) = q(0) 且 p(1) = q(1)）两条路径 p : [0,1] → X 和 q : [0,1] → X， 存在一个同伦

$F:[0,1]\times [0,1]\rightarrow X$，

使得

$F(x,0)=p(x)$

$F(x,1)=q(x)$

此时拓扑空间X 是单连通的。

一个拓扑空间X ，当且仅当拓扑空间X 道路连通，且其基本群仅由单位元素构成时，它是单连通的。 类似的，当且仅当对拓扑空间X 中的任意点 (x,y),在X 的基本群中，态射 $\operatorname {Hom} _{\Pi (X)}(x,y)$ 的集合只有一个元素时，拓扑空间X 是单连通的。

若拓扑空间X 可写成单连通开子集之并，则称之为局部单连通。微分拓扑学所论的空间（例如流形）通常不在此类。

在复分析中，当且仅当复数域 C 中的开集X 和它的补集在黎曼球面上连通时，X 才是单连通的。 虚部严格大于 0 小于 1 的复数集合，提供了一个有趣的例子：一个无界的、连通的、补集不连通平面的开子集。然而这个集合是单连通的。

讨论

粗略的说，如果空间中的某个物体仅由一小块构成，并且没有任何的“洞”穿过它，则这个物体是单连通的。举个例子：甜甜圈和（带手柄的）咖啡杯均不是单连通的；而一个空心橡胶球是单连通的。 在二维的情况下，圆不是单连通的；而（实心）碟片和直线是单连通的。 连通但不是单连通的空间称为非单连通或多重连通的。

球面是单连通的，因为可以将球面上的任意一条闭曲线，沿球面收缩到一点。

这样的定义只排除了类手柄形状的洞。一个球体或空心的球体是单连通的，因为其表面上的任何闭曲线都能连续地收缩到一点，即使球的中心有一个“孔”。 在更强一些的条件下，如果一个物体在任何维度上都没有洞，则称其为可缩空间。

例子

环面不是单连通的。右图中，任意一条彩色闭曲线，都不能在不离开环面的情况下收缩到一点。

• 单位圆盘 $D^{n}:=\{{\vec {x}}\in \mathbb {R} ^{n}:\|x\|\leq 1\}$ 均为单连通
• 虽然实数集 R 自身是单连通的，但实数集 R 的单点紧化不是单连通的。
• 二维欧氏空间 R² 是单连通的，但 R² 除去原点 (0,0) 之后得到的 R²\{0} 非单连通。事实上，它同伦等价于 $S^{1}$。

当 n > 2时，Rⁿ 和 Rⁿ\{0} 均是单连通的。

• n 维欧氏空间 Rⁿ 的每个凸子集都是单连通的。
• 二维以上球面 $S^{n}:=\{{\vec {x}}\in \mathbb {R} ^{n+1}:\|x\|=1\},n\geq 2$ 均为单连通。

然而 $S^{1}$ 并非单连通：$\pi _{1}(S^{1},*)=\mathbb {Z}$。

• 每个拓扑向量空间均是单连通的。包括：巴拿赫空间和希尔伯特空间。
• 环面、圆柱体、莫比乌斯带、射影平面和克莱因瓶均不是单连通的。
• 当n 大于 2 时，特殊正交群 SO(n ,R) 都不是单连通的，而特殊酉群 SU(n ) 都是单连通的。
• 长直线L 是单连通的。它的紧化扩展L* 虽然是道路连通的，但不是单连通的。

性质

• 当且仅当一个表面（二维拓扑流形）是连通的，且它的亏格为 0 时，它才是单连通的。
• 任何（适宜）空间X 的通用覆盖都是单连通空间，它通过覆叠映射映射到X。
• 若X 和Y 是同伦等价的，且X 是单连通的，那么Y 也是单连通的。
• 单连通集合的图像经连续函数变换后不一定是单连通的。举个例子：复数平面经指数映射后得到 C\{0}，它不是单连通的。
• 在单连通流形上，一次微分形式 ω 正合的充要条件是 dω=0 。

应用

单连通性的概念在复分析中十分重要：

• 柯西积分定理保证：对一个复平面 C 的单连通开集U，若有全纯函数 f : U → C，全纯函数f 在集合U 上有不定积分F。则在集合U 上，被积函数f 的每一个线积分的值，只取决于积分路径的两个端点u 和v，积分值能表示为 F (v) - F (u)。因此，积分值不依赖于连接 u 和 v 的特定路径。
• 黎曼映射定理保证：除复数域 C 自身外，任何非空的、单连通的复数域 C 的开子集共形等价于单位圆盘。

单连通性的概念也是庞加莱猜想的一个重要条件。

参见

• 单位连通空间
• 基本群
• 道路连通
• n-连通
• 同伦
• 形变收缩

参考文献

• Spanier, Edwin. Algebraic Topology. Springer. December 1994. ISBN 0-387-94426-5 （英语）. 
• Conway, John. Functions of One Complex Variable I. Springer. 1986. ISBN 0-387-90328-3 （英语）. 
• Bourbaki, Nicolas. Lie Groups and Lie Algebras. Springer. 2005. ISBN 3-540-43405-4 （英语）. 
• Gamelin, Theodore. Complex Analysis. Springer. January 2001. ISBN 0-387-95069-9 （英语）. 
• Joshi, Kapli. Introduction to General Topology. New Age Publishers. August 1983. ISBN 0-85226-444-5 （英语）.