数学上,庞加莱对偶定理是流形的同调及上同调群的结构的基本定理,以昂利·庞加莱命名。这定理说若是维有向闭流形(即紧致且无边界),则的第阶上同调群同构于的第( − )阶同调群。对所有整数
庞加莱对偶定理于任何系数环都成立,只需在流形上相对于系数环而取定向。特别是由于流形于模2都有唯一定向,故于模2时庞加莱对偶定理不需假设定向就成立。
庞加莱对偶定理的一个形式最初由庞加莱于1893年提出,没有证明。当时他用贝蒂数来表达:一个维可定向闭流形的第个和第( − )个贝蒂数相等。其时未有上同调的概念,须待四十年后才得以厘清。庞加莱在1895年的论文《Analysis Situs》中尝试用他创造的拓扑相交理论去证明定理。波尔·赫高对这篇论文的批评,令庞加莱发现他的证明有重大错误。庞加莱在论文的附录首两篇中,用对偶三角剖份给出新证明。
直至1930年代上同调概念出现,庞加莱对偶定理的现代形式才出现。爱德华·切赫和哈斯勒·惠特尼发明了杯积和笠积,用这些新概念表达庞加莱对偶定理。
庞加莱对偶定理的现在形式是以同调和上同调给出:若是闭有向-流形,是整数,则有从第阶上同调群()到第( − )阶同调群 − ()的典范同构。(此处的同调和上同调取整数环为系数,但这个同构对任何系数环都成立。)更确切而言,这个同构将()的元素,映射到这个元素与的一个基本类的杯积,而有向流形都存在基本类。
对非紧致有向流形,需把上同调用紧支上同调代替。
负数阶的同调和上同调群定义为零,所以庞加莱对偶性推导出闭有向-流形大于阶的同调和上同调群是零。