Kohomologie

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Kohomologie ist ein mathematisches Konzept, das in vielen Teilbereichen zum Einsatz kommt, ursprünglich in der algebraischen Topologie. Das Wort Kohomologie wird dabei in zwei verschiedenen Bedeutungen verwendet: Einerseits für die Grundkonstruktion der Kohomologie eines beliebigen Kokettenkomplexes, andererseits für die Anwendung dieser Grundkonstruktion auf konkrete Kokettenkomplexe, die man z.B. aus einer Mannigfaltigkeit (De-Rham-Kohomologie), einem topologischen Raum (singuläre Kohomologie), einem Simplizialkomplex (simpliziale Kohomologie) oder einer Gruppe (Gruppenkohomologie) erhält. Ein allgemeines Konstruktionsverfahren für verallgemeinerte Kohomologietheorien benutzt sogenannte Spektren.

Kohomologie eines Kokettenkomplexes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Grundkonstruktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sei ein Kokettenkomplex. Das bedeutet:

  1. für jedes ist eine abelsche Gruppe gegeben (allgemein: ein Objekt einer abelschen Kategorie)
  2. für jedes ist ein Gruppenhomomorphismus gegeben (allgemein: ein Morphismus), genannt Differential oder Korandoperator
  3. für jedes gilt als Abbildung

Daraus kann man die folgenden Gruppen konstruieren:

  • . Elemente von heißen -Kozykeln.
  • . Elemente von heißen -Koränder. Wegen Bedingung 3. ist , jeder Korand ist also ein Kozykel. Zwei Kozykel heißen kohomolog, wenn ihre Differenz ein Korand ist. Kohomolog zu sein, ist eine Äquivalenzrelation.
  • , genannt die -te Kohomologiegruppe von . Ihre Elemente sind Äquivalenzklassen von Kozykeln für die Äquivalenzrelation „kohomolog“. Genau dann gilt , wenn an der Stelle exakt ist. Die Kohomologiegruppe ist also ein Maß für Nichtexaktheit.

An dieser Stelle sind Kohomologie und Homologie noch nahezu synonym: Für einen Kokettenkomplex ist mit , ein Kettenkomplex, und .

Sind und zwei Kokettenkomplexe und eine Kettenabbildung, d.h. gilt für alle , erhält man funktorielle Homomorphismen . Sind zwei Kettenabbildungen homotop, ist .

Die lange exakte Sequenz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sei eine kurze exakte Sequenz von Kokettenkomplexen gegeben:

(die seien der Übersichtlichkeit halber weggelassen). Das bedeutet: und sind Kettenabbildungen, und für jedes ist

exakt. Dann gibt es so genannte Verbindungshomomorphismen , so dass die Sequenz

exakt ist.

kann so konstruiert werden: Sei (Kozykel in ). Weil surjektiv ist, besitzt ein Urbild . Es ist , also ist für ein . Nun ist , aber weil injektiv ist, folgt , also ist ein -Kozykel, und man kann setzen. (Zu einem vollständigen Beweis fehlt noch der Nachweis der Wohldefiniertheit, d.h. dass ein Korand ist, wenn ein Korand ist.) Argumente dieses Typs heißen Diagrammjagd.

Das Schlangenlemma ist ein Spezialfall dieser Konstruktion.

Derivierte Kategorien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In vielen Anwendungen ist kein eindeutig bestimmter Kokettenkomplex vorgegeben, dessen Kohomologie man bilden möchte, sondern man muss oder zumindest kann Wahlen treffen, die sich aber auf das Endergebnis, die Kohomologie, nicht auswirken. Die derivierte Kategorie ist eine Modifikation der Kategorie der Kokettenkomplexe, in der diese verschiedenen Wahlen bereits isomorph sind, so dass der letzte Schritt, das Bilden der Kohomologie, nicht mehr nötig ist, um Eindeutigkeit zu erreichen.

Kohomologietheorien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine typische Kohomologietheorie hat die Form von Gruppen für , wobei ein Raum und im einfachsten Fall eine abelsche Gruppe ist. Weitere häufige Eigenschaften sind:

  • ist kontravariant in und kovariant in
  • Es gibt eine lange exakte Kohomologiesequenz.
  • Es gibt Produkte , so dass zu einem graduierten Ring wird, wenn selbst ein Ring ist.

Zwar hängen viele der Kohomologietheorien miteinander zusammen und liefern in Fällen, in denen mehrere Theorien anwendbar sind, auch häufig ähnliche Resultate, aber es gibt keine allumfassende Definition.

Es folgen noch einige Beispiele.

De-Rham-Kohomologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: De-Rham-Kohomologie

Sei eine glatte Mannigfaltigkeit. Die De-Rham-Kohomologie von ist die Kohomologie des Komplexes

(nach links ergänzt durch Nullen), wobei die globalen Differentialformen vom Grad und die Cartan-Ableitung sind.

Ist eine glatte Abbildung zwischen glatten Mannigfaltigkeiten, vertauscht das Zurückziehen von Differentialformen mit der Cartan-Ableitung, also definiert eine Kettenabbildung, die Homomorphismen induziert.

Das Dachprodukt von Differentialformen induziert eine Produktstruktur auf .

Vektorbündel mit flachem Zusammenhang sind eine geeignete Koeffizientenkategorie für die De-Rham-Kohomologie.

Singuläre Kohomologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Singuläre Kohomologie

Sei ein topologischer Raum und eine abelsche Gruppe. Sei weiter das Standard--Simplex. Die Seitenflächen eines Simplex sind selbst wieder Simplizes, entsprechend den Einbettungen , für . Sei nun die Menge der stetigen Abbildungen in einen topologischen Raum . Durch Verkettung mit bekommt man Abbildungen . Im nächsten Schritt sei die freie abelsche Gruppe auf der Menge , und definiert durch für . Es ist , also ist ein Kettenkomplex, der singuläre Kettenkomplex von . Setzt man schließlich und , , erhält man den singulären Kokettenkomplex von , dessen Kohomologie die singuläre Kohomologie ist.

wird als der Koeffizientenring der Kohomologietheorie bezeichnet.

Als Integrale Kohomologie wird die Kohomologie mit Koeffizienten bezeichnet.

Für eine stetige Abbildung erhält man eine Kettenabbildung , daraus eine Kettenabbildung und somit einen funktoriellen Homomorphismus .

Für einen Teilraum ist ein Unterkomplex von , und mit erhält man eine kurze exakte Sequenz von Kettenkomplexen, die durch Anwendung von eine kurze exakte Sequenz von Kokettenkomplexen ergibt:

Daraus erhält man nach der allgemeinen Konstruktion eine lange exakte Kohomologiesequenz:

Für den Vergleich der Kohomologiegruppen und für verschiedene Koeffizientengruppen kann man das so genannte universelle Koeffiziententheorem benutzen.

Samuel Eilenberg und Norman Steenrod haben eine Liste von einfachen Eigenschaften angegeben, die eine Kohomologietheorie für topologische Räume besitzen sollte, die Eilenberg-Steenrod-Axiome. Es gibt im Wesentlichen nur eine Kohomologietheorie, die die Axiome erfüllt, und singuläre Kohomologie ist eine solche.

Gruppenkohomologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Gruppenkohomologie

Die Gruppenkohomologie hat zwei Argumente: eine Gruppe und einen -Modul . Im Koeffizientenargument ist die Kohomologie kovariant, und es gibt eine lange exakte Kohomologiesequenz. Im Argument ist die Kohomologie in einem geeigneten Sinn kontravariant, z.B. wenn man als Koeffizienten eine feste abelsche Gruppe mit trivialer Operation wählt. Der Zusammenhang zwischen der Kohomologie einer Gruppe und einer Faktorgruppe bzw. eines Normalteilers wird durch die Hochschild-Serre-Spektralsequenz beschrieben.

Kohomologiering[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die direkte Summe wird mit dem Cup-Produkt zu einem gradiert kommutativen Ring, dem sogenannten Kohomologiering des Raumes X.

Nichtabelsche Kohomologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nicht in das Schema der oben angegebenen Grundkonstruktion passen verschiedene Konstruktionen, die eine Kohomologie für nichtabelsche Koeffizienten liefern, aber meistens auf und begrenzt sind, z. B. in der Gruppen- oder Garbenkohomologie. Jean Giraud hat eine Interpretation der nichtabelschen Kohomologie für mit Hilfe von Gerben erarbeitet.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • I. M. Gelfand, Y. Manin: Homological Algebra (= Encyclopaedia of Mathematical Sciences. Volume 138: Algebra. V). 1st edition, 2nd printing. Springer, Berlin u. a. 1999, ISBN 3-540-65378-3.
  • Jean Giraud: Cohomologie non abélienne (= Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften in Einzeldarstellungen mit besonderer Berücksichtigung der Anwendungsgebiete 179). Springer, Berlin u. a. 1971, ISBN 3-540-05307-7.
  • Allen Hatcher: Algebraic Topology. Cambridge University Press, Cambridge u. a. 2002, ISBN 0-521-79540-0.
  • Charles A. Weibel: An introduction to homological algebra (= Cambridge Studies in Advanced Mathematics 38). Cambridge University Press, Cambridge u. a. 2003, ISBN 0-521-55987-1.