Rasyonel homotopi teorisi - Rational homotopy theory

İçinde matematik ve özellikle topoloji, rasyonel homotopi teorisi basitleştirilmiş bir sürümüdür homotopi teorisi için topolojik uzaylar, içinde hepsi burulma içinde homotopi grupları dikkate alınmaz. Tarafından kuruldu Dennis Sullivan  (1977 ) ve Daniel Quillen  (1969 ). Homotopi teorisinin bu basitleştirilmesi, hesaplamaları çok daha kolay hale getirir.

Rasyonel homotopi türleri basitçe bağlantılı alanlar Değişmeli olan Sullivan minimal modelleri olarak adlandırılan belirli cebirsel nesneler (izomorfizm sınıfları) ile tanımlanabilir diferansiyel dereceli cebirler üzerinde rasyonel sayılar belirli koşulları tatmin etmek.

Sullivan ve Micheline Vigué-Poirrier (1976) teoremi geometrik bir uygulama idi: her biri basitçe bağlantılı kapalı Riemann manifoldu X rasyonel kohomoloji halkası bir element tarafından oluşturulmayan sonsuz sayıda geometrik olarak farklı kapalı jeodezik.[1] Kanıt, rasyonel homotopi teorisini kullanarak Betti numaraları of boş döngü alanı nın-nin X sınırsızdır. Teorem daha sonra 1969'daki bir sonucu takip eder Detlef Gromoll ve Wolfgang Meyer.

Rasyonel uzaylar

Bir sürekli harita nın-nin basitçe bağlı topolojik uzaylar denir rasyonel homotopi denkliği eğer bir izomorfizm açık homotopi grupları gergin rasyonel sayılarla . Eşdeğer olarak: f rasyonel bir homotopi eşdeğeridir ancak ve ancak üzerinde bir izomorfizm indüklerse tekil homoloji rasyonel katsayılı gruplar.[2] rasyonel homotopi kategorisi (basitçe bağlantılı alanlardan), yerelleştirme of kategori rasyonel homotopi eşdeğerlerine göre basitçe bağlantılı uzaylar. Rasyonel homotopi teorisinin amacı bu kategoriyi anlamaktır. Yani, tüm rasyonel homotopi eşdeğerlerinin izomorfizm olduğu ilan edilirse, ne kadar bilgi kalır?

Temel sonuçlardan biri, rasyonel homotopi kategorisinin eşdeğer bir tam alt kategori of homotopi kategorisi topolojik uzaylar, rasyonel uzayların alt kategorisi. Tanım olarak, a rasyonel alan basitçe bağlantılı CW kompleksi homotopi grupları olanların tümü vektör uzayları rasyonel sayıların üzerinde. Herhangi bir basit bağlantılı CW kompleksi için rasyonel bir alan var kadar benzersiz homotopi denkliği, bir haritayla bu, rasyonel sayılarla gerilmiş homotopi grupları üzerinde bir izomorfizma neden olur.[3] Boşluk denir rasyonelleştirme nın-nin . Bu, Sullivan'ın inşaatının özel bir durumudur. yerelleştirme belirli bir kümedeki bir alanın asal sayılar.

Homotopi grupları yerine homoloji kullanılarak eşdeğer tanımlar elde edilir. Yani, basitçe bağlantılı bir CW kompleksi rasyonel bir alandır ancak ve ancak homoloji grupları herkes için rasyonel vektör uzaylarıdır .[4] Basitçe bağlantılı bir CW kompleksinin rasyonalizasyonu eşsiz rasyonel alan (homotopi eşdeğerine kadar) bir harita ile rasyonel homoloji üzerinde bir izomorfizma neden olur. Böylece biri var

ve

hepsi için .

Basitçe bağlantılı alanlar için bu sonuçlar, üstelsıfır boşluklar (boşluklar temel grup dır-dir üstelsıfır ve daha yüksek homotopi grupları üzerinde belirsiz bir şekilde hareket eder).

Hesaplanıyor küre homotopi grupları homotopi teorisinde merkezi bir açık problemdir. Ancak akılcı kürelerin homotopi grupları şu şekilde hesaplanmıştır: Jean-Pierre Serre 1951'de:

ve

Bu, tüm rasyonel homotopi kategorisini pratik olarak hesaplanabilir bir şekilde açıklama olasılığını akla getirir. Rasyonel homotopi teorisi bu amacın çoğunu gerçekleştirdi.

Homotopi teorisinde, küreler ve Eilenberg – MacLane boşlukları tüm alanların inşa edilebileceği çok farklı iki temel alan türüdür. Rasyonel homotopi teorisinde, bu iki tür uzay çok daha yakın hale gelir. Özellikle Serre'nin hesaplaması şunu ima eder: Eilenberg – MacLane alanıdır . Daha genel olarak X rasyonel kohomoloji halkası ücretsiz olan herhangi bir alan dereceli-değişmeli cebir (a tensör ürünü bir polinom halkası eşit dereceli jeneratörler ve bir dış cebir tek dereceli jeneratörler üzerinde). Sonra rasyonelleştirme bir ürün Eilenberg – MacLane uzayları. Kohomoloji halkası hakkındaki hipotez, herhangi bir kompakt Lie grubu (veya daha genel olarak herhangi biri döngü alanı ).[5] Örneğin, üniter grup için SU (n),

Kohomoloji halkası ve homotopi Lie cebiri

Bir uzayın iki temel değişmezi vardır X rasyonel homotopi kategorisinde: rasyonel kohomoloji yüzük ve homotopi Lie cebiri . Rasyonel kohomoloji, dereceli-değişmeli bir cebirdir. ve homotopi grupları bir dereceli Lie cebiri aracılığıyla Whitehead ürünü. (Daha doğrusu, yazı döngü uzayı için Xbizde var derecelendirilmiş bir Lie cebiridir . İzomorfizm açısından , bu sadece derecelendirmenin 1'e kayması anlamına gelir.) Örneğin, Serre'nin yukarıdaki teoremi şunu söylüyor: ... Bedava bir derece üreteci üzerinde dereceli Lie cebiri .

Homotopi Lie cebirini düşünmenin başka bir yolu da, döngü uzayının homolojisidir. X ... evrensel zarflama cebiri homotopi Lie cebiri:[6]

Tersine, rasyonel homotopi Lie cebirini döngü uzayının homolojisinden bir alt uzay olarak yeniden yapılandırabiliriz. ilkel öğeler içinde Hopf cebiri .[7]

Teorinin temel bir sonucu, rasyonel homotopi kategorisinin tamamen cebirsel bir şekilde tanımlanabilmesidir; aslında iki farklı cebirsel yolla. İlk olarak Quillen, rasyonel homotopi kategorisinin, bağlantılı homotopi kategorisine eşdeğer olduğunu gösterdi. diferansiyel dereceli Lie cebirleri. (İlişkili dereceli Lie cebiri homotopi Lie cebiridir.) İkinci olarak, Quillen rasyonel homotopi kategorisinin, 1 bağlantılı diferansiyel dereceli ortak değişmeli homotopi kategorisine eşdeğer olduğunu gösterdi. Kömürgebralar.[8] (İlişkili kömür cebiri, rasyonel homolojidir. X bir kömür cürufu olarak; ikili vektör uzayı rasyonel kohomoloji halkasıdır.) Bu eşdeğerlikler Quillen'in teorisinin ilk uygulamaları arasındaydı. model kategorileri.

Özellikle, ikinci açıklama, herhangi bir dereceli-değişmeli -cebir Bir şeklinde

her vektör uzayıyla sonlu boyutta, basitçe bağlantılı bir uzay vardır X rasyonel kohomoloji halkası izomorfik olan Bir. (Bunun aksine, integral veya modda tamamen anlaşılmamış birçok kısıtlama vardır. p asal sayılar için topolojik uzayların kohomoloji halkaları pAynı şekilde, Sullivan herhangi bir dereceli-değişmeli -algebra ile bu tatmin edici Poincaré ikiliği basitçe bağlantılı bazılarının kohomoloji halkası pürüzsüz kapalı manifold, boyut 4 hariça; bu durumda, kesişme eşlemesinin de formda bitmiş .[9]

Rasyonel homotopi kategorisinin iki cebirsel tanımı arasında nasıl geçiş yapılacağı sorulabilir. Kısacası, bir Lie cebiri dereceli-değişmeli bir cebiri şu şekilde belirler: Lie cebiri kohomolojisi, ve bir artırılmış değişmeli cebir, indirgenmiş bir dereceli Lie cebirini belirler André – Quillen kohomolojisi. Daha genel olarak, bu yapıların diferansiyel dereceli cebirler için versiyonları vardır. Değişmeli cebirler ve Lie cebirleri arasındaki bu ikilik, Koszul ikiliği.

Sullivan cebirleri

Her derecedeki rasyonel homolojisi sonlu boyuta sahip uzaylar için Sullivan tüm rasyonel homotopi türlerini daha basit cebirsel nesneler, Sullivan cebirleri açısından sınıflandırdı. Tanım olarak, a Sullivan cebiri rasyonellere göre değişmeli diferansiyel dereceli bir cebirdir , temelindeki cebir serbest değişmeli dereceli cebirdir derecelendirilmiş bir vektör uzayında

diferansiyel üzerinde aşağıdaki "nilpotans koşulunu" karşılayan d: boşluk V artan bir dereceli alt uzay serisinin birleşimidir, , nerede açık ve içinde bulunur . Diferansiyel dereceli cebirler bağlamında Bir"değişmeli", dereceli-değişmeli anlamında kullanılır; yani,

için a içinde ve b içinde .

Sullivan cebirine denir en az eğer görüntüsü d içinde bulunur , nerede pozitif derece alt uzaylarının doğrudan toplamıdır .

Bir Sullivan modeli değişmeli diferansiyel dereceli cebir için Bir Sullivan cebiridir homomorfizm ile bu, kohomoloji üzerinde bir izomorfizma neden olur. Eğer , sonra Bir izomorfizme kadar benzersiz olan minimal bir Sullivan modeline sahiptir. (Uyarı: aynı kohomoloji cebirine sahip minimum bir Sullivan cebiri Bir için minimal bir Sullivan modeli olması gerekmez Bir: kohomolojinin izomorfizminin, diferansiyel dereceli cebirlerin bir homomorfizmi tarafından indüklenmesi de gereklidir. İzomorfik kohomoloji cebirleri ile izomorfik olmayan minimal Sullivan modellerinin örnekleri vardır.)

Topolojik uzayın Sullivan minimal modeli

Herhangi bir topolojik uzay için XSullivan bir değişmeli diferansiyel dereceli cebir tanımladı , cebiri deniyor polinom diferansiyel formlar açık X rasyonel katsayılarla. Bu cebirin bir elemanı, her bir tekil simpleks üzerinde (kabaca) bir polinom formundan oluşur. X, yüz ve dejenerelik haritalarıyla uyumludur. Bu cebir genellikle çok büyüktür (sayılamayan boyut), ancak çok daha küçük bir cebir ile değiştirilebilir. Daha kesin olarak, aynı Sullivan minimum modeline sahip herhangi bir diferansiyel dereceli cebir denir model uzay için X. Ne zaman X basitçe bağlantılıdır, böyle bir model rasyonel homotopi türünü belirler X.

Herhangi bir basit bağlantılı CW kompleksine X Sonlu boyutlu tüm rasyonel homoloji grupları ile, minimal bir Sullivan modeli vardır için özelliği olan ve hepsi sonlu boyuta sahiptir. Buna Sullivan denir minimal model nın-nin X; izomorfizme kadar benzersizdir.[10] Bu, bu tür uzayların rasyonel homotopi türleri ile bu tür cebirler arasında şu özelliklere sahip bir eşdeğerlik verir:

  • Uzayın rasyonel kohomolojisi, Sullivan minimal modelinin kohomolojisidir.
  • Bileşimsizlerin uzayları V uzayın rasyonel homotopi gruplarının ikilileridir X.
  • Rasyonel homotopi üzerindeki Whitehead çarpımı, diferansiyelin "ikinci dereceden bölümünün" ikilisidir. d.
  • İki uzay aynı rasyonel homotopi tipine sahiptir, ancak ve ancak minimal Sullivan cebirleri izomorfik ise.
  • Basitçe bağlantılı bir alan var X olası her Sullivan cebirine karşılık gelen ve hepsi sonlu boyut.

Ne zaman X pürüzsüz bir manifolddur, pürüzsüzün diferansiyel cebiri diferansiyel formlar açık X ( de Rham kompleksi ) neredeyse bir modeldir X; daha doğrusu bir modelin tensör ürünüdür. X gerçeklerle ve bu nedenle gerçek homotopi tipi. Daha ileri gidebilir ve ptamamlanmış homotopi tipi nın-nin X asal sayı için p. Sullivan'ın "aritmetik kare" homotopi teorisindeki birçok sorunu rasyonel ve p-tüm astarlar için tamamlanmış homotopi teorisi p.[11]

Basitçe bağlantılı alanlar için Sullivan minimal modellerinin inşası üstelsıfır alanlara kadar uzanır. Daha genel temel gruplar için işler daha karmaşık hale gelir; örneğin, sonlu bir CW kompleksinin rasyonel homotopi grupları (kama ) sonsuz boyutlu vektör uzayları olabilir.

Biçimsel alanlar

Bir değişmeli diferansiyel dereceli cebir Biryine ile denir resmi Eğer Bir kaybolan diferansiyelli bir modele sahiptir. Bu, kohomoloji cebirinin gerekli olmasına eşdeğerdir. Bir (önemsiz diferansiyeli olan bir diferansiyel cebir olarak görülür) için bir modeldir Bir (olması gerekmese de en az modeli). Böylece, biçimsel bir uzayın rasyonel homotopi tipi tamamen kohomoloji halkası tarafından belirlenir.

Biçimsel alanların örnekleri arasında küreler, H boşlukları, simetrik uzaylar ve kompakt Kähler manifoldları.[12] Resmiyet ürünler altında korunur ve kama meblağları. Manifoldlar için formalite şu şekilde korunur: bağlantılı meblağlar.

Öte yandan, kapalı nilmanifolds neredeyse hiçbir zaman resmi değildir: eğer M resmi bir nilmanifold ise M olmalı simit bazı boyutlarda.[13] Biçimsel olmayan bir sıfırmanifoldun en basit örneği Heisenberg manifoldubölümü Heisenberg grubu integral katsayılı matrislerin alt grubuna göre köşegen üzerinde 1 olan gerçek 3 × 3 üst üçgen matrislerin. Kapalı semplektik manifoldlar resmi olması gerekmez: en basit örnek Kodaira – Thurston manifoldudur (Heisenberg manifoldunun çemberli ürünü). Biçimsel olmayan, basitçe bağlantılı semplektik kapalı manifold örnekleri de vardır.[14]

Resmiyetsizlik genellikle şu kişiler tarafından tespit edilebilir: Massey ürünleri. Gerçekten, eğer bir diferansiyel dereceli cebir Bir resmidir, bu durumda tüm (yüksek mertebeden) Massey ürünleri ortadan kalkmalıdır. Bunun tersi doğru değil: resmiyet, kabaca konuşursak, tüm Massey ürünlerinin "tek tip" olarak yok olması anlamına gelir. Tamamlayıcısı Borromean yüzükler resmi olmayan bir alandır: önemsiz bir üçlü Massey ürününü destekler.

Örnekler

  • Eğer X garip boyutlu bir küredir minimal Sullivan modelinde bir jeneratör var a derece ile ve 1 öğelerinin temeli, a.
  • Eğer X eşit boyutlu bir küredir , minimal Sullivan modelinde iki jeneratör var a ve b derece ve , ile , ve temel unsurlar , , , okun eylemini gösterdiği yerde d.
  • Eğer X ... karmaşık projektif uzay ile , minimal Sullivan modelinde iki jeneratör var sen ve x derece 2 ve , ile ve . Temel unsurlara sahiptir , , .
  • Farz et ki V 4 elemente sahiptir a, b, x, y 2, 3, 3 ve 4 derece diferansiyeller ile , , , . O halde bu cebir, formal olmayan minimal bir Sullivan cebiridir. Kohomoloji cebirinin sadece 2, 3, 6 boyutlarında önemsiz olmayan bileşenleri vardır. a, b, ve . Herhangi bir homomorfizm V kohomolojisine göre cebir haritalayacaktır y 0'a ve x birden fazla b; bu yüzden harita olurdu 0'a kadar V kohomoloji cebiri için bir model olamaz. Karşılık gelen topolojik uzaylar, izomorfik rasyonel kohomoloji halkalarına, ancak farklı rasyonel homotopi tiplerine sahip iki uzaydır. Dikkat edin Massey ürününde .

Eliptik ve hiperbolik uzaylar

Rasyonel homotopi teorisi, sonlu CW kompleksleri arasında beklenmedik bir ikilemi ortaya çıkardı: ya rasyonel homotopi grupları yeterince yüksek derecelerde sıfırdır ya da büyürler. üssel olarak. Yani X basitçe bağlantılı bir alan olun ki sonlu boyutlu -vektör uzayı (örneğin, sonlu bir CW kompleksi bu özelliğe sahiptir). Tanımlamak X olmak rasyonel eliptik Eğer aynı zamanda sonlu boyutlu -vektör alanı vb. rasyonel olarak hiperbolik. Sonra Félix ve Halperin gösterdi: eğer X rasyonel olarak hiperbolik, o zaman gerçek bir sayı var ve bir tam sayı N öyle ki

hepsi için .[15]

Örneğin, küreler, karmaşık projektif uzaylar ve homojen uzaylar kompakt Lie grupları için eliptiktir. Öte yandan, "çoğu" sonlu kompleks hiperboliktir. Örneğin:

  • Eliptik bir uzayın rasyonel kohomoloji halkası, Poincaré dualitesini tatmin eder.[16]
  • Eğer X sıfırdan farklı rasyonel kohomoloji grubunun derece olduğu eliptik bir uzaydır. n, sonra her Betti numarası en çok binom katsayısı (eşitlikle nboyutlu simit).[17]
  • Euler karakteristiği eliptik bir alanın X olumsuz değildir. Euler karakteristiği pozitifse, tüm tek Betti sayıları sıfırdır ve rasyonel kohomoloji halkası X bir tam kavşak halkası.[18]

Eliptik bir uzayın rasyonel kohomoloji halkası üzerinde birçok başka kısıtlama vardır.[19]

Bott varsayımı negatif olmayan her basitçe bağlı kapalı Riemann manifoldunun kesit eğriliği rasyonel olarak eliptik olmalıdır. Bu tür manifoldların tüm bilinen örnekleri için geçerli olmasına rağmen, varsayım hakkında çok az şey bilinmektedir.[20]

Halperin varsayımı rasyonel olduğunu iddia ediyor Serre spektral dizisi Rasyonel olarak sıfır olmayan Euler karakteristiğine sahip eliptik fiber ile basit bağlantılı boşlukların bir fiber dizisi ikinci sayfada kaybolur.

Basitçe bağlantılı sonlu bir kompleks X rasyonel olarak eliptiktir ancak ve ancak döngü uzayının rasyonel homolojisi en çok polinomik olarak büyür. Daha genel olarak, X denir bütünsel olarak eliptik eğer mod p homolojisi her asal sayı için en fazla polinomik olarak büyür p. Negatif olmayan kesitsel eğriliğe sahip bilinen tüm Riemann manifoldları aslında bütünsel olarak eliptiktir.[21]

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Félix, Oprea & Tanré (2008), Teorem 5.13.
  2. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Teorem 8.6.
  3. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Teorem 9.7.
  4. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Teorem 9.3.
  5. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Önerinin Sonuç 16.7.
  6. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Teorem 21.5 (i).
  7. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Teorem 21.5 (iii).
  8. ^ Quillen (1969), Sonuç II.6.2.
  9. ^ Sullivan (1977), Teorem 13.2.
  10. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Önerme 12.10.
  11. ^ May & Ponto (2012), bölüm 13.1.
  12. ^ Félix, Oprea & Tanré (2008), Teorem 4.43.
  13. ^ Félix, Oprea & Tanré (2008), Remark 3.21.
  14. ^ Félix, Oprea & Tanré (2008), Teorem 8.29.
  15. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Teorem 33.2.
  16. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Önerme 38.3.
  17. ^ Pavlov (2002), Teorem 1.
  18. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), Önerme 32.10.
  19. ^ Félix, Halperin & Thomas (2001), bölüm 32.
  20. ^ Félix, Oprea & Tanré (2008), Varsayım 6.43.
  21. ^ Félix, Halperin & Thomas (1993), bölüm 3.

Referanslar