Spektralsequenz

Eine Spektralsequenz[1][2] oder Spektralfolge[3] ist ein Grenzwertprozess zur Berechnung von Homologiegruppen im mathematischen Teilgebiet der homologischen Algebra. Nach J. F. Adams sind Spektralsequenzen wie exakte Sequenzen, nur komplizierter. Wie für exakte Sequenzen gelte auch für Spektralsequenzen: sie bieten keine Erfolgsgarantie, sind aber trotzdem in den Händen der Fachleute häufig ein effektives Werkzeug.[4]

Die Grundidee g​eht auf e​ine 1946 v​on Leray veröffentlichte Forschungsankündigung z​ur kohomologischen Untersuchung e​iner Garbe zurück. Bereits 1947 h​atte Koszul – m​it Hilfe e​ines Hinweises v​on Cartan – d​as Spektralsequenz-Kalkül i​n der heutigen Form abstrahiert, s​o dass a​uch Leray i​n der vollständigen Version seiner Arbeit Koszuls Formalismus verwendete.[5]

Formale Definition

Definition

Es sei eine abelsche Kategorie, beispielsweise die Kategorie der Moduln über einem Ring, und es sei eine nicht-negative ganze Zahl. Eine kohomologische Spektralsequenz ist eine Sequenz von Objekten mit Endomorphismen , sodass für jedes gilt:

  1. ,
  2. die Homologie von bezüglich

Die Isomorphismen werden oft weggelassen und man schreibt Ein Objekt wird auch als die r-te Seite oder der r-te Term bezeichnet, ein Endomorphismus wird Randoperator oder Differential genannt.

Bigraduierte Spektralsequenz

In der 'Realität' treten Spektralsequenzen meist in der Kategorie der bigraduierten Moduln über einem Ring R auf, das heißt jede Seite ist ein bigraduierter R-Modul In diesem Fall ist eine kohomologische Spektralsequenz also eine Sequenz von bigraduierten R-Moduln und für jeden Modul die direkte Summe von Endomorphismen vom Bigrad , sodass für jedes gilt:

  1. ,
  2. .

Die hier verwendete Notation heißt Komplementärgrad. Manche Autoren schreiben stattdessen , wobei der totale Grad ist. In der nicht-graduierten Situation ist irrelevant, im bigraduierten Fall ist meist null, eins oder zwei.

Homologische Spektralsequenz

Meist sind die Objekte Kettenkomplexe, die mit absteigender (wie oben) oder aufsteigender Indizierung auftreten können. Im zweiten Fall erhält man, indem man durch und durch (Bigrad (-r,r-1)) ersetzt, analog die Definition einer homologische Spektralsequenz.

Spektralsequenz eines Kettenkomplexes

Das grundlegendste Beispiel (im nicht-graduierten Fall) ist die abelsche Kategorie der Kettenkomplexe. Ein Objekt hat ein natürliches Differential, den Randoperator . Für ist die 0-te Seite der Komplex selbst. Um das zweite Axiom der Definition zu erfüllen muss das nächste Objekt die Homologie des Kettenkomplexes sein, . Da das einzige natürliche Differential auf diesem Komplex die Nullabbildung ist, ist erneut die Homologie des Komplexes usw., das heißt für alle und die Sequenz stabilisiert auf der ersten Seite. Um mehr Informationen aus einer Spektralsequenz zu bekommen, benötigen wir mehr Struktur auf den Objekten.

Visualisierung

Die Definition der Spektralsequenz ist sehr abstrakt, wir wollen die bigraduierte Situation visualisieren. Man kann sich das Objekt als die r-te Seite eines karierten Buches vorstellen, an jedem Gitterpunkt ist ein Objekt Zwischen einigen Objekten gibt es Verbindungslinien, die Differentiale. Auf die (r+1)-te Seite umzublättern bedeutet, Homologie zu bilden. Das heißt, die (r+1)-te Seite ist ein Subquotient der r-ten Seite. Die Differentiale ändern ihre Richtung bei jedem Umblättern.

Vier Seiten einer kohomologischen Sequenz

Die r​oten Pfeile demonstrieren e​ine sogenannte Erster-Quadrant-Spektralsequenz, b​ei der n​ur die Objekte i​m ersten Quadranten nicht-null sind. Der Bild- o​der der Urbildbereich a​ller Differentiale w​ird mit wachsendem r z​um Nullobjekt, s​iehe Beispiel unten.

Eigenschaften

Kategorische Eigenschaften

Die kohomologischen Spektralsequenzen bilden eine Kategorie. Ein Morphismus ist hierbei eine Familie von Abbildungen , die mit den Differentialen und den Isomorphismen aus der Definition vertauschen: und . Im bigraduierten Fall sollen die Abbildungen außerdem die Graduierung respektieren:

Multiplikative Struktur

Die Kohomologiegruppe wird mit dem Cup-Produkt zu einem Ring. Wir wollen daher auch auf der Spektralsequenz eine multiplikative Struktur definieren. Eine Spektralsequenz heißt multiplikativ oder Spektralring, falls gilt: (i) jede Seite ist eine bigraduierte Algebra, wobei die Differentiale Antiderivationen von Grad 1 sind, d. h. (ii) die Multiplikation auf ist durch diejenige auf induziert.

Konvergenz

Zykel und Ränder

Es sei eine Spektralsequenz gegeben. Da sie aus Subquotienten besteht, induziert sie eine Sequenz von Subobjekten mit , gegeben durch die folgende induktive Relation: setze , Sind und schon definiert, dann seien and die eindeutig bestimmten Objekte mit der Eigenschaft, dass und . Wir setzen und definieren den Grenzterm der Spektralsequenz als (falls er in der betrachteten Kategorie definiert ist).

Konvergenz

Eine Spektralsequenz konvergiert schwach, falls es ein graduiertes Objekt gibt mit einer Filtrierung für jedes , und für jedes einen Isomorphismus ; in Symbolen:

.

Wir sagen, sie konvergiert gegen , falls die Filterung Hausdorff ist, das heißt . In der Praxis bezieht man sich auf den wichtigsten Term der Sequenz, welcher meist der erste oder der zweite ist, und schreibt oder .

Weitere Konvergenzbegriffe

Im englischsprachigen Raum liest man die Wendung "a spectral sequence abuts", falls für jedes Tupel ein existiert, sodass für alle gilt . Die Seite ist wieder der Grenzterm. Die Spektralsequenz ist regulär oder degeneriert bei , wenn verschwindet für alle . Man sagt die Spektralsequenz kollabiert, falls insbesondere ein existiert, sodass die -te Seite auf eine Spalte oder eine Zeile konzentriert ist.

Allgemeine Konstruktionsmethoden

Es g​ibt viele Methoden, Spektralsequenzen z​u konstruieren. Die folgenden s​ind die d​rei wichtigsten:

  • Die Spektralsequenz eines exakten Paares[6] (Konstruktion von William Massey);
  • Die Spektralsequenz eines filtrierten Kettenkomplexes;
  • Die Spektralsequenz eines Doppelkomplexes.

Der Doppelkomplex-Zugang i​st lediglich e​in besonders wichtiger Spezialfall d​es Filtrierten-Kettenkomplex-Zugangs, u​nd jeder filtrierte Kettenkomplex induziert a​uf natürliche Weise e​in exaktes Paar. Alle bekannten Spektralsequenzen können mithilfe d​er ersten Methode konstruiert werden.

Exaktes Paar

Darstellung eines exakten Paares

Wir beginnen wieder mit einer abelschen Kategorie, wie zuvor meist die Kategorie der bigraduierten Moduln über einem Ring. Ein exaktes Paar ist ein Paar von Objekten , zusammen mit drei Homomorphismen , und , welche die folgenden Exaktheit-Eigenschaften erfüllen:

  • Bild = Kern ,
  • Bild = Kern ,
  • Bild = Kern .

Man schreibt kurz . wird der erste Term der Spektralsequenz sein. Für die zweite Seite bilden wir das abgeleitete Paar:

  • die induzierte Abbildung
  • ist folgendermaßen definiert: jedes kann geschrieben werden als für ein . Setze als das Bild von in .

Es kann leicht nachgerechnet werden, dass das abgeleitete Paar wiederum ein exaktes Paar ist[7].

Setze also und . Die Sequenz ist eine Spektralsequenz.

Anwendung

  • Serre-Spektralsequenz – (Ko-)Homologie einer Faserung
  • Atiyah–Hirzebruch-Spektralsequenz – Kohomologie von außergewöhnlicher Kohomologietheorien, z. B. K-Theorie
  • Bockstein-Spektralsequenz.
  • Spektralsequenz eines filtrierten Kettenkomplexes

Filtrierter Kettenkomplex

Eine weitere wichtige Konstruktion i​st die Spektralsequenz für e​inen filtrierten (Ko-)Kettenkomplex, d​a ein solcher a​uf natürliche Weise e​in bigraduiertes Objekt induziert. Die Idee ist, d​ie Kohomologie d​es filtrierten Komplexes mithilfe d​er Kohomologien d​er Objekte d​er Filtrierung z​u berechnen.

Sei ein Kokettenkomplex, von Grad 1, mit einer absteigenden Filtrierung , wobei das Differential mit der Filtrierung kompatibel sei, d. h. , und zudem sei die Filtrierung erschöpfend und Hausdorff. Dann gibt es eine Spektralsequenz mit und . Ist die Filtrierung auf zudem nach oben und unten beschränkt für jedes i, dann gilt [8][9], d. h. die Spektralsequenz "abuts" (siehe Konvergenzbegriffe) gegen den p-ten graduierten Teil der ten Kohomologie.

Konstruktion

Um für d​ie 0-te Seite d​er Spektralsequenz e​in bigraduiertes Objekt z​u konstruieren, betrachten w​ir das assoziierte graduierte Objekt:

mit

wobei ein natürliches bigraduiertes Differential auf induziert[10]. Für die nächste Seite nehmen wir nun die Homologie von bezüglich :

Die Filtrierung a​uf dem Kettenkomplex induziert e​ine Filtrierung a​uf der Homologie u​nd wir können d​ie assoziierte graduierte Kohomologie definieren:

mit

Hat nun die Filtrierung nur Länge 1, dann ist (also die Homologie des assoziierten graduierten Objektes) isomorph zur assoziierten graduierten Kohomologie [11]. Im Allgemeinen machen wir dabei aber einen Fehler, da das Differential Elemente in der Filtrierung nach oben schiebt. Wir fahren daher mit der Approximation fort und definieren:

Beachte, dass auch und auf diese Weise geschrieben werden können. Das Differential auf der r-ten Seite ist dabei jeweils durch das ursprüngliche Differential induziert. Es kann nun nachgerechnet werden, dass die entsprechende Homologie isomorph zu ist[12], das heißt ist eine Spektralsequenz.

Anwendung

  • Konstruktion von gemischten Hodge Strukturen
  • Hodge-de Rham-Spektralsequenz
  • Spektralsequenz eines Doppelkomplexes

Doppelkomplex

Eine weitere Konstruktion ist die Spektralsequenz eines Doppelkomplexes , bestehend aus einem bigraduierten Objekt mit zwei Differentialen und , also . Die Differentiale sollen zudem antikommutieren,, d. h. . Der assoziierte einfache Komplex ist definiert durch

mit

Wir wollen und vergleichen, indem wir nun zwei Filtrierungen betrachten:

und
.

Dann existieren z​wei Spektralsequenzen mit

und

wobei gilt und [13].

Beispiele

Erster-Quadrant-Spektralsequenz

Betrachten wir eine Spektralsequenz, bei der verschwindet für alle kleiner als ein und für alle kleiner als ein . Für sprechen wir von einer Erster-Quadrant-Spektralsequenz. Bei dieser Sequenz gilt für alle , wenn und (im Englischen würde man also sagen, 'the spectral sequence abuts', siehe Konvergenzbegriffe). Beachte hierfür, dass entweder das Bild oder das Urbild der Randoperatoren in den genannten Fällen null ist. Die Spektralsequenz muss allerdings nicht degenerieren, da nicht alle Differentiale gleichzeitig null sein müssen. Bildlich gesprochen stabilisiert sich die Spektralsequenz in einem wachsenden Viereck. Ähnlich funktionieren auch die Fälle für .

Fünfterm exakte Sequenz

Sei eine bigraduierte Erster-Quadrant-Spektralsequenz. Dann ist die Sequenz

exakt. Sie w​ird Fünfterm exakte Sequenz genannt.

Leray-Serre-Spektralsequenz

Sei eine Serre-Faserung mit einfach zusammenhängendem Basisraum . Durch Weiterentwicklung von Lerays ursprünglichem Ansatz[14] gewann Serre eine Spektralsequenz .[15] Serre benutzte seine Spektralsequenz, um die Homologie von Schleifenräumen zu studieren. Die Gysin-Sequenz folgt unmittelbar aus dieser Spektralsequenz.[16]

Grothendieck-Spektralsequenz

Grothendieck entdeckte eine Spektralsequenz, die die abgeleiteten Funktoren einer Verknüpfung von zwei Funktoren berechnet. Seien und zwei linksexakte Funktoren zwischen abelschen Kategorien, wobei und genügend viele injektive Objekte haben. Es gelte außerdem: Ist ein injektives Objekt von , dann ist ein -azyklisches Objekt von . Dann gibt es eine Spektralfolge für jedes Objekt von .[17][18] Die entsprechende Aussage für linksabgeleitete Funktoren gilt ebenfalls.[18][19]

Lyndon-Hochschild-Serre-Spektralsequenz

Diese Spektralsequenz in der Gruppenkohomologie wurde von 1953 von Hochschild und Serre entdeckt, nach Vorarbeiten von Lyndon. Sie kann als Anwendungsbeispiel der Grothendieck-Spektralsequenz hergeleitet werden. Sei eine Gruppe mit Normalteiler , und sei ein -Modul. Dann gibt es eine Spektralfolge .[20][21]

Atiyah-Hirzebruch-Spektralsequenz

Sei eine verallgemeinerte Kohomologietheorie und ein CW-Komplex. Dann gibt es eine bedingt konvergierende Spektralsequenz , wobei mit der topologischer Raum gemeint ist, der aus genau einem Punkt besteht.[22][23] Atiyah und Hirzebruch verwendeten diese Spektralsequenz im Fall der verallgemeinerten Kohomologietheorie K-Theorie.[24] Maunder benutzte Postnikow-Systeme, um eine Alternativkonstruktion der Atiyah-Hirzebruch-Spektralsequenz zu geben, die eine bessere Beschreibung der Differentiale ermöglicht.[25][26]

Weitere wichtige Spektralsequenzen

Topologie und Geometrie

Homotopietheorie

  • Adams-Spektralsequenz[28] in Stabile Homotopietheorie
  • Adams-Novikov-Spektralsequenz, eine Verallgemeinerung zur verallgemeinerte Kohomologietheorie.
  • Die Barratt-Spektralsequenz konvergiert gegen die Homotopie des Initialraumes einer Kofibration.
  • Die Bousfield-Kan-Spektralsequenz konvergiert gegen den Homotopie-Kolimes eines Funktors.
  • Chromatische Spektralsequenz zur Berechnung des Initialterms der Adam-Novikov Spektralsequenz.
  • Cobar-Spektralsequenz
  • Die EHP-Spektralsequenz konvergiert gegen die stabile Homotopygruppe der Sphere
  • Die Federer-Spektralsequenz konvergiert gegen die Homotopygruppe eines Funktionenraums.
  • Homotopie Fixpunkt Spektralsequenz
  • Hurewicz-Spektralsequenz zur Berechnung der Homologie eines Raumes ausgehend von seiner Homotopie.
  • Die Miller-Spektralsequenz konvergiert gegen die mod p-stabile Homologie eines Raumes.
  • Milnor-Spektralsequenz ist ein anderer Name für die Bar-Spektralsequenz.
  • Moore-Spektralsequenz ist ein anderer Name für die Bar-Spektralsequenz.
  • Quillen-Spektralsequenz zur Berechnung der Homotopie einer Simplizialgruppe.
  • Rothenberg-Steenrod-Spektralsequenz ist ein anderer Name für Bar Spektralsequenz.
  • van Kampen-Spektralsequenz zur Berechnung der Homotopie eines Wedges eines Raumes.

Algebra

  • Čech-to-abgeleiteter Funktor-Spektralsequenz von Čech-Kohomologie to Garbenkohomologie.
  • Veränderung von Rongen-Spektralsequenz zur Berechnung von Tor- und Ext-Gruppen von Moduln.
  • Die Connes-Spektralsequenz konvergiert gegen die zyklische Homologie einer Algebra.
  • Gersten–Witt-Spektralsequenz
  • Green's-Spektralsequenz für Koszul Kohomologie
  • Hyperhomologie-Spektralsequenz zur Berechnung von Hyperhomologie.
  • Künneth-Spektralsequenz zur Berechnung der Homologie eines Tensorproduktes von Differentialalgebras.
  • Die Leray-Spektralsequenz gegen Garbenkohomologie
  • Lokal-zo-global Ext-Spektralsequenz
  • Lyndon-Hochschild-Serre-Spektralsequenz in Gruppenhomologie
  • May-Spektralsequenz von Tor- und Ext-Gruppen einer Algebra
  • Universeller-Koeffizienten-Spektralsequenz
  • Die van Est-Spektralsequenz konvergiert gegen relative Lie-Algebren-Kohomologie.

Komplexe und algebraische Geometrie

  • Arnold's Spektralsequenz in singulärer Theorie.
  • Bloch–Lichtenbaum-Spektralsequenz konvergiert gegen die algebraische K-Theorie eines Körpers.
  • Die Frölicher-Spektralsequenz beginnt bei der Dolbeault-Kohomologie und konvergiert gegen die algebraische de Rham Kohomologie einer Varietät.
  • Die Hodge–de Rham-Spektralsequenz konvergiert gegen die algebraische de Rham Kohomologie einer Varietät.
  • Motivik-zu-K-Theorie-Spektralsequenz

Literatur

Einzelnachweise

  1. Klaus Lamotke: Semisimpliziale algebraische Topologie (= Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften. Nr. 147). Springer-Verlag, Berlin 1968, ISBN 978-3-662-12989-0, Überschrift des VI. Kapitels, doi:10.1007/978-3-662-12988-3.
  2. Andreas Dress: Zur Spectralseqenz einer Faserung. In: Inventiones Mathematicae. Band 3, Nr. 2, 1967, S. 172178, doi:10.1007/BF01389743.
  3. Volker Puppe: Über Konvergenz von Spektralfolgen in der stabilen Homotopietheorie. In: manuscripta mathematica. Band 6, Nr. 4, 1972, ISSN 0025-2611, S. 327358, doi:10.1007/BF01303687.
  4. J. F. Adams: Algebraic Topology. a student's guide (= London Mathematical Society Lecture Note Series. Nr. 4). Cambridge University Press, 1972, ISBN 0-521-08076-2, S. 13: „A spectral sequence is … like an exact sequence, but more complicated. … Like an exact sequence, it does not provide a guarantee that one can carry out any required calculation effectively, but the experts succeed with it more often than not.“
  5. Jean Dieudonné: A history of algebraic and differential topology, 1900–1960 (= Modern Birkhäuser Classics). Nachdruck der 1989 Auflage. Birkhäuser, Boston 2009, ISBN 978-0-8176-4906-7, S. 132–141, doi:10.1007/978-0-8176-4907-4.
  6. Engl.: exact couple; für den deutschen Begriff, siehe S. 75 in Tilman Bauer: Homologische Algebra und Gruppenkohomologie. Vorlesungsskript Wintersemester 2004/05. Universität Münster, 18. Juni 2008, abgerufen am 22. Juni 2016 (überarbeitete Fassung).
  7. Allen Hatcher: Spectral Sequences, Kapitel 5. (cornell.edu [PDF]).
  8. Serge Lang: Algebra (= Graduate Texts in Mathematics. Nr. 211). Überarbeitete 3. Auflage. Springer-Verlag, New York 2002, ISBN 0-387-95385-X, S. 821.
  9. Michael Hutchings: Introduction to spectral sequences. 28. April 2011 (berkeley.edu [PDF]).
  10. Michael Hutchings: Introduction to spectral sequences. 28. April 2011 (berkeley.edu [PDF]).
  11. Michael Hutchings: Introduction to spectral sequences. 28. April 2011 (berkeley.edu [PDF]).
  12. Serge Lang: Algebra (= Graduate Texts in Mathematics. Nr. 211). Überarbeitete 3. Auflage. Springer-Verlag, New York 2002, ISBN 0-387-95385-X, S. 821.
  13. Allen Hatcher: Algebraic Topology - Spectral Sequences. 2001, Kap. 5.
  14. Saunders Mac Lane: Homology (= Classics in Mathematics). Nachdruck der 1975 Auflage. Springer-Verlag, Berlin 1995, ISBN 3-540-58662-8, S. 322.
  15. Charles A. Weibel: An introduction to homological algebra (= Cambridge studies in advanced mathematics. Nr. 38). Cambridge University Press, 1994, ISBN 0-521-43500-5, S. 128.
  16. John McCleary: A User's Guide to Spectral Sequences (= Cambridge studies in advanced mathematics. Nr. 58). 2. Auflage. Cambridge University Press, 2001, ISBN 0-521-56759-9, Kap. 5–6.
  17. Serge Lang: Algebra (= Graduate Texts in Mathematics. Nr. 211). Überarbeitete 3. Auflage. Springer-Verlag, New York 2002, ISBN 0-387-95385-X, S. 821.
  18. Charles A. Weibel: An introduction to homological algebra (= Cambridge studies in advanced mathematics. Nr. 38). Cambridge University Press, 1994, ISBN 0-521-43500-5, S. 150–151.
  19. Tilman Bauer: Homologische Algebra und Gruppenkohomologie. Vorlesungsskript Wintersemester 2004/05. Universität Münster, 18. Juni 2008, S. 83, abgerufen am 12. Juli 2016 (überarbeitete Fassung).
  20. Charles A. Weibel: An introduction to homological algebra (= Cambridge studies in advanced mathematics. Nr. 38). Cambridge University Press, 1994, ISBN 0-521-43500-5, S. 195.
  21. Tilman Bauer: Homologische Algebra und Gruppenkohomologie. Vorlesungsskript Wintersemester 2004/05. Universität Münster, 18. Juni 2008, S. 88, abgerufen am 12. Juli 2016 (überarbeitete Fassung).
  22. John McCleary: A User's Guide to Spectral Sequences (= Cambridge studies in advanced mathematics. Nr. 58). 2. Auflage. Cambridge University Press, 2001, ISBN 0-521-56759-9, S. 496.
  23. George W. Whitehead: Elements of Homotopy Theory (= Graduate Texts in Mathematics. Nr. 61). Springer-Verlag, New York 1978, ISBN 0-387-90336-4, Abschnitt XIII.6.
  24. M. F. Atiyah, F. Hirzebruch: Vector bundles and homogeneous spaces. In: Carl B. Allendoerfer (Hrsg.): Differential Geometry (= Proceedings of Symposia in Pure Mathematics. Nr. 3). American Mathematical Society, 1961, LCCN 62-005289, S. 7–38.
  25. C. R. F. Maunder: The spectral sequence of an extraordinary cohomology theory. In: Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. Band 59, Nr. 3, Juli 1963, ISSN 0305-0041, S. 567–574.
  26. Daniel Grady, Hisham Sati: Spectral sequences in smooth generalized cohomology. 11. Mai 2016, arxiv:1605.03444v1.
  27. John McCleary: A User's Guide to Spectral Sequences (= Cambridge studies in advanced mathematics. Nr. 58). 2. Auflage. Cambridge University Press, 2001, ISBN 0-521-56759-9, Kap. 7–8.
  28. John McCleary: A User's Guide to Spectral Sequences (= Cambridge studies in advanced mathematics. Nr. 58). 2. Auflage. Cambridge University Press, 2001, ISBN 0-521-56759-9, Kap. 9.
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