Singuläre Homologie

Singuläre Homologie ist eine Methode der algebraischen Topologie, die einem beliebigen topologischen Raum eine Folge von abelschen Gruppen zuordnet. Anschaulich gesprochen zählt sie die verschieden-dimensionalen Löcher eines Raumes. Gegenüber den ähnlich gearteten Homotopiegruppen hat die singuläre Homologie den Vorteil, dass sie wesentlich einfacher zu berechnen ist und somit für viele Anwendungen die effektivste algebraische Invariante darstellt.

Simpliziale Homologie

Die historischen Wurzeln der singulären Homologie liegen in der simplizialen Homologie. Sei hierzu X ein simplizialer Komplex, das heißt eine Menge von Simplizes, so dass jede Seitenfläche eines der Simplizes wieder in dieser Menge liegt. Einfache Beispiele sind Polygone und Polyeder. Nach einem Satz der Topologie kann man jede differenzierbare Mannigfaltigkeit triangulieren, also als einen simplizialen Komplex (SK) auffassen.

Das Ziel ist nun, aus diesem simplizialen Komplex einen Kettenkomplex zu machen, von dem man dann die Homologie nimmt. Hierzu sei C_n die freie abelsche Gruppe über der Menge der Simplizes des simplizialen Komplexes. Die Randabbildung $d: C_n \rightarrow C_{n-1}$ in SK bildet jeden Simplex auf die alternierende Summe seiner Seitenflächen ab, das heißt

$d([v_0,\dots, v_n]) = +[v_1,\dots v_n] - [v_0, v_2,\dots, v_n] + \cdots \pm [v_0,\dots, v_{n-1}]\,,$

wobei die alternierenden Vorzeichenfaktoren auch als „ geometrische Orientierungsgrößen“ interpretiert werden können.

Die Homologie dieses Kettenkomplexes heißt dann die simpliziale Homologie von X.

Singuläre Homologie

Die Definition der simplizialen Homologie hat zwei wesentliche Probleme. Das eine ist, dass nicht jeder topologische Raum eine Darstellung als simplizialer Komplex hat. Das zweite und gewichtigere ist, dass der gleiche Raum zwei verschiedene Darstellungen als simplizialer Komplex haben kann und damit a priori die simpliziale Homologie keine topologische Invariante des Raumes darstellt. Historisch war der erste Lösungsversuch zu diesem Problem die sogenannte Hauptvermutung, die Steinitz und Tietze zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufstellten. Diese besagt, dass zwei Triangulierungen eines Raums immer eine gemeinsame Verfeinerung besitzen. Die Hauptvermutung wurde jedoch 1961 von Milnor widerlegt.

Die Lösung des Problems nahm jedoch schon in den Dreißigern und Vierzigern durch die Arbeiten von Lefschetz und Eilenberg Gestalt an. Sie definierten die sogenannte singuläre Homologie. Diese ist im Grundgedanken ähnlich wie die simpliziale Homologie, nimmt jedoch als ihren Kettenkomplex (den sogenannten singulären Kettenkomplex) zu dem topologischen Raum X die freie abelsche Gruppe über der Menge aller stetigen Abbildung des n-Simplex nach X. Die Randabbildung $d(\sigma ): C_n(X) \rightarrow C_{n-1}(X)$ ist für eine Abbildung $\sigma: [v_0, \dots, v_n] \rightarrow X$ (auch singulärer Simplex genannt) definiert als

$d(\sigma) = +\sigma|[v_1,\dots,v_n] - \sigma|[v_0, v_2,\dots, v_n] + \cdots \pm \sigma|[v_0,\dots, v_{n-1}].$

Die Homologie dieses Kettenkomplexes nennt man singuläre Homologie von X ^[1] oder auch schlicht die Homologie von X und man bezeichnet die Homologiegruppen mit H_n(X). Für jeden simplizialen Komplex ist sie isomorph zur simplizialen Homologie.

Relative Homologie und Abbildungen

Man kann singuläre Homologie nicht nur von einem Raum X, sondern auch von einem Raumpaar (X,A), d. h. von einem Raum X und einem in ihm enthaltenen Raum $A\subset X$, bilden. Hierzu setzt man den Kettenkomplex C_n(X,A) gleich der Faktorgruppe C_n(X) / C_n(A), die Definition der Randabbildung d bleibt. Die Homologie dieses Kettenkomplexes bezeichnet man als die relative Homologiegruppe H_n(X,A). Anschaulich gesprochen will man das Innere von A ignorieren, wie es im nächsten Abschnitt noch in der Ausschneidungseigenschaft präzisiert wird. Es gilt $H_n(X,\varnothing) = H_n(X)$.

Jede Abbildung zwischen zwei Raumpaaren induziert auch einen Gruppenhomomorphismus der entsprechenden Homologiegruppen. Sei dazu $f: (X,A)\rightarrow (Y,B)$ eine stetige Abbildung zwischen zwei Raumpaaren, d. h. eine stetige Abbildung von X nach Y, so dass $f(A)\subset B$. Dieses f definiert eine Kettenabbildung von C_n(X,A) nach C_n(Y,B), indem sie jeden singulären Simplex $\sigma: \Delta^n\rightarrow X$ auf den singulären Simplex $f\circ\sigma$ schickt. Dadurch bekommt man eine Abbildung $f_*: H_n(X,A)\rightarrow H_n(Y,B)$. So erhält man, dass jedes H_n ein kovarianter Funktor von der Kategorie der Raumpaare in die Kategorie der abelschen Gruppen ist.

Eigenschaften

Mit Mitteln der homologischen Algebra kann man zeigen, dass stets eine lange exakte Sequenz von Homologiegruppen existiert:

$\cdots \rightarrow H_n(A) \rightarrow H_n(X) \rightarrow H_n(X,A) \rightarrow H_{n-1}(A) \rightarrow H_{n-1}(X) \rightarrow H_{n-1}(X,A) \cdots \,$

Die Abbildungen $H_n(A) \rightarrow H_n(X)$ und $H_n(X) \rightarrow H_n(X,A)$ sind dabei von der Inklusion bzw. der Projektion induziert. Die Abbildung $H_n(X,A) \rightarrow H_{n-1}(A)$ ist ein über das Schlangenlemma definierter Randoperator $\partial_n$.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von H_n ist seine Homotopieinvarianz. Seien dazu $f,g: (X,A) \rightarrow (Y,B)$ zwei stetige Abbildung, die homotop sind. Dann sind die beiden induzierten Gruppenhomomorphismen $f_*,g_*: H_n(X,A)\rightarrow H_n(Y,B)$ identisch. So sind insbesondere die Homologiegruppen von zwei homotopieäquivalenten Räumen isomorph.

Für relative Homologiegruppen gilt die Ausschneidungseigenschaft. Sei hierzu (X,A) ein Raumpaar und $B\subset A$, so dass der Abschluss von B enthalten ist im Inneren von A. Dann ist die von der Inklusion induzierte Abbildung $H_n(X - B,A - B)\rightarrow H_n(X,A)$ ein Isomorphismus.

Damit sind die sogenannten Eilenberg-Steenrod-Axiome erfüllt und gezeigt, dass die singuläre Homologie eine Homologietheorie ist. Damit gelten für die singuläre Homologie auch alle Eigenschaften, die ganz allgemein für alle Homologietheorien gelten. Das sind insbesondere die Mayer-Vietoris-Sequenz und der Einhängungsisomorphismus, der besagt, dass $H_{n+1}(\Sigma X, pt)\cong H_n(X,pt)$. Hierbei bezeichnet ΣX die Einhängung von X.

Für eine n-dimensionale Mannigfaltigkeit M gilt, dass H_m(M) = 0 für m > n. Allgemeiner gilt dies auch für einen CW-Komplex, der keine Zellen der Dimension größer als n hat.

Beispiele und Berechnung

Das einfachste Beispiel ist die Homologie eines Punktes. Es gibt für jeden Simplex Δⁿ nur eine Abbildung in den Raum, womit der Kettenkomplex die folgende Gestalt annimmt:

$\cdots \rightarrow \mathbb{Z} \rightarrow \mathbb{Z} \rightarrow \mathbb{Z} \rightarrow 0.$

Hierbei sind die Randabbildung immer abwechselnd die 0 und die Identität, so dass der vorletzte Pfeil die Nullabbildung ist. Es gilt somit H_n(pt) = 0 für jedes n > 0 und $H_0(pt) = \mathbb{Z}$. Wegen der Homotopieinvarianz gilt selbiges für jeden zusammenziehbaren Raum.

Im Allgemeinen nützt eine direkte Betrachtung des singulären Kettenkomplexes allerdings wenig, da dieser im Normalfall in jeder positiven Dimension unendlich-dimensional ist. Eine Methode der Berechnung beruht auf den oben erwähnten Eigenschaften der singulären Homologie. So kann man beispielsweise mit Hilfe des Einhängungsisomorphismus und der langen exakten Sequenz des Raumpaares (Sⁿ,pt) berechnen, dass für $n \neq 0$ $H_m(S^n) = \mathbb{Z}$ für m = 0 oder m = n, $H_m(S^0) = \mathbb{Z}^2$ für m = 0 und H_m(Sⁿ) = 0 sonst.

Ein weiteres Beispiel, das man mit Methoden der zellulären Homologie berechnen kann, ist die Homologie des reell projektiven Raums. Für n gerade:

$H_m(\mathbb{RP}^n) = \begin{cases} \mathbb{Z} & m=0\\ \mathbb{Z}/2\mathbb{Z} & m\equiv 1 \mbox{ (mod 2) } \mbox{ und } n > m > 0\\0& m\equiv 0 \mbox{ (mod 2) } \mbox{ und } n \geq m > 0 \mbox{ oder } m>n\end{cases}$

Und für n ungerade:

$H_m(\mathbb{RP}^n) = \begin{cases} \mathbb{Z} & m=0 \mbox{ oder } n\\ \mathbb{Z}/2\mathbb{Z} & m\equiv 1 \mbox{ (mod 2) } \mbox{ und } n > m > 0\\0& m\equiv 0 \mbox{ (mod 2) } \mbox{ und } n > m > 0 \mbox{ oder } m>n\end{cases}$

Anwendungen

Eine klassische Anwendung ist der Brouwersche Fixpunktsatz. Dieser besagt, dass jede stetige Abbildung der n-dimensionalen Kugel Dⁿ in sich selbst einen Fixpunkt besitzt. Der Beweis läuft per Widerspruch.

Illustration von F in D²

Angenommen, es existierte eine Abbildung $f: D^n\rightarrow D^n$, die keinen Fixpunkt hat. Dann kann man für jeden Punkt $x\in D^n$ den Strahl von f(x) nach x zeichnen, der den Rand der Kugel in dem Punkt F(x) trifft (wie im Bild angedeutet). Die Funktion $F: D^n \rightarrow S^{n-1}$ ist stetig und hat die Eigenschaft, dass jeder Punkt auf dem Rand auf sich selbst abgebildet wird. Damit ist

$F\circ \iota: S^{n-1}\rightarrow D^n\rightarrow S^{n-1}$

gleich der Identität, wobei ι die Inklusion des Randes in die Vollkugel ist. Damit ist auch die induzierte Abbildung

$(F\circ \iota)_*: H_{n-1}(S^{n-1})\rightarrow H_{n-1}(D^n)\rightarrow H_{n-1}(S^{n-1})$

gleich der Identität. Nun ist aber laut des vorherigen Abschnittes $H_{n-1}(S^{n-1})\cong \mathbb{Z}$, allerdings $H_{n-1}(D^n) \cong 0$. Damit haben wir den Widerspruch.

Weitere Anwendungen sind der Satz von Borsuk-Ulam und der Jordan-Brouwer-Zerlegungssatz, eine Verallgemeinerung des Jordanschen Kurvensatzes.

Koeffizienten und Bettizahlen

Bei der Konstruktion des singulären Kettenkomplexes wurde die freie abelsche Gruppe, also der freie $\mathbb{Z}$-Modul, über alle singulären Simplizes gebildet. Die daraus entstehende Homologie bezeichnet man auch als Homologie mit Koeffizienten in $\mathbb{Z}$. Es ist allerdings auch möglich, eine beliebige andere abelsche Koeffizientengruppe G zu wählen. Dies erreicht man, indem man den Kettenkomplex C(X,A) mit G tensoriert. Die daraus entstehende Homologie H(X,A;G) bezeichnet man als die Homologie des Raumpaares (X,A) mit Koeffizienten in G.

Die Umrechnung von Homologie mit verschiedenen Koeffizientengruppen ineinander erfolgt üblicherweise mittels Universellen Koeffiziententheoremen.

Eine besondere Rolle spielen Körper als Koeffizienten. Hier ist der Kettenkomplex in jeder Dimension ein Vektorraum und somit auch die entstehende Homologie. Auf diese Weise kann man auch die sogenannten Bettizahlen definieren:

$b_i(X) = \dim_\mathbb{Q}H_i(X;\mathbb{Q})$

Siehe auch

Euler-Charakteristik - Homologietheorie - Singuläre Kohomologie

Literatur

Man wird in jedem modernen Lehrbuch der algebraischen Topologie auch eine ausführliche Behandlung der singulären Homologie finden. Das Folgende kann deshalb nur eine kleine Auswahl sein.

• Samuel Eilenberg & Norman Steenrod: Foundations of Algebraic Topology. Princeton University Press, 1964 (erstes modernes Lehrbuch über singuläre Homologie)
• Edwin H. Spanier: Algebraic Topology. Springer, 1998, ISBN 0-387-94426-5 (sehr vollständig)
• Glen E. Bredon: Topology and Geometry. Springer, 1997, ISBN 0-387-97926-3 (viele Anwendungen)
• Allen Hatcher: Algebraic Topology. Cambridge University Press, 2002
• Wolfgang Lück: Algebraische Topologie. Homologie und Mannigfaltigkeiten. Vieweg, 2005, ISBN 3-528-03218-9 (behandelt auch Differentialformen)
• Nigel Ray, Grant Walker: Adams Memorial Symposium on Algebraic Topology. Cambridge University Press, 1992, ISBN 0521420741

Einzelnachweise und Fußnoten

1. ↑ Der Begriff „singulär“ wird hier im Sinne von „lokal“ gebraucht, d.h. im Sinne des Gegensatzpaares „lokal versus global“, und nicht im Sinne eines „schlechten Verhaltens“ der Theorie.