Kohomologie

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) oder einer Gruppe (Gruppenkohomologie) erhält.

Kohomologie eines Kokettenkomplexes

Grundkonstruktion

Sei $(C^\bullet,d^\bullet)$ ein Kokettenkomplex. Das bedeutet:

1. für jedes $k\in\Z$ ist eine abelsche Gruppe C^k gegeben (allgemein: ein Objekt einer abelschen Kategorie)
2. für jedes $k\in\Z$ ist ein Gruppenhomomorphismus $d^k:C^k\to C^{k+1}$ gegeben (allgemein: ein Morphismus), genannt Differential oder Korandoperator
3. für jedes $k\in\Z$ gilt $d^k\circ d^{k-1}=0$ als Abbildung $C^{k-1}\to C^{k+1}$

Daraus kann man die folgenden Gruppen konstruieren:

• Z^k = ker(d^k). Elemente von Z^k heißen k-Kozykeln.
• B^k = im(d^{k − 1}). Elemente von B^k heißen k-Koränder. Wegen Bedingung 3. ist $B^k\subseteq Z^k$, jeder Korand ist also ein Kozykel. Zwei Kozykel heißen kohomolog, wenn ihre Differenz ein Korand ist. Kohomolog zu sein, ist eine Äquivalenzrelation.
• $H^k(C^\bullet,d^\bullet)=Z^k/B^k$, genannt die k-te Kohomologiegruppe von $(C^\bullet,d^\bullet)$. Ihre Elemente sind Äquivalenzklassen von Kozykeln für die Äquivalenzrelation „kohomolog“. Genau dann gilt $H^k(C^\bullet,d^\bullet)=0$, wenn $(C^\bullet,d^\bullet)$ an der Stelle k exakt ist. Die Kohomologiegruppe ist also ein Maß für Nichtexaktheit.

An dieser Stelle sind Kohomologie und Homologie noch nahezu synonym: Für einen Kokettenkomplex $(C^\bullet,d^\bullet)$ ist $(\tilde C_\bullet,\tilde d_\bullet)$ mit $\tilde C_k=C^{-k}$, $\tilde d_k=d^{-k}$ ein Kettenkomplex, und $H^k(C^\bullet,d^\bullet)=H_{-k}(\tilde C_\bullet,\tilde d_\bullet)$.

Sind $(C_1^\bullet,d_1^\bullet)$ und $(C_2^\bullet,d_2^\bullet)$ zwei Kokettenkomplexe und $f^\bullet:C_1^\bullet\to C_2^\bullet$ eine Kettenabbildung, d.h. gilt $f^{k+1}\circ d_1^k=d_2^k\circ f^k$ für alle k, erhält man funktorielle Homomorphismen $f_*^k:H^k(C_1^\bullet,d_1^\bullet)\to H^k(C_2^\bullet,d_2^\bullet)$. Sind zwei Kettenabbildungen $f^\bullet,g^\bullet:C_1^\bullet\to C_2^\bullet$ homotop, ist f _* = g _* .

Die lange exakte Sequenz

Sei eine kurze exakte Sequenz von Kokettenkomplexen gegeben:

$0\to C_1^\bullet\stackrel{f^\bullet}\longrightarrow C_2^\bullet\stackrel{g^\bullet}\longrightarrow C_3^\bullet\to 0$

(die $d_i^\bullet$ seien der Übersichtlichkeit halber weggelassen). Das bedeutet: $f^\bullet$ und $g^\bullet$ sind Kettenabbildungen, und für jedes k ist

$0\to C_1^k\stackrel{f^k}\longrightarrow C_2^k\stackrel{g^k}\longrightarrow C_3^k\to 0$

exakt. Dann gibt es so genannte Verbindungshomomorphismen $\delta^k:H^k(C_3^\bullet)\to H^{k+1}(C_1^\bullet)$, so dass die Sequenz

$\dots\stackrel{\delta^{k-1}}\longrightarrow H^k(C_1^\bullet) \stackrel{f_*^k}\longrightarrow H^k(C_2^\bullet) \stackrel{g_*^k}\longrightarrow H^k(C_3^\bullet) \stackrel{\delta^k}\longrightarrow H^{k+1}(C_1^\bullet)\stackrel{f_*^{k+1}}\longrightarrow H^{k+1}(C_2^\bullet) \stackrel{g_*^{k+1}}\longrightarrow H^{k+1}(C_3^\bullet) \stackrel{\delta^{k+1}}\longrightarrow\dots$

exakt ist.

δ^k kann so konstruiert werden: Sei $a\in Z_3^k$ (Kozykel in $(C_3^\bullet,d_3^\bullet)$). Weil g^k surjektiv ist, besitzt a ein Urbild $b\in C_2^k$. Es ist $g^{k+1} d_2^k b = d_3^k g^k b = d_3^k a = 0$, also ist $d_2^k b = f^{k+1} c$ für ein $c\in C_1^{k+1}$. Nun ist $f^{k+2} d_1^{k+1} c = d_2^{k+1} f^{k+1} c = d_2^{k+1} d_2^k b = 0$, aber weil f^{k + 2} injektiv ist, folgt $d_1^{k+1} c = 0$, also ist c ein (k + 1)-Kozykel, und man kann δ^k[a] = [c] setzen. (Zu einem vollständigen Beweis fehlt noch der Nachweis der Wohldefiniertheit, d.h. dass c ein Korand ist, wenn a ein Korand ist.) Argumente dieses Typs heißen Diagrammjagd.

Das Schlangenlemma ist ein Spezialfall dieser Konstruktion.

Derivierte Kategorien

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

Allgemeines

Eine typische Kohomologietheorie hat die Form von Gruppen H^k(X,A) für $k\ge 0$, wobei X ein Raum und A im einfachsten Fall eine abelsche Gruppe ist. Weitere häufige Eigenschaften sind:

• H^k(X,A) ist kontravariant in X und kovariant in A
• Es gibt eine lange exakte Kohomologiesequenz.
• Es gibt Produkte $H^p(X,A)\times H^q(X,B)\to H^{p+q}(X,A\otimes B)$, so dass $\bigoplus_{k\ge 0}H^k(X,A)$ zu einem graduierten Ring wird, wenn A 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

→ Hauptartikel: De-Rham-Kohomologie

Sei X eine glatte Mannigfaltigkeit. Die De-Rham-Kohomologie $H^\bullet_\text{dR}(X)$ von X ist die Kohomologie des Komplexes

$0\to C^\infty(X) \stackrel{\text{d}}\longrightarrow \Omega^1(X) \stackrel{\text{d}}\longrightarrow \Omega^2(X) \stackrel{\text{d}}\longrightarrow \dots$

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

Ist $f:X\to Y$ eine glatte Abbildung zwischen glatten Mannigfaltigkeiten, vertauscht das Zurückziehen $f^*:\Omega^k(Y)\to\Omega^k(X)$ von Differentialformen mit der Cartan-Ableitung, also definiert f ^* eine Kettenabbildung, die Homomorphismen $H^k_\text{dR}(Y)\to H^k_\text{dR}(X)$ induziert.

Das Dachprodukt von Differentialformen induziert eine Produktstruktur auf $H^*_\text{dR}(X)$.

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

Singuläre Kohomologie

Sei X ein topologischer Raum und A eine abelsche Gruppe. Sei weiter $\Delta^k=\{x\in\R^{k+1}: x_0+\dots+x_k=1,\ \text{alle}\ x_i\ge 0\}$ das Standard-k-Simplex. Die Seitenflächen eines Simplex sind selbst wieder Simplizes, entsprechend den Einbettungen $\partial_k^i:\Delta^{k-1}\to\Delta^k$, $x\mapsto(x_0,\dots,x_{i-1},0,x_i,\dots,x_{k-1})$ für $i=0,\dots,k$. Sei nun X_k die Menge der stetigen Abbildungen $\Delta^k\to X$. Durch Verkettung mit $\partial_k^i$ bekommt man Abbildungen $X_k\to X_{k-1}$. Im nächsten Schritt sei C_k die freie abelsche Gruppe auf der Menge X_k, und $\partial_k:C_k\to C_{k-1}$ definiert durch $\partial_k(\sigma)=\sum_{i=0}^k (-1)^i (\sigma\circ\partial_k^i)$ für $\sigma:\Delta^k\to X$. Es ist $\partial_{k-1}\partial_k=0$, also ist $(C_\bullet,\partial_\bullet)$ ein Kettenkomplex, der singuläre Kettenkomplex von X. Setzt man schließlich C^k = Hom(C_k,A) und $d^k:C^k\to C^{k+1}$, $d^ks=s\circ\partial_k$, erhält man den singulären Kokettenkomplex von X, dessen Kohomologie die singuläre Kohomologie H^k(X,A) ist.

Für eine stetige Abbildung $X\to Y$ erhält man eine Kettenabbildung $C_\bullet(X)\to C_\bullet(Y)$, daraus eine Kettenabbildung $C^\bullet(Y,A)\to C^\bullet(X,A)$ und somit einen funktoriellen Homomorphismus $H^k(Y,A)\to H^k(X,A)$.

Für einen Teilraum $Y\subseteq X$ ist $C_\bullet(Y)$ ein Unterkomplex von $C_\bullet(X)$, und mit $C_\bullet(X,Y):=C_\bullet(X)/C_\bullet(Y)$ erhält man eine kurze exakte Sequenz von Kettenkomplexen, die durch Anwendung von Hom(?,A) eine kurze exakte Sequenz von Kokettenkomplexen ergibt:

$0\to C^\bullet(X,Y,A)\to C^\bullet(X,A)\to C^\bullet(Y,A)\to0$

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

$\dots\to H^k(X,Y,A)\to H^k(X,A)\to H^k(Y,A)\to H^{k+1}(X,Y,A)\to H^{k+1}(X,A)\to H^{k+1}(Y,A)\to\dots$

Für den Vergleich der Kohomologiegruppen H^k(X,A) und H^k(X,B) für verschiedene Koeffizientengruppen A,B 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

→ Hauptartikel: Gruppenkohomologie

Die Gruppenkohomologie H^k(G,A) hat zwei Argumente: eine Gruppe G und einen G-Modul A. Im Koeffizientenargument A ist die Kohomologie kovariant, und es gibt eine lange exakte Kohomologiesequenz. Im Argument G 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.

Nichtabelsche Kohomologie

Nicht in das Schema der oben angegebenen Grundkonstruktion passen verschiedene Konstruktionen, die eine Kohomologie H^k(X,G) für nichtabelsche Koeffizienten liefern, aber meistens auf k = 0 und k = 1 begrenzt sind, z.B. in der Gruppen- oder Garbenkohomologie. Jean Giraud hat eine Interpretation der nichtabelschen Kohomologie für k = 2 mit Hilfe von Gerben erarbeitet.

Literatur

• I. M. Gelfand, Y. Manin: Homological Algebra. Springer, Berlin 1999 ISBN 3-540-65378-3 (Encyclopaedia of Mathematical Sciences, Algebra V)
• Jean Giraud, Cohomologie non abélienne. Berlin 1971
• Allen Hatcher: Algebraic Topology. Cambridge University Press, 2002
• Charles A. Weibel: An introduction to homological algebra, Cambridge Studies in Advanced Mathematics, 38, Cambridge University Press, 1999, ISBN 978-0-521-55987-4