Ομολογική Άλγεβρα

Το διάγραμμα που χρησιμοποιείται στο λήμμα του φιδιού, είναι βασικό αποτέλεσμα της Ομολογικής Άλγεβρας.

Ομολογική Άλγεβρα^[1] είναι ο κλάδος των μαθηματικών που μελετά την ομολογία σε ένα γενικό αλγεβρικό περιβάλλον. Είναι μια σχετικά νέα επιστήμη, της οποίας η προέλευση μπορεί να εντοπιστεί σε έρευνες στο πλαίσιο της συνδυαστικής τοπολογίας (ένας πρόδρομος στην Αλγεβρική Τοπολογία) και της αφηρημένης άλγεβρας (θεωρία των προτύπων και συζυγίες) στα τέλη του 19^ου αιώνα, κυρίως από τον Ανρί Πουανκαρέ και Νταβίντ Χίλμπερτ.

Η ανάπτυξη της ομολογικής άλγεβρας ήταν στενά συνυφασμένη με την εμφάνιση της θεωρίας κατηγοριών. Σε γενικές γραμμές, ομολογική άλγεβρα είναι η μελέτη των ομολογικών συναρτήσεων και των περίπλοκων αλγεβρικών δομών που συνεπάγονται. Μία πολύ χρήσιμη και συχνή έννοια στα μαθηματικά είναι το αλυσιδωτό σύμπλεγμα, που μπορεί να μελετηθεί τόσο μέσω της ομολογίας όσο και μέσω της συνομολογίας. Η Ομολογική Άλγεβρα παρέχει τα μέσα για την εξαγωγή πληροφοριών που περιέχονται στα αλυσίδες συμπλεγμάτων και τα παρουσιάζει με τη μορφή ομολογικών σταθερών των δακτυλίων, των προτύπων, των τοπολογικών χώρων και άλλων μαθηματικών αντικειμένων. Ένα ισχυρό εργαλείο για να γίνει αυτό, παρέχεται από τις φασματικές ακολουθίες.

Από τις αρχές της, η ομολογική άλγεβρα έχει παίξει τεράστιο ρόλο στην Αλγεβρική Τοπολογία. Η σφαίρα επιρροής της επεκτάθηκε σταδιακά και σήμερα περιλαμβάνει την αντιμεταθετική άλγεβρα, την αλγεβρική γεωμετρία, την Αλγεβρική Θεωρία Αριθμών, την Θεωρία αναπαραστάσεων, Μαθηματική Φυσική, Μιγαδική Ανάλυση και τη Θεωρία των μερικών Διαφορικών εξισώσεων. Η Κ-θεωρία είναι μια ανεξάρτητη θεωρία που βασίζεται στις μεθόδους της ομολογικής άλγεβρας, όπως και η μη-αντιμεταθετική γεωμετρία του Alain Connes.

Η ιστορία της ομολογικής άλγεβρας

Η Ομολογική άλγεβρα άρχισε να μελετάται στην πιο βασική της μορφή το 1800 ως κλάδος της τοπολογίας, αλλά δεν ήταν μέχρι το 1940 που έγινε ένα ανεξάρτητο θέμα για τη μελέτη των ext συναρτητή, tor συναρτητή και άλλων.^[2]

Αλυσίδα συμπλεγμάτων και ομολογία

Η αλυσίδα συμπλεγμάτων είναι η κεντρική ιδέα της ομολογικής άλγεβρας. Είναι μια ακολουθία ${\displaystyle (C_{\bullet },d_{\bullet })}$ αντικειμένων (objects) και μορφισμών (morphisms), με την ιδιότητα ότι η σύνθεση δύο συνεχόμενων μετασχηματισμών είναι μηδέν:^[3]${\displaystyle C_{\bullet }:\cdots \longrightarrow C_{n+1}{\stackrel {d_{n+1}}{\longrightarrow }}C_{n}{\stackrel {d_{n}}{\longrightarrow }}C_{n-1}{\stackrel {d_{n-1}}{\longrightarrow }}\cdots ,\quad d_{n}\circ d_{n+1}=0.}$

Τα στοιχεία C_n ονομάζονται n-αλυσίδες και οι μορφισμοί d_n ονομάζονται φραγμένες ή διαφορικές συναρτήσεις. Οι αλυσίδες C_N μπορούν να τροφοδοτούνται με επιπλέον δομή. Για παράδειγμα, μπορεί να είναι διανυσματικοί χώροι ή πρότυπα πάνω από ένα σταθερό δακτύλιο R. Οι διαφορικές συναρτήσεις πρέπει να διατηρήσουν την επιπλέον δομή εάν υπάρχει. Για παράδειγμα, θα πρέπει να είναι γραμμικοί μετασχηματισμοί ή ομομορφισμοί προτύπων πάνω από το R. Για ευκολία, ασχολούμαστε με τις αβελιανές ομάδες (πιο σωστά, με την κατηγορία Ab των αβελιανών ομάδων). Σύμφωνα με το διάσημο θεώρημα του Barry Mitchell το παραπάνω αποτελέσμα γενικεύεται σε κάθε αβελιανή κατηγορία. Κάθε αλυσίδα συμπλεγμάτων ορίζει δύο ακόμη ακολουθίες των αβελιανών ομάδων, οι κύκλοι Z_n = Ker d_n και την φραγμένη ακολουθία B_n = Im d_n+1, όπου Ker d και Im d δηλώνουν τον πυρήνα και την εικόνα του d αντίστοιχα. Δεδομένου ότι η σύνθεση των δύο φραγμένων ακολουθιών είναι μηδέν, ισχύει το παρακάτω

${\displaystyle B_{n}\subseteq Z_{n}\subseteq C_{n}.}$

Τα παραπάνω προφανώς αποτελούν υποομάδες των αβελιανών ομάδων, γιατί μπορούμε να ορίσουμε την ν-οστή ομολογική ομάδα H_n(C) ως το πηλίκο του Z_n προς του B_n

${\displaystyle H_{n}(C)=Z_{n}/B_{n}=\operatorname {Ker} \,d_{n}/\operatorname {Im} \,d_{n+1}.}$

Οι αλυσίδες συμπλεγμάτων συναντιούνται σε μεγάλο βαθμό στην άλγεβρα και στην αλγεβρική τοπολογία. Για παράδειγμα, εάν το Χ είναι ένα τοπολογικός χώρος τότε οι ιδιάζουσες αλυσίδες C_n (Χ) είναι γραμμικοί συνδυασμοί των συνεχών μετασχηματισμών από το πρότυπο n-simplex στο Χ. Αν K είναι ένα σύμπλεγμα simplicial τότε οι αλυσίδες simplicial C_n (K) είναι γραμμικοί συνδυασμοί των n-simplices του Χ. Αν Α = F / R όπου Α μια αβελιανή ομάδα Α από γενικεύσεις και σχέσεις, F είναι μια ελεύθερη αβελιανή ομάδα των γενικεύσεων και R είναι υποομάδα των σχέσεων, στη συνέχεια, θέτοντας C₁ (A) = R, C₀ (Α ) = F, και C_n (A) = 0 καθορίζει μια ακολουθία των αβελιανών ομάδων για όλα τα n. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, υπάρχουν φυσικές διαφορικές συναρτήσεις dn που μετατρέπουν την C_n σε μια αλυσίδα συμπλεγμάτων των οποίων η ομολογία αντικατοπτρίζει τη δομή του τοπολογικού χώρου X, το simplicial συγκρότημα Κ ή την αβελιανή ομάδα Α. Στην περίπτωση των τοπολογικών χώρων, φτάνουμε στο έννοια της ιδιάζουσας ομολογίας, η οποία παίζει σημαντικό ρόλο στη διερεύνηση των ιδιοτήτων αυτών των χώρων όπως για παράδειγμα, στους συλλέκτες.

Σε φιλοσοφικό επίπεδο, η ομολογική άλγεβρα μας διδάσκει ότι ορισμένες αλυσίδες συμπλεγμάτων που σχετίζονται με αλγεβρικά ή γεωμετρικά αντικείμενα (τοπολογικούς χώρους, simplicial συμπλέγματα, R-πρότυπα) περιέχουν πολλές πολύτιμες αλγεβρικές πληροφορίες σχετικά με αυτά, με την ομολογία την πιο σημαντική. Σε τεχνικό επίπεδο, η ομολογική άλγεβρα παρέχει τα εργαλεία για το χειρισμό συμπλεγμάτων και την εξαγωγή αυτών των πληροφοριών. Εδώ είναι δύο γενικές απεικονίσεις.

• Τα δύο αντικείμενα τα Χ και Υ συνδέονται με μια συνάρτηση f μεταξύ τους. Η Ομολογική άλγεβρα μελετά τη σχέση, που προκαλείται από τον μετασχηματισμό f, μεταξύ αλυσιδωτών συμπλεγμάτων που συνδέονται με το Χ, το Υ και της ομολογίας τους. Αυτό γενικεύεται στην περίπτωση πολλών αντικειμένων και των μετασχηματισμών σύνδεσης τους. Διατυπώνοντας στη γλώσσα της Θεωρίας Κατηγοριών, η ομολογική άλγεβρα μελετά τις συναρτησιακές ιδιότητες των διαφόρων κατασκευών αλυσιδωτών συμπλεγμάτων και της ομολογίας αυτών των συμπλεγμάτων.

• Ένα αντικείμενο X που μπορεί να περιγραφεί με πολλούς τρόπους (για παράδειγμα, ως ένας τοπολογικός χώρος και ως σύμπλεγμα simplicial) ή ένα σύμπλεγμα  ${\displaystyle C_{\bullet }(X)}$ , κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας κάποια «αναπαράσταση» του Χ, η οποία περιλαμβάνει μη-κανονικές επιλογές. Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την επίδραση της μεταβολής του Χ στις αλυσίδες συμπλεγμάτων που συνδέονται με το Χ. Τυπικά, το σύμπλεγμα και η ομολογία του ${\displaystyle H_{\bullet }(C)}$ είναι συναρτησιακή σχέση με την αναπαράσταση και η ομολογία (όχι όμως το ίδιο το σύμπλεγμα) είναι στην πραγματικότητα ανεξάρτητη από την αναπαράσταση που θα επιλεγεί, έτσι το Χ παραμένει αναλλοίωτο.

Βασικά εργαλεία

Ακριβείς ακολουθίες

Στο πλαίσιο της θεωρίας των ομάδων, μια ακολουθία

${\displaystyle G_{0}\;{\xrightarrow {f_{1}}}\;G_{1}\;{\xrightarrow {f_{2}}}\;G_{2}\;{\xrightarrow {f_{3}}}\;\cdots \;{\xrightarrow {f_{n}}}\;G_{n}}$

ομάδων και ομομορφισμών ονομάζεται ακριβής εάν η εικόνα (ή πεδίο τιμών) κάθε ομομορφισμού είναι ίση με τον πυρήνα της επόμενης:

${\displaystyle \mathrm {im} (f_{k})=\mathrm {ker} (f_{k+1}).\!}$

Σημειώνεται ότι η ακολουθία των ομάδων και ομομορφισμών μπορεί να είναι είτε πεπερασμένη είτε να τείνει στο άπειρο.

Ένας παρόμοιος ορισμός μπορεί να γίνει και για ορισμένες άλλες αλγεβρικές δομές. Για παράδειγμα, κάποιος θα μπορούσε να έχει μια ακριβή ακολουθία των διανυσματικών χώρων και γραμμικών μετασχηματισμών, ή των προτύπων και πρότυπων ομομορφισμών. Γενικότερα, η έννοια της ακριβούς ακολουθίας έχει νόημα σε οποιαδήποτε κατηγορία με πυρήνες και συνπυρήνες.^[4]

Βραχεία ακριβής ακολουθία (ή Μικρή ακριβής ακολουθία)

Ο πιο κοινός τύπος από τις ακριβείς ακολουθίες είναι η βραχεία ακριβής ακολουθία. Αυτή είναι μια ακριβής ακολουθία της μορφής

${\displaystyle A\;{\xrightarrow {f}}\;B\;\twoheadrightarrow \;C}$

όπου ƒ είναι μονομορφισμός και g είναι ένας επιμορφισμός.

Στην περίπτωση αυτή, το Α είναι ένα υποαντικείμενο του Β, και το αντίστοιχο πηλίκο είναι ισόμορφο με το C:

${\displaystyle C\cong B/f(A).}$

(όπου f(A)=im(f)).

Μια βραχεία ακριβής ακολουθία των αβελιανών ομάδων μπορεί επίσης να γραφεί ως ακριβής ακολουθία με πέντε όρους:

${\displaystyle 0\;{\xrightarrow {}}\;A\;{\xrightarrow {f}}\;B\;{\xrightarrow {g}}\;C\;{\xrightarrow {}}\;0}$

όπου το 0 αντιπροσωπεύει το αντικείμενο μηδέν, όπως την τετριμμένη ομάδα ή το διανυσματικό χώρο διάστασης μηδέν. Η τοποθέτηση των μηδενικών (0) αναγκάζει την ƒ να είναι ένας μονομορφισμός και την g να είναι ένας επιμορφισμός (βλέπε παρακάτω).

Μακρά ακριβής ακολουθία

Μια μακρά ακριβής ακολουθία είναι μια ακριβής ακολουθία η οποία αναπροσαρμόζονται από τους φυσικούς αριθμούς

Το λήμμα των πέντε

Εξετάστε το ακόλουθο αντιμεταθετικό διάγραμμα σε κάθε αβελιανή κατηγορία (όπως στη κατηγορία των αβελιανών ομάδων ή στην κατηγορία των διανυσματικών χώρων πάνω από ένα δεδομένο τομέα) ή στην κατηγορία των ομάδων.

Το λήμμα των πέντε δηλώνει ότι:

1) Αν οι ακολουθίες είναι ακριβείς, m και p είναι επιμορφισμοί, και q είναι μονομορφισμός, τότε n είναι επιμορφισμός.

2) Αν οι ακολουθίες είναι ακριβείς, m και p είναι μονομορφισμοί, και l είναι επιμορφισμός, τότε n είναι μονομορφισμός.

3) Αν οι ακολουθίες είναι ακριβείς, m και p είναι ισομορφισμοί, l είναι ένας επιμορφισμός, και q ένας μονομορφισμός, τότε το n είναι επίσης ένας ισομορφισμός.

Το λήμμα του φιδιού

Σε μια αβελιανή κατηγορία (όπως η κατηγορία των αβελιανών ομάδων ή η κατηγορία των διανυσματικών χώρων πάνω από ένα δεδομένο σώμα), δείτε το παρακάτω αντιμεταθετικό διάγραμμα:

όπου οι σειρές είναι ακριβείς ακολουθίες και 0 είναι το αντικείμενο μηδέν. Τότε υπάρχει μια ακριβής ακολουθία που συνδέει τους πυρήνες και τους συνπυρήνες των a, b, και c:

${\displaystyle \ker a\;{\color {Gray}\longrightarrow }\ker b\;{\color {Gray}\longrightarrow }\ker c\;{\overset {d}{\longrightarrow }}\operatorname {coker} a\;{\color {Gray}\longrightarrow }\operatorname {coker} b\;{\color {Gray}\longrightarrow }\operatorname {coker} c}$

Επιπλέον, εάν ο μορφισμός f είναι ένας μονομορφισμός, τότε έτσι είναι και ο μορφισμός kera→ Keb, και αν g’ είναι ένας επιμορφισμός, τότε έτσι είναι και το Cokerb → Cokerc.

Αβελιανές κατηγορίες

Στα μαθηματικά, μια αβελιανή κατηγορία είναι μια κατηγορία στην οποία μπορούν να προστεθούν μορφισμοί και αντικείμενα και στην οποία υπάρχουν πυρήνες και συνπυρήνες που έχουν τις επιθυμητές ιδιότητες. Το πρότυπο παράδειγμα αβελιανών κατηγοριών είναι η κατηγορία των αβελιανών ομάδων Ab. Η θεωρία ξεκίνησε από μια διστακτική προσπάθεια του Alexander Grothendieck να ενοποιήσει διάφορες θεωρίες ομολογιών. Οι αβελιανές κατηγορίες είναι πολύ σταθερές κατηγορίες, για παράδειγμα, είναι κανονικές και πληρούν το λήμμα του φιδιού. Η κλάση των αβελιανών κατηγοριών είναι κλειστή από διάφορους κατηγορηματικούς περιορισμούς. Για παράδειγμα, η κατηγορία των αλυσιδωτών συμπλεγμάτων μιας αβελιανής κατηγορίας ή στην κατηγορία των συναρτήσεων από μια μικρή κατηγορία σε αβελιανή κατηγορία, είναι επίσης αβελιανή. Αυτές οι ιδιότητες σταθερότητας είναι πλέον αναπόφευκτες στην ομολογική άλγεβρα. Η θεωρία έχει σημαντικές εφαρμογές στην αλγεβρική γεωμετρία, στην συνομολογία και στην καθαρή θεωρία κατηγοριών. Οι αβελιανές κατηγορίες ονομάστηκαν έτσι από τον Niels Henrik Abel.

Πιο συγκεκριμένα, μία κατηγορία είναι αβελιανή αν

• έχει ένα αντικείμενο μηδέν,
• έχει όλα τα δυαδικά προϊόντα και δυαδικά συνπροϊόντα, και
• έχει όλους τους πυρήνες και συνπυρήνες.
• Όλοι οι μονομορφισμοί και επιμορφισμοί είναι κανονικοί.

Ο Ext συναρτητής

Ας είναι R ένας δακτύλιος και Mod_R είναι η κατηγορία των προτύπων πάνω στο R. Έστω Β ανήκει στην κατηγορία Mod_R και ορίζουμε το σύνολο T(B) = Hom_R(A, B), με σταθερές A που ανήκουν στην κατηγορία Mod_R. Αυτό είναι ένα αριστερά ακριβής συναρτητής και ως εκ τούτου έχει δεξιά παραγόμενο συναρτητή RⁿT. Ο Ext συναρτητής ορίζεται από

${\displaystyle \operatorname {Ext} _{R}^{n}(A,B)=(R^{n}T)(B).}$

Αυτό μπορεί να υπολογιστεί από τη λήψη κάθε ενέσιμης ανάλυσης

${\displaystyle 0\rightarrow B\rightarrow I^{0}\rightarrow I^{1}\rightarrow \dots ,}$

και υπολογίζοντας

${\displaystyle 0\rightarrow \operatorname {Hom} _{R}(A,I^{0})\rightarrow \operatorname {Hom} _{R}(A,I^{1})\rightarrow \dots .}$

Στη συνέχεια (RⁿT) (Β) είναι η ομολογία αυτού του συμπλέγματος. Σημειώνεται ότι Hom_R(A,B) εξαιρείται από το σύμπλεγμα. Ένας εναλλακτικός ορισμός δίνεται με τη χρήση της συνάρτησης G(A) = Hom_R(A,B). Για ένα σταθερό πρότυπο Β, αυτό είναι ένας αναλλοίωτος αριστερά ακριβής συναρτητής, και έτσι έχουμε επίσης τον δεξιά παραγόμενο συναρτητή RⁿG, που ορίζεται ως

${\displaystyle \operatorname {Ext} _{R}^{n}(A,B)=(R^{n}G)(A).}$

Αυτό μπορεί να υπολογιστεί επιλέγοντας κάθε προβολική επίλυση

${\displaystyle \dots \rightarrow P^{1}\rightarrow P^{0}\rightarrow A\rightarrow 0,}$

και προχωρώντας ομοίως, υπολογίζοντας

${\displaystyle 0\rightarrow \operatorname {Hom} _{R}(P^{0},B)\rightarrow \operatorname {Hom} _{R}(P^{1},B)\rightarrow \dots .}$

Στη συνέχεια (RⁿG)(Α) είναι η ομολογία αυτού του συμπλέγματος. Πάλι σημειώνεται ότι homr (Α, Β) εξαιρείται. Οι δύο αυτές κατασκευές αποδεικνύεται ότι δινουν ισομορφικά αποτελέσματα, και έτσι και οι δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό του Ext συναρτητή.

Ο Tor συναρτητής

Ας υποθέσουμε ότι το R είναι ένας δακτύλιος. Συμβολίζεται με R-Mod η κατηγορία του αριστερού R-προτύπου και με Mod-R η κατηγορία του δεξιού R-προτύπου (εάν το R είναι αντιμεταθετικός δακτύλιος, αυτές οι δύο κατηγορίες συμπίπτουν). Διαλέξτε μια μονάδα προτύπου Β στην Ε-Mod. Για Α να ανήκει στην κατηγορία Mod-R, θέτουμε Τ (Α) = A⊗_RB. Στη συνέχεια, το Τ είναι ενας δεξιά παραγόμενος συναρτητής από την κατηγορία Mod-R στην κατηγορία των αβελιανών ομάδων Ab (στην περίπτωση που το R είναι αθροιστικός δακτύλιος, είναι δεξιά παραγόμενος συναρτητής από την κατηγορία Mod-R στην κατηγορία Mod-R) και αριστερά παραγόμενος συναρτητής L_nT. Θέτουμε

${\displaystyle \mathrm {Tor} _{n}^{R}(A,B)=(L_{n}T)(A)}$

δηλαδή, παίρνουμε μια προβολική επίλυση

${\displaystyle \cdots \rightarrow P_{2}\rightarrow P_{1}\rightarrow P_{0}\rightarrow A\rightarrow 0}$

στη συνέχεια, αφαιρούμε τον όρο Α και χρησιμοποιώντας τον τανυστή της προβολικής επίλυσης με το Β παίρνουμε το παρακάτω σύμπλεγμα.

${\displaystyle \cdots \rightarrow P_{2}\otimes _{R}B\rightarrow P_{1}\otimes _{R}B\rightarrow P_{0}\otimes _{R}B\rightarrow 0}$

(σημειώνεται ότι το A⊗_RB δεν εμφανίζεται και το τελευταίο βέλος είναι μόνο η μηδενική συνάρτηση) και να πάρει την ομολογία του συμπλέγματος αυτού.

Φασματική ακολουθία

Μια φασματική ακολουθία είναι μια επιλογή ενός μη αρνητικού ακέραιου αριθμού r₀ και μια συλλογή από τρεις ακολουθίες:

1. Για όλους τους ακεραίους r ≥ r₀, ένα E_r αντικείμενο, που ονομάζεται φύλλο (όπως σε ένα φύλλο χαρτί), ή μερικές φορές μια σελίδα ή ένας όρος,
2. Ενδομορφισμοί d_r: E_r → E_r που ικανοποιούν d_r o d_r = 0,που ονομάζονται φραγμένοι ή διαφορικοί μετασχηματισμοί,

3. 

   Το E₂ φύλλο μιας συνομολογιακής φασματικής ακολουθίας

   Ισομορφισμοί του E_r + 1 με H(E_R), η ομολογία του E_r σε σχέση με την d_r.

Μια διπλά διαβαθμισμένη φασματική ακολουθία έχει ένα τεράστιο ποσό δεδομένων για παρακολούθηση, αλλά υπάρχει μια κοινή τεχνική απεικόνισης που καθιστά τη δομή της φασματικής ακολουθία σαφέστερη. Έχουμε τρεις δείκτες r, p, και q. Για κάθε r, φανταστείτε ότι έχουμε ένα φύλλο χαρτί. Σε αυτό το φύλλο, θα θεωρήσουμε p να είναι η οριζόντια κατεύθυνση και q να είναι η κατακόρυφη κατεύθυνση. Σε κάθε σημείο του πλέγματος έχουμε ένα αντικείμενο ${\displaystyle E_{r}^{p,q}}$. 

Είναι πολύ κοινό το n = p + q να είναι ένας άλλος φυσικός δείκτης στη φασματική ακολουθία. Ο n κινείται διαγώνια, βορειοδυτικά προς νοτιοανατολικά, κατά μήκος κάθε φύλλου. Στην ομολογική περίπτωση, οι διαφορικές έχουν bidegree (-r, r - 1), έτσι ώστε να μειωθεί το n κατά ένα. Στην περίπτωση της συνομολογίας, το n αυξάνεται κατά ένα. Όταν το r είναι μηδέν, οι διαφορικές μετακινούν αντικείμενα ενός χώρου πάνω ή κάτω. Αυτό είναι παρόμοιο με τις διαφορικές σε μια πολύπλοκη αλυσίδα. Όταν το r είναι ένα, οι διαφορικές μετακινούν αντικείμενα ενός χώρου προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά. Όταν το r είναι δύο, οι διαφορικές μετακινούν τα αντικείμενα όπως ακριβώς κινείται ενός ιππότης στο σκάκι. Για υψηλότερα r, οι διαφορικές μετακινούν αντικείμενα ενός χώρου σαν την κίνηση του γενικευμένου ιππότη.  

Παράγωγες συναρτήσεις

Ας υποθέσουμε ότι μας δίνεται μια αναλλοίωτη αριστερά ακριβής συναρτητής F: A → B μεταξύ δύο αβελιανών κατηγοριών Α και Β. Αν 0 → Α → Β → C → 0 είναι μια βραχεία ακριβής ακολουθία στο Α, στη συνέχεια, εφαρμόζοντας την F παράγεται η ακριβής ακολουθία 0 → F (A) → F (B) → F (C) και θα μπορούσε κανείς να ρωτήσει πώς να συνεχίσουμε αυτή τη σειρά προς τα δεξιά για να σχηματιστεί μια μακρά ακριβής ακολουθία. Για να κυριολεκτήσουμε, το ερώτημα αυτό δεν έχει οριστεί με ακρίβεια, δεδομένου ότι πάντα υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τρόποι για να συνεχίσουμε μια δεδομένη ακριβής ακολουθία προς τα δεξιά. Αλλά αποδεικνύεται ότι (αν ο A είναι αρκετά "καλό") υπάρχει ένας κανονικός τρόπος για να γίνει αυτό, που δίνεται από το δικαίωμα που προέρχεται από τους παράγοντες της F. Για κάθε i≥1, υπάρχει μια συνάρτηση RⁱF: Α → Β, και η παραπάνω ακολουθία συνεχίζει έτσι: 0 → F (A) → F (Β) → F (C) → R¹F (Α) → R¹F (Β) → R¹F (C) → R²F (Α) → R²F (Β) →... . Από αυτό βλέπουμε ότι η F είναι ένας ext συναρτητής αν και μόνο αν R¹F = 0, οπότε κατά μία έννοια ο δεξιά παραγόμενος συναρτητής της F είναι το «πόσο μακριά» είναι η F από το να γίνει ακριβής.

Functoriality

Ένας συνεχής μετασχηματισμός των τοπολογικών χώρων δημιουργεί ένα ομομορφισμό μεταξύ των n-οστών ομολογικών ομάδων τους για όλα τα n. Αυτό το βασικό γεγονός της Αλγεβρικής Τοπολογίας βρίσκει μια φυσική εξήγηση μέσω ορισμένων ιδιοτήτων των αλυσιδωτών συμπλεγμάτων. Δεδομένου ότι είναι πολύ κοινό να μελετήσεις διάφορους τοπολογικούς χώρους ταυτόχρονα, στην ομολογική άλγεβρα οδηγείται κανείς στην ταυτόχρονη εξέταση πολλαπλών αλυσιδωτών συμπλεγμάτων.

Ένας μορφισμός μεταξύ δύο αλυσιδωτών συμπλεγμάτων, ${\displaystyle F:C_{\bullet }\to D_{\bullet }}$, είναι μια οικογένεια ομομορφισμών των αβελιανών ομάδων F_n: C_n → D_n που σχετίζονται με τις διαφορικές, με την έννοια ότι ισχύει F_{n -1} • DnC = D_nD • F_n για όλα τα n. Ένας μορφισμός αλυσιδωτών συμπλεγμάτων προκαλεί ένα μορφισμό ${\displaystyle H_{\bullet }(F)}$ των ομολογικών ομάδων, που αποτελείται από τους ομομορφισμούς Η_n (F): H_n (C) → H_n (D) για όλα τα n. Ένας μορφισμός F ονομάζεται ημι-ισομορφισμός αν προκαλεί ένα ισομορφισμό στην n-ομολογία για κάθε n. Πολλές κατασκευές αλυσιδωτών συμπλεγμάτων που προκύπτουν στην άλγεβρα και στη γεωμετρία, συμπεριλαμβανομένου της ιδιάζουσας ομολογίας, έχουν την ακόλουθη ιδιότητα functoriality: εάν δύο αντικείμενα Χ και Υ συνδέονται με μία συνάρτηση f, τότε οι σχετικές αλυσίδες συμπλεγμάτων συνδέονται με ένα μορφισμό F = C (f) από ${\displaystyle C_{\bullet }(X)}$ στο ${\displaystyle C_{\bullet }(Y),}$ και επιπλέον, η σύνθεση g • f των συναρτήσεων f: X → Y και g: Y → Z δίνει τον μορφισμό C (g • f) από ${\displaystyle C_{\bullet }(X)}$ στο ${\displaystyle C_{\bullet }(Z)}$ που συμπίπτει με τη σύνθεση C(g) • C(f). Επομένως, οι ομολογικές ομάδες ${\displaystyle H_{\bullet }(C)}$ είναι επίσης functorial, έτσι ώστε οι μορφισμοί μεταξύ αλγεβρικών ή τοπολογικών αντικειμένων να προκαλούν συμβατούς μετασχηματισμούς μεταξύ των ομολογιών. Ο ακόλουθος ορισμός προκύπτει από μια τυπική κατάσταση στην άλγεβρα και στην τοπολογία. Μία τριάδα που αποτελείται από τρία συμπλέγματα ${\displaystyle L_{\bullet },M_{\bullet },N_{\bullet }}$ σφαίρα και δύο μορφισμούς μεταξύ τους, ${\displaystyle f:L_{\bullet }\to M_{\bullet },g:M_{\bullet }\to N_{\bullet },}$, ονομάζεται ακριβής τριάδα, ή βραχεία ακριβής ακολουθία συμπλεγμάτων, και γράφεται

${\displaystyle 0\longrightarrow L_{\bullet }{\stackrel {f}{\longrightarrow }}M_{\bullet }{\stackrel {g}{\longrightarrow }}N_{\bullet }\longrightarrow 0,}$

αν για κάθε n, η ακολουθία

${\displaystyle 0\longrightarrow L_{n}{\stackrel {f_{n}}{\longrightarrow }}M_{n}{\stackrel {g_{n}}{\longrightarrow }}N_{n}\longrightarrow 0}$

είναι μια βραχεία ακριβής ακολουθία των αβελιανών ομάδων. Εξ'ορισμού, αυτό σημαίνει ότι η fn είναι μία ένεση, gn είναι έφεση, και Im fn = Kergn. Ένα από τα πιο βασικά θεωρήματα της ομολογικής άλγεβρας, μερικές φορές γνωστό ως το λήμμα ζιγκ-ζαγκ, αναφέρει ότι, στην περίπτωση αυτή, υπάρχει μια μακρά ακριβής ακολουθία ομολογίας

${\displaystyle \ldots \longrightarrow H_{n}(L){\stackrel {H_{n}(f)}{\longrightarrow }}H_{n}(M){\stackrel {H_{n}(g)}{\longrightarrow }}H_{n}(N){\stackrel {\delta _{n}}{\longrightarrow }}H_{n-1}(L){\stackrel {H_{n-1}(f)}{\longrightarrow }}H_{n-1}(M)\longrightarrow \ldots ,}$

όπου οι ομολογικές ομάδες L, M, και N κυκλικά ακολουθούν η μία την άλλη, και dn είναι  ομομορφισμοί που καθορίζονται από τις f και g, που ονομάζεται ομομορφισμοί σύνδεσης. Τοπολογικές εκδηλώσεις αυτού του θεωρήματος, περιλαμβάνουν την ακολουθία Mayer-Vietoris και τη μακρά ακριβής ακολουθία για τη σχετική ομολογία.

Θεμελιώδης αρχές

Οι ομολογικές θεωρίες έχουν οριστεί για πολλά διαφορετικά αντικείμενα όπως οι τοπολογικοί χώροι, οι δεσμίδες, οι ομάδες, οι δακτύλιοι και η C*-άλγεβρα. Η μελέτη της μοντέρνας αλγεβρικής γεωμετρίας θα ήταν σχεδόν αδιανόητη χωρίς τις συνομολογιακές δεσμίδες.

Το κέντρο της ομολογικής άλγεβρας είναι η έννοια της ακριβής ακολουθία. Αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εκτελέσουν πραγματικούς υπολογισμούς. Ένα κλασικό εργαλείο της ομολογικής άλγεβρας είναι αυτό της παράγωγης συνάρτησης. Τα πιο βασικά παραδείγματα είναι οι Ext και Tor συναρτητές. Έχοντας μια ποικιλία εφαρμογών στο μυαλό θα ήταν φυσικό να προσπαθήσουμε να θέσουμε το όλο θέμα σε μία βάση. Υπήρξαν πολλές προσπάθειες προτού το όλο θέμα διευθετηθεί. Πάνω κάτω η ιστορία έχει ως εξής:

• Cartan-Eilenberg: Το 1956 στο βιβλίο τους “Homological Algebra” (ομολογική άλγεβρα) οι συγγραφείς αυτοί χρησιμοποίησαν τους όρους προβολικές (projective) και ενέσιμες (injective) πρότυπες αναλύσεις (module resolutions).
• Tohoku: Η προσέγγιση στο celebrated paper από τον Alexander Grothendieck η οποία εμφανιστηκε στην δεύτερη σειρά του βιβλίου Tohoku Mathematical Journal το 1957 χρησιμοποιώντας την έννοια της αβελιανής κατηγορίας (για να συμπεριλάβει τις δεσμίδες των αβελιανών ομάδων)
• Οι παράγωγες κατηγορίες των Grothendieck και Verdier. Αυτές οι κατηγορίες χρονολογούνται στις θέσεις του Verdier's το 1967. Αυτά είναι παραδείγματα των triangulated κατηγοριών που χρησιμοποιούνται σε πολλές μοντέρνες θεωριές.

Αυτές κινούνται από τον υπολογισμό στην γενικότητα.

Η υπολογιστική «βαριοπούλα» είναι κατεξοχήν η φασματική ακολουθία. Αυτή είναι σημαντική στις προσεγγίσεις των Cartan-Eilenberg και Tohoku όπου είναι απαραίτητες. Παραδείγματος χάρη, για να υπολογίσουν τις παράγωγες συναρτήσεις μιας σύνθεσης δύο συναρτήσεων. Οι φασματικές ακολουθίες είναι λιγότερο σημαντικές στην προσέγγιση της παράγωγης κατηγορίας αλλά παίζουν ρόλο οποτεδήποτε συγκεκριμένοι υπολογισμοί είναι απαραίτητοι.

Έχουν υπάρξει προσπάθειες στις μη-αντιμεταθετικές θεωρίες οι οποίες επεκτείνουν πρώτα την συνομολογία σαν tonsor (σημαντικά στην Galois συνομολογία)

Δημοσιεύσεις

• Henri Cartan, Samuel Eilenberg, Homological algebra. With an appendix by David A. Buchsbaum. Reprint of the 1956 original. Princeton Landmarks in Mathematics. Princeton University Press, Princeton, NJ, 1999. xvi+390 pp. (ISBN 0-691-04991-2)
• Grothendieck, Alexander (1957). «Sur quelques points d'algèbre homologique, I». Tohoku Mathematical Journal 9 (2): 119–221. doi:10.2748/tmj/1178244839. 
• Saunders Mac Lane, Homology. Reprint of the 1975 edition. Classics in Mathematics. Springer-Verlag, Berlin, 1995. x+422 pp. (ISBN 3-540-58662-8)
• Peter Hilton; Stammbach, U. A course in homological algebra. Second edition. Graduate Texts in Mathematics, 4. Springer-Verlag, New York, 1997. xii+364 pp. (ISBN 0-387-94823-6)
• Gelfand, Sergei I.; Yuri Manin, Methods of homological algebra. Translated from Russian 1988 edition. Second edition. Springer Monographs in Mathematics. Springer-Verlag, Berlin, 2003. xx+372 pp. (ISBN 3-540-43583-2)
• Gelfand, Sergei I.; Yuri Manin, Homological algebra. Translated from the 1989 Russian original by the authors. Reprint of the original English edition from the series Encyclopaedia of Mathematical Sciences (Algebra, V, Encyclopaedia Math. Sci., 38, Springer, Berlin, 1994). Springer-Verlag, Berlin, 1999. iv+222 pp. (ISBN 3-540-65378-3)

Παραπομπές

1. Connes, Alain· Consani, Caterina (7 Μαρτίου 2017). «Homological algebra in characteristic one». arXiv.org (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 9 Απριλίου 2024. 
2. «HISTORY OF HOMOLOGICAL ALGEBRA - Charles A. Weibel» (PDF). 
3. «1. Chain complexes and their homology» (PDF). 
4. «Homological Algebra». www.math.uni-hamburg.de. Ανακτήθηκε στις 9 Απριλίου 2024.