K -teorie - K-theory

V matematice je K-teorie zhruba řečeno studium prstence generovaného vektorovými svazky v topologickém prostoru nebo schématu . V algebraické topologii je to kohomologická teorie známá jako topologická K-teorie . V algebře a algebraické geometrii se označuje jako algebraická K-teorie . Je také základním nástrojem v oblasti operátorových algeber . Lze to považovat za studium určitých druhů invariantů velkých matic .

K-teorie zahrnuje konstrukci rodin K - funktorů, které mapují z topologických prostorů nebo schémat na přidružené prstence; tyto prsteny odrážejí některé aspekty struktury původních prostorů nebo schémat. Stejně jako u funktorů skupin v algebraické topologii je důvodem pro toto funktorové mapování to, že je snazší vypočítat některé topologické vlastnosti z namapovaných prstenů než z původních prostorů nebo schémat. Mezi příklady výsledků získaných z přístupu K-teorie patří Grothendieck – Riemann – Rochova věta , Bottova periodicita , Atiyah – Singerova věta o indexu a Adamsovy operace .

Ve fyzice vysokých energií se K-teorie a zejména zkroucená K-teorie objevila v teorii strun typu II, kde se předpokládalo, že klasifikují D-brany , intenzity pole Ramond – Ramond a také určité spinory na zobecněných komplexních varietách . Ve fyzice kondenzovaných látek byla K-teorie použita ke klasifikaci topologických izolátorů , supravodičů a stabilních Fermiho povrchů . Další informace viz K-teorie (fyzika) .

Dokončení Grothendieck

Grothendieckovo dokončení abelianského monoidu do abelianské skupiny je nezbytnou přísadou pro definici K-teorie, protože všechny definice začínají konstrukcí abelianského monoidu z vhodné kategorie a jeho přeměnou na abelianskou skupinu prostřednictvím této univerzální konstrukce. Vzhledem k tomu, abelian monoid ať vztah je definován

pokud existuje takový, že Pak má sada strukturu skupiny, kde:

Třídy ekvivalence v této skupině by měly být považovány za formální rozdíly prvků v abelianském monoidu. Tato skupina je také spojovat s monoid homomorfismu dané který má určitou univerzální vlastnost .

Abyste lépe porozuměli této skupině, zvažte některé třídy ekvivalence abelianského monoidu . Zde budeme označovat prvek identity by tak, že bude prvkem identity First, pro všechny, protože můžeme nastavit a použít rovnici ze vztahu ekvivalence, abychom získali To znamená

proto máme aditivní inverzní pro každý prvek v . To by nám mělo naznačit, že bychom měli uvažovat o třídách ekvivalence jako o formálních rozdílech. Dalším užitečným pozorováním je invariance tříd ekvivalence pod škálováním:

pro všechny

Na Grothendieckovo dokončení lze pohlížet jako na funktor a má tu vlastnost, že je ponechán přilehlý k odpovídajícímu zapomnětlivému funktoru. To znamená, že vzhledem k morfismu abelianského monoidu podkladovému abelianskému monoidu abelianské skupiny existuje jedinečná abelianská skupina morfismus

Příklad pro přirozená čísla

Ilustrativním příkladem je Grothendieckovo dokončení . Vidíme, že pro jakýkoli pár můžeme najít minimálního zástupce pomocí invariance pod škálováním. Například ze škálovací invariance vidíme, že

Obecně, pokud ano

který má formu nebo

To ukazuje, že bychom měli myslet na kladná celá čísla a na záporná celá čísla.

Definice

Existuje celá řada základních definic K-teorie: dvě pocházející z topologie a dvě z algebraické geometrie.

Skupina Grothendieck pro kompaktní prostory Hausdorff

Vzhledem k tomu, kompaktní Hausdorff prostor považují sada izomorfismu tříd konečný-rozměrné vektorové svazků a přes , označil a nechal izomorfismus třída vektoru svazku být označeny . Protože třídy izomorfismu vektorových svazků se chovají dobře s ohledem na přímé součty , můžeme tyto operace zapsat na třídy izomorfismu pomocí

Mělo by být jasné, že jde o abelianský monoid, kde je jednotka dána triviálním vektorovým svazkem . Poté můžeme použít Grothendieckovo dokončení a získat abelianskou skupinu z tohoto abelianského monoidu. Toto se nazývá K-teorie a označuje se .

Můžeme použít teorém Serre – Swan a nějakou algebru k získání alternativního popisu vektorových svazků přes kruh spojitých komplexních funkcí jako projektivních modulů . Pak je lze identifikovat pomocí idempotentních matic v nějakém kruhu matic . Můžeme definovat třídy ekvivalence idempotentních matic a vytvořit abelianský monoid . Také se nazývá jeho dokončení Grothendieck . Jedna z hlavních technik pro výpočet Grothendieckovy skupiny pro topologické prostory pochází ze spektrální sekvence Atiyah – Hirzebruch , díky níž je velmi přístupná. Jediné požadované výpočty pro pochopení spektrálních sekvencí jsou výpočet skupiny pro koule str. 51 - 110 .

Grothendieckova skupina vektorových svazků v algebraické geometrii

Analogická konstrukce existuje uvažováním vektorových svazků v algebraické geometrii . Pro noetherovských schématu je sada všech izomorfismu tříd algebraických vektorových svazků na . Pak, stejně jako dříve, je dobře definován přímý součet tříd izomorfismů vektorových svazků, což dává abelianský monoid . Poté je skupina Grothendieck definována aplikací konstrukce Grothendieck na tento abelianský monoid.

Grothendieckova skupina koherentních svazků v algebraické geometrii

V algebraické geometrii lze stejnou konstrukci použít na algebraické vektorové svazky přes plynulé schéma. Existuje ale alternativní konstrukce pro jakékoli noetherovské schéma . Podíváme-li se na třídy izomorfismu koherentních snopů, můžeme je upravit podle vztahu, pokud existuje krátká přesná sekvence

To dává Grothendieckovu skupinu, která je izomorfní, pokud je hladká. Skupina je zvláštní, protože existuje také prstencová struktura: definujeme ji jako

Pomocí věty Grothendieck – Riemann – Roch to máme

je izomorfismus prstenů. Proto můžeme použít pro teorii průniku .

Raná historie

Lze říci, že toto téma začíná Alexandrem Grothendieckem (1957), který jej použil k formulování své věty o Grothendieck-Riemann-Roch . Název je odvozen z německé klasse , což znamená „třída“. Grothendieck potřeboval práci s ucelených snopy na algebraické odrůdy X . Spíše než pracovat přímo s snopy, definoval skupinu pomocí tříd izomorfismu snopy jako generátorů skupiny, s výhradou vztahu, který identifikuje jakékoli rozšíření dvou snopů s jejich součtem. Výsledná skupina se nazývá K ( X ), když se používají pouze lokálně volné snopy , nebo G ( X ), když jsou všechny koherentní snopy. Každá z těchto dvou konstrukcí se označuje jako skupina Grothendieck ; K ( X ) má kohomologické chování a G ( X ) má homologické chování.

Pokud X je plynulá odrůda , jsou obě skupiny stejné. Pokud jde o hladkou afinní odrůdu , pak se všechna rozšíření lokálně volných snopů rozdělí, takže skupina má alternativní definici.

V topologii , použitím stejné konstrukce na vektorové svazky , definovali Michael Atiyah a Friedrich Hirzebruch K ( X ) pro topologický prostor X v roce 1959 a pomocí Bottovy věty o periodicitě z ní udělali základ mimořádné teorie cohomologie . To hrálo hlavní roli ve druhém důkazu věty o indexu Atiyah – Singer (kolem roku 1962). Dále tento přístup vedl k nekomutativní K-teorii pro C * -algebry .

Již v roce 1955 Jean-Pierre Serre použil analogii vektorových svazků s projektivními moduly k formulaci Serreho domněnky , která uvádí, že každý konečně generovaný projektivní modul přes polynomiální kruh je volný ; toto tvrzení je správné, ale bylo vyřešeno až o 20 let později. ( Swanova věta je dalším aspektem této analogie.)

Vývoj

Druhým historickým počátkem algebraické K-teorie byla práce JHC Whiteheada a dalších na tom, co se později stalo známé jako Whiteheadova torze .

Následovalo období, kdy existovaly různé dílčí definice funktorů vyšších K-teorií . Nakonec dal Daniel Quillen dvě užitečné a ekvivalentní definice pomocí teorie homotopy v letech 1969 a 1972. Variantu dal také Friedhelm Waldhausen , aby studoval algebraickou K-teorii prostorů, která souvisí se studiem pseudoizotopů . Hodně moderního výzkumu vyšší teorie K souvisí s algebraickou geometrií a studiem motivické kohomologie .

Odpovídající konstrukce zahrnující pomocnou kvadratickou formu dostaly obecný název L-theory . Je to hlavní nástroj teorie chirurgie .

V teorii strun byla poprvé navržena klasifikace K-teorie intenzit pole Ramond – Ramond a nábojů stabilních D-bran v roce 1997.

Příklady a vlastnosti

K 0 pole

Nejjednodušším příkladem skupiny Grothendieck je skupina Grothendieck bodu pro pole . Protože vektorový svazek nad tímto prostorem je jen konečný rozměrný vektorový prostor, který je volným objektem v kategorii koherentních svazků, tedy projektivní, odpovídá monoid tříd izomorfismu dimenzi vektorového prostoru. Je to snadné cvičení, které ukazuje, že skupina Grothendieck tedy je .

K 0 artiniánské algebry nad polem

Jednou z důležitých vlastností Grothendieckovy skupiny netherianského schématu je to, že je tedy při redukci neměnný . Grothendieckova skupina jakékoli Artinianovy algebry je tedy přímým součtem kopií , jedné pro každou připojenou složku jejího spektra. Například,

K 0 projektivního prostoru

Jedním z nejčastěji používaných výpočtů skupiny Grothendieck je výpočet pro projektivní prostor nad polem. Je to proto, že čísla průsečíků projektivu lze vypočítat vložením a použitím vzorce push push . To umožňuje provádět konkrétní výpočty s prvky, aniž byste museli od té doby výslovně znát jeho strukturu

Jedna technika pro stanovení grothendieck skupiny pochází z jeho stratifikace jako
protože grothendieckova skupina koherentních svazků na afinních prostorech je izomorfní a průsečík je obecně
pro .

K 0 projektivního svazku

Dalším důležitým vzorcem pro skupinu Grothendieck je vzorec projektivního svazku: vzhledem k vektorovému svazku hodnosti r přes noetherovské schéma je skupina Grothendieckova projektivního svazku volným modulem hodnosti r se základem . Tento vzorec umožňuje vypočítat Grothendieckovu skupinu . To umožňuje vypočítat povrchy Hirzebruch nebo Hirzebruch. Navíc to lze použít k výpočtu Grothendieckovy skupiny pozorováním, že se jedná o projektivní svazek nad polem .

K 0 singulárních prostorů a prostorů s izolovanými kvocientovými singularitami

Jedna nedávná technika pro výpočet Grothendieckovy skupiny prostorů s menšími singularitami pochází z vyhodnocení rozdílu mezi a , což vychází ze skutečnosti, že každý vektorový svazek lze ekvivalentně popsat jako koherentní svazek. To se provádí pomocí Grothendieckovy skupiny kategorie Singularity z odvozené nekomutativní algebraické geometrie . Poskytuje dlouhou přesnou sekvenci začínající na

kde vyšší termíny pocházejí z vyšší K-teorie . Všimněte si, že vektorové svazky v jednotném čísle jsou dány vektorovými svazky na hladkém místě . To umožňuje vypočítat Grothendieckovu skupinu na vážených projektivních prostorech, protože obvykle mají izolované kvocientové singularity. Zejména pokud tyto singularity mají izotropní skupiny, pak mapa
je injektivní a jádro je zničeno pro stranu 3 .

K 0 z hladké projektivní křivky

Pro hladkou projektivní křivku je Grothendieckova skupina

pro Picard skupiny o . Vyplývá to z
Brown-Gersten-Quillen spektrální sekvence pg 72 z algebraické K-teorie . Pro pravidelné schéma konečného typu nad polem existuje konvergentní spektrální sekvence
pro množinu kodimenzionálních bodů, což znamená množinu dílčích schémat dimenze a algebraické funkční pole dílčího schématu. Tato spektrální sekvence má vlastnost
pg 80
pro prsten Chow z , v podstatě dává výpočet . Všimněte si, že, protože nemá žádné codimension místům, pouze netriviální části spektrální sekvence jsou , proto
Filtrace coniveau pak může být použita k určení , jak požadované explicitní přímé součtu, protože poskytuje přesný sled
kde levá ruka je isomorfní s a pravá ruka je isomorfní s . Protože máme posloupnost abelianských skupin nad rozděleními, což dává izomorfismus. Všimněte si, že pokud je hladká projektivní křivka rodu nad , pak
Kromě toho lze výše uvedené techniky využívající odvozenou kategorii singularit pro izolované singularity rozšířit na izolované Cohen-Macaulayovy singularity, což dává techniky pro výpočet Grothendieckovy skupiny jakékoli singulární algebraické křivky. Je to proto, že redukce dává obecně hladkou křivku a všechny singularity jsou Cohen-Macaulay.

Aplikace

Virtuální balíčky

Jednou z užitečných aplikací skupiny Grothendieck je definování virtuálních vektorových svazků. Například pokud máme vložení hladkých mezer, pak existuje krátká přesná sekvence

kde je společný svazek v . Pokud máme singulární prostor vložený do hladkého prostoru , definujeme virtuální běžný svazek jako

Další užitečná aplikace virtuálních svazků je s definicí virtuálního tangenciálního svazku průsečíku mezer: Nechť jsou projektivní poddruhy hladké projektivní odrůdy. Poté můžeme definovat virtuální tečný svazek jejich průsečíku jako

Kontsevich používá tuto konstrukci v jednom ze svých příspěvků.

Chern postavy

Třídy Chern lze použít ke konstrukci homomorfismu prstenů od topologické K-teorie prostoru po (dokončení) jeho racionální kohomologie. U svazku řádků L je znak Chern ch definován

Obecněji řečeno, pokud jde o přímý součet svazků řádků, je u prvních tříd Chern znak Chern definován aditivně

Znak Chern je částečně užitečný, protože usnadňuje výpočet Chernovy třídy tenzorového produktu. Znak Chern se používá v teorému Hirzebruch – Riemann – Roch .

Equivariantní K-teorie

Equivariant algebraická K-teorie je algebraická K-teorie spojené do kategorie z equivariant souvislých kladek na algebraickém režimu s působením lineárního algebraické skupiny , přes Quillen je Q-konstrukce ; tedy podle definice

Zejména je skupina Grothendieck z . Teorie byla vyvinuta RW Thomasonem v 80. letech. Konkrétně prokázal ekvivariantní analogie základních vět, jako je věta o lokalizaci.

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy