stringtranslate.com

К-теория

В математике K-теория , грубо говоря, является изучением кольца, порожденного векторными расслоениями над топологическим пространством или схемой . В алгебраической топологии это теория когомологий , известная как топологическая K-теория . В алгебре и алгебраической геометрии она называется алгебраической K-теорией . Она также является фундаментальным инструментом в области операторных алгебр . Ее можно рассматривать как изучение определенных видов инвариантов больших матриц . [1]

K-теория включает в себя построение семейств K - функторов , которые отображают топологические пространства или схемы, или, если говорить еще более общо: любой объект гомотопической категории в ассоциированные кольца; эти кольца отражают некоторые аспекты структуры исходных пространств или схем. Как и в случае с функторами в группы в алгебраической топологии, причина этого функториального отображения заключается в том, что легче вычислить некоторые топологические свойства из отображенных колец, чем из исходных пространств или схем. Примерами результатов, полученных с помощью подхода K-теории, являются теорема Гротендика–Римана–Роха , периодичность Ботта , теорема Атьи–Зингера об индексе и операции Адамса .

В физике высоких энергий К-теория и, в частности, скрученная К-теория появились в теории струн типа II, где было высказано предположение, что они классифицируют D-браны , напряженности поля Рамона–Рамонда , а также некоторые спиноры на обобщенных комплексных многообразиях . В физике конденсированного состояния К-теория использовалась для классификации топологических изоляторов , сверхпроводников и стабильных поверхностей Ферми . Более подробную информацию см. в разделе К-теория (физика) .

завершение Гротендика

Пополнение Гротендика абелева моноида в абелеву группу является необходимым ингредиентом для определения K-теории, поскольку все определения начинаются с построения абелева моноида из подходящей категории и превращения его в абелеву группу посредством этой универсальной конструкции. Для данного абелева моноида пусть будет отношением на , определяемым формулой

если существует такое, что Тогда множество имеет структуру группы , где:

Классы эквивалентности в этой группе следует рассматривать как формальные разности элементов в абелевом моноиде. Эта группа также связана с гомоморфизмом моноида, заданным с помощью , который обладает некоторым универсальным свойством .

Чтобы лучше понять эту группу, рассмотрим некоторые классы эквивалентности абелева моноида . Здесь мы обозначим единичный элемент через , так что будет единичным элементом First, для любого , так как мы можем установить и применить уравнение из отношения эквивалентности, чтобы получить Это подразумевает

следовательно, у нас есть аддитивная инверсия для каждого элемента в . Это должно дать нам намек на то, что мы должны думать о классах эквивалентности как о формальных различиях. Другое полезное наблюдение — инвариантность классов эквивалентности при масштабировании:

для любого

Пополнение Гротендика можно рассматривать как функтор , и оно обладает тем свойством, что оно является левым сопряженным к соответствующему забывающему функтору. Это означает, что для заданного морфизма абелева моноида в базовый абелев моноид абелевой группы существует единственный морфизм абелевой группы.

Пример для натуральных чисел

Наглядным примером для рассмотрения является дополнение Гротендика . Мы можем видеть, что Для любой пары мы можем найти минимального представителя , используя инвариантность относительно масштабирования. Например, мы можем видеть из инвариантности относительно масштабирования, что

В общем, если тогда

который имеет форму или

Это показывает, что мы должны рассматривать как положительные целые числа, а как отрицательные целые числа.

Определения

Существует ряд основных определений К-теории: два из топологии и два из алгебраической геометрии.

Группа Гротендика для компактных хаусдорфовых пространств

Для компактного хаусдорфова пространства рассмотрим множество классов изоморфизма конечномерных векторных расслоений над , обозначаемое и пусть класс изоморфизма векторного расслоения обозначается . Поскольку классы изоморфизма векторных расслоений хорошо ведут себя относительно прямых сумм , мы можем записать эти операции над классами изоморфизма следующим образом:

Должно быть ясно, что — абелев моноид, где единица задается тривиальным векторным расслоением . Затем мы можем применить пополнение Гротендика, чтобы получить абелеву группу из этого абелева моноида. Это называется K-теорией и обозначается .

Мы можем использовать теорему Серра–Свана и некоторую алгебру, чтобы получить альтернативное описание векторных расслоений над кольцом непрерывных комплекснозначных функций как проективных модулей . Затем их можно отождествить с идемпотентными матрицами в некотором кольце матриц . Мы можем определить классы эквивалентности идемпотентных матриц и образовать абелев моноид . Его пополнение Гротендика также называется . Один из основных методов вычисления группы Гротендика для топологических пространств исходит из спектральной последовательности Атьи–Хирцебруха , что делает ее очень доступной. Единственными требуемыми вычислениями для понимания спектральных последовательностей являются вычисления группы для сфер . [2] стр. 51–110

Группа Гротендика векторных расслоений в алгебраической геометрии

Аналогичная конструкция существует при рассмотрении векторных расслоений в алгебраической геометрии . Для нётеровой схемы существует множество всех классов изоморфизма алгебраических векторных расслоений на . Тогда, как и прежде, прямая сумма классов изоморфизма векторных расслоений корректно определена, давая абелев моноид . Тогда группа Гротендика определяется применением конструкции Гротендика на этом абелевом моноиде.

Группа Гротендика когерентных пучков в алгебраической геометрии

В алгебраической геометрии та же конструкция может быть применена к алгебраическим векторным расслоениям над гладкой схемой. Но есть альтернативная конструкция для любой нётеровой схемы . Если мы посмотрим на классы изоморфизма когерентных пучков, мы можем модифицировать по отношению, если есть короткая точная последовательность

Это дает группу Гротендика , которая изоморфна , если является гладкой. Группа является специальной, поскольку также имеет кольцевую структуру: мы определяем ее как

Используя теорему Гротендика–Римана–Роха , имеем, что

является изоморфизмом колец. Следовательно, мы можем использовать для теории пересечений . [3]

Ранняя история

Можно сказать, что предмет начался с Александра Гротендика (1957), который использовал его для формулировки своей теоремы Гротендика–Римана–Роха . Свое название он получил от немецкого слова Klasse , что означает «класс». [4] Гротендику нужно было работать с когерентными пучками на алгебраическом многообразии X. Вместо того чтобы работать непосредственно с пучками, он определил группу, используя классы изоморфизма пучков в качестве генераторов группы, подчиняющихся отношению, которое отождествляет любое расширение двух пучков с их суммой. Полученная группа называется K ( X ), когда используются только локально свободные пучки , или G ( X ), когда все являются когерентными пучками. Любая из этих двух конструкций называется группой Гротендика ; K ( X ) имеет когомологическое поведение, а G ( X ) имеет гомологическое поведение.

Если Xгладкое многообразие , то эти две группы совпадают. Если это гладкое аффинное многообразие , то все расширения локально свободных пучков расщепляются, поэтому группа имеет альтернативное определение.

В топологии , применяя ту же конструкцию к векторным расслоениям , Майкл Атья и Фридрих Хирцебрух определили K ( X ) для топологического пространства X в 1959 году и, используя теорему о периодичности Ботта, сделали его основой необычной теории когомологий . Он сыграл важную роль во втором доказательстве теоремы Атьи–Зингера об индексе (около 1962 года). Кроме того, этот подход привел к некоммутативной K-теории для C*-алгебр .

Уже в 1955 году Жан-Пьер Серр использовал аналогию векторных расслоений с проективными модулями для формулировки гипотезы Серра , которая утверждает, что каждый конечно порождённый проективный модуль над полиномиальным кольцом свободен ; это утверждение верно, но было доказано лишь 20 лет спустя. ( Теорема Суона является ещё одним аспектом этой аналогии.)

Разработки

Другим историческим источником алгебраической К-теории была работа Дж. Х. К. Уайтхеда и других по тому, что позже стало известно как кручение Уайтхеда .

Затем последовал период, в котором появились различные частичные определения функторов высшей K-теории . Наконец, два полезных и эквивалентных определения были даны Дэниелом Квилленом с использованием теории гомотопий в 1969 и 1972 годах. Вариант был также дан Фридхельмом Вальдхаузеном для изучения алгебраической K-теории пространств, которая связана с изучением псевдоизотопий. Многие современные исследования высшей K-теории связаны с алгебраической геометрией и изучением мотивных когомологий .

Соответствующие построения с участием вспомогательной квадратичной формы получили общее название L-теории . Она является важнейшим инструментом теории хирургии .

В теории струн классификация напряженностей полей Рамона–Рамонда и зарядов стабильных D-бран по К-теории была впервые предложена в 1997 году. [5]

Примеры и свойства

К0поля

Самый простой пример группы Гротендика — это группа Гротендика точки для поля . Поскольку векторное расслоение над этим пространством — это просто конечномерное векторное пространство, которое является свободным объектом в категории когерентных пучков, следовательно, проективным, моноид классов изоморфизма соответствует размерности векторного пространства. Легко показать, что тогда группа Гротендика — это .

К0артиновой алгебры над полем

Одним из важных свойств группы Гротендика нётеровой схемы является то, что она инвариантна относительно редукции, следовательно . [6] Следовательно, группа Гротендика любой артиновой -алгебры является прямой суммой копий , по одной для каждой связной компоненты её спектра. Например,

К0проективного пространства

Одним из наиболее часто используемых вычислений группы Гротендика является вычисление для проективного пространства над полем. Это связано с тем, что числа пересечений проективного могут быть вычислены путем вложения и использования формулы push pull . Это позволяет выполнять конкретные вычисления с элементами в без необходимости явно знать его структуру, поскольку [7] Один из методов определения группы Гротендика исходит из ее стратификации, поскольку поскольку группа Гротендика когерентных пучков на аффинных пространствах изоморфна , а пересечение в общем случае является для .

К0проективного расслоения

Другой важной формулой для группы Гротендика является формула проективного расслоения: [8] если задано векторное расслоение ранга r над нётеровой схемой , группа Гротендика проективного расслоения является свободным -модулем ранга r с базисом . Эта формула позволяет вычислить группу Гротендика . Это делает возможным вычисление или поверхностей Хирцебруха. Кроме того, это можно использовать для вычисления группы Гротендика, наблюдая, что она является проективным расслоением над полем .

К0сингулярных пространств и пространств с изолированными факторсингулярностями

Один из последних методов вычисления группы Гротендика пространств с малыми особенностями исходит из оценки разницы между и , что вытекает из того факта, что каждое векторное расслоение может быть эквивалентно описано как когерентный пучок. Это делается с использованием группы Гротендика категории сингулярности [9] [10] из выведенной некоммутативной алгебраической геометрии . Это дает длинную точную последовательность, начинающуюся с , где высшие члены берутся из высшей K-теории . Обратите внимание, что векторные расслоения на сингулярном задаются векторными расслоениями на гладком локусе . Это позволяет вычислить группу Гротендика на взвешенных проективных пространствах, поскольку они обычно имеют изолированные факторсингулярности. В частности, если эти сингулярности имеют группы изотропии, то отображение инъективно, а коядро аннулируется для . [ 10] стр. 3

К0гладкой проективной кривой

Для гладкой проективной кривой группа Гротендика является для группы Пикара из . Это следует из спектральной последовательности Брауна-Герстена-Квиллена [11] стр. 72 алгебраической K-теории . Для регулярной схемы конечного типа над полем существует сходящаяся спектральная последовательность для множества точек коразмерности, то есть множества подсхем коразмерности , и алгебраического функционального поля подсхемы. Эта спектральная последовательность обладает свойством [11] стр. 80 для кольца Чжоу из , по сути, давая вычисление . Обратите внимание, что поскольку не имеет точек коразмерности , единственными нетривиальными частями спектральной последовательности являются , следовательно Фильтрация Кониво затем может быть использована для определения как искомой явной прямой суммы, поскольку она дает точную последовательность , где левый член изоморфен , а правый член изоморфен . Так как , у нас есть последовательность абелевых групп над расщеплениями, дающая изоморфизм. Обратите внимание, что если — гладкая проективная кривая рода над , то Более того, описанные выше методы, использующие производную категорию особенностей для изолированных особенностей, можно распространить на изолированные особенности Коэна-Маколея , что дает методы вычисления группы Гротендика любой особой алгебраической кривой. Это происходит потому, что редукция дает гладкую кривую в общем виде, а все особенности являются особенностями Коэна-Маколея.

Приложения

Виртуальные пакеты

Одним из полезных приложений группы Гротендика является определение виртуальных векторных расслоений. Например, если у нас есть вложение гладких пространств, то существует короткая точная последовательность

где — конормальное расслоение в . Если у нас есть сингулярное пространство, вложенное в гладкое пространство, мы определяем виртуальное конормальное расслоение как

Другое полезное применение виртуальных расслоений связано с определением виртуального касательного расслоения пересечения пространств: Пусть — проективные подмногообразия гладкого проективного многообразия. Тогда мы можем определить виртуальное касательное расслоение их пересечения как

Концевич использует эту конструкцию в одной из своих работ. [12]

Персонажи Черна

Классы Черна могут быть использованы для построения гомоморфизма колец из топологической K-теории пространства в (пополнение) его рациональных когомологий. Для линейного расслоения L характер Черна ch определяется как

В более общем случае, если — прямая сумма линейных расслоений с первыми классами Черна, то характер Черна определяется аддитивно.

Характер Черна полезен отчасти потому, что он облегчает вычисление класса Черна тензорного произведения. Характер Черна используется в теореме Хирцебруха–Римана–Роха .

Эквивариантная К-теория

Эквивариантная алгебраическая K-теория — это алгебраическая K-теория, связанная с категорией эквивариантных когерентных пучков на алгебраической схеме с действием линейной алгебраической группы посредством Q-конструкции Квиллена ; таким образом, по определению,

В частности, является группой Гротендика . Теория была разработана Р. В. Томасоном в 1980-х годах. [13] В частности, он доказал эквивариантные аналоги фундаментальных теорем, таких как теорема о локализации.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Атья, Майкл (2000). «Прошлое и настоящее теории К». arXiv : math/0012213 .
  2. ^ Парк, Эфтон. (2008). Комплексная топологическая K-теория. Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-0-511-38869-9. OCLC  227161674.
  3. ^ Гротендик. «SGA 6 - Формализм пересечений собственных алгебраических схем».
  4. ^ Каруби, 2006
  5. ^ Рубен Минасян (http://string.lpthe.jussieu.fr/members.pl?key=7) и Грегори Мур в K-теории и заряде Рамона–Рамонда.
  6. ^ "Группа Гротендика для проективного пространства над дуальными числами". mathoverflow.net . Получено 2017-04-16 .
  7. ^ "kt.k теория и гомологии - группа Гротендика для проективного пространства над дуальными числами". MathOverflow . Получено 20.10.2020 .
  8. ^ Манин, Юрий I (1 января 1969). «Лекции о К-функторе в алгебраической геометрии». Российские математические обзоры . 24 (5): 1–89. Бибкод :1969РуМаС..24....1М. дои : 10.1070/rm1969v024n05abeh001357. ISSN  0036-0279.
  9. ^ "ag.algebraic geometry - Является ли алгебраическая группа Гротендика взвешенного проективного пространства конечно порожденной?". MathOverflow . Получено 20.10.2020 .
  10. ^ ab Павич, Небойша; Шиндер, Евгений (2021). «K-теория и категория сингулярности факторсингулярностей». Annals of K-Theory . 6 (3): 381–424. arXiv : 1809.10919 . doi : 10.2140/akt.2021.6.381. S2CID  85502709.
  11. ^ ab Шринивас, В. (1991). Алгебраическая K-теория. Бостон: Birkhäuser. ISBN 978-1-4899-6735-0. OCLC  624583210.
  12. ^ Концевич, Максим (1995), «Перечисление рациональных кривых с помощью действий тора», The moduli space of curves (Texel Island, 1994) , Progress in Mathematics, т. 129, Бостон, Массачусетс: Birkhäuser Boston, стр. 335–368, arXiv : hep-th/9405035 , MR  1363062
  13. ^ Чарльз А. Вайбель, Роберт В. Томасон (1952–1995).

Ссылки

Внешние ссылки