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3.2. Kompakte Träger | Arbeitsgruppe Geometrie und Topologie

3.2. Kompakte Träger

In diesem Abschnitt wird Kohomologie mit kompakten Trägern als ein Kolimes über Kompakta konstruiert. Dazu beginnen wir mit einer kategoriellen Beschreibung der Begriffe Limes und Kolimes.

Es bezeichne $J$ eine Kategorie, die wir im Folgenden als Index-Kategorie betrachten wollen. Ist $$F\colon J\to CAT$$ ein (kovarianter) Funktor, so beschreiben die Morphismen $F(\phi)\colon F(j)\to F(j')$ für $\phi\in Mor_J(j,j')$ die Pfeile in einem kommutierenden Diagramm von Objekten und Morphismen in $CAT$. Die Kategorie $J$ bestimmt die Gestalt des Diagramms. Ist $G\colon J\to CAT$ ein weiteres Diagramm derselben Gestalt in $CAT$, so beschreibt eine natürliche Transformation $\tau\colon F\to G$ eine Abbildung zwischen zwei Diagrammen der durch $J$ beschriebenen Gestalt. Explizit ordnet $\tau$ jedem Index $j\in J$ einen Morphismus $\tau_j\colon F(j)\to G(j) $ derart zu, dass für jedes $\phi\in Mor_J(j,j')$ das Diagramm $$\begin{matrix} F(j)&\xrightarrow{F(\phi)}&F(j')\\
{\scriptstyle\tau_j}\downarrow\phantom{tau_j}&&\phantom{tau_j}\downarrow{\scriptstyle\tau_{j'}}\\
G(j)&\xrightarrow[G(\phi)]{}&G(j')
\end{matrix}$$ kommutiert.

Als einfaches Beispiel betrachten wir die Kategorie $P$ mit Objektmenge $\{a,b,c\}$, welche neben den Morphismen $\mathrm{id}_a,\mathrm{id}_b ,\mathrm{id}_c$ noch zwei weitere Morphismen der Gestalt $$b\xleftarrow{\beta} a\xrightarrow{\gamma} c$$ besitzt. Ein Funktor $F\colon P\to CAT$ beschreibt also ein Diagramm der Form $$F(b)\xleftarrow{F(\beta)} F(a)\xrightarrow{F(\gamma)} F(c)$$ in der Kategorie $CAT$ und eine natürliche Transformation $\tau\colon F\to G$ ist ein kommutierendes Diagramm der Form $$\begin{matrix}
F(b)&\xleftarrow{F(\beta)}& F(a)&\xrightarrow{F(\gamma)}& F(c)\\
\tau_b\downarrow\phantom{tau_j}&&\tau_a\downarrow\phantom{tau_j}&&\tau_c\downarrow\phantom{tau_j}\\
G(b)&\xleftarrow[G(\beta)]{}& G(a)&\xrightarrow[G(\gamma)]{}& G(c).\end{matrix}$$

Für ein Objekt $M\in CAT$ können wir das konstante Diagramm $\kappa_M\colon J\to CAT$ betrachten mit $$\kappa_M(j)=M \text{ für } j\in Obj(J), \text{ und }\kappa_M(\phi)=\mathrm{id}_M\text{ für }\phi\in Mor_J(j,j').$$ Ist $F\colon J\to CAT$ ein Diagramm in $CAT$, so lassen sich natürliche Transformationen $\sigma\colon \kappa_M\to F$ oder $\tau\colon G\to \kappa_M$ durch die Morphismen $\sigma_j\colon M\to F(j)$ oder $\tau_j\colon G(j)\to M$ beschreiben, so dass für $\phi\in Mor_J(j,j')$ jeweils die Relationen $\sigma_{j'}=F(\phi)\circ\sigma_j$, beziehungsweise $\tau_j=\tau_{j'}\circ G(\phi)$, erfüllt sind.

Im Falle $CAT=P$ können wir derartige natürliche Transformationen von oder zu konstanten Diagrammen je nach Geschmack durch kommutierende Diagramme der Art $$\begin{matrix}
M&=& M&=& M\\
\sigma_b\downarrow\phantom{tau_j}&&\sigma_{a}\downarrow\phantom{tau_j}&&\sigma_{c}\downarrow\phantom{tau_j}\\
F(b)&\xleftarrow[F(\beta)]{}& F(a)&\xrightarrow[F(\gamma)]{}&F(c)\end{matrix}\text{ oder kurz }\quad \begin{matrix}&&F(b)\\&\nearrow&\\
M\xrightarrow{\sigma_a}F(a)&&\\&\searrow&\\&&F(c)\end{matrix}$$ beziehungsweise $$\begin{matrix}
G(b)&\xleftarrow{G(\beta)}& G(a)&\xrightarrow{G(\gamma)}& G(c)\\
\tau_b\downarrow\phantom{tau_j}&&\tau_{a}\downarrow\phantom{tau_j}&&\tau_{c}\downarrow\phantom{tau_j}\\
M&=& M&=& M\end{matrix}\text{ oder kurz }\quad \begin{matrix}G(a)&\xrightarrow{G\beta}&G(b)\\
{\scriptstyle G(\gamma)}\downarrow\phantom{G(a)}&&\phantom{\tau_b}\downarrow{\scriptstyle\tau_b}\\G(c)&\xrightarrow[\tau_c]{} &M\end{matrix}$$ darstellen.

3.2.1. Definition. Es sei $J$ eine Diagramm-Kategorie und $F\colon J\to CAT$ ein Diagramm in einer Kategorie. Ein Limes $\lim_JF$ ist ein Objekt in $CAT$, zusammen mit einer natürlichen Transformation $$\tau\colon \kappa_{\lim_JF}\to F,$$ welche universell im folgenden Sinne ist: Ist $\sigma\colon \kappa_M\to F$ eine natürliche Transformation für ein $M\in CAT$, so existiert ein eindeutig bestimmter Morphismus $\rho\colon M\to \lim_JF$ mit $\sigma=\tau\circ\kappa_{\rho}$.

3.2.2. Beispiele.

  • Das Pullback eines Diagramms $$\begin{matrix} &&F(b)\\ &&\phantom{\beta}\downarrow{\scriptstyle F(\beta)}\\ F(c)&\xrightarrow[F(\gamma)]{}&F(a)\end{matrix}$$ in $CAT$ ist ein Limes $\lim_{P^{opp}}F$ des Funktors $F\colon P^{opp}\to CAT$.
  • Das Produkt $\prod_{j\in J}F(j)$ über eine Indexmenge $J$ von Objekten $F(j)$ in der Kategorie $CAT$ ist ein Limes eines Funktors $F\colon J\to CAT$, wobei die Index-Kategorie $J$ nur identische Abbildungen als Morphismen besitzt.

3.2.3. Definition. Es sei $F\colon J\to CAT$ ein Diagramm der Gestalt $J$ in der Kategorie $CAT$. Ein Kolimes $\mathrm{colim}_JF$ ist ein Objekt in $CAT$, zusammen mit einer natürlichen Transformation $$\tau\colon F\to \kappa_{\mathrm{colim}_JF},$$ welche universell im folgenden Sinne ist: Ist $\sigma\colon F\to\kappa_M$ eine natürliche Transformation für ein $M\in CAT$, so existiert ein eindeutig bestimmter Morphismus $\rho\colon \mathrm{colim}_JF\to M$ mit $\sigma=\kappa_{\rho}\circ \tau$.

3.2.4. Beispiele.

  • Das Pushforward eines Diagramms $$\begin{matrix} F(a)&\xrightarrow{F(\beta)}&F(b)\\ {\scriptstyle F(\gamma)}\downarrow\phantom{\beta}&&\\ F(c)&&\end{matrix}$$ in $CAT$ ist ein Kolimes $\mathrm{colim}_{P}F$ des Funktors $F\colon P\to CAT$.
  • Das Koprodukt $\coprod_{j\in J}F(j)$ über eine Indexmenge $J$ von Objekten $F(j)$ in der Kategorie $CAT$ ist ein Kolimes eines Funktors $F\colon J\to CAT$, wobei die Index-Kategorie $J$ nur identische Abbildungen als Morphismen besitzt.

3.2.5. Bemerkungen.

  1. Limites und Kolimites, so sie existieren, sind eindeutig bis auf eindeutig bestimmte Isomorphie.
  2. Ist $J$ eine kleine Kategorie, so existieren Limites und Kolimites für Funktoren mit Werten in den Kategorien $SETS$ und $R-MOD$. Ist $F$ ein solcher Funktor, so lässt sich der Limes als Unterobjekt des direkten Produktes $$\lim_JF=\left\{(f_j)_{j\in J}\in \prod_{j\in J}F(j)\,\middle|\, \forall \rho\in Mor_J(j,j'): f_{j'}=F(\rho)f_j\right\}$$ explizit beschreiben, und der Kolimes als Quotient des Koproduktes $$\mathrm{colim}_JF=\left(\coprod_{j\in J}F(j)\right)\Big/\sim$$ modulo der durch $f_{j'} \sim F(\rho)f_j$ für $\rho\in Mor_J(j,j')$ erzeugten Äquivalenzrelation $\sim$.

Die beiden folgenden Spezialfälle sind von Bedeutung:

3.2.6. Definition. Eine kleine Index-Kategorie $J$ heißt ein direkt gerichtetes System, wenn gilt:

  • Die Morphismenmengen $Mor_J(j,j')$ enthalten höchstens ein Element.
  • Gibt es Elemente in $Mor_J(j,j')$ und in $Mor_J(j',j)$, so gilt $j=j'$.
  • Zu je zwei $j,j'\in Obj(J)$ existiert ein $j''\in Obj(J)$ mit $Mor_J(j,j'')\not=\emptyset$ und $Mor_J(j',j'')\not=\emptyset$.

Eine Index-Kategorie $I$ heißt invers gerichtetes System, wenn $I^{opp}$ ein direkt gerichtetes System ist.

3.2.7. Definition. Ist $J$ ein direkt gerichtetes System und $F\colon J\to CAT$ ein Funktor, so nennt man den Kolimes auch direkten Limes über $J$ und schreibt $$\lim_{\stackrel{\longrightarrow}{J}}F :=\mathrm{colim}_JF.$$ Ist $I$ ein invers gerichtetes System und $G\colon I\to CAT$ ein Funktor, so nennt man den Limes über $I$ auch inversen Limes, im Zeichen $$\lim_{\stackrel{\longleftarrow}{I}}F:=\lim_{I}F.$$

Das für uns im Folgenden relevante direkt gerichtete System ist die Kategorie $\mathcal K(M)$ der kompakten Teilmengen einer Mannigfaltigkeit $M$, mit den Inklusionen als Morphismen. Es sei $R$ ein kommutativer Ring.

3.2.8. Definition. Eine singuläre Kokette $c\in C^i(M)=C^i_{sing}(M;R)$ hat kompakten Träger, wenn es ein Kompaktum $K\subset M$ gibt, so dass $c$ im Bild der Inklusion $C^i(M,M\setminus K)\subset C^i(M)$ liegt. Das heißt, es gilt $c(\sigma)=0$ für jedes singuläre Simplex $\sigma\colon \Delta_i\to M\setminus K$.

Die Koketten mit kompakten Träger bilden einen Unterkomplex $$C^i_{comp}(M)\subset C^i(M).$$ Die zugehörige Kohomologie $H^i_{comp}(M)$ wird singuläre Kohomologie von $M$ mit kompakten Trägern (und Koeffizienten $R$) genannt.

3.2.9. Homologie vertauscht mit direktem Limes. Ist $J$ ein direkt gerichtetes System und $C\colon J\to R-CHAIN$ ein Funktor in die Kategorie von Kettenkomplexen in $R-MOD$, so gilt $$\mathrm{colim}_J H(C(j)) =H\left( \mathrm{colim}_J C(j)\right).$$

Wegen $C^*_{comp}(M)=\mathrm{colim_{K\in \mathcal K(M)}}C^*(M,M\setminus K)$ erhalten wir als Folgerung:

3.2.10. Korollar. $$H^i_{comp}(M)=\lim_{\stackrel{\longrightarrow}{K\in\mathcal K(M)}}H^i(M,M\setminus K).$$

Beweis von 3.2.9. Ist $c\in \mathrm{colim}_J C$, so existiert ein $c_j\in C(j)$ mit $\tau_j(c_j)=c$. Ist $\partial c=\tau_j(\partial c_j)=0$, so existiert ein $\phi\colon j\to j'$ mit $\phi(\partial c_j)=\partial\phi(c_j)=0$ in $C(j')$. Somit ist $c_{j'}=\phi c_j\in \ker\partial$ und folglich $[c]=H(\tau_{j'})[c_{j'}]$. Insbesondere ist die universelle Abbildung $$\mathrm{colim}_JH(C(j))\xrightarrow{\rho_H}H\left(\mathrm{colim}_JC(j)\right)$$ surjektiv. Zum Nachweis der Injektivität sei ein $[c]\in \mathrm{colim}_JH(C(j))$ $[c]$ gegeben, welche durch $\rho_H$ auf Null abgebildet wird. Es gibt ein $[c_j]\in H\left(C(j)\right)$, repräsentiert durch einen Zykel $c_j\in C(j)$. Wegen $\rho_H\left([c]\right)=0$ gibt es ein $b\in \mathrm{colim}_JC$ mit $\partial b=\tau_j c_j$ und folglich ein $b_{j'}\in C(j')$ für ein $j'\in J$ mit $\tau_{j'}b_{j'}=b$. Da wir es mit einem gerichteten System zu tun haben, gibt es ein $j''$ und Morphismen $\phi_j\colon j\to j''$, sowie $\phi_{j'}\colon j'\to j''$ und folglich das Element $$a_{j''}:=\phi_jc_j - \phi_{j'}\partial b_{j'}= \phi_jc_j -\partial \phi_{j'}b_{j'}\in C(j'').$$ Wegen $\tau_{j''}(a_{j''})=0$ gibt es einen Morphismus $\phi_{j''}\colon j''\to j'''$ mit $\phi_{j''}(a_{j''})=0$. Folglich gibt es ein $[c]$ repräsentierendes Element in $C(j''')$, dessen Homologieklasse in $H(C(j'''))$ verschwindet. Somit gilt $[c]=0\in \mathrm{colim}_JH(C(j))$.
qed

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