Dihedral homologi på skjemaer og étale descent av Arthur Mårtensson MASTEROPPGAVE for graden Master i Matematikk (Master of Science) Det matematisk- naturvitenskapelige fakultet Universitetet i Oslo November 2012 Faculty of Mathematics and Natural Sciences University of Oslo Sammendrag Formålet med denne teksten er å innføre nødvendig teori og utvide definisjonen av dihedral homologi av en k-algebra A til å gjelde generelle skjemaer over k, tilsvarende det Weibel har gjort for syklisk homologi. Geller-Weibels om étale descent for syklisk homologi tilpasses også til dihedral homologi. Innledning I første kapittel kommer jeg med de algebraiske definisjonene som er nødven- dige. Jeg begynner med å gjengi Hochschild-homologi og syklisk homologi for en algebra A etter Loday [Lod], og følger opp med dihedral homologi. Etter et avsnitt om spektralsekvenser fra [Wei] gjengir jeg resultatet on étale descent for syklisk homologi fra Geller-Weibel ([GW]) og viser at det samme holder for dihedral homologi. Ikapittel2innførerjegdenskjemateoriensomtrengsforkapittel3og4.De første to avsnittene er hentet fra Hartshorne ([Hart, II.1-2]). Avsnittet om étale avbildninger er fra Milne ([Mil, I.2-3]). Kohomologiteorien til slutt er hentet fra Weibel ([Wei, 5.7]) og Hartshorne. Kapittel3startermedgjengivelseavnoenavdefinisjonenei[W],førjegdefi- nerer dihedral homologi HD (X),HD(cid:48)(X) for et vilkårlig skjema X, og beviser ∗ ∗ følgende teorem. Teorem 0.1. Dersom X =SpecA er et affint skjema, har vi en isomorfi: HD (X)≈HD (A) ∗ ∗ og tilsvarende for HD(cid:48)(X). ∗ Tilsluttharjegetlitekapittelhvormåleteråtilpassenoenavresultatenei [GW,§4]tildihedralhomologi.Geller-Weibelbrukerdettetilåbevisealgebraisk étaledescentforsykliskhomologi.Herbrukerjegdettilågietalternativtbevis avétaledescent,medindirektebrukavGeller-Weibelsresultathellerenndirekte som i kapittel 1. 1 Dihedral homologi Stående antagelser Idettekapitteletjobbervioverenunital,kommutativgrunnringk.k-algebraer er unitale med mindre annet er spesifisert, og med unntak av avsnitt 1.1 og 1.2 skal k-algebraer også være kommutative. Vi setter ⊗=⊗ . k 1.1 Hochschild- og syklisk homologi Gitt en k-algebra A, består Hochschild-komplekset av A-moduler C (A) = n A⊗n+1 hvor A⊗n+1 betyr A⊗...⊗A, med n+1 faktorer. Definisjon (Hochschild-kantavbildningen). Kantavbildningen b i Hochschild- komplekset C (A): ···→−b C (A)→−b ···→−b C (A)→−b C (A)→0 (1) ∗ n 1 0 2 er definert som n−1 (cid:88) b(a ,a ,...,a )= (−1)i(a ,a ,...,a a ,...a ) 0 1 n 0 1 i i+1 n i=0 +(−1)n(a a ,a ,...,a ) n 0 1 n Deterhensiktsmessigådeleoppbideleddenesomdukkeroppidefinisjonen over, slik: d (a ,a ,...,a )=(a ,a ,...,a a ,...a ) 0≤i<n i 0 1 n 0 1 i i+1 n d (a ,a ,...,a )=(a a ,a ,...,a ) n 0 1 n n 0 1 n Vi har da at b=(cid:80)n (−1)id . i=0 i I og med at b◦b = 0, kan vi ta homologi på komplekset, og vi får følgende definisjon: Definisjon (Hochschild-homologi). Hochschild-homologien til A, HH (A), er ∗ definert som homologien på kjedekomplekset (1). Definisjon. Om man bytter ut b med b(cid:48) =(cid:80)n−1(−1)id (legg merke til indek- i=0 i sen) i Hochschild-komplekset, får man barkomplekset Cbar(A). ∗ Avbildningen s:Cbar(A)→Cbar (A) gitt ved n n+1 s(a ,a ,...,a )=(1,a ,a ,...,a ), 0 1 n 0 1 n erensammentrekningshomotopiforbarkomplekset[Lod,1.1.12].Barkomplekset er dermed asyklisk. Definisjon (Dobbeltkompleks). Et (første kvadrants) dobbeltkompleks C er ∗∗ gitt ved et diagram ... ... ... ... (cid:121)dv (cid:121)dv (cid:121)dv C ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− ··· 02 12 22 (cid:121)dv (cid:121)dv (cid:121)dv C ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− ··· 01 11 21 (cid:121)dv (cid:121)dv (cid:121)dv C ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− ··· 00 10 20 av A-moduler C (A) og avbildninger d ,d slik at d d +d d = 0, d d = 0 pq v h h v v h v v og d d =0. Modulene gitt ved h h (cid:77) (Tot C ) = C ∗ ∗∗ n pq p+q=n med differensialet d +d danner da et kjedekompleks Tot C kalt totalkom- v h ∗ ∗∗ plekset til C . Homologien til et dobbeltkompleks defineres ved H (Tot C ) ∗∗ n ∗ ∗∗ 3 La t :C (A)→C (A) gitt ved t(a ,a ,...,a )=(a ,a ,...,a ,a ) være n n n 0 1 n 1 2 n 0 en syklisk permutasjon, og sett N = 1+t+t2+···+tn−1. Dette gir avbild- n ninger N : C (A) → Cbar(A) og (1−t) : Cbar → C , definert i hver grad, og ∗ ∗ ∗ ∗ diagrammet A⊗n ←−1−−−t− A⊗n ←−N−−− A⊗n (2) (cid:121)b (cid:121)b(cid:48) (cid:121)b A⊗n−1 ←−1−−−t− A⊗n−1 ←−N−−− A⊗n−1 kommuterer. Siden(2)kommuterer,fårvietdobbeltkompleksomvibytterutb(cid:48) med−b(cid:48). Definisjon (Syklisk homologi). Homologien til dobbeltkomplekset CC (A), ∗∗ gitt ved ... ... ... ... (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) (cid:121)b A⊗3 ←−1−−−t− A⊗3 ←−N−−− A⊗3 ←−1−−−t− ··· (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) (cid:121)b A⊗2 ←−1−−−t− A⊗2 ←−N−−− A⊗2 ←−1−−−t− ··· (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) (cid:121)b 1−t N 1−t A ←−−−− A ←−−−− A ←−−−− ··· kalles den sykliske homologien til A, og skrives HC (A). ∗ Sidenannenhverkolonnehar ensammentrekningshomotopi s,kanentrekke sammen disse og lage et dobbeltkompleks B (A), kalt Connes’ kompleks, med ∗∗ bare Hochschild-komplekset som kolonner: (cid:121)b (cid:121)b (cid:121)b A⊗3 ←−B−−− A⊗2 ←−B−−− A (cid:121)b (cid:121)b (3) A⊗2 ←−B−−− A (cid:121)b A hvor B =(1−t)sN. Homologien H (Tot B (A)) til dette dobbeltkomplekset ∗ ∗ ∗∗ er den samme som for det sykliske komplekset ([Lod, 2.1.7]) Vi ser at inklusjonen av den første kolonnen i (3) gir en kort eksakt sekvens av komplekser 0→C (A)→Tot B (A)→Tot B (A)→0 n n ∗∗ n−2 ∗∗ og gjentatt bruk av slangelemmaet gir da en lang eksakt sekvens kalt SBI- sekvensen til A [Lod, 2.2.1] ···→HH (A)−→I HC (A)−→S HC (A)−B→HH (A)→··· (4) n n n−2 n−1 4 Denne sekvensen, sammen med 5-lemmaet og induksjon på n, gir at en k- algebraavbildning f : A → A(cid:48) induserer en isomorfi på syklisk homologi hvis og bare hvis den induserer en isomorfi på Hochschild-homologi. Sekvensen kan også defineres fra inklusjonen av de to første kolonnene i det sykliske dobbelt- komplekset CC (A). ∗∗ Merknad 1.1.1. Dersom A ikke er unital kan man også definere Hochschild- og syklisk homologi, men barkomplekset er da ikke lenger sammentreknings- bart. For at SBI-sekvensen skal eksistere og være eksakt, defineres Hochschild- homologi da som homologien på totalkomplekset av de første to kolonnene til CC (A) ([Lod, 1.4.5]). ∗∗ 1.2 Dihedral homologi Dihedral homologi er en variant av syklisk homologi, og er definert i [Lod, 5.2]. Jeggjentarherdefinisjonenegittder.Idetteavsnittetantarviat2erinvertibel i k, og at A har en involusjon ι:A→A, hvor vi skriver ι(a)=a. En involusjon skal oppfylle • a=a • ab=ba • ι er triviell på k. Spesielt er 1=1 Eksempel 1.2.1. Om A er kommutativ er identitetsavbildningen på A en in- volusjon. Vi kaller dette den trivielle involusjonen. Dersomk erenkroppogAerenendeligkroppsutvidelse,vilethvertelement i galiosgruppen Gal(A/k) av orden 2 gi en involusjon. Ringen av kvadratiske matriser over k i en gitt dimensjon med konjugat- transponering er en involutiv algebra. Merk at invertering ikke kan være en involusjon da bildet av k ikke er bevart. Dersom 1 ∈k,vileninvolusjoniAhatoegenromA+ogA−medegenverdier 2 1 respektive −1, og vi har: A≈A+⊕A− For å se dette, observer at (cid:18) (cid:19) a+a a−a a(cid:55)→ , 2 2 er en bijeksjon med invers (a,b)(cid:55)→a+b. Dersom A har en involusjon, kan vi definere en involusjon ω på C (A): n n ω (a ,a ,a ,...,a ,a )=(a ,a ,a ,...,a ,a ) n 0 1 2 n−1 n 0 n n−1 2 1 Denneinvolusjonenbeståriåkonjugerealleelementene,ogpermutereallebort- sett fra det første. Fortegnet til denne permutasjonen er (−1)n(n−1)/2. Det vil vise seg hensiktsmessig å innføre notasjonen y =(−1)n(n−1)/2ω n n 5 Proposisjon 1.2.2. Dersom k-algebraen A har en involusjon og 1 ∈k, vil y 2 n splitte Hochschild-komplekset til A i en direkte sum C (A)=C+(A)⊕C−(A). ∗ ∗ ∗ Homologienpåhvertavdissekompleksenegirved[Lod,5.2.3]splittetHochschild- homologi H (A)=H+(A)⊕H−(A) ∗ ∗ ∗ For å definere en tilsvarende splitting for syklisk homologi, må vi i tillegg til y ha en involusjon z på Cbar(A) som stemmer overens med kantavbildningen n n n b(cid:48). Vi har involusjonen τ (a ,a ,a ,...,a ,a )=(a ,a ,a ,...,a ,a ) n 0 1 2 n−1 n n n−1 n−1 2 1 altsåsammesomω ,bortsettfraatnåeralleelementenemedipermutasjonen. n Fortegnet til denne permutasjonen er (−1)(n+1)(n+2)/2, og vi setter z =(−1)(n+1)(n+2)/2τ n n Ved [Lod, 5.2.6] stemmer y og z overens med også de horisontale kantavbild- n n ningenetilCC (A)påenslikmåteatomvilary virkepåpartallskolonnerog ∗∗ ∗ −z på oddetallskolonner, splitter dobbeltkomplekset til CC+(A)⊕CC−(A). ∗ ∗∗ ∗∗ Komplekset CC+(A) er gitt ved ∗∗ ... ... ... ... ... (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) C− ←−1−−−t− C+ ←−N−−− C− ←−1−−−t− C+ ←−N−−− ··· 2 2 2 2 (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) C− ←−1−−−t− C+ ←−N−−− C− ←−1−−−t− C+ ←−N−−− ··· 1 1 1 1 (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) (cid:121)b (cid:121)−b(cid:48) C− ←−1−−−t− C+ ←−N−−− C− ←−1−−−t− C+ ←−N−−− ··· 0 0 0 0 Legg merke til at kolonne 0 er det negative Hochschild-komplekset. Definisjon. ([Lod, 5.2.7]) La A være en involutiv algebra over k (med 1 ∈k). 2 Den dihedrale homologien (respektive skakkdihedrale homologien) til A er da gitt ved HD (A)=H (Tot CC+(A)) (respektive HD(cid:48)(A)=H (Tot CC−(A))) n n ∗ ∗∗ n n ∗ ∗∗ Ved dette tidspunktet ville det vært naturlig å definere et triangulært kom- pleks tilsvarende (3) for dihedral homologi. Problemet er at den resulterende horisontale kantavbildningen B ikke går så godt overens med involusjonen, da homotopien s ikke respekterer egenrommene til Cbar. For å løse dette må vi ∗ innføre en ny homotopi på Cbar, s(cid:48) = 1(s +(−1)ns ) hvor ∗ 2 0 1 s (a ,a ,...,a )=(1,a ,a ,...,a ) 0 0 1 n 0 1 n s (a ,a ,...,a )=(a ,a ,...,a ,1) 1 0 1 n 0 1 n 6 Proposisjon 1.2.3. Avbildningen s(cid:48) er en sammentrekningshomotopi av Cbar ∗ som respekterer egenrommene til z , altså at s(cid:48)(C±) ⊆ C± . Eventuelt, gitt n n n+1 z (a)=(−1)ja for en vilkårlig a∈C , så er z (s(cid:48)(a))=(−1)js(cid:48)(a). n n n+1 Bevis. Avbildningen s(cid:48) er per definisjon en sammentrekningshomotopi dersom 1(cid:16) (cid:17) b(cid:48)s(cid:48)+s(cid:48)b(cid:48) = b(cid:48)s +s b(cid:48)+b(cid:48)(−1)ns +(−1)n−1s b(cid:48) 2 0 0 1 1 n n−1 1(cid:16)(cid:88) (cid:88) = (−1)id s +s (−1)id 2 i 0 0 i i=0 i=0 n n−1 (cid:88) (cid:88) (cid:17) + (−1)i+nd s +s (−1)i+n−1d i 1 1 i i=0 i=0 er identitetsavbildningen. Vi har 1(d s +d s )=id og ser at 2 0 0 n 1 n n−1 n−1 (cid:88) (cid:88) (cid:88) (−1)id s +s (−1)id = (−1)i+1d s +s (−1)id =0 i 0 0 i i+1 0 0 i i=1 i=0 i=0 n−1 n−1 n−1 (cid:88) (cid:88) (cid:88) (−1)n+id s +s (−1)n−1+id = (−1)n+id s +(−1)n−1+is d =0 i 1 1 i i 1 1 i i=0 i=0 i=0 så s(cid:48) er en sammentrekningshomotopi. For å se at s(cid:48) respekterer egenrommene, anta at z (a ,a ,...,a )=(−1)xn(a ,...,a ,a )=(−1)j(a ,a ,...,a ) n 0 1 n n 1 0 0 1 n hvor x = (n+1)(n+2) og j = 0 eller j = 1 avhengig av om vi er i C+ eller C−. n 2 n n Vi har da at zn er multiplikasjon med (−1)xn+j. z (s(cid:48)(a ,a ,...,a ))= 1z (cid:0)(1,a ,a ,...,a )+(−1)n(a ,a ,...,a ,1)(cid:1) n+1 0 1 n 2 n+1 0 1 n 0 1 n = (−1)xn+1(cid:0)(a ,...,a ,a ,1)+(−1)n(1,a ,...,a ,a )(cid:1) 2 n 1 0 n 1 0 = (−1)xn+1(cid:0)(−1)xn+j(a ,a ,...,a ,1)+(−1)xn+j+n(1,a ,a ,...,a ) 2 0 1 n 0 1 n = (−1)xn+xn+1+j−n(cid:0)(1,a ,a ,...,a )+(−1)n(a ,a ,...,a ,1) 2 0 1 n 0 1 n Detteerlik(−1)js(cid:48)(a ,a ,...,a )hvisogbarehvisx +x −neretpartall. 0 1 n n n+1 Dette er ekvivalent med at (n+1)(n+2)+(n+2)(n+3)−2n er delelig med 4, og vi ser at dette er tilfelle for alle n. 7 Vi får dermed er ny avbildning, D =(1−t)s(cid:48)N, og to triangulære dobbelt- komplekser D+ ∗∗ (cid:121)b (cid:121)b (cid:121)b C− ←−D−−− C− ←−D−−− C− 2 1 0 (cid:121)b (cid:121)b C− ←−D−−− C− 1 0 (cid:121)b C− 0 og D− tilsvarende. ∗∗ SBI-sekvensen (4) splitter i de to eksakte sekvensene ···→HH+ →HD(cid:48) →HD →HH− →HD n n n−2 n−1 n−1 →HD(cid:48) →HH+ →··· n−3 n−2 (5) ···→HH− →HD →HD(cid:48) →HH+ →HD(cid:48) n n n−2 n−1 n−1 →HD →HH− →··· n−3 n−2 ved [Lod, 5.2.7.2, 5.2.7.3]. 1.3 Glatte algebraer, differensialmoduler I dette avsnittet skal jeg definere glatte algebraer, og den dihedrale homologien på disse. Alle utregningene finnes i [Lod], men ikke samlet. Jeg forutsetter at Q⊆k. La Ω1 være A-modulen av differensialer over k. Den er generert av k- A|k lineære symboler da for a∈A med relasjonen d(ab)=a(db)+b(da). Gitt idealet I ⊂ A⊗A generert av (x⊗1−1⊗x),x ∈ A. Da er Ω1 isomorf A|k som A-modul med I/I2 ved avbildningen dx(cid:55)→(x⊗1−1⊗x). Vi får nå en kjede Ωn av differensialformer over A gitt ved A|k Ωn =Ω1 ∧ ···∧ Ω1 A|k A|k A A A|k med n faktorer. Vi definerer Ω0 =A. Avbildningen d:Ωn →Ωn+1 er gitt ved A|k A|k d(a·da ∧da ∧···∧da )=da∧da ∧da ∧···∧da 1 2 n 1 2 n Sidend(1)=0,serviatdettedanneretkompleks.Kohomologienavdettekalles for de Rham-kohomologien til A og skrives H∗ (A). DR Definisjon. La S være en kommutativ algebra over k med enhet. En sekvens (x ,x ,...,x ) ∈ S er regulær dersom multiplikasjon med x gir en injektiv 0 1 n i avbildning i S/(x ,...,x ) for alle i. 0 i−1 8 ForAenunital,kommutativk-algebra,laµ:A⊗A→Aværeavbildningen gitt ved produktet i A. Dersom A er flat over k og kjernen J i den avledede m avbildningen µ :(A⊗A) →A m µ−1(m) m ertriviellellergenerertavenregulærsekvensi(A⊗A) forallemaksima- µ−1(m) lidealer m⊂A, sier vi at A er glatt over k. Eksempel 1.3.1. Fra[Lod,3.4.3].Lak væreenalgebraisklukketkroppogsett A til å være koordinatringen til en varieté over k. Da korresponderer singulære punkter på varietéen til akkurat de maksimalidealene i A hvor kriteriet over ikke holder. Altså er A glatt over k dersom varietéen er ikke-singulær. Ved [Lod, 3.4] er Hochschild-homologien til glatte algebraer gitt ved HH (A)=Ωn n A|k og den sykliske homologien ved HC (A)=Ωn /dΩn−1⊕Hn−2(A)⊕Hn−4(A)⊕··· n A|k A|k DR DR hvor graden til det siste leddet er 1 eller 0 avhengig av pariteten til n. SBI-sekvensen (4) splitter opp i en direkte sum av en kopi av den eksakte sekvensen 0→Hn (cid:44)→Ωn/dΩn−1 −→d Ωn+1 →Ωn+1/dΩn →0 DR for hvert naturlig tall n, samt isomorfier 0→Hi →Hi →0 [Lod, 3.4.13]. DR DR Ved [Lod, 4.6.10] og diskusjonen etter [Lod, 5.2.7] har vi at den dihedrale homologien for en glatt algebra over k er gitt ved Hn−2⊕Hn−6⊕Hn−10⊕··· n>0,n partall DR DR DR HD = n Ωn/dΩn−1⊕Hn−4⊕Hn−8⊕··· n>0,n odde DR DR og den skakkdihedrale ved Ωn/dΩn−1⊕Hn−4⊕Hn−8⊕··· n>0,n partall DR DR HD(cid:48) = n Hn−2⊕Hn−6⊕Hn−10⊕··· n>0,n odde DR DR DR hvor hver av følgene slutter med grad 0, 1, 2, eller 3, avhengig av resten til n mod 4. 1.4 Spektralsekvenser Jeg gjengir her definisjonen av spektralsekvenser i [Wei, 5.1, 5.2]. 9 Gitt et dobbeltkompleks C med abelske grupper: ∗∗ . . . . . . . . . (cid:121)dv (cid:121)dv (cid:121)dv ··· ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− ··· (p−1)(q+1) p(q+1) (p+1)(q+1) (cid:121)dv (cid:121)dv (cid:121)dv ··· ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− ··· (p−1)q pq (p+1)q (cid:121)dv (cid:121)dv (cid:121)dv ··· ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− C ←−d−h−− ··· (p−1)(q−1) p(q−1) (p+1)(q−1) (cid:121)dv (cid:121)dv (cid:121)dv . . . . . . . . . er det generelt vanskelig å regne ut homologien til totalkomplekset. Men det skal ikke mye til for å komme til konklusjonen at H (Tot C ) bør ha en sam- n ∗ ∗∗ menhengmeddenhorisontalehomologienHh(C ),ogdenvertikalehomologien i ∗j Hv(C ) for i+j =n. Spektralsekvenser er redskapet som kobler dem. j i∗ Om vi skriver E0 for C , og ignorerer de horisontale differensialene, får vi pq pq en familie med komplekser {E0 }. La E1 være homologien H (E0 ). Vi kan nå p∗ pq q p∗ dannehorisontalekomplekserE1 medavbildningeneavledetavd .Homologien ∗q h H (E1 ) på disse kaller vi E2 p ∗q pq Det kan vises at vi har en kantavbildning d2 : E2 → E2 med pq (p−2)(q+1) d2 ◦d2 = 0. Vi kan da igjen ta homologi og få E3 , og slik fortsetter det til pq generelle Er med kantavbildning dr : Er → Er . En slik samling pq pq pq (p−r)(q+r−1) {Er } kalles for en spektralsekvens. pq Gitt en spektralsekvens Er , dersom dr =0 for alle store r, kalles spektral- ∗∗ pq sekvensen regulær. For alle slike r er da Er =Er+1, og vi kaller denne stabile pq pq verdien for E∞. pq Vi sier at en spektralsekvens konvergerer svakt til H dersom vi får en sam- ∗ ling abelske grupper H , hver med en filtrasjon n ···⊆F H ⊆F H ⊆···⊆H p−1 n p n n og isomorfier E∞ ≈ F H /F H . Vi sier den nærmer seg H dersom pq p p+q p−1 p+q ∗ ∪F H =H og ∩F H =0. p n n p n Visieratspektralsekvensenkonvergerer mot H dersomdenerregulær,den ∗ nærmer seg H , og vi har H =lim(H /F H ). Notasjonen for å angi en H er ∗ n ←− n p n ∗ Er ⇒H pq p+q hvor vi som regel lar r =2. Merknad 1.4.1. En spektralsekvens konvergerer bare mot én H , men hva ∗ H er kan være vanskelig å se kun ut fra gruppene i spektralsekvensen. Ta for ∗ eksempel en spektralsekvens som har E∞ =Z/2 for p,q ≥0 og 0 ellers. Da kan pq H være Z , men også Z ×Z eller Z3. 3 8 2 4 2 10