Введение
В алгебраической топологии, ветви математики, спектр — это объект, представляющий обобщённую теорию когомологий. Каждая такая теория когомологий представима, что следует из теоремы о представимости Брауна. Это означает, что для любой теории когомологий существуют пространства, такие что вычисление когомологий в степени *n* на пространстве *X* эквивалентно вычислению классов гомотопии отображений в это пространство *E<sub>n</sub>*. Следует отметить, что существует несколько различных категорий спектров, что приводит к множеству технических трудностей, но все они определяют одну и ту же гомотопическую категорию, известную как стабильная гомотопическая категория. Это один из ключевых моментов при введении спектров, поскольку они являются естественной средой обитания для стабильной теории гомотопий.
Определение спектра
Существует множество вариантов определения: в общем случае, спектр — это любая последовательность указанных топологических пространств или указанных симплициальных множеств вместе со структурными отображениями, где — это smash-произведение. Smash-произведение указанного пространства с окружностью гомеоморфно редуцированной подвеске , обозначаемой . Следующее утверждение принадлежит Фрэнку Адамсу (1974): спектр (или CW-спектр) — это последовательность CW-комплексов вместе с включениями подвески в качестве подкомплекса . Для других определений см. симметричный спектр и симплициальный спектр.
The following is due to Frank Adams (1974): a spectrum (or CW spectrum) is a sequence of CW complexes together with inclusions of the suspension as a subcomplex of
For other definitions, see symmetric spectrum and simplicial spectrum.
Гомотопические группы спектра
Одним из наиболее важных инвариантов спектра являются гомотопические группы спектра. Эти группы отражают определение стабильных гомотопических групп пространств, поскольку структура карт подвешения играет существенную роль в их определении. Для заданного спектра определим гомотопическую группу πₖ как колимит, где отображения индуцированы композицией отображения Sᵏ → X и структурного отображения. Спектр называется связным, если его гомотопические группы πₖ равны нулю для всех отрицательных k.
Спектр Эйленберга и Маклейна
Рассмотрим сингулярные когомологии с коэффициентами в абелевой группе. Для CW-комплекса группа можно отождествить с множеством классов гомотопии отображений из в , пространство Эйленберга — Маклейна, гомотопия которого сконцентрирована в степени . Мы записываем это как: . Соответствующий спектр имеет -е пространство; он называется спектром Эйленберга — Маклейна. Важно отметить, что эту конструкцию можно использовать для вложения любого кольца в категорию спектров. Это вложение составляет основу спектральной геометрии, модели производной алгебраической геометрии. Одним из важных свойств этого вложения являются изоморфизмы, показывающие, что категория спектров сохраняет производную информацию коммутативных колец, где smash-произведение действует как производный тензорный продукт. Более того, спектры Эйленберга — Маклейна можно использовать для определения теорий, таких как топологическая гомология Хохшильда для коммутативных колец, которая является более точной теорией, чем классическая гомология Хохшильда.
Топологическая теория комплекса К
В качестве второго важного примера рассмотрим топологическую K-теорию. По крайней мере, для X компактного, она определяется как группа Гротендика моноида комплексных векторных расслоений на X. Кроме того, она соответствует векторным расслоениям на взвешенном пространстве X. Топологическая K-теория является обобщенной теорией когомологий, поэтому она задает спектр. Нулевое пространство спектра равно , а первое пространство равно . Здесь – бесконечная унитарная группа, а – ее классифицирующее пространство. Благодаря периодичности Ботта получаем и для всех n, таким образом, все пространства в спектре топологической K-теории задаются либо или . Существует соответствующая конструкция, использующая вещественные векторные расслоения вместо комплексных, которая дает 8-периодический спектр.
Спектр сферы
Один из наиболее ярких примеров спектра — сферический спектр. Это спектр, гомотопические группы которого задаются стабильными гомотопическими группами сфер, поэтому мы можем явно записать этот спектр как , где произведение разбиения (smash product) задает структуру произведения на этом спектре, индуцируя кольцевую структуру на . Более того, если рассматривать категорию симметричных спектров, он является начальным объектом, аналогично единице в категории коммутативных колец.
Спектры тома
Другой канонический пример спектров происходит из спектров Тома, представляющих различные теории кобордизма. Это включает в себя реальный кобордизм, комплексный кобордизм, обрамлённый кобордизм, спиновый кобордизм, струнный кобордизм и так далее. На самом деле, для любой топологической группы существует спектр Тома.
Спектр подвески
Спектр может быть построен из пространства. Спектр подвески пространства, обозначаемый , является спектром (структурные отображения – это отображения тождества). Например, спектр подвески 0-сферы – это спектр сферы, обсуждавшийся выше. Гомотопические группы этого спектра являются стабильными гомотопическими группами , поэтому конструкция спектра подвески подразумевает, что любое пространство можно рассматривать как теорию когомологий. Фактически, она определяет функтор из гомотопической категории CW-комплексов в гомотопическую категорию спектров. Морфизмы задаются выражением , которое, согласно теореме Фрейденталя о подвеске, в конечном итоге стабилизируется. Под этим подразумевается, что для некоторого конечного целого числа для CW-комплекса существует обратное построение, которое принимает спектр и формирует пространство, называемое бесконечно-петлевым пространством спектра. Для CW-комплекса и это построение включает в себя включение для каждого , следовательно, дает отображение, которое является инъективным. К сожалению, эти две структуры, в дополнение к smash-произведению, приводят к значительной сложности в теории спектров, поскольку не существует единой категории спектров, удовлетворяющей списку из пяти аксиом, связывающих эти структуры. Указанное сопряжение справедливо только в гомотопических категориях пространств и спектров, но не всегда относительно конкретной категории спектров (не гомотопической категории).
Ом-спектр
Спектр Ω — это спектр, для которого сопряжённое отображение карты структуры (то есть, само отображение) является слабым эквивалентом. Спектр теории K кольца является примером спектра Ω.
Кольцевой спектр
Кольцевой спектр — это спектр X, для которого диаграммы, описывающие аксиомы кольца в терминах разбитых произведений, коммутируют "с точностью до гомотопии" (что соответствует тождеству). Например, спектр топологической K-теории является кольцевым спектром. Спектр модуля может быть определен аналогичным образом. Больше примеров можно найти в списке теорий когомологий.
Треугольная гомотопическая категория спектров
Стабильная гомотопическая категория аддитивна: отображения можно складывать, используя вариант трассового сложения, применяемый при определении групп гомотопии. Таким образом, классы гомотопии из одного спектра в другой образуют абелеву группу. Более того, стабильная гомотопическая категория является триангулированной (Vogt, 1970), сдвиг задается подвешиванием, а выделенные треугольники – последовательностями конусов отображений спектров.
.
Продукты для разбивки спектра
Ударный продукт спектров расширяет ударный продукт CW-комплексов. Он превращает стабильную гомотопическую категорию в моноидальную категорию; иными словами, он ведет себя как (выведенный) тензорный продукт абелевых групп. Основная проблема с ударным произведением заключается в том, что очевидные способы его определения делают его ассоциативным и коммутативным лишь с точностью до гомотопии. Некоторые более новые определения спектров, такие как симметричные спектры, устраняют эту проблему и дают симметричную моноидальную структуру на уровне отображений, прежде чем переходить к классам гомотопии. Ударный продукт совместим со структурой триангулированной категории. В частности, ударный продукт выделенного треугольника со спектром является выделенным треугольником.
История
Версия концепции спектра была представлена в докторской диссертации Илона Лагеса Лимы в 1958 году. Его научный руководитель Эдвин Спаньер продолжил работу над этой темой в 1959 году. Спектры были использованы Майклом Атия и Джорджем Уайтхедом в их исследованиях обобщенных теорий гомологии в начале 1960-х годов. Докторская диссертация 1964 года Дж. Майкла Бордмана предложила рабочее определение категории спектров и отображений (а не только классов гомотопии) между ними, столь же полезное в стабильной теории гомотопии, как категория CW-комплексов в нестабильном случае. (Это, по сути, категория, описанная выше, и она до сих пор используется для многих целей: подробнее см. в работах Адамса (1974) или Райнера Вогта (1970).) Однако с 1990 года были достигнуты значительные теоретические успехи, существенно улучшившие формальные свойства спектров. В результате, в современной литературе используются модифицированные определения спектров: см. Майкл Манделл и др. (2001) для комплексного изложения этих новых подходов.