Введение
В теории категорий, ветви математики, топология Гротендика — это структура на категории C, которая позволяет объектам C вести себя как открытые множества топологического пространства. Категория вместе с выбранной топологией Гротендика называется сайтом. Топологии Гротендика аксиоматизируют понятие открытого покрытия. Используя понятие покрытия, предоставляемое топологией Гротендика, становится возможным определить пучки на категории и их когомологии. Это было впервые сделано Александром Гротендиком в алгебраической геометрии и алгебраической теории чисел для определения этальной когомологии схемы. С тех пор это использовалось для определения других теорий когомологий, таких как ℓ-адическая когомология, плоская когомология и кристаллическая когомология. Хотя топологии Гротендика чаще всего используются для определения теорий когомологий, они нашли и другие применения, например, в теории жесткой аналитической геометрии Джона Тейта. Существует естественный способ связать сайт с обычным топологическим пространством, и теория Гротендика в широком смысле рассматривается как обобщение классической топологии. При определенных слабых гипотезах о множествах точек, а именно трезвости, это утверждение полностью верно — возможно восстановить трезвое пространство по его связанному сайту. Однако простые примеры, такие как неразличимое топологическое пространство, показывают, что не все топологические пространства могут быть представлены с помощью топологий Гротендика. И наоборот, существуют топологии Гротендика, которые не происходят из топологических пространств. Термин «топология Гротендика» изменил своё значение. Изначально он обозначал то, что сейчас называется претопологией Гротендика, и некоторые авторы до сих пор используют это старое значение. Некоторые авторы изменили определение, чтобы использовать сита вместо покрытий. В большинстве случаев это не имеет существенного значения, поскольку каждая претопология Гротендика определяет единственную топологию Гротендика, хотя совершенно разные претопологии могут давать одну и ту же топологию.
Обзор
Известные гипотезы Андре Вейля утверждали, что определенные свойства уравнений с целыми коэффициентами следует понимать как геометрические свойства алгебраического многообразия, которое они задают. Его гипотезы постулировали существование теории кохомологий алгебраических многообразий, дающей информацию о числах, связанных с определяющими их уравнениями. Эта теория кохомологий получила название "кохомологии Вейля", однако Вейль не смог её построить, используя доступные ему инструменты. В начале 1960-х годов Александр Гротендик ввёл этальные отображения в алгебраическую геометрию как алгебраические аналоги локальных аналитических изоморфизмов в аналитической геометрии. Он использовал этальные покрытия для определения алгебраического аналога фундаментальной группы топологического пространства. Вскоре Жан-Пьер Серр заметил, что некоторые свойства этальных покрытий напоминают свойства открытых вложений, и, следовательно, стало возможным создавать конструкции, имитирующие функтор кохомологий. Гротендик понял, что идею Серра можно использовать для определения теории кохомологий, которая, по его мнению, и будет кохомологией Вейля. Для определения этой теории кохомологий Гротендику потребовалось заменить обычное топологическое понятие открытого покрытия на понятие, использующее этальные покрытия. Гротендик также нашел способ абстрактно сформулировать определение покрытия, что и привело к определению топологии Гротендика.
Мотивация
Классическое определение снопа начинается с топологического пространства. Сноп связывает информацию с открытыми множествами этого пространства. Эту информацию можно сформулировать абстрактно, рассматривая как категорию, объекты которой – открытые подмножества пространства, а морфизмами – включения открытых множеств друг в друга. Мы будем называть такие отображения открытыми погружениями, как и в контексте схем. Тогда предсноп на – это контравариантный функтор из этой категории в категорию множеств, а сноп – предсноп, удовлетворяющий аксиоме склеивания (включая здесь аксиому разделения). Аксиома склеивания формулируется в терминах точечного покрытия, то есть покрывает тогда и только тогда, когда . В этом определении открытая подмножественная топология Гротендика заменяет каждое открытое множество целым семейством открытых подмножеств; в этом примере заменяется семейством всех открытых погружений. Такая коллекция называется ситом. Точечное покрытие заменяется понятием покрывающего семейства; в приведенном выше примере множество всех , при различных , является покрывающим семейством сит, и покрывающие семейства могут быть аксиоматизированы. Как только это будет сделано, открытые множества и точечное покрытие можно заменить другими понятиями, описывающими другие свойства пространства.
Сита
В топологии Гротендика понятие коллекции открытых подмножеств U, устойчивых относительно включения, заменяется понятием сита. Если c – любой объект в C, то сито на c является подфунктором функтора Hom(−, c); (это вложение Йонеды, примененное к c). В случае O(X) сито S на открытом множестве U выделяет коллекцию открытых подмножеств U, устойчивую относительно включения. Более точно, рассмотрим, что для любого открытого подмножества V ⊆ U, S(V) будет подмножеством Hom(V, U), которое содержит только один элемент – открытое погружение V → U. Тогда V считается "выбранным" ситом S тогда и только тогда, когда S(V) не пусто. Если W ⊆ V, то существует морфизм S(V) → S(W), заданный композицией с включением W → V. Если S(V) не пусто, то следует, что S(W) также не пусто. Если S – сито на X, а f: Y → X – морфизм, то левая композиция с f дает сито на Y, называемое обратным образом сита S вдоль f, обозначаемое fS. Оно определяется как волокнистое произведение S ×<sub>Hom(−, X)</sub> Hom(−, Y) вместе с его естественным вложением в Hom(−, Y). Более конкретно, для каждого объекта Z из C, fS(Z) = { g: Z → Y | fg ∈ S(Z) }, и fS наследует свое действие на морфизмы, будучи подфунктором Hom(−, Y). В классическом примере, обратный образ коллекции {Vi} подмножеств U вдоль включения W → U является коллекцией {Vi ∩ W}.
Топология Гротендикка
Топология Гротендика J на категории C — это для каждого объекта c из C набор выделенных сит на c, обозначаемый J(c) и называемый покрывающими ситами для c. Этот выбор должен удовлетворять определенным аксиомам, которые приведены ниже. Продолжая предыдущий пример, сито S на открытом множестве U в O(X) будет покрывающим, если и только если объединение всех открытых множеств V, для которых S(V) непусто, равно U; иными словами, если и только если S задает коллекцию открытых множеств, покрывающих U в классическом смысле.
Дискретные и недискретные топологии
Пусть C — любая категория. Для определения дискретной топологии мы объявляем все сита покрывающими ситами. Если в C существуют все волокнистые произведения, это эквивалентно объявлению всех семей покрывающими семействами. Для определения неразличимой топологии, также известной как грубая или хаотическая топология, мы объявляем покрывающими ситами только сита вида Hom(−, X). Неразличимая топология порождается претопологией, для которой покрывающими семействами являются только изоморфизмы. Пучок на неразличимом сайте — это то же самое, что и предпучок.
Каноническая топология
Пусть C — любая категория. Встраивание Йонеды задает функтор Hom(−, X) для каждого объекта X в C. Каноническая топология — это самая крупная (наитончайшая) топология, такая что каждый представляемый предпучок, то есть предпучок вида Hom(−, X), является пучком. Покрывающее сито или семейство покрытий для этого сайта называется строго универсально эпиморфным, поскольку оно состоит из "ног" коконуса (относительно полной диаграммы на областях определения составляющих его морфизмов), и эти копределы устойчивы относительно обратных отображений вдоль морфизмов в C. Топология, которая менее тонка, чем каноническая, то есть для которой каждое покрывающее сито строго универсально эпиморфно, называется субканонической. Субканонические сайты — это именно те сайты, для которых каждый предпучок вида Hom(−, X) является пучком. Большинство сайтов, встречающихся на практике, являются субканоническими.