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Máster y doctorado

Productos y estructuras en cohomología

Dos espacios pueden tener las mismas cantidades de clases en cada grado y, sin embargo, esas clases multiplicarse de maneras distintas. El producto cup registra esa interacción. Lo calcularemos primero en un triángulo y luego en el toro, vigilando tres datos en cada operación: el grado, el orden y los coeficientes.

1. El producto añade una operación entre clases

La cohomología ordinaria da grupos H⁰, H¹,… por grados. Con un anillo conmutativo de coeficientes R, el producto cup es una operación bilineal H^p(X; R)\times H^q(X; R)\longrightarrow H^{p+q}(X; R). El grado se suma: el producto puede estar en un espacio distinto del de sus factores.

Todos los grados juntos forman un anillo graduado asociativo con unidad. Un mapa continuo induce un homomorfismo que respeta esos productos. Una equivalencia homotópica produce un isomorfismo de anillos, que exige más que un isomorfismo de los grupos por separado.

Decidir en qué grupo vive un producto

a tiene grado dos y b grado cinco.

  1. Leer los grados

    p=2 y q=5.
  2. Sumar

    p+q=7.
  3. Ubicar

    a∪b pertenece a H⁷; si ese grupo es cero, el producto también será cero.

Resultado

El grado siete no dice todavía si el producto es no nulo.

Lo comprobamos

Primero se localiza el grupo y luego se calcula la clase.

Usar la unidad sin cambiar el grado

1∈H⁰ y a∈H³.

  1. Grado

    0+3=3.
  2. Unidad

    1∪a=a y a∪1=a.
  3. Distinguir

    La unidad no es una clase de grado uno: su grado es cero.

Resultado

El elemento uno actúa como identidad de la multiplicación.

Lo comprobamos

Se entiende la clase constante uno con los coeficientes elegidos.

2. La fórmula de cocadenas usa una cara inicial y una final

Para cocadenas α de grado p y β de grado q, una fórmula es (\alpha\smile\beta)(\sigma)=\alpha(\sigma[v_0,\ldots, v_p])\,\beta(\sigma[v_p,\ldots, v_{p+q}]). La primera cara tiene dimensión p y la segunda q. Comparten el vértice v_{p}; no se divide el simplex en dos listas sin punto común.

El producto cup evalúa dos caras que comparten un vértice
Grado 1 + grado 1 = grado 2012α[01]=2β[12]=3(α∪β)[012]= α[01] · β[12]= 2 · 3 = 6
Para cocadenas alfa y beta de grado uno, la fórmula de cup en el triángulo ordenado cero uno dos usa la cara inicial cero uno y la final uno dos. El vértice uno pertenece a ambas. Si alfa de la primera arista vale dos y beta de la segunda vale tres, el valor del cup en la cara es seis. Este es un cálculo de cocadenas, no una afirmación de que esas asignaciones aisladas ya sean cociclos globales o clases no nulas.
El coborde cumple δ(α∪β)=δα∪β+(−1)ᵖα∪δβ.

De esa regla de Leibniz se deduce que el producto de cociclos es cociclo y que cambiar un factor por un coborde cambia el resultado por un coborde cuando el otro es cociclo. Así se obtiene una operación bien definida en clases.

Un producto de dos valores de arista

En el triángulo ordenado [0,1,2], α[01]=2 y β[12]=3, ambos de grado uno.

  1. Cara inicial

    Para α se usa [0,1].

  2. Cara final

    Para β se usa [1,2]; el vértice uno es común.

  3. Multiplicar

    (α∪β)[012]=2·3=6.
Resultado

Se ha calculado un valor de cocadena de grado dos.

Lo comprobamos

Dar solo estos valores no demuestra que α y β sean cociclos globales ni que el producto dé una clase no nula.

Intercambiar cocadenas no da igualdad término a término

Además de α[01]=2 y β[12]=3, dar β[01]=7 y α[12]=5.

  1. Primer orden

    (α∪β)[012]=2·3=6.
  2. Orden contrario

    (β∪α)[012]=7·5=35.
  3. Alcance

    Estos valores locales difieren. La conmutatividad graduada es una afirmación sobre clases, después de pasar a cohomología.

Resultado

No se impone a las cocadenas una igualdad que solo se garantiza en cohomología.

Lo comprobamos

El ejemplo es una evaluación local de la fórmula, sin atribuirle por sí sola una clase global.

3. El signo depende de multiplicar los dos grados

Para clases homogéneas se cumple a\smile b=(-1)^{pq}b\smile a, con grados p y q. Si alguno es par, el signo es positivo. Si ambos son impares, el signo es negativo. La asociatividad permite multiplicar varios factores, pero el orden de los impares sigue importando.

El cuadrado de una clase impar depende de los coeficientes
Grado impar: 2a²=0Coeficientes realesa²=−a²Dividir por 2: a²=0Coeficientes F₂2=0: no se puede dividir.En RP²: x²≠0El cuerpo es parte del problema.
La conmutatividad graduada para una clase de grado impar da a al cuadrado igual a menos a al cuadrado, y por tanto dos a al cuadrado igual a cero. Sobre reales se divide por dos y se concluye cuadrado cero. Sobre F dos no se puede dividir por dos, porque dos es cero. En RP dos la clase generadora x de grado uno tiene cuadrado no nulo. No se afirma que todo cuadrado impar en característica dos sea no nulo: solo que el signo no lo obliga a anularse.
Si a tiene grado impar, a²=−a² y por tanto 2a²=0.

Sobre R, o un cuerpo de característica distinta de dos, se divide por dos y a²=0. En característica dos, dos es cero: esa igualdad no obliga a que el cuadrado se anule.

Calcular el signo antes de cambiar el orden

a de grado tres y b de grado dos.

  1. Multiplicar grados

    3·2=6.
  2. Potencia

    (−1)⁶=+1.
  3. Intercambiar

    a∪b=b∪a, con el mismo signo.
Resultado

Que uno de los grados sea impar no basta para introducir un signo menos.

Lo comprobamos

Con grados tres y cinco, el producto de grados quince sería impar y el signo sería negativo.

Probar el cuadrado impar sobre reales

a∈H³(X; R).

  1. Intercambiar a consigo misma

    a²=(−1)⁹a²=−a².
  2. Sumar

    2a²=0.
  3. Dividir

    Como dos es invertible en R, a²=0.
Resultado

La conclusión usa tanto el grado impar como los coeficientes reales.

Lo comprobamos

En H¹(RP²; F₂) hay una clase x con x²≠0: ese caso no permite el último paso.

4. En el toro, el producto de formas hace visible el signo

En T²=R²/Z², orientado por dx∧dy, tomamos a=[dx] y b=[dy] con coeficientes reales. El isomorfismo de de Rham respeta productos: cup corresponde al producto exterior.

Por tanto a²=b²=0 y b∪a=−a∪b.

La integral de dx∧dy sobre el cuadrado unidad es uno, de modo que a∪b genera H². El anillo tiene base 1, a, b, ab en grados 0,1,1,2: es el álgebra exterior en dos generadores. Cada clase de grado uno tiene cuadrado cero, pero dos clases distintas pueden tener producto no nulo.

Expandir sin perder el término en orden contrario

Calcular (a+b)².

  1. Distribuir

    (a+b)²=a²+ab+ba+b².
  2. Relaciones

    a²=b²=0 y ba=−ab.
  3. Cancelar

    ab−ab=0.
Resultado

El cuadrado de a+b se anula, como corresponde a una clase de grado uno sobre R.

Lo comprobamos

No se escribe 2ab: eso ignoraría el signo de ba.

Multiplicar dos combinaciones diferentes

(2a+b)(a+3b).

  1. Distribuir

    2a²+6ab+ba+3b².

  2. Reducir

    Los cuadrados son cero y ba=−ab.
  3. Resultado

    6ab−ab=5ab; su evaluación en el toro orientado vale cinco.
Resultado

El resultado es no nulo y vive en grado dos.

Lo comprobamos

Invertir los dos factores da −5ab, por ser ambos de grado uno.

5. Mismos números de Betti no implican el mismo anillo

El toro y X=S¹∨S¹∨S² tienen Betti 1,2,1.

En X los productos de grado uno son todos cero: en cada círculo no hay grado dos y entre sumandos distintos los productos cruzados son cero.

En el toro hay a, b con ab≠0.

Una equivalencia homotópica induciría un isomorfismo de anillos. No puede convertir una multiplicación idénticamente cero entre clases de grado uno en otra que contiene un producto no nulo. Así el producto distingue espacios que la lista aditiva no distingue.

Localizar la contradicción de un supuesto isomorfismo

Suponer un isomorfismo de anillos entre H*(T²; R) y H*(X; R).

  1. Elegir

    En el toro tomar a, b con ab≠0.
  2. Respetar producto

    La imagen de ab sería la imagen de a por la imagen de b.

  3. Contradicción

    En X ese producto es cero, pero un isomorfismo no puede enviar una clase no nula a cero.

Resultado

La incompatibilidad de multiplicación descarta la equivalencia homotópica.

Lo comprobamos

No se necesita que los nombres de las bases coincidan: en X todo producto de grado uno se anula.

La misma idea funciona también con grados pares

Comparar S²×S² y S²∨S²∨S⁴ sobre R.

  1. Grupos

    Ambos tienen dimensiones uno, dos y uno en grados cero, dos y cuatro.

  2. Producto en el producto

    En S²×S², los generadores u, v de grado dos satisfacen uv≠0.
  3. Producto en la cuña

    En S²∨S²∨S⁴, los productos entre las clases de grado dos se anulan.

Resultado

Las listas aditivas vuelven a coincidir y el anillo vuelve a distinguirlas.

Lo comprobamos

Aquí el grado par permite además (u+v)²=2uv≠0 sobre R en S²×S².

6. Künneth incluye un signo al cruzar los factores

Para CW finitos y coeficientes en un cuerpo k, el producto externo identifica la cohomología de X×Y con el producto tensorial de las de X e Y. La clase a⊗b corresponde al producto de los pullbacks por las proyecciones.

La multiplicación es (a\otimes b)(c\otimes d)=(-1)^{|b||c|}(ac\otimes bd).

El signo aparece al pasar b delante de c. Con enteros y torsión, una fórmula de Künneth puede necesitar términos Tor; no se usa el tensor simple sin comprobar las hipótesis.

Recuperar el signo del toro como producto de dos círculos

a y b son los generadores de grado uno de cada círculo.

  1. Primer orden

    (a⊗1)(1⊗b)=a⊗b.
  2. Orden inverso

    (1⊗b)(a⊗1) exige pasar b por a.

  3. Signo

    (−1)^{1·1}=−1, así que da −a⊗b.
Resultado

Künneth produce el mismo signo que dx∧dy y dy∧dx.

Lo comprobamos

El factor unidad tiene grado cero y no introduce signos adicionales.

Un grado par cruza sin signo menos

u∈H²(S²), v∈H¹(S¹).

  1. Cruce

    Para (1⊗v)(u⊗1), los grados que se cruzan son uno y dos.

  2. Signo

    (−1)²=+1.
  3. Resultado

    El producto es u⊗v, igual que en el otro orden, y vive en grado tres.

Resultado

La conmutatividad graduada no significa siempre antisimetría.

Lo comprobamos

Se ha usado una clase par; con dos clases impares la cuenta anterior cambiaba el signo.

7. Los espacios proyectivos muestran cuadrados no nulos

En CPⁿ, H^*(\mathbf{CP}^n;\mathbb R)=\mathbb R[u]/(u^{n+1}),\quad |u|=2.

Normalizamos u con integral uno en CP¹. Las potencias 1, u,…, uⁿ generan los grados pares. El grado par no fuerza que el cuadrado se anule.

Con F₂, H^*(\mathbf{RP}^n;\mathbb F_2)=\mathbb F_2[x]/(x^{n+1}),\quad |x|=1.

Aquí x es impar y su cuadrado puede ser no nulo porque dos no es invertible. Son descripciones de anillos que requieren el teorema del producto proyectivo; contar celdas por sí solo no prueba la multiplicación.

No cortar una potencia antes de alcanzar el grado tope

CP², generador u de grado dos.

  1. Primera potencia

    u vive en H² y es no nula.

  2. Segunda

    u² vive en H⁴ y evalúa uno en la clase fundamental.

  3. Tercera

    u³ tendría grado seis; en CP², de dimensión real cuatro, se anula.

Resultado

La relación es u³=0, mientras u²≠0.

Lo comprobamos

El dos de CP² es dimensión compleja; el grado superior real es cuatro.

El cuadrado impar que sobrevive en característica dos

RP² con F₂, generador x de grado uno.

  1. Grado uno

    x≠0.
  2. Grado dos

    x²≠0 y genera H².
  3. Grado tres

    x³=0 por la relación del anillo.
Resultado

El producto contradice aplicar indebidamente la división por dos del caso real.

Lo comprobamos

No afirma que todo cuadrado impar en característica dos sobreviva; este es un ejemplo concreto.

8. La dualidad convierte productos en números de intersección

Para M cerrada y orientada de dimensión m, la evaluación (a, b)\longmapsto\langle a\smile b,[M]\rangle empareja Hᵖ(M; R) y Hᵐ⁻ᵖ(M; R) de forma no degenerada. Para cada clase no nula existe alguna clase complementaria que da evaluación no cero.

Cuando las clases son duales a subvariedades orientadas transversales, el producto corresponde a su intersección con signos. El orden, la orientación y los grados determinan esos signos. No se atribuye automáticamente una intersección transversal a cualquier dibujo que se cruce.

Escribir y comprobar el emparejamiento del toro

Base a=[dx], b=[dy] y ∫ab=1.

  1. Valores

    ∫a²=∫b²=0, ∫ab=1 y ∫ba=−1.
  2. Matriz

    El emparejamiento tiene matriz ((0,1),(−1,0)).

  3. No degeneración

    Su determinante es uno, así que ninguna dirección no nula queda invisible a todos los compañeros.

Resultado

La forma bilineal es antisimétrica y no degenerada en grado uno.

Lo comprobamos

Para 2a+b, emparejar con b da dos, no cero.

Una intersección compleja aporta signo positivo

En CP², dos líneas proyectivas distintas dadas por X=0 e Y=0.

  1. Intersección

    Las dos condiciones dejan el punto [0:0:1].

  2. Transversalidad

    En la carta Z≠0 son los dos ejes complejos coordenados.

  3. Producto

    Sus clases duales son u y u; la orientación compleja da ∫u²=+1.

Resultado

La auto-potencia de la clase puede calcularse usando dos representantes transversales de esa clase.

Lo comprobamos

No se necesita cortar literalmente una misma subvariedad consigo misma sin desplazarla.

9. Steenrod y Bockstein añaden operaciones con grados y coeficientes propios

Las operaciones de Steenrod \mathrm{Sq}^i: H^n(X;\mathbb F_2)\to H^{n+i}(X;\mathbb F_2) son naturales. Cumplen Sq⁰=id, Sqⁱa=0 si i>n y Sqⁿa=a², además de la regla de Cartan para productos. No se deducen solo de la cantidad de clases.

La Bockstein de la sucesión 0→Z por ×2 a Z→F₂→0 es un mapa de conexión β: Hⁿ(X; F₂)→Hⁿ⁺¹(X; Z).

Detecta torsión. Su destino integral es distinto del de Sq¹, que vuelve a F₂; se relacionan mediante reducción de coeficientes, pero no se borran esos destinos.

Aplicar las reglas de Steenrod a la clase de RP²

x∈H¹(RP²; F₂) es el generador.

  1. Operación cero

    Sq⁰x=x.
  2. Cuadrado de grado uno

    Sq¹x=x²≠0.
  3. Operación demasiado alta

    Sq²x=0 porque dos es mayor que el grado uno de x.

Resultado

El índice de Sq se compara con el grado de entrada, no con la dimensión del grupo de salida solamente.

Lo comprobamos

Sq¹x vive en grado dos y usa coeficientes F₂.

Calcular la Bockstein con la matriz celular

En RP², levantar x de grado uno a la cocadena integral de valor uno.

  1. Coborde del levantamiento

    La matriz integral δ¹=×2 da el valor dos en la dos-celda.

  2. Dividir el valor par

    La construcción del mapa de conexión divide por dos y obtiene la cocadena de valor uno en grado dos.

  3. Pasar a clase

    En H²(RP²; Z)=Z/2, esa clase es no nula: βx genera la torsión.
Resultado

La Bockstein recupera información integral a partir del cambio de coeficientes.

Lo comprobamos

Dividir el coborde par en Z no es dividir por dos dentro de F₂; son pasos en grupos distintos.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Signo en el toro

Relaciona b∪a con a∪b para a,b de grado 1.

  1. Leer los grados

    a y b tienen grado uno.

  2. Aplicar la regla

    b∪a=(−1)^{1·1}a∪b.
  3. Potencia

    (−1)¹=−1.
  4. Resultado

    b∪a=−a∪b.
  5. Comprobar con formas

    dy∧dx=−dx∧dy.
  6. Interpretar

    En el toro orientado, a∪b evalúa uno y b∪a menos uno.

Resultado

El intercambio cambia el signo.

Lo comprobamos

Representantes dx,dy cumplen dy∧dx=−dx∧dy.

EJEMPLO RESUELTO 2

Cuadrado impar

Sobre R, prueba que a²=0 si deg a=3.

  1. Identificar los datos

    deg a=3 y los coeficientes son reales.
  2. Intercambiar

    a²=(−1)^{3·3}a².
  3. Signo

    3·3=9 es impar, así que a²=−a².
  4. Reunir

    Sumar a² a ambos lados da 2a²=0.
  5. Usar los coeficientes

    Dos tiene inverso en R; multiplicar por 1/2 da a²=0.
  6. Alcance

    El paso de dividir no sería válido en característica dos.

Resultado

a²=0.

Lo comprobamos

La conclusión usa los coeficientes reales.

Los símbolos que hemos usado

H*(X;R)
Suma graduada ⊕ₙHⁿ(X;R), donde R es un anillo conmutativo de coeficientes.
a∪b o a∪b=a⌣b
Producto cup de una clase de grado p con una de grado q, con resultado de grado p+q.
deg a
Grado de una clase homogénea a, es decir, el único grupo Hᵖ al que pertenece.
1
Clase unidad en H⁰, representada por la función constante uno.
[M]
Clase fundamental de una variedad cerrada orientada, usada para evaluar una clase de grado máximo.
k
Cuerpo de coeficientes cuando se usa la versión simple de Künneth.
Sqⁱ
Operación de Steenrod Hⁿ(X;F₂)→Hⁿ⁺ⁱ(X;F₂), adicional a la estructura de anillo.
β
Bockstein Hⁿ(X;F₂)→Hⁿ⁺¹(X;Z) asociada a 0→Z→Z→F₂→0, con primer mapa multiplicación por dos.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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