Asphärischer Raum

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In der Mathematik ist der Begriff der Asphärizität in Geometrie und Topologie von Bedeutung. Ein topologischer Raum wird als asphärischer Raum bezeichnet, wenn er wegzusammenhängend ist und alle seine höheren Homotopiegruppen verschwinden, das heißt für .

Asphärische geschlossene Mannigfaltigkeiten kommen in der Differentialgeometrie häufig vor und spielen auch in der Homotopietheorie eine große Rolle. Interessante geometrische Konstruktionen führen auf asphärische geschlossene Mannigfaltigkeiten, z. B. nicht-positiv gekrümmte Mannigfaltigkeiten, geschlossene Flächen mit Ausnahme von und , irreduzible, geschlossene 3-Mannigfaltigkeiten mit unendlicher Fundamentalgruppe, oder lokal symmetrische Räume nichtkompakten Typs. Andererseits gibt es auch exotische asphärische geschlossene Mannigfaltigkeiten, die nicht aus Standardkonstruktionen stammen und unerwartete Eigenschaften haben, z. B. deren universelle Überlagerung nicht homöomorph zum ist und die nicht triangulierbar sind. Die wichtigsten Konstruktionsmethoden sind hier der Spiegelungstrick und Hyperbolisierung.

Der Homotopietyp eines asphärischen CW-Komplexes hängt nur von der Fundamentalgruppe ab. Die Borel-Vermutung sagt voraus, dass asphärisch geschlossene topologische Mannigfaltigkeiten topologisch starr sind, also durch ihre Fundamentalgruppe bereits bis auf Homöomorphismus festgelegt.

Homotopie-Klassifikation topologischer Räume

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Aus Sicht der Homotopietheorie wird ein asphärischer CW-Komplex vollständig durch seine Fundamentalgruppe bestimmt. Zwei asphärische CW-Komplexe sind genau dann homotopieäquivalent, wenn ihre Fundamentalgruppen isomorph sind (Satz von Whitehead).

Die Asphärizität von CW-Komplexen lässt sich wie folgt charakterisieren: ein CW-Komplex ist genau dann asphärisch, wenn er zusammenhängend ist und seine universelle Überlagerung zusammenziehbar ist.

Ein asphärischer CW-Komplex mit Fundamentalgruppe ist ein Eilenberg-MacLane-Raum und der klassifizierende Raum für Bündel mit (diskreter) Strukturgruppe .

Beispiele für asphärische Mannigfaltigkeiten

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Nicht-positive Krümmung

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Sei eine geschlossene differenzierbare Mannigfaltigkeit. Wenn eine riemannsche Metrik besitzt, deren Schnittkrümmung nicht-positiv ist, d. h. überall ist, dann erbt die universelle Überlagerung eine vollständige riemannsche Metrik, deren Schnittkrümmung nicht-positiv ist. Da einfach zusammenhängend ist, folgt dann aus dem Satz von Cartan-Hadamard, dass zu diffeomorph und daher zusammenziehbar ist. Deshalb ist und damit auch asphärisch.

Niedrige Dimensionen

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Eine zusammenhängende, geschlossene 1-dimensionale Mannigfaltigkeit ist homöomorph zu und daher asphärisch.

Sei eine zusammenhängende, geschlossene 2-dimensionale Mannigfaltigkeit. Dann ist entweder asphärisch oder homöomorph zu oder . Die folgenden Aussagen sind äquivalent:

  1. ist asphärisch.
  2. lässt eine riemannsche Metrik zu, die flach ist, d. h. mit Schnittkrümmung konstant 0, oder hyperbolisch, d. h. mit Schnittkrümmung konstant −1.
  3. Die universelle Überlagerung von ist homöomorph zu .

Eine zusammenhängende, geschlossene 3-Mannigfaltigkeit heißt prim, wenn für jede Zerlegung als zusammenhängende Summe einer der Summanden oder homöomorph zu ist. Sie heißt irreduzibel, wenn jede eingebettete Sphäre eine Vollkugel berandet. Jede irreduzible, geschlossene 3-Mannigfaltigkeit ist prim und eine prime geschlossene 3-Mannigfaltigkeit ist entweder irreduzibel oder ein -Bündel über . Eine geschlossene, orientierbare 3-Mannigfaltigkeit ist genau dann asphärisch, wenn sie irreduzibel ist und unendliche Fundamentalgruppe hat. Dies folgt aus dem Sphärensatz. Thurstons Geometrisierungsvermutung impliziert, dass eine geschlossene 3-Mannigfaltigkeit genau dann asphärisch ist, wenn ihre universelle Überlagerung homöomorph zu ist. Es gibt Beispiele für geschlossene, orientierbare 3-Mannigfaltigkeiten, die asphärisch sind, aber keine riemannsche Metrik mit nicht-positiver Schnittkrümmung besitzen.

Torsionsfreie diskrete Untergruppen von fast-zusammenhängenden Lie-Gruppen

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Sei eine Lie-Gruppe mit endlich vielen Wegzusammenhangskomponenten. Sei eine maximal kompakte Untergruppe. Sei eine diskrete, torsionsfreie Untergruppe. Dann ist eine asphärische geschlossene Mannigfaltigkeit mit Fundamentalgruppe , da ihre universelle Überlagerung für geeignetes zu diffeomorph ist.

Produkte und Faserungen

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Offensichtlich ist das Produkt zweier asphärischer Räume wieder asphärisch. Wenn allgemeiner eine Faserung mit asphärischen Räumen und ist, zeigt die lange exakte Homotopiesequenz, dass asphärisch ist.

Sei ein CW-Komplex mit Unter-CW-Komplexen und , so dass und . Angenommen, und sind asphärisch und für und jeden Basispunkt induziert die Inklusion eine injektive Abbildung . Dann ist asphärisch. Dies folgt aus dem Satz von Hurewicz und einer Anwendung des Mayer-Vietoris-Arguments.

Hyperbolisierung

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Eine sehr wichtige Konstruktionsmethode von asphärischen, geschlossenen Mannigfaltigkeiten ist Gromovs Hyperbolisierung von Zellkomplexen. Sie verwandelt einen Zellkomplex in ein nicht positiv-gekrümmtes (und damit asphärisches) Polyeder. Da die Konstruktion lokale Strukturen bewahrt, werden Mannigfaltigkeiten zu Mannigfaltigkeiten.

Man beginnt mit einem endlichdimensionalen Simplizialkomplex und weist ihm einen kubischen Zellkomplex und eine natürliche Abbildung mit den folgenden Eigenschaften zu:

  • ist nicht-positiv gekrümmt und insbesondere asphärisch;
  • Die natürliche Abbildung induziert eine surjektive Abbildung in ganzzahliger Homologie;
  • ist surjektiv;
  • Wenn eine orientierbare Mannigfaltigkeit ist, dann gilt:
  1. ist eine Mannigfaltigkeit;
  2. Die natürliche Abbildung hat Abbildungsgrad Eins;
  3. Es gibt einen stabilen Isomorphismus zwischen dem Tangentialbündel und dem Pullback .

Exotische asphärische geschlossene Mannigfaltigkeiten

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Davis-Januszkiewicz bewiesen, dass es eine asphärisch geschlossene 4-Mannigfaltigkeit mit den folgenden Eigenschaften gibt:

  1. ist zu keiner PL-Mannigfaltigkeit homotopie-äquivalent;
  2. ist nicht triangulierbar, d. h. nicht homöomorph zu einem Simplizialkomplex;
  3. Die universelle Überlagerung ist nicht homöomorph zu ;
  4. ist homotopie-äquivalent zu einem stückweise flachen, nicht-positiv gekrümmten Polyeder.

Weiter bewiesen Davis-Januszkiewicz, dass es für jedes eine asphärische, geschlossene -Mannigfaltigkeit gibt, die zu keiner PL-Mannigfaltigkeit homotopie-äquivalent ist, dass es für jedes eine asphärische, geschlossene -dimensionale Mannigfaltigkeit gibt, deren universelle Überlagerung nicht zum homöomorph ist, und dass es für jedes eine asphärische, geschlossene, glatte -dimensionale Mannigfaltigkeit gibt, die zu einem negativ gekrümmten Polyeder homöomorph ist und insbesondere eine hyperbolische Fundamentalgruppe hat, und deren universelle Überlagerung homöomorph zum ist, die aber nicht homöomorph zu einer glatten Mannigfaltigkeit mit Riemannscher Metrik negativer Schnittkrümmung ist.

Nach Ergebnissen von Belegradek, Mess und Weinberger hat man:

  1. Für jedes gibt es eine asphärische, geschlossene Mannigfaltigkeit der Dimension , deren Fundamentalgruppe eine unendlich teilbare abelsche Gruppe enthält;
  2. Für jedes gibt es eine asphärische, geschlossene Mannigfaltigkeit der Dimension , deren Fundamentalgruppe ein unlösbares Wortproblem hat und deren simpliziales Volumen ungleich Null ist.

Man beachte, dass eine endlich präsentierte Gruppe mit unlösbarem Wortproblem keine CAT(0)-Gruppe ist, nicht hyperbolisch, nicht automatisch, nicht asynchron automatisch, nicht residuell endlich und nicht linear über einen kommutativen Ring. Der Beweis der Konstruktion beruht auf dem Spiegelungstrick, der wie folgt zusammengefasst werden kann.

Sei eine Gruppe, die ein endliches Modell für den klassifizierenden Raum besitzt. Dann gibt es eine asphärische, geschlosseneMannigfaltigkeit und zwei Abbildungen und , so dass .

Eine weitere unmittelbare Anwendung des Spiegelungstricks ist, dass viele bekannte Vermutungen über Gruppen mit endlichen Modell für genau dann gelten, wenn sie für die Fundamentalgruppe jeder asphärischen, geschlossenen Mannigfaltigkeit gelten. Dies gilt zum Beispiel für die Kaplansky-Vermutung, Einheitsvermutung, Null-Divisor-Vermutung, Baum-Connes-Vermutung, Farrell-Jones-Vermutung für algebraische K-Theorie für reguläre Ringe, Farrell-Jones-Vermutung für algebraische L-Theorie, das Verschwinden von und der Whitehead-Gruppe .

Poincaré-Dualitätsgruppen

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Eine Gruppe wird als Poincaré-Dualitätsgruppe der Dimension bezeichnet, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

  1. Die Gruppe ist vom Typ FP, d. h. das triviale -Modul besitzt eine endlich-dimensionale projektive -Auflösung durch endliche erzeugte projektive -Moduln;
  2. Es gibt einen Isomorphismus abelscher Gruppen

Man vermutet, dass eine endlich präsentierte Gruppe genau dann eine -dimensionale Poincaré-Dualitätsgruppe ist, wenn es sich um die Fundamentalgruppe einer asphärischen, geschlossenen -dimensionalen topologischen Mannigfaltigkeit handelt. Bewiesen ist das nur in Spezialfällen.

  • Wolfgang Lück, Survey on aspherical manifolds, European Congress of Mathematics, Eur. Math. Soc., Zürich (2010), 53–82.