Kurs:Riemannsche Flächen (Osnabrück 2022)/Arbeitsblatt 21/latex

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\setcounter{section}{21}






\zwischenueberschrift{Aufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Überdeckung}{}{} eines \definitionsverweis {topologischen Raumes}{}{} $X$ und sei ${ \mathcal G }$ eine \definitionsverweis {Garbe von kommutativen Gruppen}{}{} auf $X$. Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \check{H}^{ 0 } ( U_i, i \in I , { \mathcal G } ) }
{ =} { \Gamma { \left( X, { \mathcal G } \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Überdeckung}{}{} eines \definitionsverweis {topologischen Raumes}{}{} $X$ und sei ${ \mathcal G }$ eine \definitionsverweis {Garbe von kommutativen Gruppen}{}{} auf $X$. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \in }{ \check{C}^{ k } ({ U_i }, { \mathcal G } ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Čech-Kozykel}{}{,} der für ein bestimmtes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{J }
{ = }{\{ i_0, i_1 , \ldots , i_k\} }
{ \subseteq }{I }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} den Wert
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ \Gamma { \left( U_J, { \mathcal G } \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und für alle anderen $(k+1)$-elementigen Teilmengen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{J' }
{ \neq }{J }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} den Wert $0$ besitzt. Bestimme
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \delta(s) }
{ \in }{\check{C}^{ k+1 } ({ U_i }, { \mathcal G } ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Čech-Komplex}{}{} in der Tat ein \definitionsverweis {Komplex}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten auf dem Kreis $S^1$ die Überdeckung mit drei offenen \zusatzklammer {zu reellen Intervallen \definitionsverweis {homöomorphen}{}{}} {} {} Kreissegmenten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{S^1 }
{ = }{ U_1 \cup U_2 \cup U_3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} deren Durchschnitte $U_i \cap U_j$ Intervalle seien. Es sei $G$ eine \definitionsverweis {diskrete}{}{} \definitionsverweis {topologische Gruppe}{}{} und ${ \mathcal G }$ die Garbe der lokal konstanten $G$-wertigen Funktionen auf dem Kreis. Bestimme
\mathl{\check{H}^{ 1 } ( U_1,U_2,U_3, { \mathcal G } )}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ A \cup B }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Vereinigung von zwei Kreisen, die sich in einem Punkt $P$ treffen \zusatzklammer {also eine \anfuehrung{Acht}{}} {} {.} Wir betrachten die offene Überdeckung $U_1,U_2,U_3$ von $X$, wobei $U_1$ eine offener Dreiviertelkreis von $A$ ist, der $P$ nicht enthält, wobei $U_2$ ein offener Dreiviertelkreis von $B$ ist, der $P$ nicht enthält, und wobei $U_3$ den Punkt $P$ enthält und von beiden Kreisen einen offenen Halbkreis ausschneidet. Es sei $G$ eine \definitionsverweis {diskrete}{}{} \definitionsverweis {topologische Gruppe}{}{} und ${ \mathcal G }$ die Garbe der lokal konstanten $G$-wertigen Funktionen auf $X$. Bestimme
\mathl{\check{H}^{ 1 } ( U_1,U_2,U_3, { \mathcal G } )}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Auf der Kugeloberfläche $S^2$ fixieren wir ein \anfuehrung{Dreieck}{,} etwa eines, das ein Achtel der Oberfläche einnimmt. Es seien $K_1,K_2,K_3$ die Kanten des Dreieckes. Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U_i }
{ =} { S^2 \setminus K_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {homöomorph}{}{} zum $\R^2$, der Durchschnitt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U_1 \cap U_2 }
{ =} { S^2 \setminus { \left( K_1 \cup K_2 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist ebenfalls homöomorph zum $\R^2$, dagegen zerfällt der Dreierdurchschnitt
\mathl{U_1 \cap U_2 \cap U_3}{} in zwei Teile, nämlich das offene innere Dreieck und die offene Restfläche, die beide homöomorph zum $\R^2$ sind. Es sei $G$ eine \definitionsverweis {diskrete}{}{} \definitionsverweis {topologische Gruppe}{}{} und ${ \mathcal G }$ die zugehörige \definitionsverweis {Garbe der lokal konstanten Funktionen}{}{} mit Werten in $G$. Bestimme den \definitionsverweis {Čech-Komplex}{}{} zu dieser Überdeckung und berechne \mathkor {} {\check{H}^{ 1 } ( U_i, { \mathcal G } )} {und} {\check{H}^{ 2 } ( U_i, { \mathcal G } )} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten einen Torus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X }
{ \cong} {S^1 \times S^1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und darauf einen Kreis
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Z }
{ = }{ S^1 \times \{P\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ W }
{ \cong }{ S^1 \times I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein offener Streifen um $Z$ und es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ W }
{ =} { U_1 \cup U_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei $U_1,U_2$ homöomorph zu offenen Rechtecken seien und sich an den jeweiligen Enden überlappen \zusatzklammer {es liegt also um den Kreis eine Verdickung der Situation aus Beispiel 21.7 vor} {} {.} Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U_3 }
{ =} { T \setminus Z }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Berechne
\mathl{\check{H}^{ 1 } ( U_1,U_2,U_3, { \mathcal G } )}{,} wobei ${ \mathcal G }$ die \definitionsverweis {Garbe der lokal konstanten Funktionen}{}{} mit Werten in einer \definitionsverweis {kommutativen Gruppe}{}{} $G$ bezeichnet.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {riemannsche Fläche}{}{} und ${ \mathcal L }$ eine \definitionsverweis {invertierbare Untergarbe}{}{} der Garbe der \definitionsverweis {meromorphen Funktionen}{}{} auf $X$. Bestimme eine Beschreibung von ${ \mathcal L }$ als \definitionsverweis {Čech-Kozykel}{}{} von ${\mathcal O}_{ X }^\times$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei ${ \mathcal G }$ eine \definitionsverweis {welke Garbe}{}{} auf einem \definitionsverweis {topologischen Raum}{}{} $X$ und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Überdeckung}{}{.} Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \check{H}^{ 1 } ( U_i, i \in I, { \mathcal G } ) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X }
{ =} { \bigcup_{i \in I} U_i }
{ =} { \bigcup_{j \in J} V_j }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {offene Überdeckungen}{}{} eines \definitionsverweis {topologischen Raumes}{}{} $X$. Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ W_{ij} }
{ \defeq} { U_i \cap V_j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit der Indexmenge $I \times J$ eine gemeinsame \definitionsverweis {Verfeinerung}{}{} der beiden Überdeckungen ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und ${ \mathcal G }$ eine \definitionsverweis {Garbe von kommutativen Gruppen}{}{} auf $X$. Es sei
\mathbed {U_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} eine \definitionsverweis {offene Überdeckung}{}{} von $X$, die eine \definitionsverweis {Verfeinerung}{}{} der offenen Überdeckung
\mathbed {V_j} {}
{j \in J} {}
{} {} {} {,} sei. Zeige, dass die Verfeinerungsabbildung \maabbdisp {} {\check{H}^{ 1 } ( {\mathfrak V} ,{ \mathcal F } ) } {\check{H}^{ 1 } ( {\mathfrak U} , { \mathcal F } ) } {} unabhängig von der Indexabbildung \maabb {\alpha} {I} {J } {} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei ${ \mathcal G }$ eine \definitionsverweis {Garbe von kommutativen Gruppen}{}{} auf einem \definitionsverweis {topologischen Raum}{}{} $X$, es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Überdeckung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g_{ij} }
{ \in }{ \Gamma { \left( U_i \cap U_j, { \mathcal G } \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Čech-Kozykel}{}{} zur gegebenen Garbe und Überdeckung. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \alpha, \beta }
{ \in }{ I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g_{\alpha , \beta} }
{ =} { h_\alpha {{|}}_{U_\alpha \cap U_\beta} - h_\beta {{|}}_{U_\alpha \cap U_\beta} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ h_\alpha }
{ \in }{ \Gamma { \left( U_\alpha, { \mathcal G } \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ h_\beta }
{ \in }{ \Gamma { \left( U_\beta, { \mathcal G } \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ J }
{ = }{ I \setminus \{ \alpha, \beta \} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ W }
{ = }{ U_\alpha \cup U_\beta }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige die folgenden Aussagen. \aufzaehlungvier{Die Familie
\mathbed {U_j} {}
{j \in J} {}
{} {} {} {,} zusammen mit $W$ ist ebenfalls eine offene Überdeckung von $X$. }{Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i }
{ \in }{ J }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sind
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f_i }
{ =} { \begin{cases} g_{i \alpha} + h_\alpha \text{ auf } U_i \cap U_\alpha \, , \\ g_{i \beta}+ h_\beta \text{ auf } U_i \cap U_\beta \, ,\end{cases} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} wohldefinierte Schnitte aus
\mathl{\Gamma { \left( U_i \cap W, { \mathcal G } \right) }}{.} }{Die Familie $g_{ij}$,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i,j }
{ \in }{J }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und $f_i$ aus
\mathl{\Gamma { \left( U_i \cap W, { \mathcal G } \right) }}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i }
{ \in }{ J }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist ein Kozykel zu ${ \mathcal G }$ zur Überdeckung aus (1). }{Der Kozykel aus (2) definiert die gleiche erste \definitionsverweis {Čech-Kohomologieklasse}{}{} wie der ursprüngliche Kozykel. }

}
{} {}

In den folgenden Aufgaben beschreiben wir eine Interpretation der ersten Kohomologiegruppe zur Garbe der lokal konstanten Funktionen in einer diskreten Gruppe mit Hilfe von Überlagerungen.


Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{.} Eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabb {p} {Y} {X } {} heißt eine \definitionswortpraemath {G}{ Überlagerung }{,} wenn eine fasertreue \definitionsverweis {Gruppenoperation}{}{} \maabb {} {G \times Y} { Y } {} fixiert ist derart, dass es eine \definitionsverweis {offene Überdeckung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt und $G$-\definitionsverweis {invariante}{}{} \definitionsverweis {Homöomorphismen}{}{} \maabbdisp {} { G \times U_i} { p^{-1}(U_i) } {} über $U_i$.


In der folgenden Aufgabe wird die triviale $G$-Überlagerung beschrieben.


\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{.} Zeige, dass $G \times X$, wobei $G$ mit der \definitionsverweis {diskreten Topologie}{}{} versehen wird, in natürlicher Weise eine $G$-\definitionsverweis {Überlagerung}{}{} von $X$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass zwei $G$-\definitionsverweis {Überlagerungen}{}{} \maabb {p_1,p_2} {Y } {X } {} als Überlagerungen isomorph sein können, ohne dass sie als $G$-Überlagerungen isomorph sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{,} $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und \maabb {p} {Y} {X } {} eine $G$-\definitionsverweis {Überlagerung}{}{.} Zeige, dass es sich um eine \definitionsverweis {normale Überlagerung}{}{} handelt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{,} $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und \maabb {p} {Y} {X } {} eine $G$-\definitionsverweis {Überlagerung}{}{.} Zeige, dass $G$ eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} der \definitionsverweis {Decktransformationsgruppe}{}{} ist.

}
{} {}

Ohne weitere Voraussetzung kann bei einer $G$-Überlagerung die Decktransformationsgruppe größer als $G$ sein, wie schon die triviale $G$-Überlagerung zeigt.


\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {p} {Y} {X } {} eine \definitionsverweis {normale Überlagerung}{}{} mit $Y$ \definitionsverweis {hausdorffsch}{}{,} \definitionsverweis {lokal wegzusammenhängend}{}{} und \definitionsverweis {zusammenhängend}{}{.} Es sei $G$ die \definitionsverweis {Decktransformationsgruppe}{}{.} Zeige, dass $Y$ eine $G$-\definitionsverweis {Überlagerung}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine Primzahl,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ G }
{ = }{ \Z/(p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \in }{ \Z/(p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ {\mathbb C} ^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir ordnen $k$ eine $G$-\definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabb {p} {Y} {X } {} in der folgenden Weise zu: Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, so nimmt man die $p$-fache disjunkte Vereinigung von ${\mathbb C} ^{\times}$ und lässt den Erzeuger der Gruppe durch eine zyklische Vertauschung der Kopien operieren. Wenn $k$ eine \definitionsverweis {Einheit}{}{} modulo $p$ ist, so ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ = }{ {\mathbb C} ^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die Abbildung ist die Potenzierung
\mathl{z \mapsto z^{p}}{} und die $G$-Operation ist dadurch gegeben, dass der Erzeuger der Gruppe als Multiplikation mit
\mathl{\zeta^k}{} wirkt, wobei $\zeta$ eine fixierte $p$-te \definitionsverweis {primitive Einheitswurzel}{}{} ist. Zeige, dass dabei nichtisomorphe $G$-Überlagerungen entstehen.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und $G$ eine \definitionsverweis {kommutative Gruppe}{}{.} Zeige, dass die Menge der $G$-\definitionsverweis {Überlagerungen}{}{} \zusatzklammer {wobei $G$-isomorphe Überlagerungen miteinander identifiziert werden} {} {} in einer natürlichen Bijektion mit der \definitionsverweis {ersten Kohomologiegruppe}{}{} $\check{H}^{ 1 } ( X,G)$, wobei $G$ hier die \definitionsverweis {Garbe der lokal konstanten Funktionen}{}{} mit Werten in $G$ bezeichnet.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und sei \maabb {\varphi} { { \mathcal F } } {{ \mathcal G } } {} ein \definitionsverweis {Homomorphismus}{}{} zwischen den \definitionsverweis {Garben von kommutativen Gruppen}{}{} \mathkor {} {{ \mathcal F }} {und} {{ \mathcal G }} {} auf $X$. Zeige die folgenden Aussagen. \aufzaehlungzwei {Zu einer \definitionsverweis {offenen Überdeckung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es einen natürlichen Gruppenhomomorphismus \maabbdisp {} {\check{H}^{ 1 } ( U_i , { \mathcal F } ) } { \check{H}^{ 1 } ( U_i , { \mathcal G } ) } {.} } {Es gibt einen natürlichen Gruppenhomomorphismus \maabbdisp {} {\check{H}^{ 1 } ( X , { \mathcal F } ) } { \check{H}^{ 1 } ( X , { \mathcal G } ) } {.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathdisp {0 \, \stackrel{ }{\longrightarrow} \, { \mathcal F } \, \stackrel{ }{ \longrightarrow} \, { \mathcal G } \, \stackrel{ }{\longrightarrow} \, { \mathcal H } \,\stackrel{ } {\longrightarrow} \, 0} { }
eine \definitionsverweis {kurze exakte Sequenz}{}{} von \definitionsverweis {Garben von kommutativen Gruppen}{}{} auf einem \definitionsverweis {topologischen Raum}{}{} $X$. Zeige, dass dann eine lange exakte Sequenz
\mathdisp {0 \longrightarrow \Gamma { \left( X, { \mathcal F } \right) } \longrightarrow \Gamma { \left( X, { \mathcal G } \right) } \longrightarrow \Gamma { \left( X, { \mathcal H } \right) } \stackrel{\delta}{ \longrightarrow } \check{H}^{ 1 } ( X, { \mathcal F } ) \longrightarrow \check{H}^{ 1 } ( X, { \mathcal G } ) \longrightarrow \check{H}^{ 1 } ( X, { \mathcal H } )} { }
vorliegt.

}
{} {}