Kurs:Riemannsche Flächen (Osnabrück 2022)/Vorlesung 6/latex

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\setcounter{section}{6}

Nach Satz 2.1 ist eine nichtkonstante holomorphe Abbildung zwischen riemannschen Flächen lokal biholomorph äquivalent zu einer Potenzierung
\mathl{w \mapsto w^k}{.} Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} besteht das Urbild von $z$ unter dieser Abbildung aus den $k$ verschiedenen $k$-ten Wurzeln von $z$. Insbesondere sind außerhalb von gewissen Ausnahmenmengen \zusatzklammer {den Verzweigungspunkten} {} {} holomorphe Abbildungen zumindest lokal von einer topologisch einfachen Bauart. Das topologisch relevante Konzept ist das einer Überlagerung.






\zwischenueberschrift{Überlagerungen}






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Covering map.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }

\bildlizenz { Covering map.svg } {} {Johannes Spielmann} {Commons} {CC-by-sa 3.0} {}




\inputdefinition
{ }
{

Es seien \mathkor {} {X} {und} {Y} {} \definitionsverweis {topologische Räume}{}{.} Eine \definitionsverweis {stetige Abbildung}{}{} \maabbdisp {p} {Y} {X } {} heißt \definitionswort {Überlagerung}{,} wenn es eine \definitionsverweis {offene Überdeckung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X }
{ = }{\bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und eine Familie \definitionsverweis {diskreter}{}{} topologischer Räume
\mathbed {F_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} derart gibt, dass
\mathl{p^{-1}(U_i)}{} \definitionsverweis {homöomorph}{}{} zu
\mathl{U_i \times F_i}{} \zusatzklammer {versehen mit der \definitionsverweis {Produkttopologie}{}{}} {} {} ist, wobei die Homöomorphien mit den Abbildungen nach $U_i$ verträglich sind.

}

Eine Abbildung der Form \maabbdisp {} {U \times F} {U } {} mit einem diskreten Raum $F$ nennt man \stichwort {triviale Überlagerung} {} von $U$, der Überlagerungsraum besteht einfach aus $F$-vielen disjunkten Kopien das Basisraumes $U$. Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ F }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nennt man dann die zu $U$ homöomorphe Teilmenge
\mathl{U \times \{P\}}{} ein \stichwort {Blatt} {} der Überlagerung über $U$. Lokal ist jede Überlagerung trivial, nach Definition liegen ja kommutative Diagramme
\mathdisp {\begin{matrix} p^{-1} (U_i) & \stackrel{ }{\longrightarrow} & U_i \times F_i & \\ & \!\!\! \!\! p \searrow & \downarrow & \\ & & U_i & \!\!\!\!\! \!\!\! \\ \end{matrix}} { }
mit horizontalen Homöomorphien vor. Deshalb sind hauptsächlich globale Eigenschaften einer Überlagerung interessant. Unter schwachen Voraussetzungen \zusatzklammer {siehe Lemma 6.4} {} {} gibt es nur einen diskreten Raum $F$.




\inputbeispiel{}
{

Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist \maabbeledisp {\varphi} { {\mathbb C} ^{\times} } { {\mathbb C} ^{\times} } {w} {w^n } {,} eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{.} Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ {\mathbb C} ^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w }
{ \in }{ {\mathbb C} ^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w^n }
{ = }{ z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w }
{ \in }{ V }
{ \subseteq }{{\mathbb C} ^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine offene Umgebung, die \definitionsverweis {homöomorph}{}{} auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \defeq }{ \varphi(V) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} abbildet. Eine solche Menge gibt es nach Korollar 1.11 und wegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi'(w) }
{ = }{ nw^{n-1} }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Die Menge der $n$-ten \definitionsverweis {komplexen Einheitswurzeln}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ E_n }
{ =} { { \left\{ \zeta \in {\mathbb C} \mid \zeta^n = 1 \right\} } }
{ =} { \{ e^{ { \frac{ 2 \pi k { \mathrm i} }{ n } } }{{|}}\, k= 0 , \ldots , n-1 \} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} siehe Lemma 21.11 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)). Wir können $V$ verkleinern und dadurch erreichen, dass für alle $n$-ten Einheitswurzeln
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \zeta }
{ \neq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die offenen Mengen \mathkor {} {V} {und} {\mu_\zeta(V)} {} \definitionsverweis {disjunkt}{}{} sind. Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^{-1} { \left( U \right) } }
{ \cong} { \biguplus_{\zeta \in E_n} \mu_{\zeta} (V) }
{ \cong} { U \times E_n }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}




\inputbeispiel{}
{

Die Abbildung \maabbeledisp {\exp} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} ^{\times} } {w} { \exp w } {,} ist eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{.} Zu einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ {\mathbb C} ^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \exp w }
{ = }{ z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es nach Korollar 1.11 eine offene Umgebung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w }
{ \in }{ V }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die \definitionsverweis {homöomorph}{}{} auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \defeq }{ \exp \left( V \right) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} abbildet. Durch Verkleinern von $V$ können wir annehmen, dass die offenen Mengen \mathkor {} {V} {umd} {V+ 2 \pi k { \mathrm i}} {} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {disjunkt}{}{} sind. Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \exp^{-1}(U) }
{ \cong} { \biguplus_{k \in \Z} { \left( V + 2 k \pi { \mathrm i} \right) } }
{ \cong} { U \times \Z }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}





\inputfaktbeweis
{Topologie/Überlagerungen/Faser/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {p} {Y} {X } {} eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} und $X$ \definitionsverweis {zusammenhängend}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ p^{-1}(x) }
{ \cong} { p^{-1}(y) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x,y }
{ \in }{X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei zunächst \maabb {p} {Y} {X } {} eine beliebige Überlagerung und
\mathbed {U_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} eine Überdeckung von $X$, über der die Überlagerung trivialisiert. Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x,y }
{ \in }{ U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ p^{-1}(x) }
{ \cong} { F_i }
{ \cong} { p^{-1}(y) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei nun $X$ zusammenhängend,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T }
{ \defeq} { { \left\{ y \in X \mid p^{-1}(y)\cong p^{-1}(x) \right\} } }
{ \neq} { \emptyset }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann ist $T$ offen, denn es enthält zu jedem seiner Punkte noch eine offene Umgebung, über der $p$ trivialisiert. Aus dem gleichen Grund ist aber auch $X \setminus T$ offen. Da $X$ zusammenhängend ist, gilt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ = }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}


Somit hängt die Mächtigkeit einer Faser einer Überlagerung eines zusammenhängenden Raumes nicht von der Wahl des Punktes ab. In Beispiel 6.2 ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F }
{ = }{ \Z/(n) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und in Beispiel 6.3 ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F }
{ = }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}




\inputdefinition
{}
{

Eine \definitionsverweis {stetige Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {X} {Y } {} zwischen \definitionsverweis {topologischen Räumen}{}{} $X$ und $Y$ heißt \definitionswort {lokaler Homöomorphismus}{,} wenn es zu jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Umgebung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart gibt, dass $\varphi(U)$ offen in $Y$ ist und dass die Einschränkung \maabbdisp {} {U} {\varphi(U) } {} ein \definitionsverweis {Homöomorphismus}{}{} ist.

}





\inputfaktbeweis
{Überlagerung/Lokaler Homöomorphismus/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabb {p} {Y} {X } {}}
\faktfolgerung {ist ein \definitionsverweis {lokaler Homöomorphismus}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ = }{p(y) }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es eine \definitionsverweis {offene Umgebung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass $p^{-1} (U)$ die disjunkte Vereinigung von zu $U$ homöomorphen offenen Mengen ist. Auf einer dieser Mengen muss $y$ liegen.

}


Zu einer offenen Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist die Inklusion ein lokaler Homöomorphismus, aber im Allgemeinen keine Überlagerung.


\inputfaktbeweis
{Stetige Abbildung/Lokaler Homöomorphismus/Offene Abbildung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Ein \definitionsverweis {lokaler Homöomorphismus}{}{} \maabb {p} {Y} {X } {}}
\faktfolgerung {ist eine \definitionsverweis {offene Abbildung}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{ Siehe Aufgabe 6.11. }





\inputfaktbeweis
{Topologie/Überlagerungen/Offenheit/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabb {p} {E} {X } {}}
\faktfolgerung {ist eine \definitionsverweis {offene Abbildung}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt aus Lemma 6.6 und Lemma 6.7.

}

Bei einer Überlagerung gibt es enge Beziehungen zwischen zusätzlichen Strukturen auf dem Basisraum und auf dem Überlagerungsraum.




\inputfaktbeweis
{Riemannsche Fläche/Überlagerung/Rückzug/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {p} {Y} {X } {} eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} von \definitionsverweis {topologischen Räumen}{}{,} wobei $X$ eine \definitionsverweis {riemannsche Fläche}{}{} sei.}
\faktfolgerung {Dann gibt es eine eindeutige Struktur einer riemannschen Fläche auf $Y$ derart, dass $p$ zu einer \definitionsverweis {holomorphen Abbildung}{}{} wird.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Nach Aufgabe 6.7 ist mit $X$ auch $Y$ hausdorffsch. Für eine offene Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ V }
{ \subseteq }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die homöomorph auf $p(V)$ abgebildet wird, muss die komplexe Struktur auf $V$ die von $p(V)$ zurückgezogene holomorphe Struktur sein. Dies ergibt sich aus Satz 2.3, da eine holomorphe bijektive Abbildung bereits biholomorph ist. Es kann also höchstens eine komplexe Struktur auf $Y$ derart geben, dass die Abbildung holomorph wird. Zur Existenz überdecken wir $X$ mit offenen Mengen
\mathbed {U_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} über denen $p$ trivialisiert und wobei die $U_i$ \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} Kartengebiete mit Karten \maabbdisp {\alpha_i} {U_i} { U_i' \subseteq {\mathbb C} } {} sind. Es sei
\mathbed {V_{ij_i}} {}
{j_i \in J_i} {}
{} {} {} {,} die disjunkte Zerlegung von
\mathl{p^{-1}(U_i)}{.} Wir definieren Karten auf $V_{i,j_i}$ durch \maabbdisp {\beta_{i,j_i} \defeq \alpha_i \circ p_{j_i}} {V_{i,j_i}} { U_i' } {.} Seien \mathkor {} {V_{i,j_i}} {und} {V_{k,\ell_k}} {} zwei solche Mengen. Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ p { \left( V_{i,j_i} \cap V_{k,\ell_k} \right) } }
{ =} { U_i \cap U_k }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und die Holomorphie der Übergangsabbildung folgt aus der Holomorphie der Kartenwechsel auf $X$.

}

Diese Aussage gilt auch allgemeiner für komplexe Mannigfaltigkeiten.






\zwischenueberschrift{Liftungen}

Eine grundlegende Eigenschaft von Überlagerungen ist es, dass Wege und Homotopien entlang der Überlagerung geliftet werden können.




\inputdefinition
{}
{

Es seien \mathkor {} {X} {und} {Y} {} \definitionsverweis {topologische Räume}{}{.} Zu einer \definitionsverweis {stetigen Abbildung}{}{} \maabb {p} {Y} {X } {} und einem \definitionsverweis {stetigen Weg}{}{} \maabbdisp {\gamma} {[0,1]} {X } {} nennt man einen stetigen Weg \maabbdisp {\tilde{\gamma}} {[0,1]} {Y } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\gamma }
{ =} { p \circ \tilde{\gamma} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionswort {Liftung}{} von $\gamma$.

}





\inputfaktbeweis
{Topologie/Überlagerungen/Wege-Liftung/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {p} {Y} {X } {} eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{,} \maabb {\gamma} { I } {X } {} ein \definitionsverweis {stetiger Weg}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ p(z) }
{ = }{ \gamma(0) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es genau einen stetigen Weg \maabbdisp {\tilde{\gamma}} {I} { Y } {} mit der Eigenschaft, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ p \circ \tilde{\gamma} }
{ = }{ \gamma }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \tilde{\gamma}(0) }
{ = }{ z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Zu jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ \gamma(I) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es eine offene Umgebung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ U_x }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass $p$ oberhalb von $U_x$ trivialisiert, d.h.
\mathl{p^{-1} (U_x)}{} ist die disjunkte Vereinigung von zu $U_x$ über $p$ \definitionsverweis {homöomorphen}{}{} offenen Teilmengen von $Y$. Aufgrund der \definitionsverweis {Kompaktheit}{}{} von $\gamma(I)$ gibt es somit endlich viele offene Mengen
\mathl{U_1 , \ldots , U_n}{} mit dieser Eigenschaft und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma(0) }
{ \in }{ U_1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U_i \cap U_{i+1} \cap \gamma(I) }
{ \neq }{ \emptyset }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle $i$ \zusatzklammer {da $\gamma(I)$ \definitionsverweis {zusammenhängend}{}{} ist} {} {} und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma(1) }
{ \in }{ U_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_i }
{ = }{\gamma(t_i) }
{ \in }{ U_i \cap U_{i+1} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit aufsteigenden Zeitpunkten $t_i$. Es sei $V_1$ diejenige zu $U_1$ homöomorphe Teilmenge von $Y$, die $z$ enthält. Dann gibt es für den auf
\mathl{[0, t_1]}{} eingeschränkten Weg nur die Liftung
\mathl{p {{|}}_{V_i}^{-1} \circ \gamma{{|}}_{[0,t_1]}}{.} Dieser Weg hat für $t_1$ einen eindeutigen Endpunkt in $Y$, sagen wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ z_1 }
{ =} { \tilde{\gamma}(t_1) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dazu gehört wiederum eine eindeutige offene Menge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ V_2 }
{ \subseteq }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} homöomorph zu $U_2$ und es gibt eine eindeutige Fortsetzung von dem bisher konstruierten $\tilde{\gamma}$ nach
\mathl{[t_1,t_2]}{.} So induktiv fortfahrend erhält man die gesamte eindeutige Liftung des Weges.

}






\zwischenueberschrift{Decktransformationen}




\inputdefinition
{}
{

Es sei \maabb {p} { Y } {X } {} eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} von $X$. Ein \definitionsverweis {Homöomorphismus}{}{} \maabb {f} { Y } { Y } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ p \circ f }
{ = }{ p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} heißt \definitionswort {Decktransformation}{} der Überlagerung.

}




\inputdefinition
{}
{

Es sei \maabb {p} { Y } {X } {} eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} von $X$. Die Menge der \definitionsverweis {Decktransformationen}{}{} von $Y$ über $X$, versehen mit der \definitionsverweis {Hintereinanderschaltung}{}{,} heißt \definitionswort {Decktransformationsgruppe}{} der Überlagerung. Sie wird mit
\mathl{\operatorname{Deck} { \left( Y {{|}} X \right) }}{} bezeichnet.

}




\inputbeispiel{}
{

Zur \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabbeledisp {\varphi} { {\mathbb C} ^{\times} } { {\mathbb C} ^{\times} } {w} {w^n } {,} ist die \definitionsverweis {Decktransformationsgruppe}{}{} gleich der Gruppe der $n$-ten \definitionsverweis {komplexen Einheitswurzeln}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ E_n }
{ =} { { \left\{ \zeta \in {\mathbb C} \mid \zeta^n = 1 \right\} } }
{ =} { \{ e^{ { \frac{ 2 \pi k { \mathrm i} }{ n } } }{{|}}\, k= 0 , \ldots , n-1 \} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} siehe Lemma 21.11 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)). Dabei wirkt eine Einheitswurzel $\zeta$ durch die Multiplikation \maabbeledisp {\mu_\zeta} { {\mathbb C} ^{\times}} { {\mathbb C} ^{\times} } {z} { \zeta z } {,} als Decktransformation. Die Gesamtzuordnung \maabbdisp {} { E_n } { \operatorname{Deck} { \left( {\mathbb C} ^{\times} {{|}} {\mathbb C} ^{\times} \right) } } {} ist offenbar \definitionsverweis {injektiv}{}{} und ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{.} Bei einer beliebigen Decktransformation \maabbdisp {\theta} {{\mathbb C} ^{\times}} {{\mathbb C} ^{\times} } {} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \zeta }
{ \defeq }{ \theta(1) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine $n$-te Einheitswurzel. Daraus folgt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \theta }
{ = }{ \mu_\zeta }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit Lemma 6.16.


}




\inputbeispiel{}
{

Zur \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabbeledisp {\exp} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} ^{\times} } {w} { \exp w } {,} ist die \definitionsverweis {Decktransformationsgruppe}{}{} gleich der Gruppe der \definitionsverweis {ganzen Zahlen}{}{} $\Z$. Dabei wirkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} durch die Addition \maabbeledisp {} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {w} { w +n 2 \pi { \mathrm i} } {,} als Decktransformation. Dass es sich um eine Decktransformation handelt beruht auf den Periodizitätseigenschaften der komplexen Exponentialfunktion, siehe Satz 21.5 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)). Daraus ergibt sich auch, dass \maabbdisp {} { \Z } { \operatorname{Deck} { \left( {\mathbb C} {{|}} {\mathbb C} ^{\times} \right) } } {} ein injektiver \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} ist. Nach Lemma 6.16 ist dies sogar ein Isomorphismus.


}





\inputfaktbeweis
{Überlagerung/Decktransformation/Bestimmtheit/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {p} {Y} {X } {} eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{.}}
\faktvoraussetzung {Dabei sei $Y$ \definitionsverweis {hausdorffsch}{}{,} \definitionsverweis {lokal wegzusammenhängend}{}{} und \definitionsverweis {zusammenhängend}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist eine \definitionsverweis {Decktransformation}{}{,} die einen \definitionsverweis {Fixpunkt}{}{} besitzt, bereits die Identität.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei $\varphi$ die Decktransformation. Wir betrachten die Menge
\mathl{{ \left\{ y \in Y \mid \varphi(y) = y \right\} }}{,} die nach Voraussetzung nicht leer ist. Wir zeigen, dass sie sowohl offen als auch abgeschlossen ist. Wegen $Y$ \definitionsverweis {hausdorffsch}{}{} ist die Fixpunktmenge nach Aufgabe 6.20 abgeschlossen. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ Y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Fixpunkt mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ p(y) }
{ =} { x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine offene Umgebung, worüber die Überlagerung trivialisiert. Wegen der Voraussetzung über den lokalen Wegzusammenhang können wir annehmen, dass $U$ wegzusammenhängend ist. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die entsprechende offene Umgebung von $y$. Dann ist $V$ und somit auch $\varphi(V)$ zusammenhängend und wegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(y) }
{ = }{y }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist bereits
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(V) }
{ \subseteq }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Somit gilt für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y' }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Bedingung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(y') }
{ \in }{ V \cap p^{-1} (p(y')) }
{ = }{ \{ y' \} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} also ist $\varphi$ auf $V$ die Identität. Die Fixpunktmenge ist also auch offen. Aufgrund des Zusammenhangs von $Y$ ist sie dann gleich ganz $Y$.

}




\inputdefinition
{}
{

Eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabbdisp {p} {Y} {X } {} heißt \stichwort {normal} {,} wenn es zu jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und jedem Punktepaar
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y_1,y_2 }
{ \in }{ p^{-1}(x) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Decktransformation}{}{} \maabbdisp {\varphi} {Y} {Y } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(y_1) }
{ = }{ y_2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}

Die Überlagerungen aus Beispiel 6.2 und aus Beispiel 6.3 sind normal.






\zwischenueberschrift{Endliche Überlagerungen}




\inputdefinition
{}
{

Eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} \maabb {p} {Y} {X } {} heißt \stichwort {endlich} {,} wenn jede \definitionsverweis {Faser}{}{} eine endliche Menge ist.

}

Eine stetige Abbildung heißt \definitionsverweis {endlich}{}{} \zusatzklammer {im topologischen Sinne} {} {,} wenn die Fasern endliche Mengen sind und wenn die Abbildung \definitionsverweis {eigentlich}{}{} ist, also Urbilder von kompakten Mengen stets wieder kompakt sind.





\inputfaktbeweis
{Topologische Räume/Endliche Überlagerung/Charakterisierung/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei \maabb {p} {Y} {X } {} eine \definitionsverweis {surjektive}{}{} \definitionsverweis {stetige Abbildung}{}{} zwischen \definitionsverweis {topologischen Räumen}{}{} mit $Y$ ein \definitionsverweis {Hausdorffraum}{}{} und $X$ \definitionsverweis {lokal wegzusammenhängend}{}{.}}
\faktuebergang {Dann sind folgende Aussagen äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungdrei{$p$ ist eine \definitionsverweis {endliche Überlagerung}{}{.} }{$p$ ist eine \definitionsverweis {Überlagerung}{}{} und \definitionsverweis {endlich}{}{.} }{$p$ ist ein \definitionsverweis {lokaler Homöomorphismus}{}{,} der \definitionsverweis {endlich}{}{} ist. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Von (1) nach (2). Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ \subseteq }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {kompakt}{}{} mit dem Urbild
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ S }
{ \defeq }{ p^{-1} (T) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ S }
{ \subseteq} { \bigcup_{i \in I} W_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine offene Überdeckung. Zu jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es ein $j (y)$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ W_{j(y) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ = }{ y_1 }
{ \in }{ S }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und seien $y_2 , \ldots , y_n$ die weiteren Punkte, die auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ = }{p(y) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} abbilden. Zu den offenen Umgebungen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y_k }
{ \in }{ W_{j(y_k)} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es eine offene Umgebung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ U_x }
{ \subseteq }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} über der $p$ trivialisiert und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y_k }
{ \in }{ V_k }
{ \subseteq }{ p^{-1} (U_x) \cap W_{j(y_k)} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $V_k$ das Blatt zu $y_k$ bezeichnet. Diese offenen Mengen bilden eine verfeinerte Überdeckung der Ausgangsüberdeckung. Die $U_x$ bilden dann eine offene Überdeckung von $T$ und somit gibt es davon eine endliche Teilüberdeckung
\mathl{U_1 , \ldots , U_m}{.} Die zugehörigen Blätter $V_{jk}$ bilden dann eine endliche Überdeckung von $S$

Von (2) nach (3) ist klar.

Von (3) nach (1). Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt und seien
\mathl{y_1 , \ldots , y_n}{} die Urbildpunkte von $x$. Zu jeden $y_j$ gibt es eine offene Umgebung $V_j$, die homöomorph auf $U_j$ abbildet. Man betrachtet die offene Menge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U }
{ \defeq} { \bigcap_{j \in J} U_j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und ersetzt die $V_j$ durch $V_j \cap p^{-1}(U)$. Durch eine weitere Verkleinerung können wir erreichen, dass $U$ und damit auch die $V_j$ wegzusammenhängend ist. Wir behaupten, dass $\biguplus_{j \in J} V_j$ das Urbild von $U$ ist. Nehmen wir an, es gebe einen Punkt $y$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ p(y) }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} der auf keinem $V_j$ liegt. Wir betrachten einen Verbindungsweg \maabbdisp {\gamma} {[0,1] } { U } {} von $p(y)$ nach $x$. Das Urbild von $\gamma([0,1])$ ist kompakt. Es enthält die kompakten Kopien innerhalb von $V_j$. Zu $y$ gibt es eine offene Umgebung $V$, die homöomorph nach $X$ abbildet und darin gibt es eine Liftung des Teilweges durch $y$. Es sei $s$ das Supremum der reellen Zahlen $t$, für die eine \definitionsverweis {stetige Liftung}{}{} $\tilde{\gamma}$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \tilde{\gamma} (0) }
{ = }{ y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definiert ist. Wegen Aufgabe 6.15 ist die Liftung eindeutig und dieser Weg ist auf
\mathl{[0,s[}{} definiert. Aufgrund der Eigentlichkeit ist dies auch für $s$ definiert. Wegen der lokalen Homöomorphie gibt es bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ < }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine offene Umgebung von
\mathl{\tilde{\gamma} (s)}{,} die homöomorph auf eine offene Teilmenge von $X$ abbildet und somit würde es eine weitere Fortsetzung des Liftungsweges geben. Also ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ = }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und somit endet die Liftung in einem der Punkte über $x$, sagen wir in $y_1$. Dann muss aber diese Liftung mit der Liftung innerhalb von $V_1$ übereinstimmen und damit ist selbst
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ V_1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}


In der Situation der vorstehenden Aussage ist, wenn der Basisraum zusammenhängend ist, die Anzahl der Elemente einer jeden Faser konstant. Man spricht von der \stichwort {Blätterzahl} {} von $p$.