Topologische K-Theorie

In der Mathematik, speziell in der algebraischen Topologie, beschäftigt sich die Topologische K-Theorie mit dem Studium von Vektorbündeln auf topologischen Räumen. Der Name K-Theorie wurde von Alexander Grothendieck kreiert; das K steht für „Klasse" in einem sehr allgemeinen Sinn.

Es sei ${\displaystyle X}${\displaystyle X} ein fester kompakter Hausdorffraum.

Dann ist ${\displaystyle K(X)}${\displaystyle K(X)} der Quotient der freien abelschen Gruppe auf den Isomorphieklassen der stabil äquivalenten komplexen Vektorbündeln über ${\displaystyle X}${\displaystyle X} nach der Untergruppe, die von Elementen der Form

${\displaystyle [E\oplus F]-[E]-[F]}${\displaystyle [E\oplus F]-[E]-[F]}

für beliebige komplexe Vektorbündel ${\displaystyle E,F}${\displaystyle E,F} über ${\displaystyle X}${\displaystyle X} erzeugt wird. Dabei bezeichnet ${\displaystyle \oplus }${\displaystyle \oplus } die Whitney-Summe der Vektorbündel. Diese Konstruktion, die der Konstruktion der ganzen Zahlen aus den natürlichen Zahlen nachempfunden ist, heißt Grothendieck-Gruppe (nach Alexander Grothendieck). Man kann sich Elemente von ${\displaystyle K(X)}${\displaystyle K(X)} also als formale Summen und Differenzen von (Isomorphieklassen von) komplexen Vektorbündeln denken.

Betrachtet man stattdessen reelle Vektorbündel, erhält man die reelle ${\displaystyle K}${\displaystyle K}-Theorie ${\displaystyle KO(X)}${\displaystyle KO(X)}. Zur besseren Abgrenzung nennt man die K-Theorie der komplexen Vektorbündel auch komplexe K-Theorie.

Zwei Vektorbündel ${\displaystyle E}${\displaystyle E} und ${\displaystyle F}${\displaystyle F} auf ${\displaystyle X}${\displaystyle X} definieren genau dann dasselbe Element in ${\displaystyle K(X)}${\displaystyle K(X)}, wenn sie stabil äquivalent sind, d. h. wenn es ein triviales Vektorbündel ${\displaystyle G}${\displaystyle G} gibt, so dass

${\displaystyle E\oplus G\cong F\oplus G}${\displaystyle E\oplus G\cong F\oplus G}

Mit dem Tensorprodukt von Vektorbündeln wird ${\displaystyle K(X)}${\displaystyle K(X)} zu einem kommutativen Ring mit Einselement.

Der Begriff des Ranges eines Vektorbündels überträgt sich auf Elemente der ${\displaystyle K}${\displaystyle K}-Theorie. Die reduzierte K-Theorie ${\displaystyle {\tilde {K}}(X)}${\displaystyle {\tilde {K}}(X)} ist die Untergruppe der Elemente von Rang 0. Weiter führt man die Bezeichnung ${\displaystyle {\tilde {K}}^{n}(X)={\tilde {K}}(S^{n}X)}${\displaystyle {\tilde {K}}^{n}(X)={\tilde {K}}(S^{n}X)} ein; dabei bezeichnet ${\displaystyle S}${\displaystyle S} die reduzierte Einhängung.

• ${\displaystyle K}${\displaystyle K} ist ein kontravarianter Funktor auf der Kategorie der kompakten Hausdorffräume.
• Es gibt einen topologischen Raum ${\displaystyle BU}${\displaystyle BU}, so dass Elemente von ${\displaystyle K(X)}${\displaystyle K(X)} den Homotopieklassen von Abbildungen ${\displaystyle X\to BU}${\displaystyle X\to BU} entsprechen.
• Es gibt einen natürlichen Ringhomomorphismus ${\displaystyle K(X)\to H^{*}(X,Q)}${\displaystyle K(X)\to H^{*}(X,Q)}, den Chern-Charakter.

Dieses nach Raoul Bott benannte Periodizitätsphänomen lässt sich auf die folgenden äquivalenten Arten formulieren:

• ${\displaystyle K(X\times S^{2})=K(X)\otimes K(S^{2}),}${\displaystyle K(X\times S^{2})=K(X)\otimes K(S^{2}),} und ${\displaystyle K(S^{2})=\mathbb {Z} [H]/(H-1)^{2};}${\displaystyle K(S^{2})=\mathbb {Z} [H]/(H-1)^{2};} dabei ist ${\displaystyle H}${\displaystyle H} die Klasse des tautologischen Bündels über ${\displaystyle S^{2}=\mathbb {C} P^{1}}${\displaystyle S^{2}=\mathbb {C} P^{1}}.
• ${\displaystyle {\tilde {K}}^{n+2}(X)={\tilde {K}}^{n}(X)}${\displaystyle {\tilde {K}}^{n+2}(X)={\tilde {K}}^{n}(X)}
• ${\displaystyle \Omega ^{2}\mathrm {BU} \simeq \mathrm {BU} \times \mathbf {Z} }${\displaystyle \Omega ^{2}\mathrm {BU} \simeq \mathrm {BU} \times \mathbf {Z} }.

In der reellen K-Theorie gibt es eine ähnliche Periodizität mit Periode 8.

Die (komplexe oder reelle) topologische K-Theorie ist eine verallgemeinerte Kohomologietheorie und kann oft mit Hilfe der Atiyah-Hirzebruch-Spektralsequenz berechnet werden.^[1]

Die topologische K-Theorie lässt sich auf allgemeine Banachalgebren ausdehnen, wobei die C*-Algebren eine wichtige Rolle spielen. Die topologische K-Theorie kompakter Räume ${\displaystyle X}${\displaystyle X} kann als K-Theorie der Banachalgebren ${\displaystyle C(X)}${\displaystyle C(X)} der stetigen Funktionen ${\displaystyle X\rightarrow \mathbb {C} }${\displaystyle X\rightarrow \mathbb {C} } umformuliert und dann auf beliebige Banachalgebren übertragen werden, sogar auf das Einselement der Algebren kann man verzichten. Da die Zuordnung ${\displaystyle X\mapsto C(X)}${\displaystyle X\mapsto C(X)} ein kontravarianter Funktor von der Kategorie der kompakten Hausdorffräume in die Kategorie der Banachalgebren ist und da die topologische K-Theorie ebenfalls kontravariant ist, erhalten wir insgesamt einen kovarianten Funktor von der Kategorie der Banachalgebren in die Kategorie der abelschen Gruppen.^[2]

Da hier auch nicht-kommutative Algebren auftreten können, spricht man von nicht-kommutativer Topologie. Die K-Theorie ist ein wichtiger Untersuchungsgegenstand in der Theorie der C*-Algebren.

Algebraische K-Theorie

• Michael Atiyah: K -theory. Notes by D. W. Anderson. Second edition. Advanced Book Classics. Addison-Wesley Publishing Company, Advanced Book Program, Redwood City, CA, 1989. ISBN 0-201-09394-4
• Allen Hatcher: Vector bundles and K-theory (math.cornell.edu).
• Karlheinz Knapp: Vektorbündel. (link.springer.com).

• Max Karoubi: Lectures on K-theory. (PDF; 400 kB).

1. ↑ Atiyah, Hirzebruch: Vector bundles and homogeneous spaces. In: Proc. Sympos. Pure Math. Band III. American Mathematical Society, Providence, R.I. 1961, S. 7–38.
2. ↑ Blackadar: K-Theory for Operator Algebras. Springer Verlag, 1986, ISBN 3-540-96391-X.

• Differentialtopologie
• Kohomologietheorie
• Algebraische Topologie
• Topologische Invariante