Kurs:Riemannsche Flächen (Osnabrück 2022)/Vorlesung 24/latex

\setcounter{section}{24}






\zwischenueberschrift{Auswertung von holomorphen Differentialformen längs eines Weges}





\inputfaktbeweis
{Riemannsche Fläche/Lokal konstante Funktionen/Holomorphe Differentialform/Kohomologieklasse/Geschlossener Weg/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $X$ eine \definitionsverweis {riemannsche Fläche}{}{.} Es sei $\omega$ eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $X$ mit der zugehörigen Kohomologieklasse
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \delta(\omega) }
{ \in }{ H^1(X, {\mathbb C} ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} bezüglich der exakten Garbensequenz
\mathdisp {0 \, \stackrel{ }{\longrightarrow} \, {\mathbb C} \, \stackrel{ }{ \longrightarrow} \, {\mathcal O}_{ X } \, \stackrel{ d }{\longrightarrow} \, \Omega_X \,\stackrel{ } {\longrightarrow} \, 0} { }
\zusatzklammer {siehe Lemma 15.8} {} {.}}
\faktfolgerung {Dann ist für jeden \definitionsverweis {geschlossenen Weg}{}{} \maabb {\gamma} {[0,1] } {X } {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma \omega }
{ =} { \int_\gamma \delta(\omega) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine offene Überdeckung mit Kreisscheiben. Auf $U_i$ besitzt $\omega$ eine holomorphe Stammform, also eine holomorphe Funktion $h_i$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ dh_i }
{ = }{ \omega }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} auf $U_i$. Die zugehörige Kohomologieklasse in $H^1(X, {\mathbb C} )$ wird durch den Čech-Kozykel
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f_{ij} }
{ = }{ h_j-h_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U_{ij} }
{ = }{ U_i \cap U_j }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} beschrieben. Es sei
\mathl{V_1, V_2 , \ldots , V_{n-1}, V_n = V_1}{} eine \definitionsverweis {topologische Kette}{}{} um $\gamma$ und es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P_k }
{ \in }{V_k \cap V_{k+1} \cap \gamma ([0,1]) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ = }{ 1 , \ldots , n-1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir setzen ferner
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P_0 }
{ = }{ \gamma(0) }
{ = }{ \gamma(1) }
{ = }{ P_n }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei $\gamma_k$ der Teilweg, der von $P_{k-1}$ nach $P_{k}$ führt und somit in $U_{\alpha(k)}$ verläuft. Dann ist insgesamt
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \int_\gamma \omega }
{ =} { \sum_{k = 1}^{n} \int_{\gamma_k} \omega }
{ =} { \sum_{k = 1}^{n} \int_{\gamma_k} dh_{\alpha(k) } }
{ =} { \sum_{k = 1}^{n} { \left( h_{\alpha(k) } (P_{k}) - h_{\alpha(k) } (P_{k-1}) \right) } }
{ =} { - h_{\alpha(1)} (P_0) + \sum_{k = 1}^{n-1} { \left( h_{\alpha(k) } (P_{k}) - h_{\alpha(k+1) } (P_{k}) \right) } + h_{\alpha (n)} (P_n) }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { \sum_{k = 1}^{n-1} { \left( h_{\alpha(k) } (P_{k}) - h_{\alpha(k+1) } (P_{k}) \right) } }
{ =} { \sum_{k = 1}^{n-1} f_{ \alpha(k+1)\alpha(k)} (P_k) }
{ =} { \int_\gamma \delta(c) }
{ } {}
} {}{.}

}


Die Wegintegrale $\int_\gamma \omega$ hängen nur von der Homotopieklasse des Weges ab. Dies folgt aus Satz 17.7 und für geschlossene Wege auch aus Lemma 24.1 in Verbindung mit Lemma 23.5  (6).





\inputfaktbeweis
{Riemannsche Fläche/Holomorphe Differentialform/Geschlossener Weg/Exaktheitstest/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $X$ eine \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {riemannsche Fläche}{}{} und $\omega$ eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $X$.}
\faktfolgerung {Dann ist $\omega$ genau dann \definitionsverweis {exakt}{}{,} wenn für alle \definitionsverweis {geschlossenen Wege}{}{} $\gamma$ in $X$ die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma \omega }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ = }{ \delta(\omega) }
{ \in }{ H^1(X, {\mathbb C} ) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} bezüglich der kurzen \definitionsverweis {exakten Garbensequenz}{}{}
\mathdisp {0 \, \stackrel{ }{\longrightarrow} \, {\mathbb C} \, \stackrel{ }{ \longrightarrow} \, {\mathcal O}_{ X } \, \stackrel{ d }{\longrightarrow} \, \Omega_X \,\stackrel{ } {\longrightarrow} \, 0} { }
\zusatzklammer {siehe Lemma 15.8} {} {.} Die Exaktheit von $\omega$ bedeutet, dass es eine holomorphe Funktion $h$ auf $X$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ dh }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt. Dies ist aufgrund der \definitionsverweis {langen Kohomologiesequenz}{}{} äquivalent zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \delta(\omega) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wegen Lemma 24.1 folgt daher die Aussage aus Lemma 23.7.

}





\inputfaktbeweis
{Riemannsche Fläche/Kompakt/Holomorphe Differentialform/Geschlossener Weg/Nulltest/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $X$ eine \definitionsverweis {kompakte}{}{} \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {riemannsche Fläche}{}{} und $\omega$ eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $X$.}
\faktfolgerung {Dann ist $\omega$ genau dann trivial, wenn für alle \definitionsverweis {geschlossenen Wege}{}{} $\gamma$ in $X$ die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma \omega }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt aus Korollar 24.2, da auf einer kompakten zusammenhängenden riemannschen Fläche nur die triviale holomorphe Differentialform exakt ist, da als Stammformen nur die konstanten Funktionen in Frage kommen.

}





\inputfaktbeweis
{Riemannsche Fläche/Kompakt/Holomorphe Differentialform/Zugehörige Periodenabbildung/Injektiv/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $X$ eine \definitionsverweis {kompakte}{}{} \definitionsverweis {zusammenhängende}{}{} \definitionsverweis {riemannsche Fläche}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es einen natürlichen \definitionsverweis {injektiven}{}{} \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} { H^0(X, \Omega_X )} { \operatorname{Hom} { \left( \pi_1(X), {\mathbb K} \right) } } { \omega} { { \left( \gamma \mapsto \int_\gamma \omega \right) } } {,} von den globalen \definitionsverweis {holomorphen Differentialformen}{}{} in den \definitionsverweis {Homorphismenraum}{}{} von der \definitionsverweis {Fundamentalgruppe}{}{} $\pi_1(X)$ nach ${\mathbb K}$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt aus Lemma 24.1 und Korollar 23.9 unter Verwendung der Injektivität von \maabb {\delta} {H^0(X,\Omega_X)} { H^1(X, {\mathbb C} ) } {.}

}


Das Bild der zu $\omega$ gehörenden \stichwort {Periodenabbildung} {}
\mathl{\gamma \mapsto \int_\gamma \omega}{} nennen wir die \stichwort {Periodengruppe} {} zu $\omega$, also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Per} (\omega) }
{ =} { { \left\{ \int_\gamma \omega \mid \gamma \in \pi_1(X) \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es handelt sich um eine Untergruppe von ${\mathbb C}$. Es sei erwähnt, dass die Periodengruppe im Allgemeinen kein Gitter sein muss.





\inputfaktbeweis
{Komplexer Torus/Holomorphe Differentialform/Periodengitter/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $X$ ein \definitionsverweis {komplexer Torus}{}{} und $\omega$ eine nichttriviale \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $X$.}
\faktfolgerung {Dann ist das \definitionsverweis {Bild}{}{} unter dem natürlichen \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} { \pi_1(X) \cong \Z^2 } { {\mathbb C} } { \gamma} { \int_\gamma \omega } {,} ein \definitionsverweis {Gitter}{}{} $P$ in ${\mathbb C}$, und $X$ ist \definitionsverweis {biholomorph}{}{} zu ${\mathbb C}/P$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ {\mathbb C} /\Gamma }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit einem Gitter
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Gamma }
{ = }{ \langle v_1,v_2 \rangle }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und der Projektion \maabb {p} { {\mathbb C} } { X } {.} Die Fundamentalgruppe von $X$ ist
\mathl{\Z \times \Z}{,} als Erzeuger kann man die Bilder der beiden Wege \maabbeledisp {\gamma_1} {[0,1]} { X } {t} { [tv_1] } {,} und \maabbeledisp {\gamma_2} {[0,1]} { X } {t} { [tv_2] } {,} wählen. Die Bildgruppe
\mathl{{ \left\{ \int_\gamma \omega \mid \gamma \in \pi_1(X) \right\} }}{} wird von \mathkor {} {\int_{\gamma_1} \omega} {und} {\int_{\gamma_2} \omega} {} erzeugt. Es ist
\mathl{\Gamma(X, \Omega_X)}{} nach Korollar 15.14 eindimensional und wird von $dz$ erzeugt, wobei $z$ die Variable auf ${\mathbb C}$ sei und die Differentialform $dz$ auf ${\mathbb C}$ sich wegen der Invarianz nach unten drückt. Daher ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ s dz }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit einem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es ist somit unter Verwendung von Satz Anhang.
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_{\gamma_1} \omega }
{ =} { \int_{t \mapsto tv_1 } p^* \omega }
{ =} { \int_{t \mapsto tv_1 } sdz }
{ =} { \int_0^1 s v_1 dt }
{ =} { sv_1 }
} {}{}{} und ebenso
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_{\gamma_2} \omega }
{ =} { sv_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Also wird unter der Multiplikation mit $s$, also \maabbele {s} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } {z} { sz } {,} das Gitter $\Gamma$ in das Periodengitter $P$ überführt und nach Lemma 9.11 (Elliptische Kurven (Osnabrück 2021-2022)) sind \mathkor {} {{\mathbb C} /\Gamma} {und} {{\mathbb C} /P} {} äquivalent.

}







\inputbemerkung
{}
{

Auf einem \definitionsverweis {Torus}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ S^1 \times S^1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist unabhängig von einer holomorphen Struktur
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \pi_1(X) }
{ =} { \Z \times \Z }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit den beiden jeweiligen einfachen Umkreisungen \mathkor {} {\gamma_1} {und} {\gamma_2} {} als Basiswege \zusatzklammer {die allerdings nicht eindeutig bestimmt sind} {} {} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H^1(X, {\mathbb C}) }
{ \cong }{ {\mathbb C}^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} siehe Beispiel 22.7. Nach Korollar 23.9 liegt ein natürlicher \definitionsverweis {Gruppenisomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} { H^1(X, {\mathbb C} ) } { \operatorname{Hom} { \left( \pi_1(X), {\mathbb C} \right) } } {c} { { \left( \gamma \mapsto \int_\gamma c \right) } } {,} vor. Eine Kohomologieklasse links kann man also mit einer linearen Abbildung identifizieren, bei der den Basiswegen eine komplexe Zahl zugeordnet wird. Insbesondere erhält man eine Basis auf
\mathl{H^1(X, {\mathbb C} )}{} in den zwei Klassen, die den beiden Auswertungen \mathkor {} {e_{\gamma_1}} {und} {e_{\gamma_1}} {} entsprechen.

Wenn der Torus zusätzlich die Struktur einer \definitionsverweis {riemannschen Fläche}{}{} besitzt, so erhält man mit Lemma 15.8 die \definitionsverweis {exakte Garbensequenz}{}{}
\mathdisp {0 \, \stackrel{ }{\longrightarrow} \, {\mathbb C} \, \stackrel{ }{ \longrightarrow} \, {\mathcal O}_{ X } \, \stackrel{ d }{\longrightarrow} \, \Omega_X \,\stackrel{ } {\longrightarrow} \, 0} { }
und dazu \zusatzklammer {die ersten beiden Terme wurden schon verarbeitet} {} {} die \definitionsverweis {lange Kohomologiesequenz}{}{}
\mathdisp {0 \longrightarrow H^0(X, \Omega_X ) \stackrel{\delta}{ \longrightarrow} H^1(X, {\mathbb C} ) \longrightarrow H^1(X, {\mathcal O}_{ X } ) \longrightarrow H^1(X, \Omega_X ) \longrightarrow \ldots} { }
\zusatzklammer {siehe auch Lemma 31.4} {} {.} Der Raum
\mathl{H^0(X, \Omega_X )}{} ist nach Korollar 15.14 \definitionsverweis {eindimensional}{}{.} Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X }
{ = }{ {\mathbb C} /\Gamma }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit einem \definitionsverweis {Gitter}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Gamma }
{ = }{ \langle v_1,v_2 \rangle }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} realisiert wird, so sind die Bilder der Kantenwege \mathkor {} {t \mapsto tv_1} {bzw.} {t \mapsto tv_2} {} \zusatzklammer {
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ t }
{ \in }{ [0,1] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} Basiswege des Torus. Nach dem Beweis zu Korollar 24.5 ist die Auswertung, die zu einer holomorphen Differentialform gehört, von der Form $\gamma_1 \mapsto s v_1, \gamma_2 \mapsto sv_2$ mit einem festen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} also ein Vielfaches von
\mathl{v_1 e_{\gamma_1} +v_2 e_{\gamma_1}}{.} Das Gitter spiegelt sich also darin wider, wie der eindimensionale Raum
\mathl{H^0(X, \Omega_X )}{} im zweidimensionalen nur von der Topologie abhängigen Raum
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H^1(X, {\mathbb C} ) }
{ \cong }{ {\mathbb C}^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} liegt. Ein eindimensionaler komplexer Untervektorraum von
\mathl{H^1(X, {\mathbb C} )}{} kann genau dann als
\mathl{H^0(X, \Omega_X )}{} eines komplexen Torus realisiert werden, wenn die beiden Komponenten reell-linear unabhängig in ${\mathbb C}$ sind.

}






\inputbemerkung
{}
{

Eine antiholomorphe Differentialform auf einer \definitionsverweis {riemannschen Fläche}{}{} $X$ ist eine Differentialform
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ \in }{ \Gamma { \left( X, { \mathcal E^{(1)} } \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die lokal die Form
\mathl{\overline{ f } d \overline{ z }}{} besitzt. Durch komplexe Konjugation entsteht aus jeder \definitionsverweis {holomorphen Differentialform}{}{} eine antiholomorphe Differentialform. Es gelten entsprechende Gesetzmäßigkeiten.

}




\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten die durch die Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ W^2 }
{ =} { Z { \left( Z^2-1 \right) } { \left( Z^2+1 \right) } }
{ =} { Z { \left( Z^4-1 \right) } }
{ =} { Z (Z-1)(Z+1)(Z- { \mathrm i} )(Z+ { \mathrm i} ) }
{ } { }
} {}{}{} gegebene \definitionsverweis {riemannsche Fläche}{}{} $V$ und die vervollständigte \zusatzklammer {kompakte} {} {} Version $X$ davon, siehe Korollar 2.8 und Lemma 14.13. Nach Lemma 15.10 und Aufgabe 15.9 ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ { \frac{ dz }{ w } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {holomorphe Differentialform}{}{} auf $X$ und nach Lemma 17.12 ist das dort beschriebene Wegintegral $\int_\gamma \omega$ für $z$ reell zwischen \mathkor {} {-1} {und} {0} {} positiv. Es sei $\zeta$ eine \definitionsverweis {primitive}{}{} achte \definitionsverweis {Einheitswurzel}{}{,} beispielsweise
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \zeta }
{ = }{ e^{ \pi { \mathrm i} /4 } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Durch $Z \mapsto \zeta^2 Z$ und $W \mapsto \zeta W$ wird wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \zeta^2 Z { \left( \zeta^8 Z^4 -1 \right) } }
{ =} { \zeta^2 Z { \left( Z^4-1 \right) } }
{ =} { \zeta^2W^2 }
{ =} { { \left( \zeta W \right) }^2 }
{ } { }
} {}{}{} eine biholmorphe Abbildung $\theta$ auf $V$ und dann auch auf $X$ festgelegt. Nach Satz Anhang. gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_{\theta \circ \gamma} \omega }
{ =} { \int_{\gamma} \theta^* \omega }
{ =} { \int_{ \gamma} \zeta\omega }
{ =} { \zeta \int_{ \gamma} \omega }
{ } { }
} {}{}{.} Entsprechend sind die Wegintegrale zu $\omega$ längs der Wege
\mathl{\theta^n \circ g}{} gleich
\mathl{\zeta^n \int_{ \gamma} \omega}{.} Nach Korollar 19.12 (Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)) sind die Potenzen $1,\zeta,\zeta^2,\zeta^3$ \definitionsverweis {linear unabhängig}{}{} über $\Q$ und das überträgt sich auf die Perioden $\int_{ \gamma} \omega, \, \int_{ \theta \circ \gamma} \omega = \zeta \int_{\gamma} \omega, \, \int_{\theta^2 \circ \gamma} \omega = \zeta^2 \int_{ \gamma} \omega, \, \int_{ \theta^3 \circ \gamma} \omega = \zeta^3\int_{ \gamma} \omega$. Deshalb bilden die Perioden zu $\omega$ zu den verschiedenen geschlossenen Wegen eine Untergruppe vom \definitionsverweis {Rang}{}{} zumindest $4$ und daher ist die Periodengruppe kein \definitionsverweis {Gitter}{}{} in ${\mathbb C}$. Aufgrund von Eigenschaften des achten Kreisteilungskörpers handelt es sich um eine \definitionsverweis {dichte}{}{} Untergruppe.


}