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de Rhamの定理の証明

de Rhamの定理は、滑らかな多様体上のde Rhamコホモロジーと特異コホモロジーが同型であることを主張します。ここでは層コホモロジーを用いた証明の概略を解説します。

定理の主張

を滑らかな多様体とする。実係数特異コホモロジーとde Rhamコホモロジーの間に自然な同型

が存在する。この同型は積分によって与えられる。

証明の戦略

証明は層の理論を用います。de Rham複体と特異コチェイン複体がともに定数層 の分解を与え、層コホモロジーの一意性から同型が従います。

層の準備

上の前層 は、各開集合 にアーベル群 を対応させ、制限写像を持つものです。層は貼り合わせ条件を満たす前層です。

定数層 は \underline{\mathbb{R}}(U) = \{\text{U 上の局所定数関数}\} で定義されます。 が連結なら です。

de Rham複体の層

を -形式の層とします。 は 上の滑らかな -形式全体です。

外微分 は層の準同型を与え、de Rham複体

が得られます。 は定数関数の埋め込みです。

Poincaréの補題(局所版)

の任意の凸開集合 上で、閉形式は完全形式です。すなわち ならば となる が存在します。

これは de Rham 複体が茎(stalk)において完全であることを意味します。

de Rham複体は分解

Poincaréの補題から、列

は完全列であり、 の分解(resolution)を与えます。

軟層と非輪状分解

層 が軟層(soft sheaf)であるとは、任意の閉集合 に対して (茎の直積への写像)が全射となることです。

は1の分割が存在するため軟層です。滑らかな関数を好きな場所で切り取れます。

軟層は非輪状(acyclic)、すなわち ()を満たします。

層コホモロジーの計算

層 の非輪状分解 に対して、層コホモロジーは

で計算されます。右辺は大域切断の複体のコホモロジーです。

de Rhamコホモロジーとの同一視

de Rham複体は の非輪状分解なので、

が得られます。

特異コホモロジーとの比較

特異コチェインの層 を、( 上の特異コチェイン)で定義します。

も軟層であり、

は の非輪状分解を与えます(局所的に特異ホモロジーが自明であることから)。

同型の証明

2つの非輪状分解から得られるコホモロジーは同型なので、

が得られます。

積分による同型の明示

同型は具体的に積分で与えられます。 と (-サイクル)に対して

Stokesの定理から、これはコホモロジー類とホモロジー類のみに依存します。

この対応が非退化であることがde Rhamの定理の内容です。

Stokesの定理との関係

が完全形式 ならば、( がサイクルなら )。

が境界 ならば、( が閉形式なら )。

したがって積分はコホモロジーとホモロジーの間の well-defined なペアリングを与えます。

層コホモロジーによる証明

抽象的だが統一的。非輪状分解の一意性を利用。代数幾何への一般化が容易。

具体的な鎖準同型による証明

積分を直接使う。幾何的に明快。Whitney や de Rham 自身による方法。