Cohomología de grupos

Queremos estudiar el la jacobiana $latex \mathbb{J}_{\mathbb{F}_q}(\mathcal{C})$ de una curva $latex \mathcal{C}$ hiperelíptica de género 2 con puntos $latex [f(t),g(t)] \in \mathcal{C}(\mathbb{F}_{q}(t))$, es decir en el campo de funciones racionales en una variable con coeficientes en $latex \mathbb{F}_q$, esto es para darle más estructura a la curva ya que en cierta extensión de $latex \mathbb{F}_q$ tendremos que será isomorfa a $latex \mathcal{C}(\mathbb{F}_q)$ porque ambas tendrán el mismo $latex j-$invariante, a esta nueva curva en la extensión del campo se le llama el twist de $latex \mathcal{C}$, más adelante veremos como usar el $latex \j-$invariante para clasificar curvas, pero primero necesitamos las herramientas necesarias, todo esto con el fin de poder demostrar el teorema de Hasse-Weil de una forma distinta el cual tiene aplicaciones importantes en criptografía con curvas algebraicas.

Sea $latex G$ un grupo finito y sea $latex M$ un grupo abeliano en el cual $latex G$ actúa, denotamos a la acción de $latex \sigma \in G$ en $latex m\in M$ por $latex m \rightarrow m^\sigma$.

Sean $latex m,n\in M$, entonces decimos que $latex M$ es un $latex G-$módulo derecho si la acción de $latex G$ en $latex M$ satisface:

$latex m^e = m$              $latex (m+n)^\sigma = m^\sigma + n^\sigma$            $latex (m^\sigma)^\tau = m^{\sigma\tau}$

Si $latex M,G$ son $latex G-$módulos, un $latex G-$homomorfismo es un homomorfismo de grupos abelianos $latex \phi:M\rightarrow N$ que conmuta con la acción de $latex G$, en símbolos:

$latex \phi(m^\sigma)=\phi(m)^\sigma$    $latex \forall m\in M$ y $latex \sigma \in G$

Definimos el 0-ésimo grupo de cohomología del $latex G-$módulo $latex M$ 

$latex H^0(G,M)=\lbrace m\in M : m^\sigma = m$    $latex \forall \sigma \in G \rbrace$

Es decir, es el submódulo de $latex M$ que tiene todos los elementos que son invariantes bajo los elementos de $latex G$, recuerden que este $latex G$ puede ser un grupo de automorfismos por ejemplo.

Recordemos que un complejo de co-cadenas es una sucesión de grupos abelianos o de módulos $latex (M_\bullet,d_\bullet)$ que están conectados por homomorfismos $latex d_{i}:M^i \rightarrow M^{i+1}$ llamados operadores de cofrontera, ya que pedimos que $latex d^{n+1}\circ d^n = 0$   $latex \forall n$ , esto es dual con los complejos de cadena, solo que en homología los operadores de frontera decrementan la dimensión mientras que en co cadenas la aumentan. 

$latex ... \rightarrow M^{-2} \xrightarrow{d_{-2}} M^{-1} \xrightarrow{d_{-1}} M^0 \xrightarrow{d_0} M^1 \xrightarrow{d_1}  ... \rightarrow M^{n-1} \xrightarrow{d_{n-1}}M^n\rightarrow ...$

Una propiedad básica de esto es que si tenemos una sucesión exacta de $latex G-$módulos, otra sucesión exacta.

Es decir

$latex 0\rightarrow P \xrightarrow{\phi} M \xrightarrow{\psi} N \rightarrow 0$

Tenemos que también es exacta

$latex 0\rightarrow H^0(G,P)\rightarrow H^0(G,M)\rightarrow H^0(G,N)$

Pero el mapeo último no será suprayectivo, para medir que "tan no suprayectivo" es, vamos a definir la parte de cohomología de grupos.

Definición: Sea $latex M$ un $latex G-$módulo, el grupo de n-cocadenas de $latex G$ a $latex M$ es:

$latex C^n(G,M)=\lbrace \omega:G^n\rightarrow M \rbrace$

Es decir, son todos los mapeos de $latex G^n$ a $latex M$

Definición: Decimos que el i-ésimo diferencial 

$latex d^{i}_{M}:C^i(G,M)\rightarrow C^{i+1}(G,M)$

Es el mapeo.

$latex d^i(f)(g_0,g_1,...,g_i)=$

$latex g_0 f(g_1,...,g_i)+\displaystyle \sum_{j=1}^i {(-1)^j f(g_0,...,g_{j-1}g_j,g_{j+1},...,g_i) } + (-1)^{i+1}f(g_0,...,g_{i-1})$

Esta función está pensada para que funcione como un operador de co-frontera, y que anule su diferencial en una dimensión más baja, asó como en homología, y podamos construir sucesiones exactas, es decir.

$latex d^{i+1} \circ d^i = 0$

Definición: El grupo n-cociclos de $latex G$ a $latex M$ (con coeficientes en $latex M$) es:

$latex Z^n(G,M)=ker(d^n)$

Definición: El grupo de n-cofronteras

$latex B^n(G,M)=im(d^{n-1})$ para $latex n\geq 1$

y para $latex n=0$ 

$latex B^0(G,M)=0$

Bueno... hasta ahora qué tanto tenemos?

Recordemos que   $latex d^{i+1} \circ d^i = 0$  por lo que es fácil notar que $latex C^{\bullet}(G,M)=(C^i(G,M),d^i)$ es un complejo de co-cadenas y entonces como $latex B^i(G,M)\leq Z^i(G,M)$ podemos definir el n-ésimo grupo de cohomología

$latex H^n(G,M)=Z^n(G,M)/B^n(G,M)$

Este grupo medirá qué tan alejado está un complejo de cadenas de ser exacto.

Una cosa importante en cohomología es que convierte una sucesión exacta corta de $latex G-$módulos en una sucesión exacta larga de grupos abelianos.

A nosotros nos interesa mucho $latex H^0(G,M)$ el cuál ya definimos y $latex H^1(G,M)$

Por lo que podemos ver que:

$latex H^0(G,M)=M^G$ es decir son los $latex G-$invariantes

ya que: 

Si $latex m\in M$ entonces $latex d^0(m)(g)=gm-m$ por lo que $latex ker(d_0)=M^G$

También tenemos que

$latex Z^1(G,M)=\lbrace f:G\rightarrow M \mid f(gh)=gf(h)+f(g) \rbrace$

Esto es fácil de ver también directamente de la definición... otra cosa que hay que observar es que si la acción de $latex G$ es trivial entonces

$latex H^0(G,M)=M$ y $latex H^1(G,M)=Mor(G,M)$ 

lo cual también es evidente.

Espero les haya servido.

Eduardo Ruiz Duarte (beck)

twitter: @toorandom