In [GH09] M. Goresky and N. Hingston described and investigated various properties of a product on the cohomology of the free loop space of a closed, oriented manifold M relative to the constant loops. In this thesis we will give Morse and Floer theoretic descriptions of the product. There is a theorem due to J. Jones in [JJ87] which describes an isomorphism between cohomology of the free loop space and Hochschild homology of the singular cochain algebra of M with rational coefficients. We will use the theorem of J. Jones to find an algebraic model for the Goresky-Hingston product. We then use the algebraic model to explore further properties and applications of the Goresky Hingston product. In particular we use it to compute the ring structure for the n-spheres.

This thesis consists of four papers on the topics of free loop spaces, Koszul duality and A∞-algebras.  In Paper I we consider a definition of differential operators for noncommutative algebras. This definition is inspired by the connections between differential operators of commutative algebras, L∞-algebras and BV-algebras. We show that the definition is reasonable by establishing results that are analoguous to results in the commutative case. As a by-product of this definition we also obtain definitions for noncommutative versions of Gerstenhaber and BV-algebras.  In Paper II we calculate the free loop space homology of (n-1)-connected manifolds of dimension of at least 3n-2. The Chas-Sullivan loop product and the loop bracket are calculated. Over a field of characteristic zero the BV-operator is determined as well. Explicit expressions for the Betti numbers are also established, showing that they grow exponentially.  In Paper III we restrict our coefficients to a field of characteristic 2. We study the Dyer-Lashof operations that exist on free loop space homology in this case. Explicit calculations are carried out for manifolds that are connected sums of products of spheres.  In Paper IV we extend the Koszul duality methods used in Paper II by incorporating A∞-algebras and A∞-coalgebras. This extension of Koszul duality enables us to compute free loop space homology of manifolds that are not necessarily formal and coformal. As an example we carry out the computations for a non-formal simply connected 7-manifold. / Denna avhandling består av fyra artiklar inom ämnena fria öglerum, Koszuldualitet och A∞-algebror. I Artikel I behandlar vi en definition av differentialoperatorer för ickekommutativa algebror. Denna definition är inspirerad av kopplingar mellan differentialoperatorer för kommutativa algebror, L∞-algebror och BV-algebror. Vi visar att definitionen är rimlig genom att etablera resultat som är analoga med resultat i det kommutativa fallet. Som en biprodukt får vi också definitioner för ickekommutativa varianter av Gerstenhaber och BV-algebror. I Artikel II beräknar vi den fria öglerumshomologin av (n-1)-sammanhängande mångfalder av dimension minst 3n-2. Chas-Sullivans ögleprodukt och öglehake beräknas. Över en kropp av karakteristik noll beräknas även BV-operatorn. Explicita uttryck för Bettitalen fastställs också, vilka visar att de växer exponentiellt. I Artikel III begränsar vi koefficienterna till en kropp av karakteristik 2. Vi studerar Dyer- Lashofoperationer som existerar på den fria öglerumshomologin i detta fall. Explicita beräkningar görs för mångfalder som är sammanhängande summor av produkter av sfärer. I Artikel IV utvidgar vi Koszuldualitetmetoden som används i Artikel II genom att inkorporera A∞-algebror och A∞-koalgebror. Denna utvidgning av Koszuldualitet gör det möjligt att beräkna fri öglerumshomologi för mångfalder som inte nödvändigtvis är formella och koformella. Som ett exempel utför vi beräkningar för en ickeformell enkelt sammanhängande 7-mångfald. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript.</p>

In [GH09] M. Goresky and N. Hingston described and investigated various properties of a product on the cohomology of the free loop space of a closed, oriented manifold M relative to the constant loops. In this thesis we will give Morse and Floer theoretic descriptions of the product. There is a theorem due to J. Jones in [JJ87] which describes an isomorphism between cohomology of the free loop space and Hochschild homology of the singular cochain algebra of M with rational coefficients. We will use the theorem of J. Jones to find an algebraic model for the Goresky-Hingston product. We then use the algebraic model to explore further properties and applications of the Goresky Hingston product. In particular we use it to compute the ring structure for the n-spheres.

Während das lokale Verhalten von geodätischen Kurven in Riemannschen Mannigfaltigkeiten gut verstanden ist, ist es wesentlich schwieriger das globale Verhalten dieser Kurven zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation greift daher zwei Themen heraus, in denen globale Eigenschaften von Geodätischen mit Invarianten Riemannscher Mannigfaltigkeiten in Verbindung gebracht werden. Zum Einen wird das Koprodukt der String-Topologie untersucht. Diese auf der Homologie des freien Schleifenraumes einer geschlossenen Mannigfaltigkeit definierte Abbildung kann geometrisch verstanden werden als Operation, welche Schleifen mit Selbstschnitten in zwei Teile zerschneidet. In der vorliegenden Dissertation wird gezeigt, dass das nicht-triviale Verhalten einer Iteration des Koprodukts genutzt werden kann um die Multiplizitäten bestimmter geschlossener Geodätischer abzuschätzen. Zudem wird das Koprodukt für bestimmte Klassen von Mannigfaltigkeiten untersucht. Der freie Schleifenraum einer Lie-Gruppe ist homömorph zum Produkt der Gruppe mit ihrem Schleifenraum bezüglich eines Punktes. Dies induziert einen Isomorphismus in Homologie und es wird gezeigt, dass sich das Koprodukt unter diesem Isomorphismus gut verhält. Durch das Nutzen expliziter Zykel kann man zudem sehen, dass das Koprodukt für kompakte, einfach zusammenhängende Lie-Gruppen von höherem Rang trivial ist. Anschließend wird das Koprodukt für den komplexen und den quaternionisch projektiven Raum berechnet. Hierfür werden wieder explizite Zykel genutzt, auf die das Koprodukt in gewisser Weise zurückgezogen werden kann. Im zweiten Teil der Dissertation wird die geodätische Komplexität einer vollständigen Riemannschen Mannigfaltigkeit untersucht. Die geodätische Komplexität ist eine ganzzahlige Isometrie-Invariante von vollständigen Riemannschen Mannigfaltigkeiten, welche man als Abstraktion des Problems der geodätischen Bewegungsplanung verstehen kann. Es stellt sich heraus, dass die geodätische Komplexität stark vom Schnittort einer vollständigen Riemannschen Mannigfaltigkeit abhängt. In der vorliegenden Dissertation wird die Struktur des Schnittorts von homogenen Riemannschen Mannigfaltigkeiten genutzt um eine obere Schranke an die geodätische Komplexität solcher Räume zu erhalten. Diese Abschätzung liefert insbesondere für Lie-Gruppen gute Resultate und kann genutzt werden um die geodätische Komplexität von zweidimensionalen flachen Tori und von Berger-Sphären zu bestimmen. Eine andere obere Schranke für die geodätische Komplexität erhält man durch das Betrachten von sogenannten gefaserten Zerlegungen des Schnittorts. In der vorliegenden Dissertation werden diese Zerlegungen eingeführt und es wird gezeigt, dass die Schnittorte aller kompakten irreduziblen einfach zusammenhängenden symmetrischen Räume solch eine Zerlegung zulassen. Dieses Resultat kann dann genutzt werden um eine Abschätzung der geodätischen Komplexität dieser Räume zu erhalten. Insbesondere kann die geodätische Komplexität vom komplexen und vom quaternionisch projektiven Raum bestimmt werden. Dieser zweite Teil der Dissertation geht aus einem gemeinsamen Projekt mit Stephan Mescher hervor. / While the local behavior of geodesics in Riemannaian manifolds is well understood, it is much harder to study the global behavior of such curves. In this thesis we study two problems which connect global properties of geodesics to invariants of Riemannian manifolds. Firstly, we study the string topology coproduct. This is a map on the homology of the free loop space of a closed manifold and can be understood as an operation that cuts loops with self-intersections into two parts. It is shown in the thesis that the non-trivial behavior of an iterate of the coproduct can be used to estimate the multiplicity of certain closed geodesics. Furthermore, we study the coproduct for particular classes of manifolds. The free loop space of a Lie group is homeomorphic to the product of the group with its based loop space. This induces an isomorphism in homology and we show that the coproduct behaves well with respect to this isomorphism. By considering explicit cycles one can show that the string topology coproduct is trivial for compact simply connected Lie groups of higher rank. Moreover, the string topology coproduct is computed explicitly for complex and quaternionic projective space again by using certain explicit cycles. In the second part of the thesis we study the geodesic complexity of complete Riemannian manifolds. Geodesic complexity is a numerical isometry invariant of complete Riemannian manifolds and can be understood as an abstraction of the geodesic motion planning problem. It turns out that the geodesic complexity of a complete Riemannian manifold highly depends on the cut locus of that manifold. We use the structure of the cut loci of homogeneous Riemannian manifolds to obtain an upper bound on the geodesic complexity of these spaces. This bound turns out to work very well for Lie groups and we use it to compute the geodesic complexity of flat two-dimensional tori and of Berger spheres. Another upper bound on geodesic complexity can be obtained by considering fibered decompositions of the total cut locus. In this thesis we introduce the concept of a fibered decomposition and show that the cut loci of compact irreducible simply connected symmetric spaces admit such decompositions. This result can then be used to prove an upper bound on the geodesic complexity of these spaces. In particular we determine the geodesic complexity of complex and quaternionic projective space. This second part of the thesis is based on joint work with Stephan Mescher.

<p dir="ltr">We develop a cyclic theory for categorical coalgebras and show that, when applied to the categorical coalgebra of singular chains on a space, this provides an algebraic model for its free loop space as an S¹-space. In other words, the natural circle action on loop spaces, given by rotation of loops, is encoded in the algebraic structure. In particular, the cyclic homology of the categorical coalgebra of singular chains on a topological space X is isomorphic to the S¹-equivariant homology of the free loop space. This extends known results relating cyclic theories for the algebra of chains on the based loop space and the equivariant homology of its free loop space. In fact, our statements do not require X to be simply connected, and we work over an arbitrary commutative ring. Along the way, we introduce a family of polytopes, coined as Goodwillie polytopes, that control the combinatorics behind the relationship of the coHochschild complex of a categorical coalgebra and the Hochschild complex of its associated differential graded category.</p>