普遍係数定理(ふへんけいすうていり、英: universal coefficient theorems)とは、単項イデアル整域R上定義されたホモロジーやコホモロジーから、R-加群を係数とするホモロジーやコホモロジーを求める一連の定理の総称である。
定理はR-加群として自由な任意のチェイン複体に対して成立し、したがって特に特異ホモロジー・コホモロジーのような位相幾何学的な背景を持つホモロジー・コホモロジーに対して成立する。
準備
本節では普遍係数定理を述べる準備として、チェイン複体とそのホモロジー、コチェイン複体とそのコホモロジーを復習し、さらに普遍係数定理を定式化するのに必要な概念であるTor関手、Ext関手を定義する。
ホモロジー
Rを可換環とするとき、整数nを添え字として持つR-加群
と写像
の組
で、
![{\displaystyle \partial _{n-1}\circ \partial _{n}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b00fb2675d37bd9a6f737004b25463df97bee0b)
となるものR上のチェイン複体といい[1]、
![{\displaystyle H_{n}(C_{*}):=\mathrm {Ker} (\partial _{n})/\mathrm {Im} (\partial _{n+1})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5dfaa3046e61c63b5aebcc0467c86961f05190d2)
を
のn次のホモロジー加群という[1]。
コホモロジー
可換環Rに対し、
で
がR上のチェイン複体になるものをコチェイン複体といい[2]、
![{\displaystyle H^{n}(C^{*}):=H_{n}(D_{*})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/47991a633ba1d99ee10258d1a28ec36bbafe9e15)
を
のn次のコホモロジー加群という[2]。
Tor関手
Rを単項イデアル整域とし、M、NをR-加群とする。さらに短完全系列
![{\displaystyle 0\longrightarrow A{\overset {\iota }{\longrightarrow }}B{\overset {p}{\longrightarrow }}M\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cba02dcba740b1ffa0e6ab6318ddbb92b9369fc5)
でA、Bが自由R-加群であるものを選び[注 1]、
![{\displaystyle 0\longrightarrow A\otimes _{R}N{\overset {\iota \otimes _{R}1_{N}}{\longrightarrow }}B\otimes _{R}N{\overset {p\otimes _{R}1_{N}}{\longrightarrow }}M\otimes _{R}N\longrightarrow 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/97581d930ab20c4ac5fa25595ad53508f1eaf225)
を考えると必ずしも完全系列にならない[注 2]。そこで
![{\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N):=\mathrm {Ker} (\iota \otimes _{R}1_{N})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3091820f77a6266f300cb1294ee99038159d032c)
と定義する[4]。
の定義はA、Bの取り方に依存しているが、実はA、Bを別のものに取り替えて定義した
と自然に同型になる事が知られているのでwell-definedである[4]。
の事をTor関手という。
なお、Rが単項イデアル整域とは限らない一般の環の場合にもTorが定義できるが本項では割愛する。また
の事を
と表記し、より一般に
(n≧0)を定義する場合もあるが、これも本項では割愛する。これらに関する詳細はTor関手の項目を参照されたい。
Tor関手は以下の性質を満たす。
命題 ― Rを単項イデアル整域、M、NをR-加群とするとき、次が成立する:
。[5]
。ここで「
」はR-加群としての直和を表す[6]。 - Mが自由R-加群なら
![{\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/01a0949ad715afbe1cdbfd413192a2f2465ad5be)
。[7]
、ここでgcd(x,y)はxとyの最大公約元である。 - Kを標数0の体とするとき、任意の有限生成R-加群Mに対し、
![{\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,K)=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d82388af3f67325fb536b4760dc13465e1f4e58b)
証明
1., 2.の証明は出典を参照。3.に関してはMが自由R-加群であれば、
![{\displaystyle 0\to 0{\overset {\iota }{\to }}M{\overset {p}{\to }}M\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c8d8b9c8aa369fd4ed7c30be1a0013a8dae6836b)
という分解が可能なので、
である。
4.に関してはx倍する演算を「
」と書くと、
![{\displaystyle 0\to R{\overset {x\cdot }{\to }}R{\overset {p}{\to }}R/(x)\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/623e12d671231421c99b8a2cbbc479458b8f3c66)
という分解が可能であり、
なので、
![{\displaystyle N{\overset {x\cdot \otimes _{R}1_{N}}{\to }}N{\overset {p\otimes 1_{N}}{\to }}R/(x)\otimes _{R}N\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9c7c9124213407dc2b9a27d7e598563a46e08003)
である。よって
である。
5.に関しては4.から直接従う。6.に関しては、Mが有限生成なので、有限生成加群の基本定理より、RnとR/(xi)の直和で書ける。よって1.により、
は
と
の直和で書けるが、前者は3.より0に等しく、後者も4.により0に等しい。
Rが単項イデアル整域であるので、M、Nが有限生成である場合、有限生成加群の基本定理から、MはRnと複数のR/(xi)の直和で書け、Nも同様である。上述の1., 2.からTorRは直和に関して分解できるので、上述の3., 5.を使うと、これらに対するTorRを容易に計算できる。
Ext関手
Torのときと同様、Rを単項イデアル整域とし、M、NをR-加群とし、さらに短完全系列
![{\displaystyle 0\longrightarrow A{\overset {\iota }{\longrightarrow }}B{\overset {p}{\longrightarrow }}M\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cba02dcba740b1ffa0e6ab6318ddbb92b9369fc5)
でA、Bが自由R-加群であるものを選ぶ[注 1]。そして
![{\displaystyle 0\longrightarrow \mathrm {Hom} _{R}(M,N){\overset {p^{*}}{\longrightarrow }}\mathrm {Hom} _{R}(B,N){\overset {\iota ^{*}}{\longrightarrow }}\mathrm {Hom} _{R}(A)\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c12c2ef6ecff4010f419c120e6b734c3191ed676)
を考えると必ずしも完全系列にはならない[注 3]。そこで
![{\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,N):=\mathrm {Coker} _{R}(\iota ^{*})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/028c8cb2975b99e6f99094fc26ff8ee5551e8828)
と定義する[9]。ここでCokerは余核である。すなわち、
に対し、
である。
の定義はA、Bの取り方に依存しているが、実はA、Bを別のものに取り替えて定義した
と自然に同型になる事が知られているのでwell-definedである[9]。
の事をExt関手という。
また
に関しても
と同様、Rが一般の環の場合に対しても定義できるし、
が定義できて
であるが、本項では説明を割愛する。詳細はExt関手の項目を参照されたい。
Ext関手は以下を満たす:
命題 ― Rを単項イデアル整域、M、NをR-加群とするとき、次が成立する:
。ここで「
」はR-加群としての直和である[10]。
。ここで「
」はR-加群としての直積である[10]。 - Mが自由R-加群なら
![{\displaystyle \mathrm {Ext} (M,N)=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/55440a049bc1c518cbd3f782f21ff9b07700355c)
。[7]
、ここでgcd(x,y)はxとyの最大公約元である。 - Kを標数0の体とするとき、任意の有限生成R-加群Mに対し、
![{\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,K)=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ffea1139cbbd4ea67f56800337665ca146f4051)
証明
1.、2.に関しては出典を参照。3.に関してはMが自由R-加群であれば、
![{\displaystyle 0\to 0{\overset {\iota }{\to }}M{\overset {p}{\to }}M\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c8d8b9c8aa369fd4ed7c30be1a0013a8dae6836b)
という分解が可能なので、
である。
4.に関しては、x倍する演算を「
」と書くと、
![{\displaystyle 0\to R{\overset {x\cdot }{\to }}R{\overset {p}{\to }}R/(x)\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/623e12d671231421c99b8a2cbbc479458b8f3c66)
という分解が可能であり、
![{\displaystyle 0\to \mathrm {Hom} (R/(x),N){\overset {p^{*}}{\to }}\mathrm {Hom} (R,N){\overset {(x\cdot )^{*}}{\to }}\mathrm {Hom} (R,N)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/67921bb5c7810c97ec236975effd716169baffdd)
である。 ここで
に対し、
である。 しかも
は
の行き先により全ての
の行き先が決まるので、
である。よって![{\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(R/(x),N)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2f8091781b4e65a40eeb0d67d7894824554d2a0e)
![{\displaystyle =\mathrm {Coker} ((x\cdot )^{*})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6b305a460caa82a9e84972ff73d045b4686ce5a2)
である。
5.は4.から直接従う。6.に関しては、Mが有限生成なので、有限生成加群の基本定理より、RnとR/(xi)の直和で書ける。よって1.により、
は
と
の直和で書けるが、前者は3.より0に等しく、後者も4.により0に等しい。
TorRの場合と同様、Mが有限生成R-加群であれば、これらの性質からExtRを具体的に計算できる。
Torに関する普遍係数定理
ホモロジーの場合
次の定理が成立することが知られている:
定理 (Torに関する普遍係数定理) ― Rを単項イデアル整域とし、MをR-加群とし、さらに
をR上のチェイン複体で、各nに対し
がR-加群として自由なものとする。このとき
![{\displaystyle 0\to H_{n}(C_{*})\otimes _{R}M{\overset {\alpha }{\to }}H_{n}(C_{*}\otimes M){\overset {\beta }{\to }}\operatorname {Tor} _{R}(H_{n-1}(C_{*}),M)\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/76ffaf58151d3b0cd62dab10cbfb1f1a436dce21)
が短完全系列となるα、βが存在する[11]。
しかもこの短完全系列は
およびMに関して自然である。さらにこの短完全系列は(自然ではなく)分裂する[11]。
上記の定理でαは
と具体的に書ける[11]。
なお、係数環 Rが
でMが
の場合は、上記の定理はボックシュタイン・スペクトル系列(英語版)の特別な場合に相当する。
で各
が有限生成加群である場合はホモロジーをより具体的に書ける。有限生成加群の基本的定理より、
は自由加群部分Fnと素数pに対する
の和で書ける。(有限個の素数pを除いて
である)。ここで前述したTorの性質を利用すると、以下がわかる:
命題 ― 上記の設定のもと:
![{\displaystyle H_{n}(C_{*}\otimes M)\approx H_{n}(C_{*})\otimes M\oplus \operatorname {Tor} _{R}(H_{n-1}(C_{*}),M)\approx {\begin{cases}\mathbb {Z} _{p}{}^{\mathrm {rank} (F_{n})+\mathrm {rank} (T_{n-1,p}\otimes \mathbb {Z} _{p})}&{\text{if }}M=\mathbb {Z} _{p}\\M^{\mathrm {rank} (F_{n})}&{\text{if }}M=\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} \end{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c0bc2ed5bb7cd3700dcfd6d8e3bb9ada5beaec55)
コホモロジーの場合
チェイン複体とコチェイン複体は添字の向きが違うだけなので、コチェイン複体に関しても同様の事実が従う:
定理 ― R、Mを上述の定理と同様に取り、
を任意のコチェイン複体とすると、
![{\displaystyle 0\to H^{n}(C^{*})\otimes _{R}M{\overset {\alpha }{\to }}H^{n}(C^{*}\otimes _{R}M){\overset {\beta }{\to }}\operatorname {Tor} _{R}(H^{n+1}(C^{*}),M)\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bc34b7309ff2592b6e83582876f8b550f893371e)
が短完全系列となるα、βが存在する[12]。
この短完全系列が
、Mに関して自然である事や分裂する事も前述の定理と同様である。
また
で各
が有限生成加群である場合は、ホモロジー場合と同様の形で具体的に書ける。
M係数のホモロジー・コホモロジーに対する普遍係数定理
上述のコチェイン複体関する普遍係数定理をMを係数に持つコホモロジー(例えばMを係数にもつ特異コホモロジー)に適用する場合は注意が必要である。
定義
これまで同様Rが単項イデアル整域とし、MをR-加群する。R上のチェイン複体
に対し、
![{\displaystyle \partial _{n}{}^{*}~:~\mathrm {Hom} _{R}(C_{n},M)\to \mathrm {Hom} _{R}(C_{n+1},M),~~c\mapsto c\circ \partial _{n+1}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5514a4a2922b70fb99ae970a258a938f84738740)
と定義すると
![{\displaystyle \partial _{n+1}{}^{*}\circ \partial _{n}{}^{*}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/313f94d0da777cd847b34e118cd2cd3c003e4c4b)
であるので
はコチェイン複体である。
をMに関する
の双対コチェイン複体(英: dual cochain complex)という[12]。
ホモロジーの場合
Mに係数を持つホモロジー加群の方はその定義により、
![{\displaystyle H_{n}(C_{*};M)=H_{n}(C_{*}\otimes _{R}M)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d348150832a115af5996c3b7f3231bed5990e135)
![{\displaystyle H_{n}(C_{*};R)=H_{n}(C_{*}\otimes _{R}R)=H_{n}(C_{*})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5abc523e0434f210b773d55fe948394c2bb18647)
なので、前述のホモロジーに関する普遍係数定理の
、
を単純に置き換える事で、以下の系が従う:
系 ― R、Mを前述の定理と同様に取り、
を任意のチェイン複体とすると、
![{\displaystyle 0\to H_{n}(C_{*};R)\otimes _{R}M{\overset {\alpha }{\to }}H_{n}(C_{*};M){\overset {\beta }{\to }}\operatorname {Tor} _{R}(H_{n-1}(C_{*};R),M)\to 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ffb374bf7e63fe674a6a9bb39fd7062b0c4f8b92)
が短完全系列となるα、βが存在する。
コホモロジーの場合
一方、Mを係数を持つコホモロジー加群の場合は若干の注意が必要である。実際、
としてやると、
![{\displaystyle H^{n}(C_{*};R)=H^{n}(\mathrm {Hom} (C_{*},R))=H^{n}(C^{*})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b91a8dda31c51bbdbe7daa9eb5866ec328d04703)
であるが、
の方は
![{\displaystyle H^{n}(C^{*};M)=H^{n}(\mathrm {Hom} (C_{*},M))}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/54d09303976cca6db76e35372f87b63902faba36)
であり、コホモロジーの普遍係数定理における
![{\displaystyle H^{n}(C^{*}\otimes _{R}M)=H^{n}(\mathrm {Hom} (C_{*},R)\otimes _{R}M)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c1a06afe9274a6975d14d54df5de1c8f5e128689)
とは異なるので単純に置き換える事ができない。しかし適切な条件下ではこれら2つが等しくなり、Mを係数に持つコホモロジー加群の普遍係数定理を示す事ができる:
Extに関する普遍係数定理
Ext関手を使う事で、ホモロジーとコホモロジーの関係性を示す以下の普遍係数定理を示す事ができる。
前に述べたように、チェイン複体
の双対コチェイン複体
に対し、Mを係数に持つコホモロジー加群を
により定義する。
このとき以下の定理がしたがう:
上述の定理においてαは
に対し、
という
の元を対応させる写像である[15]。
で各
が有限生成加群である場合はコホモロジーをより具体的に書ける。有限生成加群の基本的定理より、
は自由加群部分Fnと捩れ部分群部分
の和で書ける。この事実とExtの性質を利用すると、以下がわかる:
命題 ― 上記の設定のもと以下が成立する[16]:
![{\displaystyle H^{n}(C_{*};\mathbb {Z} )\approx \mathrm {Hom} (H_{n}(C_{*});\mathbb {Z} )\oplus \operatorname {Ext} _{R}(H_{n-1}(C_{*}),\mathbb {Z} )\approx F_{n}\oplus T_{n-1}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4870de11d0f3a2d318dfb6077348e2f9bd5fd19)
上記により
-係数コホモロジーさえ分かってしまえば、後はTorに関する普遍係数定理により他の係数のコホモロジーも求まる。
が有限生成であれば、上述の普遍係数定理でホモロジーとコホモロジーの役割を反転させた定理も成立する:
上述の定理において、αは
に対し、
という
の元を対応させる写像である[17]。
関連項目
脚注
出典
注釈
- ^ a b 具体的にはMのR上の生成元
を選び、
有限個の
を除いて
とし、
を
とし、Bをこの写像のカーネルとすればよい。定義から明らかにAはR上自由である。またRは単項イデアル整域なので、自由加群Aの部分加群であるBも自由である。 - ^ 最初の0を除いた
は完全系列である[3]。 - ^ 最後の0を除いた
は完全系列である。[8]
参考文献
- 引用文献
- Tammo tom Dieck (2008/9/15). Algebraic Topology. Ems Textbooks in Mathematics. European Mathematical Society. ISBN 978-3037190487
- 河田敬義『ホモロジー代数』岩波書店〈岩波基礎数学選書〉、1990年11月8日。ISBN 978-4000078047。
- James F. Davis, Paul Kirk (2001/8/1). Lecture Notes in Algebraic Topology. Graduate Studies in Mathematics. American Mathematical Society. ISBN 978-0821821602
その他
- Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, Cambridge, 2002. ISBN 0-521-79540-0. A modern, geometrically flavored introduction to algebraic topology. The book is available free in PDF and PostScript formats on the author's homepage.
- Kainen, P. C. (1971). “Weak Adjoint Functors”. Mathematische Zeitschrift 122: 1–9. doi:10.1007/bf01113560.
- 志甫, 淳『層とホモロジー代数』共立出版株式会社〈共立講座 数学の魅力5〉、2016年。ISBN 978-4-320-11160-8。
外部リンク
- Universal coefficient theorem with ring coefficients Mathematics