普遍係数定理

普遍係数定理(ふへんけいすうていり、: 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可換環とするとき、整数nを添え字として持つR-加群 C n {\displaystyle C_{n}} と写像 n   :   C n C n 1 {\displaystyle \partial _{n}~:~C_{n}\to C_{n-1}} の組 C := ( C n , n ) n Z {\displaystyle C_{*}:=(C_{n},\partial _{n})_{n\in \mathbb {Z} }} で、

n 1 n = 0 {\displaystyle \partial _{n-1}\circ \partial _{n}=0}

となるものR上のチェイン複体といい[1]

H n ( C ) := K e r ( n ) / I m ( n + 1 ) {\displaystyle H_{n}(C_{*}):=\mathrm {Ker} (\partial _{n})/\mathrm {Im} (\partial _{n+1})}

C {\displaystyle C_{*}} 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、 C = ( C n , δ n ) n Z {\displaystyle C^{*}=(C^{n},\delta ^{n})_{n\in \mathbb {Z} }} D := ( C n , δ n ) n Z {\displaystyle D_{*}:=(C^{-n},\delta ^{-n})_{n\in \mathbb {Z} }} 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]

H n ( C ) := H n ( D ) {\displaystyle H^{n}(C^{*}):=H_{n}(D_{*})}

C {\displaystyle C^{*}} n次のコホモロジー加群という[2]

Tor関手

詳細は「Tor関手」を参照

Rを単項イデアル整域とし、MNR-加群とする。さらに短完全系列

0 A ι B p M 0 {\displaystyle 0\longrightarrow A{\overset {\iota }{\longrightarrow }}B{\overset {p}{\longrightarrow }}M\to 0}

ABが自由R-加群であるものを選び[注 1]

0 A R N ι R 1 N B R N p R 1 N M R N 0 {\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}

を考えると必ずしも完全系列にならない[注 2]。そこで

T o r R ( M , N ) := K e r ( ι R 1 N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N):=\mathrm {Ker} (\iota \otimes _{R}1_{N})}

と定義する[4] T o r R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)} の定義はABの取り方に依存しているが、実はABを別のものに取り替えて定義した T o r R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)} 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]

T o r R ( , ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(\cdot ,\cdot )} 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 T o r R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)} の事を T o r R 1 ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}^{1}(M,N)} と表記し、より一般に T o r R n ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}^{n}(M,N)} n0)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、MNR-加群とするとき、次が成立する:

  1. T o r R ( M , N ) T o r R ( N , M ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)\approx \mathrm {Tor} _{R}(N,M)} [5]
  2. T o r R ( λ Λ M λ , N ) λ Λ T o r R ( M λ , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(\oplus _{\lambda \in \Lambda }M_{\lambda },N)\approx \oplus _{\lambda \in \Lambda }\mathrm {Tor} _{R}(M_{\lambda },N)} 。ここで「 {\displaystyle \oplus } 」はR-加群としての直和を表す[6]
  3. M自由R-加群なら T o r R ( M , N ) = 0 {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)=0}
  4. T o r R ( R / ( x ) , N ) { u N x u = 0 } {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(R/(x),N)\approx \{u\in N\mid xu=0\}} [7]
  5. T o r R ( R / ( x ) , R / ( y ) ) R / ( g c d ( x , y ) ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(R/(x),R/(y))\approx R/(\mathrm {gcd} (x,y))} 、ここでgcd(x,y)xyの最大公約元である。
  6. 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、 T o r R ( M , K ) = 0 {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,K)=0}
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、

0 0 ι M p M 0 {\displaystyle 0\to 0{\overset {\iota }{\to }}M{\overset {p}{\to }}M\to 0}

という分解が可能なので、 T o r R ( M , N ) = K e r ( ι R 1 N ) = 0 {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)=\mathrm {Ker} (\iota \otimes _{R}1_{N})=0} である。

4.に関してはx倍する演算を「 x {\displaystyle x\cdot } 」と書くと、

0 R x R p R / ( x ) 0 {\displaystyle 0\to R{\overset {x\cdot }{\to }}R{\overset {p}{\to }}R/(x)\to 0}

という分解が可能であり、 R R N N {\displaystyle R\oplus _{R}N\approx N} なので、

N x R 1 N N p 1 N R / ( x ) R N 0 {\displaystyle N{\overset {x\cdot \otimes _{R}1_{N}}{\to }}N{\overset {p\otimes 1_{N}}{\to }}R/(x)\otimes _{R}N\to 0}

である。よって T o r R ( M , N ) = K e r ( x R 1 N ) = { u N x u = 0 } {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)=\mathrm {Ker} (x\cdot \otimes _{R}1_{N})=\{u\in N\mid xu=0\}} 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、RnR/(xi)の直和で書ける。よって1.により、 T o r R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)} T o r R ( R n , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(R^{n},N)} T o r R ( R / ( x i ) , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(R/(x_{i}),N)} 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、MNが有限生成である場合、有限生成加群の基本定理から、MRn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

詳細は「Ext関手」を参照

Torのときと同様、Rを単項イデアル整域とし、MNR-加群とし、さらに短完全系列

0 A ι B p M 0 {\displaystyle 0\longrightarrow A{\overset {\iota }{\longrightarrow }}B{\overset {p}{\longrightarrow }}M\to 0}

ABが自由R-加群であるものを選ぶ[注 1]。そして

0 H o m R ( M , N ) p H o m R ( B , N ) ι H o m R ( A ) 0 {\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}

を考えると必ずしも完全系列にはならない[注 3]。そこで

E x t R ( M , N ) := C o k e r R ( ι ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,N):=\mathrm {Coker} _{R}(\iota ^{*})}

と定義する[9]。ここでCoker余核である。すなわち、 f   :   X Y {\displaystyle f~:~X\to Y} に対し、 C o k e r ( f ) = Y / I m ( f ) {\displaystyle \mathrm {Coker} (f)=Y/\mathrm {Im} (f)} である。


E x t R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,N)} の定義はABの取り方に依存しているが、実はABを別のものに取り替えて定義した E x t R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,N)} 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]

E x t R ( , ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(\cdot ,\cdot )} の事をExt関手という。


また E x t R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,N)} に関しても T o r R ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Tor} _{R}(M,N)} と同様、Rが一般の環の場合に対しても定義できるし、 E x t R n ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}^{n}(M,N)} が定義できて E x t R ( M , N ) = E x t R 1 ( M , N ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,N)=\mathrm {Ext} _{R}^{1}(M,N)} 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、MNR-加群とするとき、次が成立する:

  1. E x t ( λ Λ M λ , N ) = λ Λ E x t ( M λ , N ) {\displaystyle \mathrm {Ext} (\oplus _{\lambda \in \Lambda }M_{\lambda },N)=\oplus _{\lambda \in \Lambda }\mathrm {Ext} (M_{\lambda },N)} 。ここで「 {\displaystyle \oplus } 」はR-加群としての直和である[10]
  2. E x t ( M , λ Λ N λ ) = λ Λ E x t ( M , N λ ) {\displaystyle \mathrm {Ext} (M,\textstyle \prod _{\lambda \in \Lambda }N_{\lambda })=\textstyle \prod _{\lambda \in \Lambda }\mathrm {Ext} (M,N_{\lambda })} 。ここで「 {\displaystyle \textstyle \prod } 」はR-加群としての直積である[10]
  3. Mが自由R-加群なら E x t ( M , N ) = 0 {\displaystyle \mathrm {Ext} (M,N)=0}
  4. E x t R ( R / ( x ) , N ) N / ( x ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(R/(x),N)\approx N/(x)} [7]
  5. E x t R ( R / ( x ) , R / ( y ) ) R / ( g c d ( x , y ) ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(R/(x),R/(y))\approx R/(\mathrm {gcd} (x,y))} 、ここでgcd(x,y)xyの最大公約元である。
  6. 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、 E x t R ( M , K ) = 0 {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,K)=0}
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、

0 0 ι M p M 0 {\displaystyle 0\to 0{\overset {\iota }{\to }}M{\overset {p}{\to }}M\to 0}

という分解が可能なので、 E x t ( M , N ) = C o k e r ( ι ) = 0 {\displaystyle \mathrm {Ext} (M,N)=\mathrm {Coker} (\iota ^{*})=0} である。

4.に関しては、x倍する演算を「 x {\displaystyle x\cdot } 」と書くと、

0 R x R p R / ( x ) 0 {\displaystyle 0\to R{\overset {x\cdot }{\to }}R{\overset {p}{\to }}R/(x)\to 0}

という分解が可能であり、

0 H o m ( R / ( x ) , N ) p H o m ( R , N ) ( x ) H o m ( R , N ) {\displaystyle 0\to \mathrm {Hom} (R/(x),N){\overset {p^{*}}{\to }}\mathrm {Hom} (R,N){\overset {(x\cdot )^{*}}{\to }}\mathrm {Hom} (R,N)}

である。 ここで φ H o m ( R , N ) {\displaystyle \varphi \in \mathrm {Hom} (R,N)} に対し、 ( x ) ( φ ) ( u ) = φ ( x u ) = x φ ( u ) {\displaystyle (x\cdot )^{*}(\varphi )(u)=\varphi (xu)=x\varphi (u)} である。 しかも φ H o m ( R , N ) {\displaystyle \varphi \in \mathrm {Hom} (R,N)} 1 R {\displaystyle 1\in R} の行き先により全ての u R {\displaystyle u\in R} の行き先が決まるので、 H o m ( R , N ) N , φ φ ( 1 ) {\displaystyle \mathrm {Hom} (R,N){\overset {\sim }{\to }}N,\varphi \mapsto \varphi (1)} である。よって E x t R ( R / ( x ) , N ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(R/(x),N)} = C o k e r ( ( x ) ) {\displaystyle =\mathrm {Coker} ((x\cdot )^{*})} N / ( x ) {\displaystyle \approx N/(x)} 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、RnR/(xi)の直和で書ける。よって1.により、 E x t R ( M , K ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(M,K)} E x t R ( R n , K ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(R^{n},K)} E x t R ( R / ( x i ) , K ) {\displaystyle \mathrm {Ext} _{R}(R/(x_{i}),K)} 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単項イデアル整域とし、MR-加群とし、さらに C := ( C n , n ) n Z {\displaystyle C_{*}:=(C_{n},\partial _{n})_{n\in \mathbb {Z} }} R上のチェイン複体で、各nに対し C n {\displaystyle C_{n}} R-加群として自由なものとする。このとき

0 H n ( C ) R M α H n ( C M ) β Tor R ( H n 1 ( C ) , M ) 0 {\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}

短完全系列となるαβが存在する[11]

しかもこの短完全系列は C {\displaystyle C_{*}} 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 [ c ] R m H n ( C ) R M [ c R m ] H n ( C R M ) {\displaystyle [c]\otimes _{R}m\in H_{n}(C_{*})\otimes _{R}M\mapsto [c\otimes _{R}m]\in H_{n}(C_{*}\otimes _{R}M)} と具体的に書ける[11]


なお、係数環 R Z {\displaystyle \mathbb {Z} } M Z / p Z {\displaystyle \mathbb {Z} /p\mathbb {Z} } 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。


R = Z {\displaystyle R=\mathbb {Z} } で各 H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*})} 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、 H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*})} は自由加群部分Fnと素数pに対する T n , p = { x H n ( C ) m > 0   :   p m x = 0 } {\displaystyle T_{n,p}=\{x\in H_{n}(C_{*})\mid \exists m>0~:~p^{m}x=0\}} の和で書ける。(有限個の素数pを除いて T n , p = 0 {\displaystyle T_{n,p}=0} 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:

H n ( C M ) H n ( C ) M Tor R ( H n 1 ( C ) , M ) { Z p r a n k ( F n ) + r a n k ( T n 1 , p Z p ) if  M = Z p M r a n k ( F n ) if  M = Q , R , C {\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}}}

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 ―  RM上述の定理と同様に取り、 C {\displaystyle C^{*}} を任意のコチェイン複体とすると、

0 H n ( C ) R M α H n ( C R M ) β Tor R ( H n + 1 ( C ) , M ) 0 {\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}

短完全系列となるαβが存在する[12]

この短完全系列が C {\displaystyle C^{*}} 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 R = Z {\displaystyle R=\mathbb {Z} } で各 H n ( C ) {\displaystyle H^{n}(C_{*})} 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、MR-加群する。R上のチェイン複体 C := ( C n , n ) n Z {\displaystyle C_{*}:=(C_{n},\partial _{n})_{n\in \mathbb {Z} }} に対し、

n   :   H o m R ( C n , M ) H o m R ( C n + 1 , M ) ,     c c n + 1 {\displaystyle \partial _{n}{}^{*}~:~\mathrm {Hom} _{R}(C_{n},M)\to \mathrm {Hom} _{R}(C_{n+1},M),~~c\mapsto c\circ \partial _{n+1}}

と定義すると

n + 1 n = 0 {\displaystyle \partial _{n+1}{}^{*}\circ \partial _{n}{}^{*}=0}

であるので H o m R ( C , M ) := ( H o m R ( C , M ) , n ) n Z {\displaystyle \mathrm {Hom} _{R}(C_{*},M):=(\mathrm {Hom} _{R}(C_{*},M),\partial _{n}{}^{*})_{n\in \mathbb {Z} }} はコチェイン複体である。 H o m R ( C , M ) {\displaystyle \mathrm {Hom} _{R}(C_{*},M)} Mに関する C {\displaystyle C_{*}} 双対コチェイン複体: dual cochain complex)という[12]

定義 ―  

  • H n ( C ; M ) := H n ( C R M ) {\displaystyle H_{n}(C_{*};M):=H_{n}(C_{*}\otimes _{R}M)} C {\displaystyle C_{*}} n次のMに係数を持つホモロジー加群という[13]
  • H n ( C ; M ) := H n ( H o m ( C , M ) ) {\displaystyle H^{n}(C_{*};M):=H^{n}(\mathrm {Hom} (C_{*},M))} C {\displaystyle C_{*}} n次のMに係数を持つコホモロジー加群という[13]

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、

H n ( C ; M ) = H n ( C R M ) {\displaystyle H_{n}(C_{*};M)=H_{n}(C_{*}\otimes _{R}M)}
H n ( C ; R ) = H n ( C R R ) = H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*};R)=H_{n}(C_{*}\otimes _{R}R)=H_{n}(C_{*})}

なので、前述のホモロジーに関する普遍係数定理 H n ( C R M ) {\displaystyle H_{n}(C_{*}\otimes _{R}M)} H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*})} を単純に置き換える事で、以下の系が従う:

 ―  RM前述の定理と同様に取り、 C {\displaystyle C_{*}} を任意のチェイン複体とすると、

0 H n ( C ; R ) R M α H n ( C ; M ) β Tor R ( H n 1 ( C ; R ) , M ) 0 {\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}

が短完全系列となるαβ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、 C := H o m R ( C , R ) {\displaystyle C^{*}:=\mathrm {Hom} _{R}(C_{*},R)} としてやると、

H n ( C ; R ) = H n ( H o m ( C , R ) ) = H n ( C ) {\displaystyle H^{n}(C_{*};R)=H^{n}(\mathrm {Hom} (C_{*},R))=H^{n}(C^{*})}

であるが、 H n ( C ; M ) {\displaystyle H^{n}(C_{*};M)} の方は

H n ( C ; M ) = H n ( H o m ( C , M ) ) {\displaystyle H^{n}(C^{*};M)=H^{n}(\mathrm {Hom} (C_{*},M))}

であり、コホモロジーの普遍係数定理における

H n ( C R M ) = H n ( H o m ( C , R ) R M ) {\displaystyle H^{n}(C^{*}\otimes _{R}M)=H^{n}(\mathrm {Hom} (C_{*},R)\otimes _{R}M)}

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:

定理 ―  RM前述の定理と同様に取り、さらに C := ( C n , n ) n Z {\displaystyle C_{*}:=(C_{n},\partial _{n})_{n\in \mathbb {Z} }} R上のチェイン複体で各nに対し、 C n {\displaystyle C_{n}} R-加群として自由なものとする。

このときMR上有限生成であるかもしくは全てのnに対して H n ( C ; R ) {\displaystyle H_{n}(C_{*};R)} R上有限生成であれば、任意のnに対して以下が完全系列になるαβが存在する[14]:

0 H n ( C ; R ) R M α H n ( C ; M ) β T o r R ( H n + 1 ( C ; R ) , M ) 0 {\displaystyle 0\to H^{n}(C_{*};R)\otimes _{R}M{\overset {\alpha }{\to }}H^{n}(C_{*};M){\overset {\beta }{\to }}\mathrm {Tor} _{R}(H^{n+1}(C_{*};R),M)\to 0} .

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 C {\displaystyle C_{*}} の双対コチェイン複体 H o m R ( C , M ) := ( H o m R ( C , M ) , n ) n Z {\displaystyle \mathrm {Hom} _{R}(C_{*},M):=(\mathrm {Hom} _{R}(C_{*},M),\partial _{n}{}^{*})_{n\in \mathbb {Z} }} に対し、Mを係数に持つコホモロジー加群を H n ( C ; M ) = H n ( H o m R ( C ; M ) ) {\displaystyle H^{n}(C_{*};M)=H^{n}(\mathrm {Hom} _{R}(C_{*};M))} により定義する。

このとき以下の定理がしたがう:

定理 (Extに関する普遍係数定理) ―  R単項イデアル整域とし、MR-加群とし、さらに C := ( C n , n ) n Z {\displaystyle C_{*}:=(C_{n},\partial _{n})_{n\in \mathbb {Z} }} R上のチェイン複体で各nに対し、 C n {\displaystyle C_{n}} R-加群として自由なものする。このとき、

0 Ext R ( H n 1 ( C ) , M ) β H n ( C ; M ) α Hom R ( H n ( C ) , M ) 0 {\displaystyle 0\to \operatorname {Ext} _{R}(H_{n-1}(C_{*}),M){\overset {\beta }{\to }}H^{n}(C_{*};M){\overset {\alpha }{\to }}\operatorname {Hom} _{R}(H_{n}(C_{*}),M)\to 0}

短完全系列となるαβが存在する。

しかもこの短完全系列は C {\displaystyle C_{*}} およびMに関して自然である。さらにこの短完全系列は(Mに関して自然だが C {\displaystyle C_{*}} に関しては自然ではなく)分裂する[15]

上述の定理においてα [ φ ] H n ( C ; M ) = H n ( Hom R ( C , M ) ) {\displaystyle [\varphi ]\in H^{n}(C_{*};M)=H^{n}({\textrm {Hom}}_{R}(C_{*},M))} に対し、 [ c ] H n ( C ) φ ( c ) M {\displaystyle [c]\in H^{n}(C_{*})\mapsto \varphi (c)\in M} という Hom R ( H n ( C ) , M ) {\displaystyle \operatorname {Hom} _{R}(H_{n}(C_{*}),M)} の元を対応させる写像である[15]


R = Z {\displaystyle R=\mathbb {Z} } で各 H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*})} 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、 H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*})} は自由加群部分Fnと捩れ部分群部分 T n {\displaystyle T_{n}} 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]

H n ( C ; Z ) H o m ( H n ( C ) ; Z ) Ext R ( H n 1 ( C ) , Z ) F n T n 1 {\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}}

上記により Z {\displaystyle \mathbb {Z} } -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。

H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*})} 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:

定理 ―  R単項イデアル整域とし、MR-加群とし、さらに C := ( C n , n ) n Z {\displaystyle C_{*}:=(C_{n},\partial _{n})_{n\in \mathbb {Z} }} R上のチェイン複体で各nに対し、 C n {\displaystyle C_{n}} R-加群として自由で、しかも H n ( C ) {\displaystyle H_{n}(C_{*})} が有限生成R-加群であるものとする。 このとき、

0 Ext R ( H n + 1 ( C ) , M ) β H n ( C ; M ) α Hom R ( H n ( C ) , M ) 0 {\displaystyle 0\to \operatorname {Ext} _{R}(H^{n+1}(C_{*}),M){\overset {\beta }{\to }}H_{n}(C_{*};M){\overset {\alpha }{\to }}\operatorname {Hom} _{R}(H^{n}(C_{*}),M)\to 0}

短完全系列となるαβが存在し、この短完全系列は分裂する[17]

上述の定理において、α [ z ] m H n ( C R M ) = H n ( C ; M ) {\displaystyle [z]\otimes m\in H_{n}(C_{*}\otimes _{R}M)=H_{n}(C_{*};M)} に対し、 [ f ] H n ( C ) f ( z ) m M {\displaystyle [f]\in H^{n}(C_{*})\mapsto f(z)m\in M} という H o m ( H n ( C ) , M ) {\displaystyle \mathrm {Hom} (H^{n}(C_{*}),M)} の元を対応させる写像である[17]


関連項目

  • キネットの定理(英語版)

脚注

出典

  1. ^ a b #河田 pp.55-56.
  2. ^ a b #河田 p.69.
  3. ^ #河田 p.33.
  4. ^ a b #Dieck p.292.
  5. ^ #河田 p.114.
  6. ^ 河田 p.109.
  7. ^ a b #Davis p.26.
  8. ^ #河田 p.28.
  9. ^ a b #Dieck p.294.
  10. ^ a b #河田 p.118.
  11. ^ a b c #Dieck p.295.
  12. ^ a b #Dieck p.297.
  13. ^ a b #河田 p.80.
  14. ^ #Dieck p.297.
  15. ^ a b #Dieck p.296.
  16. ^ #Davis p.46.
  17. ^ a b #Davis p.48.

注釈

  1. ^ a b 具体的にはMR上の生成元 ( e λ ) λ Λ {\displaystyle (e_{\lambda })_{\lambda \in \Lambda }} を選び、 A := R Λ = { ( a λ ) λ Λ a λ R , {\displaystyle A:=R^{\Lambda }=\{(a_{\lambda })_{\lambda \in \Lambda }\mid a_{\lambda }\in R,} 有限個の λ {\displaystyle \lambda } を除いて a λ = 0 } {\displaystyle a_{\lambda }=0\}} とし、 A R {\displaystyle A\to R} ( a λ ) λ Λ λ Λ a λ e λ {\displaystyle (a_{\lambda })_{\lambda \in \Lambda }\to \sum _{\lambda \in \Lambda }a_{\lambda }e_{\lambda }} 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AR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。
  2. ^ 最初の0を除いた A R N ι R 1 N B R N p R 1 N M R N 0 {\displaystyle 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} は完全系列である[3]
  3. ^ 最後の0を除いた 0 H o m R ( M , N ) p H o m R ( B , N ) ι H o m R ( A ) {\displaystyle 0\longrightarrow \mathrm {Hom} _{R}(M,N){\overset {p^{*}}{\longrightarrow }}\mathrm {Hom} _{R}(B,N){\overset {\iota ^{*}}{\longrightarrow }}\mathrm {Hom} _{R}(A)} 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