§E6.39ホモロジー次元

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射影分解、入射分解、平坦分解は、それぞれ射影加群、入射加群、平坦加群からなる完全列によって加群を表す方法である。分解の存在だけでは、有限の長さで分解を終えることができるかどうかは明らかにならない。射影次元、入射次元、平坦次元は、それぞれの分解の長さに着目した加群の不変量である。例えば、整数m≥2m\ge2に対して、Z\Z加群Z/mZ\Z/m\Zの射影次元は一である。ホモロジー次元は、Ext や Tor の消滅と分解の長さを結び付ける基本的な指標である。大域次元は、環上の加群全体の射影次元に共通の上界を与える。本記事では、ホモロジー次元の基本的な性質と代表的な例を解説する。

1 分解の長さ

定義 1.1.RRを単位元をもつ結合環、MMを左RR加群とする。MMの 射影次元 (projective dimension)pd⁡RM\operatorname{pd}_RMを、完全列

0⟶Pn⟶⋯⟶P0⟶M⟶00\longrightarrow P_n\longrightarrow\cdots\longrightarrow P_0\longrightarrow M\longrightarrow0

であって各PjP_jが射影左RR加群であるものが存在するようなn∈N≥0n\in\Nの最小値とする。そのようなnnが存在しなければpd⁡RM=∞\operatorname{pd}_RM=\inftyとする。特にpd⁡RM=0\operatorname{pd}_RM=0であることとMMが射影的であることは同値であり、pd⁡R0=0\operatorname{pd}_R0=0である。

定義 1.2.RRを単位元をもつ結合環、NNを左RR加群とする。NNの 入射次元 (injective dimension)id⁡RN\operatorname{id}_RNを、完全列

0⟶N⟶E0⟶⋯⟶En⟶00\longrightarrow N\longrightarrow E^0\longrightarrow\cdots\longrightarrow E^n\longrightarrow0

であって各EjE^jが入射左RR加群であるものが存在するようなn∈N≥0n\in\Nの最小値とする。そのようなnnが存在しなければid⁡RN=∞\operatorname{id}_RN=\inftyとする。特にid⁡RN=0\operatorname{id}_RN=0であることとNNが入射的であることは同値であり、id⁡R0=0\operatorname{id}_R0=0である。

定義 1.3.RRを単位元をもつ結合環、MMを左RR加群とする。MMの 平坦次元 (flat dimension)fd⁡RM\operatorname{fd}_RMを、完全列

0⟶Fn⟶⋯⟶F0⟶M⟶00\longrightarrow F_n\longrightarrow\cdots\longrightarrow F_0\longrightarrow M\longrightarrow0

であって各FjF_jが平坦左RR加群であるものが存在するようなn∈N≥0n\in\Nの最小値とする。そのようなnnが存在しなければfd⁡RM=∞\operatorname{fd}_RM=\inftyとする。特にfd⁡RM=0\operatorname{fd}_RM=0であることとMMが平坦であることは同値であり、fd⁡R0=0\operatorname{fd}_R0=0である。

命題 1.4.RRを単位元をもつ結合環、MMを左RR加群とする。このとき、fd⁡RM≤pd⁡RM\operatorname{fd}_RM\le\operatorname{pd}_RMである。

証明.§E6.15 補題 2.3により、射影分解の各項は平坦である。したがって長さnnの射影分解は長さnnの平坦分解でもあり、主張が従う。▨

定義 1.5.RRを単位元をもつ結合環とする。RRの 左大域次元 (left global dimension) を

lgd⁡R=sup⁡{pd⁡RM∣M は左 R 加群}\operatorname{lgd}R=\sup\{\operatorname{pd}_RM\mid M\text{ は左 }R\text{ 加群}\}

と定める。RRの 右大域次元 (right global dimension) はrgd⁡R=lgd⁡(Rop)\operatorname{rgd}R=\operatorname{lgd}(R^{\mathrm{op}})と定める。右RR加群を左RopR^{\mathrm{op}}加群とみなすことにより、右大域次元はすべての右RR加群の射影次元の上限である。上限はN≥0∪{∞}\N\cup\{\infty\}において取る。

2 Ext と Tor の消滅判定

定理 2.1.RRを単位元をもつ結合環、MMを左RR加群、n∈N≥0n\in\Nとする。射影分解P∙→MP_\bullet\to Mに対し、K0=MK_0=M、K1=ker⁡(P0→M)K_1=\ker(P_0\to M)、Kj=ker⁡(Pj−1→Pj−2)K_j=\ker(P_{j-1}\to P_{j-2})(j≥2j\ge2)と置く。このとき、次の条件は同値である。

  1. pd⁡RM≤n\operatorname{pd}_RM\le nである。
  2. 任意の左RR加群NNと任意の整数k>nk>nに対し、Ext⁡Rk(M,N)=0\operatorname{Ext}_R^k(M,N)=0である。
  3. 任意の左RR加群NNに対し、Ext⁡Rn+1(M,N)=0\operatorname{Ext}_R^{n+1}(M,N)=0である。
  4. 任意の射影分解P∙→MP_\bullet\to Mに対し、KnK_nは射影的である。

証明.n=0n=0のときは、K0=MK_0=Mであり、§E6.36 定理 3.3により同値性が従う。n≥1n\ge1とする。

条件 (a)を仮定し、長さnnの射影分解を取る。§E6.36 定義 1.3により、この分解へHom⁡R(−,N)\Hom_R(-,N)を施してExt⁡Rk(M,N)\operatorname{Ext}_R^k(M,N)を計算すると、k>nk>nの項は零である。したがって条件 (b)が成り立つ。k=n+1k=n+1とすれば条件 (c)が従う。

条件 (c)を仮定し、任意の射影分解を短完全列0→Kj+1→Pj→Kj→00\to K_{j+1}\to P_j\to K_j\to0に分ける。§E6.36 系 3.2により、すべての左RR加群NNに対して

Ext⁡R1(Kn,N)≅Ext⁡Rn+1(M,N)=0\operatorname{Ext}_R^1(K_n,N)\cong\operatorname{Ext}_R^{n+1}(M,N)=0

である。§E6.36 定理 3.3によりKnK_nは射影的であり、条件 (d)が従う。

条件 (d)を仮定する。§E6.35 定理 1.3により射影分解を取り、その第nn核で切断すると、長さnnの射影分解

0⟶Kn⟶Pn−1⟶⋯⟶P0⟶M⟶00\longrightarrow K_n\longrightarrow P_{n-1}\longrightarrow\cdots\longrightarrow P_0\longrightarrow M\longrightarrow0

を得る。よって条件 (a)が成り立つ。▨

定理 2.2.RRを単位元をもつ結合環、NNを左RR加群、n∈N≥0n\in\Nとする。入射分解0→N→E0→E1→⋯0\to N\to E^0\to E^1\to\cdotsに対し、K0=NK^0=N、K1=E0/NK^1=E^0/N、Kj=coker⁡(Ej−2→Ej−1)K^j=\coker(E^{j-2}\to E^{j-1})(j≥2j\ge2)と置く。このとき、次の条件は同値である。

  1. id⁡RN≤n\operatorname{id}_RN\le nである。
  2. 任意の左RR加群MMと任意の整数k>nk>nに対し、Ext⁡Rk(M,N)=0\operatorname{Ext}_R^k(M,N)=0である。
  3. 任意の左RR加群MMに対し、Ext⁡Rn+1(M,N)=0\operatorname{Ext}_R^{n+1}(M,N)=0である。
  4. 任意の入射分解に対し、KnK^nは入射的である。

証明.n=0n=0のときは、K0=NK^0=Nであり、§E6.36 定理 4.1により同値性が従う。n≥1n\ge1とし、入射分解を短完全列

0⟶Kj⟶Ej⟶Kj+1⟶00\longrightarrow K^j\longrightarrow E^j\longrightarrow K^{j+1}\longrightarrow0

に分ける。§E6.36 系 4.2をj=n−1,n−2,…,0j=n-1,n-2,\ldots,0に適用すると、任意の左RR加群MMと整数q≥1q\ge1に対して

Ext⁡Rq(M,Kn)≅Ext⁡Rq+n(M,N)\operatorname{Ext}_R^q(M,K^n)\cong\operatorname{Ext}_R^{q+n}(M,N)

を得る。

条件 (a)を仮定し、長さnnの入射分解を取る。この分解ではKn≅EnK^n\cong E^nが入射的である。§E6.36 定理 4.1により表示式の左辺がすべてのq≥1q\ge1で零であるので、条件 (b)が従う。k=n+1k=n+1とすれば条件 (c)が従う。

条件 (c)を仮定すると、任意の入射分解と任意の左RR加群MMに対し、表示式のq=1q=1の場合からExt⁡R1(M,Kn)=0\operatorname{Ext}_R^1(M,K^n)=0を得る。§E6.36 定理 4.1によりKnK^nは入射的であり、条件 (d)が従う。

条件 (d)を仮定する。§E6.16 定理 5.4を逐次適用して入射分解を取り、長さnnの入射分解

0⟶N⟶E0⟶⋯⟶En−1⟶Kn⟶00\longrightarrow N\longrightarrow E^0\longrightarrow\cdots\longrightarrow E^{n-1}\longrightarrow K^n\longrightarrow0

を得る。よって条件 (a)が成り立つ。▨

定理 2.3.RRを単位元をもつ結合環、MMを左RR加群、n∈N≥0n\in\Nとする。平坦左RR加群による分解F∙→MF_\bullet\to Mに対し、L0=ML_0=M、L1=ker⁡(F0→M)L_1=\ker(F_0\to M)、Lj=ker⁡(Fj−1→Fj−2)L_j=\ker(F_{j-1}\to F_{j-2})(j≥2j\ge2)と置く。このとき、次の条件は同値である。

  1. fd⁡RM≤n\operatorname{fd}_RM\le nである。
  2. 任意の右RR加群XXと任意の整数k>nk>nに対し、Tor⁡kR(X,M)=0\operatorname{Tor}_k^R(X,M)=0である。
  3. 任意の右RR加群XXに対し、Tor⁡n+1R(X,M)=0\operatorname{Tor}_{n+1}^R(X,M)=0である。
  4. 任意の平坦分解F∙→MF_\bullet\to Mに対し、LnL_nは平坦である。

証明.n=0n=0のときは、L0=ML_0=Mであり、§E6.38 定理 4.1により同値性が従う。n≥1n\ge1とし、平坦分解を短完全列0→Lj+1→Fj→Lj→00\to L_{j+1}\to F_j\to L_j\to0に分ける。§E6.38 命題 4.2 (2)を反復すると、任意の右RR加群XXと整数q≥1q\ge1に対し

Tor⁡q+nR(X,M)≅Tor⁡qR(X,Ln)\operatorname{Tor}_{q+n}^R(X,M)\cong\operatorname{Tor}_q^R(X,L_n)

を得る。

条件 (a)を仮定し、長さnnの平坦分解を取る。この分解ではLn≅FnL_n\cong F_nが平坦であるので、§E6.38 定理 4.1と表示式から条件 (b)が従う。k=n+1k=n+1とすれば条件 (c)が従う。

条件 (c)を仮定する。表示式のq=1q=1の場合と§E6.38 定理 4.1により、任意の平坦分解のLnL_nは平坦である。よって条件 (d)が成り立つ。

条件 (d)を仮定する。§E6.35 定理 1.3による射影分解は§E6.15 補題 2.3により平坦分解でもある。その第nn核で切断すると長さnnの平坦分解を得るので、条件 (a)が従う。▨

3 大域次元

定理 3.1.RRを単位元をもつ結合環とする。このとき、左RR加群M,NM,Nをすべて動かすと

lgd⁡R=sup⁡Mpd⁡RM=sup⁡Nid⁡RN=sup⁡{k∈N≥0∣ある M,N に対して Ext⁡Rk(M,N)≠0}\operatorname{lgd}R =\sup_M\operatorname{pd}_RM =\sup_N\operatorname{id}_RN =\sup\{k\in\N\mid\text{ある }M,N\text{ に対して }\operatorname{Ext}_R^k(M,N)\ne0\}

が成り立つ。ここでsup⁡∅=0\sup\varnothing=0とする。特に、n∈N≥0n\in\Nに対して、任意の左RR加群M,NM,NについてExt⁡Rn+1(M,N)=0\operatorname{Ext}_R^{n+1}(M,N)=0であることは、lgd⁡R≤n\operatorname{lgd}R\le nであるための必要十分条件である。

証明.定理 2.1と定理 2.2を任意のn∈N≥0n\in\Nに適用する。すべてのMMについてpd⁡RM≤n\operatorname{pd}_RM\le nであること、すべてのNNについてid⁡RN≤n\operatorname{id}_RN\le nであること、およびすべてのM,NM,Nとk>nk>nについてExt⁡Rk(M,N)=0\operatorname{Ext}_R^k(M,N)=0であることは同値である。したがって、表示した三つの上限の有限な上界は一致する。有限な上界が存在しなければ、三つの上限はいずれも∞\inftyである。単一次数の消滅による同値性も定理 2.1から従う。▨

系 3.2.RRを単位元をもつ結合環とする。このとき、RRが左半単純環であることは、lgd⁡R=0\operatorname{lgd}R=0であるための必要十分条件である。

証明.lgd⁡R=0\operatorname{lgd}R=0ならば、すべての左RR加群は射影的である。§E6.14 命題 1.3 (2)により、左RR加群の短完全列はすべて分裂する。§E6.19 定理 6.2によりRRは左半単純環である。逆に、RRが左半単純環ならば§E6.19 定理 6.2 (5)により、すべての短完全列は分裂する。§E6.14 命題 1.3 (2)により、すべての左RR加群は射影的であり、lgd⁡R=0\operatorname{lgd}R=0である。▨

例 3.3. 整数m≥2m\ge2に対して、pd⁡Z(Z/mZ)=1\operatorname{pd}_{\Z}(\Z/m\Z)=1であり、id⁡ZZ=1\operatorname{id}_{\Z}\Z=1、lgd⁡Z=rgd⁡Z=1\operatorname{lgd}\Z=\operatorname{rgd}\Z=1である。

完全列0→Z→×mZ→Z/mZ→00\to\Z\xrightarrow{\times m}\Z\to\Z/m\Z\to0は長さ一の自由分解である。Z/mZ\Z/m\ZからZ\Zへの準同型は零写像だけであるから、商写像Z→Z/mZ\Z\to\Z/m\Zは切断をもたない。§E6.14 命題 1.3 (2)によりZ/mZ\Z/m\Zは射影的でなく、射影次元は一である。

Q\QとQ/Z\Q/\Zは可除であるので、§E6.16 命題 3.4により0→Z→Q→Q/Z→00\to\Z\to\Q\to\Q/\Z\to0は長さ一の入射分解である。Z\Zは可除でなく、同じ判定により入射的でないので、入射次元は一である。

任意のアーベル群MMについて、自由加群からの全射F→MF\to Mを取る。§E6.47 定理 1.1によりその核も自由であり、pd⁡ZM≤1\operatorname{pd}_{\Z}M\le1である。Z/mZ\Z/m\Zの射影次元が一であるのでlgd⁡Z=1\operatorname{lgd}\Z=1である。可換性からZop=Z\Z^{\mathrm{op}}=\Zであり、右大域次元も一である。

4 Artin 環上の極小射影分解

定義 4.1.AAを左 Artin 環、MMを有限生成左AA加群とする。射影分解

⋯⟶P2→d2P1→d1P0→εM⟶0\cdots\longrightarrow P_2\xrightarrow{d_2}P_1\xrightarrow{d_1}P_0\xrightarrow{\varepsilon}M\longrightarrow0

において、ε ⁣:P0→M\varepsilon\colon P_0\to Mと、各j≥1j\ge1の像への全射Pj→im⁡djP_j\to\im d_jが射影被覆であるとき、この分解を 極小射影分解 (minimal projective resolution) という。

定理 4.2.AAを左 Artin 環、MMを有限生成左AA加群とする。このとき、MMは各項が有限生成である極小射影分解をもつ。また、MMの任意の二つの極小射影分解の間に、MMの恒等写像を持ち上げる複体の同型が存在する。

証明.K0=MK_0=Mとし、§E6.27 定理 4.1により射影被覆p0 ⁣:P0→K0p_0\colon P_0\to K_0を取る。§E6.21 系 5.1によりP0P_0は有限長であるので、K1=ker⁡p0K_1=\ker p_0は有限生成である。同じ操作を繰り返し、有限生成射影加群PjP_jと射影被覆pj ⁣:Pj→Kjp_j\colon P_j\to K_j、Kj+1=ker⁡pjK_{j+1}=\ker p_jを得る。j≥1j\ge1に対してdjd_jをpjp_jと包含Kj↪Pj−1K_j\hookrightarrow P_{j-1}の合成とすれば、極小射影分解が得られる。

二つの極小分解の射影被覆をpj ⁣:Pj→Kjp_j\colon P_j\to K_jとpj′ ⁣:Pj′→Kj′p'_j\colon P'_j\to K'_jと書く。K0=K0′=MK_0=K'_0=Mとし、f0=id⁡Mf_0=\id_Mと置く。同型fj ⁣:Kj→Kj′f_j\colon K_j\to K'_jが与えられたとき、pjp_jとfj−1pj′f_j^{-1}p'_jはKjK_jの射影被覆である。§E6.27 定理 2.3により、pj′φj=fjpjp'_j\varphi_j=f_jp_jを満たす同型φj ⁣:Pj→Pj′\varphi_j\colon P_j\to P'_jが存在する。核への制限によって同型fj+1 ⁣:Kj+1→Kj+1′f_{j+1}\colon K_{j+1}\to K'_{j+1}を得る。この操作を繰り返せば、各φj\varphi_jは微分と両立し、求める複体の同型を与える。▨

命題 4.3.AAを左 Artin 環、J=J(A)J=J(A)とし、MMを有限生成左AA加群とする。このとき、各項が有限生成である射影分解P∙→εMP_\bullet\xrightarrow{\varepsilon}Mについて、次の条件は同値である。

  1. この射影分解は極小である。
  2. すべてのj≥1j\ge1に対してim⁡dj⊆JPj−1\im d_j\subseteq JP_{j-1}である。

証明.条件 (a)を仮定する。§E6.27 解答により、各射影被覆の核はその定義域のJJ倍に含まれる。分解の完全性により、これらの核はker⁡ε=im⁡d1\ker\varepsilon=\im d_1とker⁡dj=im⁡dj+1\ker d_j=\im d_{j+1}であるので、条件 (b)が従う。

条件 (b)を仮定する。ε\varepsilonと各Pj→im⁡djP_j\to\im d_jの核は定義域のJJ倍に含まれる。定義域は有限生成であるので、§E6.27 命題 2.1 (2)により、これらの核は小部分加群である。各定義域は射影的であるので、これらの全射は射影被覆である。よって条件 (a)が成り立つ。▨

命題 4.4.AAを左 Artin 環、MMを有限生成左AA加群とし、P∙→MP_\bullet\to Mを極小射影分解とする。このとき、任意のn∈N≥0n\in\Nに対して

pd⁡AM≤n⟺Pn+1=0\operatorname{pd}_AM\le n\quad\Longleftrightarrow\quad P_{n+1}=0

が成り立つ。したがって、M≠0M\ne0ならば

pd⁡AM=sup⁡{j∈N≥0∣Pj≠0}\operatorname{pd}_AM=\sup\{j\in\N\mid P_j\ne0\}

である。M=0M=0の場合はすべてのPjP_jが零であり、pd⁡A0=0\operatorname{pd}_A0=0である。

証明.K0=MK_0=M、K1=ker⁡(P0→M)K_1=\ker(P_0\to M)、Kj=ker⁡dj−1K_j=\ker d_{j-1}(j≥2j\ge2)と置き、射影被覆をpj ⁣:Pj→Kjp_j\colon P_j\to K_jと書く。pd⁡AM≤n\operatorname{pd}_AM\le nならば、定理 2.1によりKnK_nは射影的である。恒等写像Kn→KnK_n\to K_nも射影被覆であるので、§E6.27 定理 2.3によりpnp_nは同型である。よってKn+1=0K_{n+1}=0である。pn+1 ⁣:Pn+1→0p_{n+1}\colon P_{n+1}\to0の核Pn+1P_{n+1}は小部分加群である。Pn+1+0=Pn+1P_{n+1}+0=P_{n+1}に小部分加群の定義を適用すればPn+1=0P_{n+1}=0となる。

逆にPn+1=0P_{n+1}=0ならば、完全性からker⁡pn=im⁡dn+1=0\ker p_n=\im d_{n+1}=0である。よって分解をPnP_nで切断すると長さnnの射影分解を得るので、pd⁡AM≤n\operatorname{pd}_AM\le nである。零項が一度現れると、その次の核は零であり、零加群の射影被覆も零であるから、以後の項も零である。したがって、M≠0M\ne0で零項が現れる場合には、非零項の最後の次数が射影次元に等しい。M=0M=0の場合も、p0 ⁣:P0→0p_0\colon P_0\to0が射影被覆であることからすべての項が零となる。▨

例 4.5.kkを体、R=k[t]/(t2)R=k[t]/(t^2)とし、ttの剰余類をϵ\epsilonと書く。商R/(ϵ)=kR/(\epsilon)=kを左RR加群とみなす。このとき、kkの極小射影分解は

⋯→×ϵR→×ϵR→×ϵR⟶k⟶0\cdots\xrightarrow{\times\epsilon}R\xrightarrow{\times\epsilon}R\xrightarrow{\times\epsilon}R\longrightarrow k\longrightarrow0

によって与えられ、pd⁡Rk=lgd⁡R=∞\operatorname{pd}_Rk=\operatorname{lgd}R=\inftyである。

§E6.21 例 3.2により、RRは左 Artin 環であり、J(R)=(ϵ)J(R)=(\epsilon)である。§E6.36 例 5.1の射影分解では、各微分の像は(ϵ)=J(R)R(\epsilon)=J(R)Rである。命題 4.3によりこの分解は極小である。すべての項が非零であるので、命題 4.4により射影次元は無限であり、大域次元も無限である。

同じ例で、§E6.36 例 5.1によりExt⁡Rq(k,R)=0\operatorname{Ext}_R^q(k,R)=0かつExt⁡Rq(k,k)≅k≠0\operatorname{Ext}_R^q(k,k)\cong k\ne0がすべてのq≥1q\ge1で成り立つ。したがって、定理 2.1の消滅条件で第二変数をRRのみに制限することはできない。

5 演習

問題 5.1.kkを体、r≥3r\ge3を整数とし、A=k[t]/(tr)A=k[t]/(t^r)、ϵ=t+(tr)\epsilon=t+(t^r)と置く。A/(ϵ)=kA/(\epsilon)=kの極小射影分解を構成し、kkの射影次元とAAの左右の大域次元を求めよ。

解答.

Pj=AP_j=A(j∈N≥0j\in\N)とし、P0→kP_0\to kを商写像とする。j≥1j\ge1に対してdjd_jを、jjが奇数ならばϵ\epsilon倍、jjが偶数ならばϵr−1\epsilon^{r-1}倍とする。1,ϵ,…,ϵr−11,\epsilon,\ldots,\epsilon^{r-1}を基底として計算すると

ker⁡(×ϵ)=(ϵr−1),ker⁡(×ϵr−1)=(ϵ)\ker(\times\epsilon)=(\epsilon^{r-1}),\qquad \ker(\times\epsilon^{r-1})=(\epsilon)

であるので、この列は完全である。§E6.21 例 3.2により、AAは左 Artin 環であり、J(A)=(ϵ)J(A)=(\epsilon)である。すべての微分の像はJ(A)Pj−1J(A)P_{j-1}に含まれるので、命題 4.3によりこの分解は極小である。すべてのPjP_jは非零であるので、命題 4.4によりpd⁡Ak=∞\operatorname{pd}_Ak=\inftyである。したがってlgd⁡A=∞\operatorname{lgd}A=\inftyであり、可換性からrgd⁡A=∞\operatorname{rgd}A=\inftyである。▨

参考文献

  1. Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994.
  2. T. Y. Lam, Lectures on Modules and Rings, Graduate Texts in Mathematics, Springer, New York, 1999.

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