§E6.51テンソル積の Künneth の定理

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二つの複体のテンソル積のホモロジーを、それぞれのホモロジーから求めることは、ホモロジー代数の基本的な問題である。しかし、ホモロジーのテンソル積だけでは、ねじれに由来する項を捉えることができない。たとえば、整数の二倍写像による二項自由複体どうしのテンソル積では、もとの二複体の一次ホモロジーが零であるにもかかわらず、一次ホモロジーに非零の巡回商が現れる。Künneth の定理は、単項イデアル整域上で一方の複体の各項が自由である場合に、この不足を第一 Tor を含む短完全列として記述する。本記事では、複体のテンソル積と Künneth の定理の基本性質を解説する。

1 PID 上の自由分解と自由複体

命題 1.1.RRを単項イデアル整域、M,NM,Nを任意のRR-加群とする。このとき、MMは長さ11以下の自由分解をもち、すべての整数q≥2q\ge2に対して

Tor⁡qR(M,N)=0,Ext⁡Rq(M,N)=0\operatorname{Tor}_q^R(M,N)=0, \qquad \operatorname{Ext}_R^q(M,N)=0

が成り立つ。

証明.§E6.35 定理 1.3により、自由加群からの全射F→MF\to Mを取り、その核をKKとする。§E6.47 定理 1.1によりKKも自由である。したがって

0⟶K⟶F⟶M⟶00\longrightarrow K\longrightarrow F\longrightarrow M\longrightarrow0

は長さ11以下の自由分解である。自由加群は射影的であるから(§E6.14 系 1.2)、この分解を用いて Tor と Ext を計算することができる(§E6.38 命題 1.4、§E6.36 定理 1.4)。テンソル積を施した鎖複体と Hom を施した余鎖複体は、ともに次数0,10,1以外で零である。よって次数q≥2q\ge2のホモロジーとコホモロジーは零である。▨

補題 1.2.RRを単項イデアル整域、CCを各項が自由RR-加群である整数次数の鎖複体とする。このとき、すべての整数nnに対してZn(C)Z_n(C)とBn(C)B_n(C)は自由であり、短完全列

0⟶Zn(C)⟶Cn→dnCBn−1(C)⟶00\longrightarrow Z_n(C)\longrightarrow C_n \xrightarrow{d_n^C} B_{n-1}(C)\longrightarrow0

は分裂する。各次数で切断sn−1 ⁣:Bn−1(C)→Cns_{n-1}\colon B_{n-1}(C)\to C_nを選ぶと、写像

Zn(C)⊕Bn−1(C)⟶Cn,(z,b)⟼z+sn−1(b)Z_n(C)\oplus B_{n-1}(C)\longrightarrow C_n, \qquad (z,b)\longmapsto z+s_{n-1}(b)

は同型であり、この表示で微分は(z,b)↦(b,0)(z,b)\mapsto(b,0)となる。

各i∈Zi\in\Zに対し、包含Bi(C)↪Zi(C)B_i(C)\inj Z_i(C)を次数i+1,ii+1,iに置き、ほかの項を零とする二項複体をEiE^iとすれば、切断の選択によって複体の同型C≅⨁i∈ZEiC\cong\bigoplus_{i\in\Z}E^iが得られる。

証明.Zn(C)Z_n(C)とBn(C)B_n(C)はともに自由加群CnC_nの部分加群であるから、§E6.47 定理 1.1により自由である。Bn−1(C)B_{n-1}(C)は射影的であるため、§E6.14 命題 1.3 (2)により表示された短完全列に切断sn−1s_{n-1}が存在する。

c∈Cnc\in C_nは

c=(c−sn−1(dnCc))+sn−1(dnCc)c=\bigl(c-s_{n-1}(d_n^Cc)\bigr)+s_{n-1}(d_n^Cc)

と一意に表され、括弧内の元はZn(C)Z_n(C)に属する。よって主張の写像は同型である。dnC(z+sn−1(b))=bd_n^C(z+s_{n-1}(b))=bであり、bbはZn−1(C)Z_{n-1}(C)に属するため、微分の表示は(z,b)↦(b,0)(z,b)\mapsto(b,0)である。次数nnにおける⨁iEi\bigoplus_i E^iの非零となりうる成分はZn(C)Z_n(C)とBn−1(C)B_{n-1}(C)だけであり、その微分はこの表示と一致する。▨

命題 1.3.RRを非零単項イデアル整域、C=(Cn,dn)n∈ZC=(C_n,d_n)_{n\in\Z}をRR-加群の鎖複体とする。各CnC_nは有限階数の自由加群であり、有限個の次数を除いてCn=0C_n=0であると仮定する。このとき、各Hn(C)H_n(C)は有限生成であり、

∑n∈Z(−1)nrank⁡RCn=∑n∈Z(−1)nrank⁡RHn(C)\sum_{n\in\Z}(-1)^n\operatorname{rank}_R C_n =\sum_{n\in\Z}(-1)^n\operatorname{rank}_R H_n(C)

が成り立つ。

証明.Zn=ker⁡dnZ_n=\ker d_n、Bn=im⁡dn+1B_n=\operatorname{im}d_{n+1}とおく。ZnZ_nとBnB_nは有限階数の自由加群CnC_nの部分加群であるから、§E6.47 定理 1.1により有限階数の自由加群である。したがって、Hn(C)=Zn/BnH_n(C)=Z_n/B_nは有限生成である。二つの短完全列

0⟶Zn⟶Cn→dnBn−1⟶0,0⟶Bn⟶Zn⟶Hn(C)⟶00\longrightarrow Z_n\longrightarrow C_n\xrightarrow{d_n}B_{n-1}\longrightarrow0, \qquad 0\longrightarrow B_n\longrightarrow Z_n\longrightarrow H_n(C)\longrightarrow0

に§E6.12 命題 20.10を適用すると、

rank⁡RCn=rank⁡RHn(C)+rank⁡RBn+rank⁡RBn−1\operatorname{rank}_R C_n =\operatorname{rank}_R H_n(C)+\operatorname{rank}_R B_n +\operatorname{rank}_R B_{n-1}

を得る。Cn=0C_n=0ならばZn=Bn=Hn(C)=0Z_n=B_n=H_n(C)=0であるから、以下の和はすべて有限和である。添字をm=n−1m=n-1と取り替えると、

∑n∈Z(−1)nrank⁡RBn−1=−∑m∈Z(−1)mrank⁡RBm\sum_{n\in\Z}(-1)^n\operatorname{rank}_R B_{n-1} =-\sum_{m\in\Z}(-1)^m\operatorname{rank}_R B_m

となる。各次数の等式に(−1)n(-1)^nを掛けて加えると、境界加群の階数を含む二つの和が相殺されるので、所要の等式を得る。▨

2 複体のテンソル積

定義 2.1 (複体のテンソル積).RRを可換環、C,DC,Dを整数次数のRR-加群の鎖複体とする。各n∈Zn\in\Zに対して

(C⊗RD)n=⨁i+j=nCi⊗RDj(C\otimes_R D)_n=\bigoplus_{i+j=n}C_i\otimes_R D_j

とおき、c∈Cic\in C_i、y∈Djy\in D_jに対して

d(c⊗y)=dCc⊗y+(−1)ic⊗dDyd(c\otimes y)=d_Cc\otimes y+(-1)^i c\otimes d_Dy

と定める。この鎖複体をC,DC,Dの テンソル積 (tensor product of chain complexes) という。

各成分の式は双線型である。したがって、テンソル積と直和の普遍性によって次数を11下げる線形写像が定められる。また、

d2(c⊗y)=dC2c⊗y+((−1)i−1+(−1)i)dCc⊗dDy+c⊗dD2y=0d^2(c\otimes y)=d_C^2c\otimes y +\bigl((-1)^{i-1}+(-1)^i\bigr)d_Cc\otimes d_Dy +c\otimes d_D^2y=0

である。したがってこの式により鎖複体が得られる。

鎖写像f ⁣:C→C′f\colon C\to C'、g ⁣:D→D′g\colon D\to D'は、各成分でc⊗y↦fi(c)⊗gj(y)c\otimes y\mapsto f_i(c)\otimes g_j(y)とする鎖写像f⊗gf\otimes gを誘導する。微分との可換性はdC′f=fdCd_{C'}f=fd_CとdD′g=gdDd_{D'}g=gd_Dから従う。また、f,gf,gからf⊗gf\otimes gを得る対応は恒等写像と合成を保つ。

補題 2.2.RRを単項イデアル整域、AAを各項が自由で微分が零である整数次数の鎖複体、DDを任意のRR-加群の鎖複体とする。このとき、各n∈Zn\in\Zに対し、自然な同型

⨁i+j=nAi⊗RHj(D)→ ∼ Hn(A⊗RD),a⊗[y]⟼[a⊗y]\bigoplus_{i+j=n}A_i\otimes_R H_j(D) \xrightarrow{\ \sim\ }H_n(A\otimes_R D), \qquad a\otimes[y]\longmapsto[a\otimes y]

がある。

証明.AiA_iの基底を一つ選ぶと、§E6.12 定理 10.1によりAi⊗RDA_i\otimes_R Dの各項はDDの項の直和となる。AiA_iを次数iiに置いたテンソル積の微分は各成分で(−1)idD(-1)^i d_Dであり、この符号は核と像を変えない。直和の元は有限個の非零成分をもち、直和写像の核は核の直和、像は像の直和である。したがってホモロジーも成分のホモロジーの直和であり、表示された写像は同型となる。写像の公式は基底を用いておらず、A,DA,Dの鎖写像を施す順序によらないため、この同型は両変数について自然である。▨

3 自然短完全列と分裂

定理 3.1 (Künneth の定理).RRを単項イデアル整域、CCを各項が自由RR-加群である整数次数の鎖複体、DDを任意のRR-加群の鎖複体とする。このとき、すべてのn∈Zn\in\Zに対し、短完全列

0⟶⨁i+j=nHi(C)⊗RHj(D)→αnHn(C⊗RD)→βn⨁i+j=n−1Tor⁡1R(Hi(C),Hj(D))⟶00\longrightarrow \bigoplus_{i+j=n}H_i(C)\otimes_R H_j(D) \xrightarrow{\alpha_n}H_n(C\otimes_R D) \xrightarrow{\beta_n} \bigoplus_{i+j=n-1}\operatorname{Tor}_1^R(H_i(C),H_j(D)) \longrightarrow0

がある。ここでc∈Zi(C)c\in Z_i(C)、y∈Zj(D)y\in Z_j(D)に対してαn([c]⊗[y])=[c⊗y]\alpha_n([c]\otimes[y])=[c\otimes y]である。

この列は両変数の鎖写像について自然である。すなわち、C′C'も項別自由であり、f ⁣:C→C′f\colon C\to C'、g ⁣:D→D′g\colon D\to D'が鎖写像ならば、左項の⨁(Hi(f)⊗Hj(g))\bigoplus(H_i(f)\otimes H_j(g))、中央項のHn(f⊗g)H_n(f\otimes g)、右項の⨁Tor⁡1R(Hi(f),Hj(g))\bigoplus\operatorname{Tor}_1^R(H_i(f),H_j(g))は短完全列の射を与える。

証明.Zn=Zn(C)Z_n=Z_n(C)、Bn=Bn(C)B_n=B_n(C)とおき、次数nnの項がそれぞれZnZ_n、Bn−1B_{n-1}で微分が零である複体をZ,QZ,Qとする。包含ιn ⁣:Zn↪Cn\iota_n\colon Z_n\inj C_nと微分pn=dnC ⁣:Cn→Bn−1=Qnp_n=d_n^C\colon C_n\to B_{n-1}=Q_nは複体の短完全列

0⟶Z→ιC→pQ⟶00\longrightarrow Z\xrightarrow{\iota}C\xrightarrow{p}Q\longrightarrow0

を与える。補題 1.2によりこの列は各次数で分裂する。分裂した列にDjD_jとのテンソル積を施すと、直和との交換(§E6.12 命題 18.1)により短完全列を得る。その直和を取ることにより、複体の短完全列

0⟶Z⊗RD⟶C⊗RD⟶Q⊗RD⟶00\longrightarrow Z\otimes_R D\longrightarrow C\otimes_R D \longrightarrow Q\otimes_R D\longrightarrow0

を得る。

Z,QZ,Qは項別自由かつ微分が零であるから、補題 2.2により

Hn(Z⊗RD)≅⨁i+j=nZi⊗RHj(D),Hn(Q⊗RD)≅⨁i+j=n−1Bi⊗RHj(D)H_n(Z\otimes_R D)\cong\bigoplus_{i+j=n}Z_i\otimes_R H_j(D), \qquad H_n(Q\otimes_R D)\cong\bigoplus_{i+j=n-1}B_i\otimes_R H_j(D)

である。§E6.34 定理 2.2の連結準同型δn ⁣:Hn(Q⊗RD)→Hn−1(Z⊗RD)\delta_n\colon H_n(Q\otimes_R D)\to H_{n-1}(Z\otimes_R D)は、これらの同型の下で包含ui ⁣:Bi↪Ziu_i\colon B_i\inj Z_iが誘導する写像⨁i+j=n−1(ui⊗1)\bigoplus_{i+j=n-1}(u_i\otimes1)となる。実際、b∈Bib\in B_i、y∈Zj(D)y\in Z_j(D)に対し、dCb~=bd_C\widetilde b=bを満たすb~∈Ci+1\widetilde b\in C_{i+1}を取ると、

d(b~⊗y)=b⊗yd(\widetilde b\otimes y)=b\otimes y

であるため、連結準同型の公式によりb⊗[y]b\otimes[y]がui(b)⊗[y]u_i(b)\otimes[y]に送られる。

各iiに対して

0⟶Bi→uiZi⟶Hi(C)⟶00\longrightarrow B_i\xrightarrow{u_i}Z_i\longrightarrow H_i(C)\longrightarrow0

は長さ11以下の自由分解である。この分解で Tor を計算し、テンソル積の右完全性(§E6.12 命題 19.1)を用いると、任意のRR-加群NNに対して

ker⁡(ui⊗1N)≅Tor⁡1R(Hi(C),N),coker⁡(ui⊗1N)≅Hi(C)⊗RN\ker(u_i\otimes1_N)\cong\operatorname{Tor}_1^R(H_i(C),N), \qquad \coker(u_i\otimes1_N)\cong H_i(C)\otimes_R N

となる。核と余核は直和と交換するから、長完全列の一部分を

0⟶coker⁡δn+1⟶Hn(C⊗RD)⟶ker⁡δn⟶00\longrightarrow\coker\delta_{n+1} \longrightarrow H_n(C\otimes_R D) \longrightarrow\ker\delta_n\longrightarrow0

と書けば、主張の短完全列を得る。左の写像はZ⊗RD→C⊗RDZ\otimes_R D\to C\otimes_R Dが誘導するため、αn\alpha_nは表示された公式を満たす。右の写像βn\beta_nはHn(p⊗1)H_n(p\otimes1)の像をker⁡δn\ker\delta_nとみなし、上の Tor との同型を施した写像である。

鎖写像f ⁣:C→C′f\colon C\to C'はサイクルと境界に制限され、Z→Z′Z\to Z'、Q→Q′Q\to Q'を与える。これらとffは最初の短完全列の射を定めるため、g ⁣:D→D′g\colon D\to D'とテンソル積を取ると、テンソル後の短完全列の射を得る。§E6.34 命題 2.3により長完全列の写像は可換である。また、ffの制限は上の自由分解の間でHi(f)H_i(f)を持ち上げる写像であるため、核の同定は§E6.38 命題 1.4の自然性と一致する。余核の同定もテンソル積の誘導写像と可換である。したがって、短完全列全体の自然性が従う。▨

系 3.2.RRを単項イデアル整域、C,DC,Dをともに各項が自由である整数次数のRR-加群の鎖複体とする。このとき定理 3.1の短完全列は、すべてのn∈Zn\in\Zで分裂する。したがって

Hn(C⊗RD)≅(⨁i+j=nHi(C)⊗RHj(D))⊕(⨁i+j=n−1Tor⁡1R(Hi(C),Hj(D)))H_n(C\otimes_R D)\cong \left(\bigoplus_{i+j=n}H_i(C)\otimes_R H_j(D)\right) \oplus \left(\bigoplus_{i+j=n-1}\operatorname{Tor}_1^R(H_i(C),H_j(D))\right)

となる。この分裂は一般に両変数について自然に選ぶことができない。

証明.補題 1.2の切断を両複体で選び、C≅⨁iEiC\cong\bigoplus_i E^i、D≅⨁jFjD\cong\bigoplus_j F^jと分解する。EiE^iはBi(C)↪Zi(C)B_i(C)\inj Z_i(C)を次数i+1,ii+1,iに置いた複体であり、FjF^jもDDから同様に作る。§E6.12 命題 18.1により

C⊗RD≅⨁i,j(Ei⊗RFj)C\otimes_R D\cong\bigoplus_{i,j}(E^i\otimes_R F^j)

であり、微分もこの直和分解を保つ。直和の核と像は成分ごとの核と像の直和であるため、ホモロジーを取っても直和分解を得る。

EiE^iのホモロジーは次数iiのHi(C)H_i(C)だけであり、FjF^jのホモロジーは次数jjのHj(D)H_j(D)だけである。定理 3.1をEi,FjE^i,F^jに適用すると、次数i+ji+jではαi+j\alpha_{i+j}が同型、次数i+j+1i+j+1ではβi+j+1\beta_{i+j+1}が同型となり、それ以外の次数のホモロジーは零である。各i+j=n−1i+j=n-1に対するβn\beta_nの逆写像を直和し、Ei⊗RFjE^i\otimes_R F^jの包含による誘導写像を合成する。主定理の自然性により、得られる写像はC,DC,Dに対するβn\beta_nの切断である。この構成は初めに選んだ複体の分解に依存する。自然な分裂が存在しない場合は例 3.3に示す。▨

例 3.3.Z\Z上の自由複体C,DC,Dを

C1=Za⊕Zb,C0=Ze,dCa=2e,dCb=0,C_1=\Z a\oplus\Z b,\quad C_0=\Z e, \quad d_Ca=2e,\quad d_Cb=0,D1=Zu,D0=Zv,dDu=2vD_1=\Z u,\quad D_0=\Z v,\quad d_Du=2v

と定め、ほかの項を零とする。このとき、H1(C)=Z[b]H_1(C)=\Z[b]、H0(C)=Z/2ZH_0(C)=\Z/2\Z、H0(D)=Z/2ZH_0(D)=\Z/2\Zであり、残りのホモロジーは零である。

(C⊗D)1(C\otimes D)_1のサイクルは

x=b⊗v,t=a⊗v−e⊗ux=b\otimes v,\qquad t=a\otimes v-e\otimes u

を基底にもつ。実際、λa⊗v+μb⊗v+νe⊗u\lambda a\otimes v+\mu b\otimes v+\nu e\otimes uの微分は2(λ+ν)e⊗v2(\lambda+\nu)e\otimes vである。また、次数22の基底a⊗u,b⊗ua\otimes u,b\otimes uの微分はそれぞれ−2t,−2x-2t,-2xである。したがって

H1(C⊗D)=(Z/2Z)[x]⊕(Z/2Z)[t]H_1(C\otimes D)=(\Z/2\Z)[x]\oplus(\Z/2\Z)[t]

であり、Künneth の列の左項の像は(Z/2Z)[x](\Z/2\Z)[x]である。右項の非零元をτ=β1([t])\tau=\beta_1([t])と書く。

f1(a)=a+bf_1(a)=a+b、f1(b)=bf_1(b)=b、f0(e)=ef_0(e)=eと定めると、f ⁣:C→Cf\colon C\to Cは鎖同型である。この鎖同型は、すべてのホモロジーに恒等写像を誘導する。しかし、H1(f⊗id⁡D)H_1(f\otimes\id_D)は[x][x]を固定し、[t][t]を[t]+[x][t]+[x]に送る。τ\tauの逆像は[t][t]と[t]+[x][t]+[x]の二つであり、どちらも固定されない。自然な切断があれば、右項上でffが誘導する写像は恒等写像なので、τ\tauの像は固定されなければならない。よって両変数について自然な切断は存在しない。

4 ホモロジーの普遍係数短完全列

命題 4.1.RRを非零単項イデアル整域、C=(Cn,dn)n∈ZC=(C_n,d_n)_{n\in\Z}を各項が自由RR-加群である鎖複体、MMをRR-加群とする。このとき、各n∈Zn\in\Zに対して、CCとMMに関して自然な短完全列

0⟶Hn(C)⊗RM→αnHn(C⊗RM)→βnTor⁡1R(Hn−1(C),M)⟶00\longrightarrow H_n(C)\otimes_R M \xrightarrow{\alpha_n}H_n(C\otimes_R M) \xrightarrow{\beta_n}\operatorname{Tor}_1^R(H_{n-1}(C),M) \longrightarrow0

が存在し、この短完全列は分裂する。ここでC⊗RMC\otimes_R Mの次数nnの項はCn⊗RMC_n\otimes_R M、微分はdn⊗1Md_n\otimes1_Mであり、αn\alpha_nは[z]⊗m[z]\otimes mを[z⊗m][z\otimes m]へ送る。

証明.MMを次数零に置き、ほかの次数の項を零とした複体をM[0]M[0]とする。H0(M[0])=MH_0(M[0])=Mであり、j≠0j\ne0ならばHj(M[0])=0H_j(M[0])=0である。定理 3.1をCCとM[0]M[0]に適用すると、主張の自然な短完全列とαn\alpha_nの公式を得る。

Zi=Zi(C)Z_i=Z_i(C)、Bi=Bi(C)B_i=B_i(C)とおき、包含をui ⁣:Bi→Ziu_i\colon B_i\to Z_iと書く。補題 1.2により、各i∈Zi\in\Zに対してZi,BiZ_i,B_iは自由である。また、全射di+1 ⁣:Ci+1→Bid_{i+1}\colon C_{i+1}\to B_iの切断si ⁣:Bi→Ci+1s_i\colon B_i\to C_{i+1}を選ぶことができる。この選択による同型

Zi⊕Bi−1→ ≅ Ci,(z,b)⟼z+si−1(b)Z_i\oplus B_{i-1}\xrightarrow{\ \cong\ }C_i, \qquad (z,b)\longmapsto z+s_{i-1}(b)

のもとで、微分は(z,b)↦(ui−1(b),0)(z,b)\mapsto(u_{i-1}(b),0)となる。この二項複体分解にテンソル積を施し、§E6.12 命題 18.1による同一視を用いる。ti=ui⊗1Mt_i=u_i\otimes1_Mとおくと、C⊗RMC\otimes_R Mの次数iiの項と微分は

(Zi⊗RM)⊕(Bi−1⊗RM),(z,b)⟼(ti−1(b),0)(Z_i\otimes_R M)\oplus(B_{i-1}\otimes_R M), \qquad (z,b)\longmapsto(t_{i-1}(b),0)

で表される。したがって、

Zn(C⊗RM)=(Zn⊗RM)⊕ker⁡tn−1,Bn(C⊗RM)=im⁡tn⊕{0}\begin{aligned} Z_n(C\otimes_R M)&=(Z_n\otimes_R M)\oplus\ker t_{n-1},\\ B_n(C\otimes_R M)&=\operatorname{im}t_n\oplus\{0\} \end{aligned}

となる。したがって、同型

θn ⁣:coker⁡tn⊕ker⁡tn−1→ ≅ Hn(C⊗RM),(z‾,b)⟼[(z,b)]\theta_n\colon\operatorname{coker}t_n\oplus\ker t_{n-1} \xrightarrow{\ \cong\ }H_n(C\otimes_R M), \qquad (\overline z,b)\longmapsto[(z,b)]

を得る。

自由分解

0⟶Bi→uiZi⟶Hi(C)⟶00\longrightarrow B_i\xrightarrow{u_i}Z_i\longrightarrow H_i(C)\longrightarrow0

にテンソル積を施すと、§E6.12 命題 19.1によりcoker⁡ti≅Hi(C)⊗RM\operatorname{coker}t_i\cong H_i(C)\otimes_R Mである。また、この分解による§E6.38 定義 1.3の計算と§E6.38 命題 1.4の比較同型により、同型

τi ⁣:ker⁡ti→ ≅ Tor⁡1R(Hi(C),M)\tau_i\colon\ker t_i\xrightarrow{\ \cong\ }\operatorname{Tor}_1^R(H_i(C),M)

を得る。

coker⁡tn\operatorname{coker}t_nをHn(C)⊗RMH_n(C)\otimes_R Mと同一視すると、αn\alpha_nはθn\theta_nによって第一成分への包含に対応する。定理 3.1の右射は、dn ⁣:Cn→Bn−1d_n\colon C_n\to B_{n-1}によるホモロジーの射の像をker⁡tn−1\ker t_{n-1}と同定し、τn−1\tau_{n-1}を施した射である。選んだ切断による分解ではdn ⁣:Cn→Bn−1d_n\colon C_n\to B_{n-1}は第二成分への射影であるから、

βnθn(z‾,b)=τn−1(b)\beta_n\theta_n(\overline z,b)=\tau_{n-1}(b)

となる。よって準同型

σn ⁣:Tor⁡1R(Hn−1(C),M)⟶Hn(C⊗RM),σn(a)=θn(0,τn−1−1(a))\sigma_n\colon\operatorname{Tor}_1^R(H_{n-1}(C),M)\longrightarrow H_n(C\otimes_R M), \qquad \sigma_n(a)=\theta_n\bigl(0,\tau_{n-1}^{-1}(a)\bigr)

はβnσn=id⁡\beta_n\sigma_n=\idを満たす。この切断は、sis_iの選択による複体の分解から構成されている。▨

5 演習

問題 5.1. 正整数a,ba,bに対し、P(a)P(a)を次数1,01,0の複体Z→×aZ\Z\xrightarrow{\times a}\Z、P(b)P(b)を同様の複体とし、ほかの項を零とする。g=gcd⁡(a,b)g=\gcd(a,b)とおく。Künneth の定理を用いてP(a)⊗ZP(b)P(a)\otimes_{\Z}P(b)の全次数のホモロジーを求め、次数11のホモロジーの生成元をサイクルとして表せ。

解答.

P(a)P(a)のホモロジーは次数00のZ/aZ\Z/a\Zだけであり、P(b)P(b)も同様である。定理 3.1により

H0(P(a)⊗P(b))≅(Z/aZ)⊗(Z/bZ),H1(P(a)⊗P(b))≅Tor⁡1Z(Z/aZ,Z/bZ)H_0(P(a)\otimes P(b))\cong(\Z/a\Z)\otimes(\Z/b\Z), \qquad H_1(P(a)\otimes P(b))\cong\operatorname{Tor}_1^{\Z}(\Z/a\Z,\Z/b\Z)

であり、それ以外の次数のホモロジーは零である。自由分解0→Z→×aZ→Z/aZ→00\to\Z\xrightarrow{\times a}\Z\to\Z/a\Z\to0を用いると、右辺はそれぞれZ/bZ\Z/b\Z上のaa倍写像の余核と核である。余核はZ/(aZ+bZ)=Z/gZ\Z/(a\Z+b\Z)=\Z/g\Zである。a=ga′a=ga'、b=gb′b=gb'とおくと、b∣axb\mid axはb′∣xb'\mid xと同値であるため、核はb′+bZb'+b\Zで生成される位数ggの巡回群である。よってH0,H1H_0,H_1はともにZ/gZ\Z/g\Zと同型である。

P(a)P(a)の次数1,01,0の基底をu1,u0u_1,u_0、P(b)P(b)の基底をv1,v0v_1,v_0とする。次数11の元ru1⊗v0+su0⊗v1r u_1\otimes v_0+s u_0\otimes v_1がサイクルである条件はar+bs=0ar+bs=0である。a′,b′a',b'は互いに素なので、すべてのサイクルは

w=b′u1⊗v0−a′u0⊗v1w=b'u_1\otimes v_0-a'u_0\otimes v_1

の整数倍である。さらにd(u1⊗v1)=−gwd(u_1\otimes v_1)=-g wであるため、[w][w]が次数11のホモロジーを生成する。▨

問題 5.2.kkを体、R=k[t]/(t2)R=k[t]/(t^2)とし、ttの剰余類をε\epと書く。k=R/(ε)k=R/(\ep)をRR-加群とみなす。鎖複体CCを

C1=C0=R,d1C(r)=εrC_1=C_0=R,\qquad d_1^C(r)=\ep r

で定め、ほかの項と微分を零とする。DDは次数00の項がkkで、ほかの項が零である鎖複体とする。CCとC⊗RDC\otimes_R Dの全次数のホモロジーを求めよ。さらに、サイクルのテンソル積で定まる写像

α1 ⁣:H1(C)⊗Rk⟶H1(C⊗RD),[c]⊗a⟼[c⊗a]\alpha_1\colon H_1(C)\otimes_R k\longrightarrow H_1(C\otimes_R D), \qquad [c]\otimes a\longmapsto[c\otimes a]

を計算し、定理 3.1の PID 仮定を外すと左端の単射性が成り立たないことを示せ。

解答.

RRの各元は一意にa+bεa+b\ep(a,b∈ka,b\in k)と書くことができる。このとき、ε(a+bε)=aε\ep(a+b\ep)=a\epである。したがって、ε\ep倍写像の核と像はともにkεk\epであり、

H1(C)=kε≅k,H0(C)=R/(ε)=k,Hn(C)=0(n≠0,1)H_1(C)=k\ep\cong k,\qquad H_0(C)=R/(\ep)=k, \qquad H_n(C)=0\quad(n\ne0,1)

を得る。最初の同型はaε↦aa\ep\mapsto aで与えられるRR-線形写像である。

DDの非零の項はD0=kD_0=kだけなので、C⊗RDC\otimes_R Dは次数1,01,0にR⊗RkR\otimes_R kをもつ二項複体である。各項を§E6.12 命題 13.1 (2)によってkkと同一視すると、微分はkk上のε\ep倍写像となる。εk=0\ep k=0であるから微分は零であり、

H1(C⊗RD)=k,H0(C⊗RD)=k,Hn(C⊗RD)=0(n≠0,1)H_1(C\otimes_R D)=k,\qquad H_0(C\otimes_R D)=k, \qquad H_n(C\otimes_R D)=0\quad(n\ne0,1)

となる。

写像(aε)⊗b↦ab(a\ep)\otimes b\mapsto abは(kε)⊗Rk≅k(k\ep)\otimes_R k\cong kを与える。実際、kεk\epとkkに対するRRの作用はともにR→kR\to kを経由するため、この式はRR-平衡である。逆写像はb↦ε⊗bb\mapsto\ep\otimes bである。よってH1(C)⊗RkH_1(C)\otimes_R kは非零である。一方、R⊗RkR\otimes_R kでは

ε⊗b=1⊗εb=0\ep\otimes b=1\otimes\ep b=0

である。したがって、α1\alpha_1は非零加群kkから非零加群kkへの零写像であり、単射ではない。

RRは非零元ε\epがε2=0\ep^2=0を満たすため整域ではなく、PID ではない。CCは有界な項別自由複体である。また、Hj(D)=0H_j(D)=0(j≠0j\ne0)であるため、次数11の左項はH1(C)⊗RkH_1(C)\otimes_R kだけである。よって、PID 仮定を外した場合には、定理 3.1の短完全列の左端の単射性が破れる。▨

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