1 円周群の入射性と指標の延長
命題 1.1. 円周群Tは、抽象可換群として入射Z-加群である。したがって、抽象可換群Aの任意の部分群Bと任意の準同型f:B→Tに対し、f∣B=fを満たす準同型f:A→Tが存在する。
証明. 任意の正整数nと任意のz=e2πit∈Tに対して、w=e2πit/nはwn=zを満たす。よってTは可除可換群であり、§E6.16 命題 3.4により入射Z-加群である。延長の存在は§E6.16 定義 1.1による。▨
系 1.2.Kをコンパクト Hausdorff 可換群、Hをその閉部分群とする。このとき、任意の連続指標η:H→Tは、Kの連続指標へ延長する。
例 1.4.mを正整数、t∈Rとし、離散群mZの指標χをχ(m)=e2πitによって定める。このとき、χのZへの延長は、ちょうど
χj(n)=e2πin(t+j)/m,j∈{0,…,m−1}のm個である。実際、Z上の準同型は1の像zによって定まり、延長の条件はzm=e2πitである。この方程式の解は表示したm個であり、離散群上なので各延長は連続である。
例 1.5.α∈R∖Qとし、連続単射
u:Zd⟶T,u(n)=e2πinαを考える。このとき、連続指標f:Zd→T、f(n)=(−1)nに対して、f∘u=fを満たす連続指標f:T→Tは存在しない。
実際、§E14.13 例 4.3 (2)により、fが存在すれば、ある整数kに対してf(z)=zkとなる。n=1を代入するとkα∈1/2+Zである。k=0ではこの条件は成り立たず、k=0ではα∈Qを導く。
uは位相的埋込みではない。実際、§E14.33 定理 2.1によりu(Z)はTで稠密であり、1の任意の開近傍はu(Z)の1以外の点を含む。よって像の相対位相は離散でない。
2 連結成分と双対群の捩れ
定理 2.1.Kをコンパクト Hausdorff 可換群、K0を単位元の連結成分とし、離散双対群をΓ=Kとする。捩れ部分群を
torΓ={χ∈Γ:χn=1 となる正整数 n が存在する}と書く。このとき、次が成り立つ。
- K0=(torΓ)⊥であり、K0⊥=torΓである。したがって、K/K0≅torΓ、K0≅Γ/torΓである。
- Kが連結であるための必要十分条件は、Γが捩れなしであることである。
- Kが完全不連結であるための必要十分条件は、Γが捩れ群であることである。
証明.主張 (1)を示す。χ∈torΓを取り、χn=1とする。χ(K0)は連結であり、有限群μn={z∈T:zn=1}に含まれるので、χ(K0)={1}である。したがってK0⊆(torΓ)⊥である。
x∈/K0を取る。§E14.32 命題 1.1により、K/K0はコンパクト Hausdorff な完全不連結可換群である。§E14.32 命題 2.2により、xK0の像が単位元と異なる有限商Fが存在する。q:K→Fを商写像の合成とし、y=q(x)=eFとおく。有限離散可換群Fに§E14.13 系 2.3を適用し、η(y)=1を満たす連続指標ηを取る。χ=η∘qはKの連続指標であり、χ(x)=1を満たす。Fが有限なのでη∣F∣=1であり、χ∈torΓとなる。よってx∈/(torΓ)⊥であり、最初の等式を得る。
§E14.16 命題 4.1によりΓは離散群なので、torΓは閉部分群である。二重零化域の等式§E14.16 定理 3.2 (1)をΓに適用すると、K0⊥=torΓを得る。二つの双対同型は、それぞれ§E14.16 定理 3.2 (2)と§E14.16 定理 3.2 (3)による。
主張 (2)を示す。Kが連結ならばK0=Kなので、torΓ=K⊥={1}である。逆にtorΓ={1}ならば、主張 (1)によりK0={1}⊥=Kである。
主張 (3)を示す。位相群の各点の連結成分はK0の剰余類なので、Kが完全不連結であることとK0={e}は同値である。K0={e}ならば、主張 (1)の等式K0⊥=torΓにより、torΓ={e}⊥=Γとなる。逆にtorΓ=Γならば、同じ項の等式K0=(torΓ)⊥によりK0=Γ⊥となる。§E14.13 系 2.3によりΓ⊥={e}なので、Kは完全不連結である。▨
例 2.2. 離散有理数群Qdは非連結であるが、Qdは捩れなしである。実際、χn=1を満たす指標χと任意のq∈Qに対して
χ(q)=χ(q/n)n=1なので、有限位数の指標は自明指標に限られる。Qdは無限離散群なのでコンパクトでない。したがって定理 2.1 (2)のコンパクト性を外すことはできない。
3 重みと円周群の直積への閉埋込み
命題 3.1.Kを無限コンパクト Hausdorff 可換群とする。このとき、開基の濃度の最小値である重みについて
w(K)=∣K∣が成り立つ。有限可換群Kについてはw(K)=∣K∣=∣K∣である。
証明.§E14.16 定理 4.2によりw(K)=w(K)であり、§E14.16 命題 4.1によりKは離散である。離散空間Xの任意の開基は、各x∈Xに対して{x}を含まなければならない。一点集合全体も開基なのでw(X)=∣X∣であり、無限の場合の等式を得る。有限 Hausdorff 群Kは離散であり、§E14.13 例 4.3 (4)により∣K∣=∣K∣なので、有限の場合の等式も成り立つ。▨
命題 3.2.Kをコンパクト Hausdorff 可換群とする。このとき、評価写像
ev:K⟶TK,ev(x)=(χ(x))χ∈Kは閉像をもつ位相群の埋込みである。
4 直積の双対と具体例
補題 4.1.(Ki)i∈Iをコンパクト Hausdorff 可換群の族とし、K=∏i∈IKiとする。このとき、Kの任意の連続指標は有限個の座標にのみ依存し、写像
i∈I⨁Ki⟶K,(χi)i∈I⟼(x⟼i∈I∏χi(xi))は離散群の同型である。積のうち自明指標でない因子は有限個に限られる。
証明.χ∈Kを取る。χの連続性と積位相の定義により、ある有限集合F⊆Iと各i∈Fの単位元の開近傍Uiに対して
i∈F∏Ui×i∈/F∏Ki⊆χ−1({z∈T:ℜz>0})となる。左辺は部分群N={x∈K:xi=ei (i∈F)}を含む。§E14.13 補題 4.1によりχ(N)={1}である。よってχは有限座標への射影prF:K→∏i∈FKiを通じて因子化する。誘導される指標は、残りの座標に単位元を入れる連続な切断とχの合成なので連続である。有限直積の双対§E14.13 補題 1.3によって表示した形を得る。
逆に、有限個の連続指標の積は連続指標である。各因子Kiへの制限によりχiを復元することができるので、表示した写像は単射でもある。§E2.19 定理 8.2によりKはコンパクトであり、§E14.16 命題 4.1により双対群はすべて離散なので、この群同型は位相群としての同型でもある。▨
例 4.2.Iを空でない集合とする。このとき
TI≅i∈I⨁Z,w(TI)=max(ℵ0,∣I∣),であり、TIは連結である。双対同型は補題 4.1と§E14.13 例 4.3 (2)による。整数群の直和は捩れなしなので、定理 2.1 (2)により連結性を得る。
直和の元は有限個の添字と整数係数で指定されるので、その濃度はmax(ℵ0,∣I∣)以下である。一つの座標からZが入り、各座標の標準生成元は互いに異なるので、濃度はℵ0と∣I∣の双方以上である。重みの等式は命題 3.1による。特に、Iが非可算ならば、円周群の直積は連結性を保ったまま、円周群より大きな重みをもつ。
例 4.3.a≥2を整数とし、QとZ[1/a]に離散位相を入れる。このとき
Q≅Q,Σa≅Z[1/a]である。いずれの双対群も捩れなしであり、可算無限である。したがって定理 2.1 (2)と命題 3.1により、QとΣaは連結であり、重みはともにℵ0である。
ここでΣaは§E14.33 命題 3.2の同型
Z[1/a]≅{(zn)n≥0:zn+1a=zn}によるソレノイドである。Q≅Qは§E14.16 定理 2.1による。Σa≅Z[1/a]は、表示した同型と同定理による。無理数tに対して、Σaの元(e2πit/an)n≥0は§E14.33 命題 3.2により位相的生成子である。Qでも、§E14.33 例 3.3によりq↦e2πitqが位相的生成子である。
QとZ[1/a]は巡回群ではない。実際、q∈Q∖{0}に対してq/2∈/Zqである。また、m/an∈Z[1/a]が生成する群には1/an+1は属さない。m=0の場合も全体を生成しない。一方、円周群の双対は巡回群Zなので、QとΣaは円周群と位相群として同型ではない。
例 4.4.pを全素数にわたらせ、P=∏pZpとする。このとき
P≅p⨁Z[1/p]/Z,w(P)=ℵ0,であり、Pは完全不連結である。双対同型は補題 4.1と§E14.13 例 4.3 (5)による。各Z[1/p]/Zの元はpの冪で零になり、直和の元の台は有限なので、Pは捩れ群である。定理 2.1 (3)により完全不連結性を得る。
素数全体は可算であり、各Z[1/p]/Zも可算なので、有限台の元全体は可算である。一つの素数pについて位数pnの元がすべての正整数nに対して存在するので、双対群は無限である。したがって命題 3.1によりw(P)=ℵ0である。
例 4.5. 円周群の直積への閉埋込みは、円周群の直積からの連続全射による表示とは異なる。二元離散群Z/2Zは、どのTIの連続準同型像にもならない。I=∅ならば例 4.2によりTIは連結であり、その連続像も連結だからである。I=∅ならば定義域は一元群である。
連結なコンパクト可換群Qも、円周群の直積からの連続全射準同型の像にはならない。連続全射v:TI→Qが存在すれば、指標の引戻しと§E14.16 定理 2.1により単射準同型
v∗:Q⟶i∈I⨁Zを得る。しかし、任意の準同型h:Q→Zに対して、h(q)=nh(q/n)はすべての正整数nについて成り立つので、h(q)=0である。v∗の各整数座標への合成は零であり、したがってv∗=0となって単射性に反する。
5 被覆次元と捩れなし階数
定義 5.1 (捩れなし階数). 可換群Aの部分集合Sが整数係数に関して一次独立であるとは、相異なる有限個の元s1,…,sm∈Sと整数n1,…,nmに対して、∑j=1mnjsj=0ならばn1=⋯=nm=0となることをいう。一次独立な有限部分集合の濃度の上限をAの捩れなし階数 (torsion-free rank) といい、その上限が有限整数でない場合は、階数が無限であるという。ここでは無限階数の基数どうしを区別しない。
定理 5.2.Kをコンパクト Hausdorff 可換群とする。このとき、Kの捩れなし階数が有限整数rならば、被覆次元はdimK=rである。捩れなし階数が無限ならば、dimK=∞である。ここでdimは§E2.47 定義 1.4の被覆次元である。
例 5.4.a≥2を整数とする。このとき、定理 5.2により
dimQ=1,dimΣa=1,dimp∏Zp=0となる。実際、QとZ[1/a]は非零の捩れなし群であり、任意の二元の間に整数係数の非自明な一次関係があるので、捩れなし階数は1である。一方、捩れ群⨁pZ[1/p]/Zの各元はある正整数で零になるので、空でない一次独立な部分集合をもたず、捩れなし階数は0である。これらの双対同型は例 4.3と例 4.4による。