§E9.25導来関手

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左完全な加法関手は、短完全列の最後のエピ射をエピ射へ移すとは限らない。対象に入射分解をとって関手を適用し、そのコホモロジーをとると、右導来関手の値を得る。この完全性の不足は、右導来関手の長完全列で表される。比較定理により値は分解によらず、δ-関手の普遍性により、導来関手とほかの理論の比較は零次の比較に帰着する。本記事では、導来関手を構成し、Ext や群コホモロジーを同じ普遍性をもつ理論として捉える。

1 右導来関手

定理 1.1.A,B\mathcal A,\mathcal Bをアーベル圏、F:A→BF:\mathcal A\to\mathcal Bを加法関手、n≥0n\ge0とする。このとき、次が成り立つ。

  1. 対象MMの入射分解I,I′I,I'と、idM\mathrm{id}_Mの上の射u:I→I′u:I\to I'に対し、cI′,I=Hn(F(u))c_{I',I}=H^n(F(u))はuuによらない同型である。cI,I=idc_{I,I}=\mathrm{id}であり、三つの分解についてcI′′,I′cI′,I=cI′′,Ic_{I'',I'}c_{I',I}=c_{I'',I}である。
  2. 射f:M→Nf:M\to Nと入射分解M→I,N→JM\to I,N\to Jに対し、ffの上の射φ\varphiが誘導するHn(F(φ))H^n(F(\varphi))はφ\varphiによらない。この射は分解の取り替えの同型と可換である。対応f↦Hn(F(φ))f\mapsto H^n(F(\varphi))は恒等射・合成・射の和を保つ。

コホモロジー対象は各複体についてとり、核と余核の選択が指定されているときはその選択を用いる。

証明.§E9.23 定理 3.1 (2)により比較射が存在し、同じ射の上の二つの比較射は余鎖ホモトピックである。§E9.21 命題 6.3により加法関手はこのホモトピーを保ち、ホモトピックな射はコホモロジーに同じ射を誘導する。したがって誘導射は比較射によらない。恒等射の上の比較射は§E9.23 系 3.2によりホモトピー同値なので、誘導射は同型である。

比較射の合成は元の射の合成の上にあり、比較射の和は元の射の和の上にある。恒等射も自身の上の比較射である。この事実とF,HnF,H^nの加法性・関手性から、同型の合成則、射についての関手性・加法性を得る。分解の取り替えの同型と誘導射の合成は、合成の順によらず同じ射ffの上の比較射から誘導されるので、一致する。▨

定義 1.2.A\mathcal Aを十分な入射対象をもつアーベル圏、B\mathcal Bをアーベル圏、F:A→BF:\mathcal A\to\mathcal Bを加法関手とする。対象MMの入射分解IIに対し

RnF(M)=Hn(F(I))(n≥0)R^nF(M)=H^n(F(I))\qquad(n\ge0)

とおき、分解の取り替えには定理 1.1 (1)の同型を用いる。射ffの作用は定理 1.1 (2)の射とする。

各対象に入射分解を対応させる規則と、B\mathcal Bの核・余核の選択を固定して得る加法関手RnF:A→BR^nF:\mathcal A\to\mathcal Bを、FFの第nn右導来関手 (right derived functor) という。以下、導来関手を関手として扱うときはこれらの選択を固定する。

注意 1.3. 各対象の入射分解の存在は§E9.23 定理 2.3による。対象全体がVV-小でないとき、この存在から全対象にわたる分解の選択は導かれない。分解の選択は追加のデータである。核と余核についても、各射に対する存在から全射にわたる選択は導かれず、選択は追加のデータである。二組の選択から得る関手は、比較定理とコホモロジー対象の普遍性による標準的な自然同型で結ばれる。

加群の圏では§E9.23 例 2.6と§E9.23 命題 2.5により分解を式で定め、核と余核を部分加群と商加群として構成する。圏がVV-小である場合は、対象ごとの存在と集合個の選択によって必要な選択を与えることができる。

2 零次と入射対象

命題 2.1. 十分な入射対象をもつアーベル圏A\mathcal Aからアーベル圏B\mathcal Bへの加法関手FFに対し、添加射から自然変換τ:F⇒R0F\tau:F\Rightarrow R^0Fが定まる。FFが左完全ならばτ\tauは自然同型である。入射対象JJでは、左完全性を仮定せずτJ\tau_Jは同型である。

証明. 入射分解M→ηIM\xrightarrow{\eta}Iに対しF(d0)F(η)=0F(d^0)F(\eta)=0なので、核の普遍性によりF(η)F(\eta)はH0(F(I))=ker⁡F(d0)H^0(F(I))=\ker F(d^0)を一意に通る。この射をτM\tau_Mとする。比較射は添加射と可換なので、核を通る射の一意性によりτM\tau_Mは射M→NM\to Nと分解の取り替えについて自然である。

FFが左完全なら、完全列0→M→I0→I10\to M\to I^0\to I^1にFFを適用した列も左端から完全であり、F(M)F(M)はF(d0)F(d^0)の核となる。核の一意性によりτM\tau_Mは同型である。M=JM=Jが入射的なら、JJを次数零に置き恒等射を添加した分解を使うとτJ\tau_Jは恒等射となる。分解の取り替えの同型から任意の分解でも同型である。▨

命題 2.2. 十分な入射対象をもつアーベル圏A\mathcal Aからアーベル圏への加法関手FF、入射対象JJ、n≥1n\ge1に対しRnF(J)=0R^nF(J)=0である。

証明. 次数零にJJを置く入射分解にFFを適用した複体は、正の次数で零である。定理 1.1により、他の入射分解も同じコホモロジーを与える。▨

例 2.3.F=Hom⁡Z(Z/mZ,−)F=\operatorname{Hom}_{\Z}(\Z/m\Z,-)、m≥2m\ge2とする。このとき、入射分解0→Z→Q→Q/Z→00\to\Z\to\Q\to\Q/\Z\to0にFFを適用すると、次数零が零、次数一がHom⁡(Z/mZ,Q/Z)≅1mZ/Z\operatorname{Hom}(\Z/m\Z,\Q/\Z)\cong\tfrac1m\Z/\Zである。したがって

R0F(Z)=0,R1F(Z)≅Z/mZ,RnF(Z)=0(n≥2).R^0F(\Z)=0,\qquad R^1F(\Z)\cong\Z/m\Z,\qquad R^nF(\Z)=0\quad(n\ge2).

例 2.4.F=−⊗ZZ/2ZF=-\otimes_{\Z}\Z/2\Zに対しF(Q)=0F(\Q)=0である。実際q⊗1=(q/2)⊗2=0q\otimes1=(q/2)\otimes2=0である。上の入射分解を用いるとR0F(Z)=0R^0F(\Z)=0となるが、F(Z)≅Z/2ZF(\Z)\cong\Z/2\Zである。したがって零次と元の関手との同一視には左完全性が必要である。

3 長完全列

補題 3.1. アーベル圏の短完全列の射(a,b,c):(0→A→B→C→0)→(0→A′→B′→C′→0)(a,b,c):(0\to A\to B\to C\to0)\to(0\to A'\to B'\to C'\to0)を与える。両列の対象の入射分解が、添加射と両立する各次数で分裂した短完全列

0→IA→jIB→rIC→0,0→IA′→j′IB′→r′IC′→00\to I_A\xrightarrow{j}I_B\xrightarrow{r}I_C\to0,\qquad 0\to I_{A'}\xrightarrow{j'}I_{B'}\xrightarrow{r'}I_{C'}\to0

をなすとする。このとき、a,ca,cの上の分解の射u,wu,wに対し、bbの上の分解の射vvでvj=j′uvj=j'u、r′v=wrr'v=wrを満たすものが存在する。

証明. 反対圏の射影分解について証明する。各次数で分裂する射影分解の列を0→P→jE→rQ→00\to P\xrightarrow{j}E\xrightarrow{r}Q\to0と0→P′→j′E′→r′Q′→00\to P'\xrightarrow{j'}E'\xrightarrow{r'}Q'\to0と書き、両端の鎖写像をu,wu,w、添加対象上の中央の射をbbとする。次数−1-1を添加対象とし、v−1=bv_{-1}=bとおく。

v0,…,vn−1v_0,\ldots,v_{n-1}が鎖写像の等式と、各次数のvkjk=jk′ukv_kj_k=j'_ku_k、rk′vk=wkrkr'_kv_k=w_kr_kを満たすとする。次数nnの分裂を使い、両端の成分がun,wnu_n,w_nである射tn:En→En′t_n:E_n\to E'_nをとる。たとえば双積表示で対角成分をun,wnu_n,w_n、非対角成分を零にすればよい。差

Dn=dn′tn−vn−1dn:En→En−1′D_n=d'_nt_n-v_{n-1}d_n:E_n\to E'_{n-1}

はDnjn=0D_nj_n=0、rn−1′Dn=0r'_{n-1}D_n=0を満たす。余核rnr_nと核jn−1′j'_{n-1}の普遍性により、一意なzn:Qn→Pn−1′z_n:Q_n\to P'_{n-1}がDn=jn−1′znrnD_n=j'_{n-1}z_nr_nを満たす。n=0n=0ではP−1′=A′P'_{-1}=A'とし、j−1′j'_{-1}は短完全列のモノ射である。

n≥1n\ge1では、前の次数の鎖写像条件からdn−1′Dn=0d'_{n-1}D_n=0である。P′P'の微分をd′Pd'^{P}と書く。j′j'が鎖写像であることと、jn−2′j'_{n-2}がモノ射、rnr_nがエピ射であることからdn−1′Pzn=0d'^{P}_{n-1}z_n=0を得る。したがってznz_nはker⁡dn−1′P\ker d'^{P}_{n-1}を通る。P′P'の完全性とQnQ_nの射影性から、dn′Psn=znd'^{P}_ns_n=z_nを満たすsn:Qn→Pn′s_n:Q_n\to P'_nがある。n=0n=0でも添加射P0′→A′P'_0\to A'のエピ性によって同じ持ち上げがある。

vn=tn−jn′snrnv_n=t_n-j'_ns_nr_nとおけば両端の四角形は変わらず、dn′vn−vn−1dn=Dn−jn−1′znrn=0d'_nv_n-v_{n-1}d_n=D_n-j'_{n-1}z_nr_n=0である。帰納法によって必要な鎖写像を得る。反対圏では両端の順序も反転するので、左端にwopw^{\mathrm{op}}、右端にuopu^{\mathrm{op}}を用いると、元の圏で求めるvvを得る。▨

定理 3.2. 十分な入射対象をもつアーベル圏A\mathcal Aからアーベル圏B\mathcal Bへの加法関手FFと、短完全列E:0→A→iB→pC→0E:0\to A\xrightarrow{i}B\xrightarrow{p}C\to0をとり、分解および核・余核の選択を固定する。このとき、連結射δEn:RnF(C)→Rn+1F(A)\delta_E^n:R^nF(C)\to R^{n+1}F(A)が定まり、

0→R0F(A)→R0F(B)→R0F(C)→δE0R1F(A)→R1F(B)→R1F(C)→δE1⋯0\to R^0F(A)\to R^0F(B)\to R^0F(C)\xrightarrow{\delta_E^0} R^1F(A)\to R^1F(B)\to R^1F(C)\xrightarrow{\delta_E^1}\cdots

は完全である。連結射は標準的な同型の下で分解と馬蹄構成の選び方によらず、短完全列の射(a,b,c):E→E′(a,b,c):E\to E'に対し

Rn+1F(a)δEn=δE′nRnF(c)R^{n+1}F(a)\delta_E^n=\delta_{E'}^nR^nF(c)

を満たす。

証明.A,CA,Cの入射分解に§E9.23 定理 4.1を適用し、各次数で分裂した短完全列0→IA→IB→IC→00\to I_A\to I_B\to I_C\to0を得る。加法関手は双積を保つので(§E9.18 定理 4.2)、FFを適用した後も各次数で分裂した短完全列である。§E9.21 定理 6.4を適用し、負の次数が零であることを用いると、表示の長完全列を得る。

短完全列の射に対し、両端の比較射をとり、補題 3.1によって中央の比較射を補う。複体の長完全列の自然性から連結射の可換性が従う。元の短完全列の恒等射に同じ議論を適用すると、二つの馬蹄構成の連結射が分解の取り替えの標準同型と可換であることを得る。比較射を替えても誘導射は定理 1.1により変わらない。したがって選択した三つの導来関手の値の間の連結射は一意に定まり、短完全列全体にわたって馬蹄構成を選ぶ必要はない。▨

系 3.3. 十分な入射対象をもつアーベル圏からの加法関手FFについて、R0FR^0Fは左完全である。τ:F⇒R0F\tau:F\Rightarrow R^0Fが自然同型であるための必要十分条件は、FFが左完全であることである。そのとき、短完全列0→A→B→C→00\to A\to B\to C\to0に対する長完全列の左端は0→F(A)→F(B)→F(C)→R1F(A)0\to F(A)\to F(B)\to F(C)\to R^1F(A)となる。

証明. 長完全列の左端の三項がR0FR^0Fの左完全性を示す。したがってτ\tauが同型ならFFも左完全である。逆は命題 2.1による。▨

例 3.4.F=Hom⁡Z(Z/2Z,−)F=\operatorname{Hom}_{\Z}(\Z/2\Z,-)と短完全列0→Z→2Z→Z/2Z→00\to\Z\xrightarrow{2}\Z\to\Z/2\Z\to0をとる。このとき、例 2.3により長完全列の該当部分は

0→Z/2Z→δ0Z/2Z→R1F(2)Z/2Z→R1F(Z/2Z)→00\to\Z/2\Z\xrightarrow{\delta^0}\Z/2\Z\xrightarrow{R^1F(2)}\Z/2\Z\to R^1F(\Z/2\Z)\to0

となる。加法性からR1F(2)=2id=0R^1F(2)=2\mathrm{id}=0なので、δ0\delta^0は同型であり、R1F(Z/2Z)≅Z/2ZR^1F(\Z/2\Z)\cong\Z/2\Zである。Z/2Z\Z/2\Zの入射分解Q/Z→2Q/Z\Q/\Z\xrightarrow{2}\Q/\ZにFFを適用すると、次数零と次数一がZ/2Z\Z/2\Z、微分が零である複体となり、同じ値を得る。

4 左導来関手

定義 4.1. 十分な射影対象をもつアーベル圏A\mathcal Aからアーベル圏B\mathcal Bへの加法関手GGをとる。射影分解と核・余核の選択を固定する。Gop:Aop→BopG^{\mathrm{op}}:\mathcal A^{\mathrm{op}}\to\mathcal B^{\mathrm{op}}の右導来関手を元の圏へ戻した関手をLnGL_nGと書き、第nn左導来関手 (left derived functor) という。

命題 4.2. 十分な射影対象をもつアーベル圏A\mathcal Aからアーベル圏B\mathcal Bへの加法関手GGをとり、射影分解と核・余核の選択を固定する。このとき、次が成り立つ。

  1. 射影分解P→MP\to Mに対しLnG(M)=Hn(G(P))L_nG(M)=H_n(G(P))であり、射と分解の取り替えは比較射が誘導する射で与えられる。

  2. 添加射から自然変換σ:L0G⇒G\sigma:L_0G\Rightarrow Gが定まり、GGが右完全ならばσ\sigmaは自然同型である。射影対象PPでは、右完全性を仮定せずσP\sigma_Pは同型である。

  3. 射影対象PPとn≥1n\ge1に対しLnG(P)=0L_nG(P)=0である。

  4. 短完全列E:0→A→B→C→0E:0\to A\to B\to C\to0から、自然な長完全列

    ⋯→L1G(C)→L0G(A)→L0G(B)→L0G(C)→0\cdots\to L_1G(C)\to L_0G(A)\to L_0G(B)\to L_0G(C)\to0

    が得られる。連結射を∂nE:Ln+1G(C)→LnG(A)\partial_n^E:L_{n+1}G(C)\to L_nG(A)と書くと、短完全列の射(a,b,c):E→E′(a,b,c):E\to E'に対してLnG(a)∂nE=∂nE′Ln+1G(c)L_nG(a)\partial_n^E=\partial_n^{E'}L_{n+1}G(c)が成り立つ。

  5. L0GL_0Gは右完全である。σ\sigmaが自然同型であることは、GGが右完全であるための必要十分条件である。

証明.主張 (1)を示す。定理 1.1を反対圏に適用する。反対圏の余鎖コホモロジーと元の圏の鎖ホモロジーは§E9.21 命題 6.2の自然同型で一致する。

主張 (2)は命題 2.1を反対圏に適用して得る。自然変換τ\tauの向きを反転するとσ:L0G⇒G\sigma:L_0G\Rightarrow Gとなり、入射対象での同型性は射影対象での同型性となる。

主張 (3)は命題 2.2を反対圏に適用して得る。

主張 (4)は定理 3.2を反対圏に適用して得る。短完全列と連結射の向きを反転すると、主張の長完全列と自然性の等式を得る。

主張 (5)は系 3.3を反対圏に適用して得る。▨

例 4.3. 環RRと左RR加群NNに対し、Tor⁡nR(−,N)\operatorname{Tor}^R_n(-,N)は右完全関手−⊗RN-\otimes_RNの左導来関手である。§E6.38 定義 1.3は右加群の射影分解にテンソル積を適用したホモロジーを定義としており、比較射による射の作用も同じである。分解は台集合上の自由右加群と核の反復によって選ぶことができる。とくに§E6.38 例 5.1によりTor⁡1Z(Z/mZ,A)≅A[m]\operatorname{Tor}^{\Z}_1(\Z/m\Z,A)\cong A[m]である。

5 普遍性による特徴づけ

命題 5.1. 十分な入射対象をもつアーベル圏からの加法関手FFについて、分解と核・余核の選択から得る列R∙FR^\bullet Fは、長完全列の連結射を備えたδ-関手である。二組の選択から得るδ-関手は標準的な自然同型で同型である。双対に、十分な射影対象をもつアーベル圏からの加法関手GGについて、L∙GL_\bullet Gはホモロジー的なδ-関手である。

証明.定理 3.2の完全性と自然性がδ-関手の二つの公理であり、分解の取り替えについての可換性により、二組の選択の間の同型は連結射と可換である。左導来関手については命題 4.2 (4)を用いる。▨

系 5.2.A\mathcal Aを十分な入射対象をもつアーベル圏、B\mathcal Bをアーベル圏とし、分解と核・余核の選択を固定する。このとき、次が成り立つ。

  1. 任意の加法関手F:A→BF:\mathcal A\to\mathcal Bに対しR∙FR^\bullet Fは普遍δ-関手である。
  2. δ-関手TTが普遍的であるための必要十分条件は、すべての入射対象IIとn≥1n\ge1でTn(I)=0T^n(I)=0となることである。そのときT0T^0は左完全であり、τ:T0→R0T0\tau:T^0\to R^0T^0を零次とする同型T≅R∙T0T\cong R^\bullet T^0が一意に定まる。
  3. 左完全な加法関手Φ\Phi、自然同型ν:Φ⇒T0\nu:\Phi\Rightarrow T^0、普遍δ-関手TTに対し、零次がτΦν−1\tau_\Phi\nu^{-1}であるδ-関手の同型T→R∙ΦT\to R^\bullet\Phiが一意に定まる。

双対に、十分な射影対象がある場合、左導来関手は普遍的なホモロジー的δ-関手であり、普遍性は射影対象での高次の消滅によって特徴づけられる。零次の自然同型を指定した比較も双対に成り立つ。

証明.主張 (1)を示す。命題 2.2と§E9.24 補題 2.3により、RnFR^nFはn≥1n\ge1で消去可能である。§E9.24 定理 2.2から普遍性を得る。

主張 (2)を示す。TTが入射対象で高次が零なら、§E9.24 補題 2.3と§E9.24 定理 2.2により普遍的である。逆にTTが普遍的なら、δ-関手の公理からT0T^0は左完全なのでT0≅R0T0T^0\cong R^0T^0である。§E9.24 命題 1.4をTTとR∙T0R^\bullet T^0に適用すると、一意な同型を得る。右辺の入射対象での高次消滅からTTの消滅も従う。

主張 (3)を示す。Φ\Phiが左完全ならτΦν−1\tau_\Phi\nu^{-1}は零次の自然同型である。再び§E9.24 命題 1.4を適用すると指定した比較を得る。反対圏で同じ議論を行えば双対の主張を得る。大きい圏の普遍性と延長は§E9.24 注意 1.5の構成ごとの意味で用いる。▨

例 5.3.F=Hom⁡Z(Z/2Z,−)F=\operatorname{Hom}_{\Z}(\Z/2\Z,-)とし、T0=FT^0=F、T1=R1F⊕idAbT^1=R^1F\oplus\mathrm{id}_{\mathbf{Ab}}、n≥2n\ge2でTn=RnFT^n=R^nFとする。このとき、零次の同型τ:F→R0F\tau:F\to R^0Fを用い、連結射をδT0=(δ0τ,0)\delta_T^0=(\delta^0\tau,0)、δT1=(δ1,0)\delta_T^1=(\delta^1,0)とし、以後はR∙FR^\bullet Fの連結射を用いる。長完全列は導来関手の長完全列と次数一に置いた元の短完全列の直和なので完全である。したがってTTはδ-関手である。

しかしidT\mathrm{id}_Tと、次数一の恒等関手成分を零にする射T→TT\to Tは、零次でともに恒等射である。Z\Zでの一次の値Z/2Z⊕Z\Z/2\Z\oplus\Z上で二つの射は異なるので、TTは普遍的でない。入射対象Q/Z\Q/\ZにおいてもT1(Q/Z)≅Q/Z≠0T^1(\Q/\Z)\cong\Q/\Z\ne0であり、R∙FR^\bullet Fと同型ではない。

6 Ext と群コホモロジー

例 6.1. 環RRの左加群NNに対し、左完全関手Hom⁡R(−,N):(R-Mod)op→Ab\operatorname{Hom}_R(-,N):(R\text{-}\mathbf{Mod})^{\mathrm{op}}\to\mathbf{Ab}の右導来関手はExt⁡Rn(−,N)\operatorname{Ext}^n_R(-,N)である。対象MMの射影分解PPは反対圏の入射分解なので、値は

Hn(Hom⁡R(P,N))=Ext⁡Rn(M,N)H^n(\operatorname{Hom}_R(P,N))=\operatorname{Ext}^n_R(M,N)

となる(§E6.36 定理 1.4)。射の作用も、Ext と右導来関手で同じ比較射から誘導されるので、一致する。

必要な分解の選択は、台集合上の自由加群R(M)→MR^{(M)}\to M、[m]↦m[m]\mapsto mと、その核への同じ構成の反復で与える。射ffには[m]↦[f(m)][m]\mapsto[f(m)]を対応させる。自由加群の普遍性と核の普遍性により、恒等射と合成を保つ射影分解の規則を得る。各項の射影性は§E6.14 系 1.2による。

命題 6.2. 環RRの左加群MMに対し、Ext⁡R∙(M,−)\operatorname{Ext}^\bullet_R(M,-)は第二変数の長完全列の連結射について普遍δ-関手である。零次の同型Ext⁡R0(M,−)≅Hom⁡R(M,−)\operatorname{Ext}^0_R(M,-)\cong\operatorname{Hom}_R(M,-)とτ\tauを合成した同型を零次とする、一意な同型

Ext⁡R∙(M,−)≅R∙Hom⁡R(M,−)\operatorname{Ext}^\bullet_R(M,-)\cong R^\bullet\operatorname{Hom}_R(M,-)

がある。この同型はMMについても自然である。したがってMMの射影分解PPとNNの入射分解IIに対し、

Hn(Hom⁡R(P,N))≅Hn(Hom⁡R(M,I))H^n(\operatorname{Hom}_R(P,N))\cong H^n(\operatorname{Hom}_R(M,I))

が両変数について自然に成り立つ。

証明.§E6.36 定理 2.2 (1)によりδ-関手の完全性と自然性を得て、§E6.36 定理 4.1により入射加群における高次の消滅を得る。零次の同型は§E6.36 命題 1.5による。したがって系 5.2 (3)を適用することができる。

射f:M′→Mf:M'\to Mに対し、Ext の反変写像と、Hom⁡R(f,−)\operatorname{Hom}_R(f,-)を零次として延長した導来関手の射を考える。比較同型とこれらの射を合成した二つの射は、零次で同じ Hom の射となる。普遍性の一意性から全次数で一致する。最後の表示は、Ext の射影分解による定義と右導来関手の入射分解による定義を書いたものである。▨

例 6.3. 正整数m,nm,nとd=gcd⁡(m,n)d=\gcd(m,n)に対し、Z/mZ\Z/m\Zの自由分解Z→mZ\Z\xrightarrow{m}\Zから

Ext⁡Z1(Z/mZ,Z/nZ)≅(Z/nZ)/m(Z/nZ)≅Z/dZ\operatorname{Ext}^1_{\Z}(\Z/m\Z,\Z/n\Z)\cong (\Z/n\Z)/m(\Z/n\Z)\cong\Z/d\Z

を得る。一方、Z/nZ\Z/n\Zの入射分解Q/Z→nQ/Z\Q/\Z\xrightarrow{n}\Q/\Zに Hom を適用すると、Hom⁡(Z/mZ,Q/Z)≅Z/mZ\operatorname{Hom}(\Z/m\Z,\Q/\Z)\cong\Z/m\Z上のnn倍写像となる。その余核もZ/dZ\Z/d\Zである。零次の核はいずれもHom⁡(Z/mZ,Z/nZ)≅Z/dZ\operatorname{Hom}(\Z/m\Z,\Z/n\Z)\cong\Z/d\Zであり、二次以上は零である。m=1m=1またはn=1n=1の場合もd=1d=1として同じ式に含まれる。

命題 6.4. 群GGに対し、H∙(G,−)H^\bullet(G,-)は係数の長完全列について普遍δ-関手である。零次の同型H0(G,M)≅MGH^0(G,M)\cong M^Gとτ(−)G\tau_{(-)^G}の合成を零次とする、一意なδ-関手の同型

H∙(G,−)≅R∙(−)GH^\bullet(G,-)\cong R^\bullet(-)^G

がある。

証明.§E7.37 定理 5.1により、指定された連結射がδ-関手を定める。§E7.37 定義 4.1と§E6.36 定理 4.1により、入射Z[G]\Z[G]加群では高次が消える。零次の同型は§E7.37 補題 1.3による。系 5.2 (3)を適用すると結論を得る。▨

命題 6.5. 群GGと部分群HHに対し、次が成り立つ。

  1. 余誘導Coind⁡HG\operatorname{Coind}^G_Hは完全であり、入射加群を入射加群へ送る。

  2. V↦H∙(G,Coind⁡HGV)V\mapsto H^\bullet(G,\operatorname{Coind}^G_H V)は、余誘導を適用した係数の長完全列について普遍δ-関手である。その零次はϕ↦ϕ(1)\phi\mapsto\phi(1)によってVHV^Hと同一視される。

  3. 零次をこの同一視とする一意なδ-関手の同型

    H∙(G,Coind⁡HG−)≅H∙(H,−)H^\bullet(G,\operatorname{Coind}^G_H-)\cong H^\bullet(H,-)

    があり、§E7.41 定理 2.3の Shapiro 同型に一致する。

証明.主張 (1)を示す。§E7.41 補題 2.2によりZ[G]\Z[G]は左Z[H]\Z[H]加群として射影的である。したがってHom⁡Z[H](Z[G],−)\operatorname{Hom}_{\Z[H]}(\Z[G],-)は完全であり、台のアーベル群で完全性を判定すると余誘導は完全である。入射性の保存は§E9.23 例 1.8 (2)による。

主張 (2)を示す。余誘導した短完全列に群コホモロジーの長完全列を適用するとδ-関手を得る。入射加群VVについて余誘導も入射的なので高次は零であり、系 5.2 (2)により普遍的である。随伴Res⁡HG⊣Coind⁡HG\operatorname{Res}^G_H\dashv\operatorname{Coind}^G_Hを自明加群Z\Zに適用すると、零次の同型はϕ↦ϕ(1)\phi\mapsto\phi(1)である。§E9.24 命題 1.4から一意な同型を得る。

主張 (3)を示す。§E7.41 定理 2.3の Shapiro 同型をSVS_V、随伴の単位をiM:M→Coind⁡Res⁡Mi_M:M\to\operatorname{Coind}\operatorname{Res}M、余単位をεV:Res⁡Coind⁡V→V\varepsilon_V:\operatorname{Res}\operatorname{Coind}V\to Vとする。§E7.41 定理 2.3の等式SRes⁡MHn(G,iM)=res⁡S_{\operatorname{Res}M}H^n(G,i_M)=\operatorname{res}とSSの自然性、三角等式から

Hn(H,εV)res⁡=Hn(H,εV)SRes⁡Coind⁡VHn(G,iCoind⁡V)=SVH^n(H,\varepsilon_V)\operatorname{res} =H^n(H,\varepsilon_V)S_{\operatorname{Res}\operatorname{Coind}V}H^n(G,i_{\operatorname{Coind}V}) =S_V

を得る。係数写像Hn(H,εV)H^n(H,\varepsilon_V)は長完全列の自然性により連結射と可換である。制限も、§E7.41 定義 1.1のコチェインの制限が§E7.37 命題 5.2の持ち上げと微分を制限後の持ち上げと微分に送るため、連結射と可換である。よってSSはδ-関手の射である。零次は同じ評価写像なので、一意性により構成した同型に一致する。▨

参考文献

  1. Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994.

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