1 右導来関手
定理 1.1. A , B \mathcal A,\mathcal B A , B をアーベル圏、F : A → B F:\mathcal A\to\mathcal B F : A → B を加法関手、n ≥ 0 n\ge0 n ≥ 0 とする。このとき、次が成り立つ。
対象M M M の入射分解I , I ′ I,I' I , I ′ と、i d M \mathrm{id}_M id M の上の射u : I → I ′ u:I\to I' u : I → I ′ に対し、c I ′ , I = H n ( F ( u ) ) c_{I',I}=H^n(F(u)) c I ′ , I = H n ( F ( u )) はu u u によらない同型である。c I , I = i d c_{I,I}=\mathrm{id} c I , I = id であり、三つの分解についてc I ′ ′ , I ′ c I ′ , I = c I ′ ′ , I c_{I'',I'}c_{I',I}=c_{I'',I} c I ′′ , I ′ c I ′ , I = c I ′′ , I である。
射f : M → N f:M\to N f : M → N と入射分解M → I , N → J M\to I,N\to J M → I , N → J に対し、f f f の上の射φ \varphi φ が誘導するH n ( F ( φ ) ) H^n(F(\varphi)) H n ( F ( φ )) はφ \varphi φ 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 ↦ H n ( F ( φ ) ) f\mapsto H^n(F(\varphi)) f ↦ H n ( F ( φ )) 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 , H n F,H^n F , 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f f f 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 A を十分な入射対象をもつアーベル圏、B \mathcal B B をアーベル圏、F : A → B F:\mathcal A\to\mathcal B F : A → B を加法関手とする。対象M M M の入射分解I I I に対し
R n F ( M ) = H n ( F ( I ) ) ( n ≥ 0 ) R^nF(M)=H^n(F(I))\qquad(n\ge0) R n F ( M ) = H n ( F ( I )) ( n ≥ 0 ) 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f f f 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 B の核・余核の選択を固定して得る加法関手R n F : A → B R^nF:\mathcal A\to\mathcal B R n F : A → B を、F F F の第n n n 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。
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 A からアーベル圏B \mathcal B B への加法関手F F F に対し、添加射から自然変換τ : F ⇒ R 0 F \tau:F\Rightarrow R^0F τ : F ⇒ R 0 F が定まる。F F F が左完全ならばτ \tau τ は自然同型である。入射対象J J J では、左完全性を仮定せずτ J \tau_J τ J は同型である。
証明. 入射分解M → η I M\xrightarrow{\eta}I M η I に対しF ( d 0 ) F ( η ) = 0 F(d^0)F(\eta)=0 F ( d 0 ) F ( η ) = 0 なので、核の普遍性によりF ( η ) F(\eta) F ( η ) はH 0 ( F ( I ) ) = ker F ( d 0 ) H^0(F(I))=\ker F(d^0) H 0 ( F ( I )) = ker F ( d 0 ) を一意に通る。この射をτ M \tau_M τ 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τ M \tau_M τ M は射M → N M\to N M → N と分解の取り替えについて自然である。
F F F が左完全なら、完全列0 → M → I 0 → I 1 0\to M\to I^0\to I^1 0 → M → I 0 → I 1 にF F F を適用した列も左端から完全であり、F ( M ) F(M) F ( M ) はF ( d 0 ) F(d^0) F ( d 0 ) の核となる。核の一意性によりτ M \tau_M τ M は同型である。M = J M=J M = J が入射的なら、J J J を次数零に置き恒等射を添加した分解を使うとτ J \tau_J τ 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 A からアーベル圏への加法関手F F F 、入射対象J J J 、n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 に対しR n F ( J ) = 0 R^nF(J)=0 R n F ( J ) = 0 である。
証明. 次数零にJ J J を置く入射分解にF F F 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 / m Z , − ) F=\operatorname{Hom}_{\Z}(\Z/m\Z,-) F = Hom Z ( Z / m Z , − ) 、m ≥ 2 m\ge2 m ≥ 2 とする。このとき、入射分解0 → Z → Q → Q / Z → 0 0\to\Z\to\Q\to\Q/\Z\to0 0 → Z → Q → Q / Z → 0 にF F F を適用すると、次数零が零、次数一がHom ( Z / m Z , Q / Z ) ≅ 1 m Z / Z \operatorname{Hom}(\Z/m\Z,\Q/\Z)\cong\tfrac1m\Z/\Z Hom ( Z / m Z , Q / Z ) ≅ m 1 Z / Z である。したがって
R 0 F ( Z ) = 0 , R 1 F ( Z ) ≅ Z / m Z , R n F ( Z ) = 0 ( n ≥ 2 ) . R^0F(\Z)=0,\qquad R^1F(\Z)\cong\Z/m\Z,\qquad R^nF(\Z)=0\quad(n\ge2). R 0 F ( Z ) = 0 , R 1 F ( Z ) ≅ Z / m Z , R n F ( Z ) = 0 ( n ≥ 2 ) .
例 2.4. F = − ⊗ Z Z / 2 Z F=-\otimes_{\Z}\Z/2\Z F = − ⊗ Z Z /2 Z に対しF ( Q ) = 0 F(\Q)=0 F ( Q ) = 0 である。実際q ⊗ 1 = ( q / 2 ) ⊗ 2 = 0 q\otimes1=(q/2)\otimes2=0 q ⊗ 1 = ( q /2 ) ⊗ 2 = 0 である。上の入射分解を用いるとR 0 F ( Z ) = 0 R^0F(\Z)=0 R 0 F ( Z ) = 0 となるが、F ( Z ) ≅ Z / 2 Z F(\Z)\cong\Z/2\Z F ( Z ) ≅ 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) ( a , b , c ) : ( 0 → A → B → C → 0 ) → ( 0 → A ′ → B ′ → C ′ → 0 ) 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 → I A → j I B → r I C → 0 , 0 → I A ′ → j ′ I B ′ → r ′ I C ′ → 0 0\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 0 → I A j I B r I C → 0 , 0 → I A ′ j ′ I B ′ r ′ I C ′ → 0 をなすとする。このとき、a , c a,c a , c の上の分解の射u , w u,w u , w に対し、b b b の上の分解の射v v v でv j = j ′ u vj=j'u v j = j ′ u 、r ′ v = w r r'v=wr r ′ v = w r 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 → j E → r Q → 0 0\to P\xrightarrow{j}E\xrightarrow{r}Q\to0 0 → P j E r Q → 0 と0 → P ′ → j ′ E ′ → r ′ Q ′ → 0 0\to P'\xrightarrow{j'}E'\xrightarrow{r'}Q'\to0 0 → P ′ j ′ E ′ r ′ Q ′ → 0 と書き、両端の鎖写像をu , w u,w u , w 、添加対象上の中央の射をb b b とする。次数− 1 -1 − 1 を添加対象とし、v − 1 = b v_{-1}=b v − 1 = b とおく。
v 0 , … , v n − 1 v_0,\ldots,v_{n-1} v 0 , … , v n − 1 が鎖写像の等式と、各次数のv k j k = j k ′ u k v_kj_k=j'_ku_k v k j k = j k ′ u k 、r k ′ v k = w k r k r'_kv_k=w_kr_k r k ′ v k = w k r k を満たすとする。次数n n n の分裂を使い、両端の成分がu n , w n u_n,w_n u n , w n である射t n : E n → E n ′ t_n:E_n\to E'_n t n : E n → E n ′ をとる。たとえば双積表示で対角成分をu n , w n u_n,w_n u n , w n 、非対角成分を零にすればよい。差
D n = d n ′ t n − v n − 1 d n : E n → E n − 1 ′ D_n=d'_nt_n-v_{n-1}d_n:E_n\to E'_{n-1} D n = d n ′ t n − v n − 1 d n : E n → E n − 1 ′ はD n j n = 0 D_nj_n=0 D n j n = 0 、r n − 1 ′ D n = 0 r'_{n-1}D_n=0 r n − 1 ′ D n = 0 を満たす。余核r n r_n r n と核j n − 1 ′ j'_{n-1} j n − 1 ′ の普遍性により、一意なz n : Q n → P n − 1 ′ z_n:Q_n\to P'_{n-1} z n : Q n → P n − 1 ′ がD n = j n − 1 ′ z n r n D_n=j'_{n-1}z_nr_n D n = j n − 1 ′ z n r n を満たす。n = 0 n=0 n = 0 ではP − 1 ′ = A ′ P'_{-1}=A' P − 1 ′ = A ′ とし、j − 1 ′ j'_{-1} j − 1 ′ は短完全列のモノ射である。
n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 では、前の次数の鎖写像条件からd n − 1 ′ D n = 0 d'_{n-1}D_n=0 d n − 1 ′ D n = 0 である。P ′ P' P ′ の微分をd ′ P d'^{P} d ′ P と書く。j ′ j' j ′ が鎖写像であることと、j n − 2 ′ j'_{n-2} j n − 2 ′ がモノ射、r n r_n r n がエピ射であることからd n − 1 ′ P z n = 0 d'^{P}_{n-1}z_n=0 d n − 1 ′ P z n = 0 を得る。したがってz n z_n z n はker d n − 1 ′ P \ker d'^{P}_{n-1} ker d n − 1 ′ P を通る。P ′ P' P ′ の完全性とQ n Q_n Q n の射影性から、d n ′ P s n = z n d'^{P}_ns_n=z_n d n ′ P s n = z n を満たすs n : Q n → P n ′ s_n:Q_n\to P'_n s n : Q n → P n ′ がある。n = 0 n=0 n = 0 でも添加射P 0 ′ → A ′ P'_0\to A' P 0 ′ → A ′ のエピ性によって同じ持ち上げがある。
v n = t n − j n ′ s n r n v_n=t_n-j'_ns_nr_n v n = t n − j n ′ s n r n とおけば両端の四角形は変わらず、d n ′ v n − v n − 1 d n = D n − j n − 1 ′ z n r n = 0 d'_nv_n-v_{n-1}d_n=D_n-j'_{n-1}z_nr_n=0 d n ′ v n − v n − 1 d n = D n − j n − 1 ′ z n r 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w o p w^{\mathrm{op}} w op 、右端にu o p u^{\mathrm{op}} u op を用いると、元の圏で求めるv v v 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 A からアーベル圏B \mathcal B B への加法関手F F F と、短完全列E : 0 → A → i B → p C → 0 E:0\to A\xrightarrow{i}B\xrightarrow{p}C\to0 E : 0 → A i B p C → 0 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δ E n : R n F ( C ) → R n + 1 F ( A ) \delta_E^n:R^nF(C)\to R^{n+1}F(A) δ E n : R n F ( C ) → R n + 1 F ( A ) が定まり、
0 → R 0 F ( A ) → R 0 F ( B ) → R 0 F ( C ) → δ E 0 R 1 F ( A ) → R 1 F ( B ) → R 1 F ( C ) → δ E 1 ⋯ 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 0 → R 0 F ( A ) → R 0 F ( B ) → R 0 F ( C ) δ E 0 R 1 F ( A ) → R 1 F ( B ) → R 1 F ( C ) δ E 1 ⋯ 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' ( a , b , c ) : E → E ′ に対し
R n + 1 F ( a ) δ E n = δ E ′ n R n F ( c ) R^{n+1}F(a)\delta_E^n=\delta_{E'}^nR^nF(c) R n + 1 F ( a ) δ E n = δ E ′ n R n F ( c ) を満たす。
証明. A , C A,C A , 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 → I A → I B → I C → 0 0\to I_A\to I_B\to I_C\to0 0 → I A → I B → I C → 0 を得る。加法関手は双積を保つので(§E9.18 定理 4.2 )、F F F 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F F F について、R 0 F R^0F R 0 F は左完全である。τ : F ⇒ R 0 F \tau:F\Rightarrow R^0F τ : F ⇒ R 0 F が自然同型であるための必要十分条件は、F F F が左完全であることである。そのとき、短完全列0 → A → B → C → 0 0\to A\to B\to C\to0 0 → A → B → C → 0 に対する長完全列の左端は0 → F ( A ) → F ( B ) → F ( C ) → R 1 F ( A ) 0\to F(A)\to F(B)\to F(C)\to R^1F(A) 0 → F ( A ) → F ( B ) → F ( C ) → R 1 F ( A ) となる。
証明. 長完全列の左端の三項がR 0 F R^0F R 0 F の左完全性を示す。したがってτ \tau τ が同型ならF F F も左完全である。逆は命題 2.1 による。▨
例 3.4. F = Hom Z ( Z / 2 Z , − ) F=\operatorname{Hom}_{\Z}(\Z/2\Z,-) F = Hom Z ( Z /2 Z , − ) と短完全列0 → Z → 2 Z → Z / 2 Z → 0 0\to\Z\xrightarrow{2}\Z\to\Z/2\Z\to0 0 → Z 2 Z → Z /2 Z → 0 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 / 2 Z → δ 0 Z / 2 Z → R 1 F ( 2 ) Z / 2 Z → R 1 F ( Z / 2 Z ) → 0 0\to\Z/2\Z\xrightarrow{\delta^0}\Z/2\Z\xrightarrow{R^1F(2)}\Z/2\Z\to R^1F(\Z/2\Z)\to0 0 → Z /2 Z δ 0 Z /2 Z R 1 F ( 2 ) Z /2 Z → R 1 F ( Z /2 Z ) → 0 となる。加法性からR 1 F ( 2 ) = 2 i d = 0 R^1F(2)=2\mathrm{id}=0 R 1 F ( 2 ) = 2 id = 0 なので、δ 0 \delta^0 δ 0 は同型であり、R 1 F ( Z / 2 Z ) ≅ Z / 2 Z R^1F(\Z/2\Z)\cong\Z/2\Z R 1 F ( Z /2 Z ) ≅ Z /2 Z である。Z / 2 Z \Z/2\Z Z /2 Z の入射分解Q / Z → 2 Q / Z \Q/\Z\xrightarrow{2}\Q/\Z Q / Z 2 Q / Z にF F F を適用すると、次数零と次数一がZ / 2 Z \Z/2\Z 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 A からアーベル圏B \mathcal B B への加法関手G G G をとる。射影分解と核・余核の選択を固定する。G o p : A o p → B o p G^{\mathrm{op}}:\mathcal A^{\mathrm{op}}\to\mathcal B^{\mathrm{op}} G op : A op → B op の右導来関手を元の圏へ戻した関手をL n G L_nG L n G と書き、第n n n 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 A からアーベル圏B \mathcal B B への加法関手G G G 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。
射影分解P → M P\to M P → M に対しL n G ( M ) = H n ( G ( P ) ) L_nG(M)=H_n(G(P)) L n G ( 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。
添加射から自然変換σ : L 0 G ⇒ G \sigma:L_0G\Rightarrow G σ : L 0 G ⇒ G が定まり、G G G が右完全ならばσ \sigma σ は自然同型である。射影対象P P P では、右完全性を仮定せずσ P \sigma_P σ P は同型である。
射影対象P P P とn ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 に対しL n G ( P ) = 0 L_nG(P)=0 L n G ( P ) = 0 である。
短完全列E : 0 → A → B → C → 0 E:0\to A\to B\to C\to0 E : 0 → A → B → C → 0 から、自然な長完全列
⋯ → L 1 G ( C ) → L 0 G ( A ) → L 0 G ( B ) → L 0 G ( C ) → 0 \cdots\to L_1G(C)\to L_0G(A)\to L_0G(B)\to L_0G(C)\to0 ⋯ → L 1 G ( C ) → L 0 G ( A ) → L 0 G ( B ) → L 0 G ( C ) → 0
が得られる。連結射を∂ n E : L n + 1 G ( C ) → L n G ( A ) \partial_n^E:L_{n+1}G(C)\to L_nG(A) ∂ n E : L n + 1 G ( C ) → L n G ( A ) と書くと、短完全列の射( a , b , c ) : E → E ′ (a,b,c):E\to E' ( a , b , c ) : E → E ′ に対してL n G ( a ) ∂ n E = ∂ n E ′ L n + 1 G ( c ) L_nG(a)\partial_n^E=\partial_n^{E'}L_{n+1}G(c) L n G ( a ) ∂ n E = ∂ n E ′ L n + 1 G ( c ) が成り立つ。
L 0 G L_0G L 0 G は右完全である。σ \sigma σ が自然同型であることは、G G G が右完全であるための必要十分条件である。
例 4.3. 環R R R と左R R R 加群N N N に対し、Tor n R ( − , N ) \operatorname{Tor}^R_n(-,N) Tor n R ( − , N ) は右完全関手− ⊗ R N -\otimes_RN − ⊗ R N 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 1 Z ( Z / m Z , A ) ≅ A [ m ] \operatorname{Tor}^{\Z}_1(\Z/m\Z,A)\cong A[m] Tor 1 Z ( Z / m Z , A ) ≅ 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F F F について、分解と核・余核の選択から得る列R ∙ F R^\bullet F R ∙ 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G G G について、L ∙ G L_\bullet G L ∙ 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 A を十分な入射対象をもつアーベル圏、B \mathcal B 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。
任意の加法関手F : A → B F:\mathcal A\to\mathcal B F : A → B に対しR ∙ F R^\bullet F R ∙ F は普遍δ-関手である。
δ-関手T T T 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I I I とn ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 でT n ( I ) = 0 T^n(I)=0 T n ( I ) = 0 となることである。そのときT 0 T^0 T 0 は左完全であり、τ : T 0 → R 0 T 0 \tau:T^0\to R^0T^0 τ : T 0 → R 0 T 0 を零次とする同型T ≅ R ∙ T 0 T\cong R^\bullet T^0 T ≅ R ∙ T 0 が一意に定まる。
左完全な加法関手Φ \Phi Φ 、自然同型ν : Φ ⇒ T 0 \nu:\Phi\Rightarrow T^0 ν : Φ ⇒ T 0 、普遍δ-関手T T T に対し、零次がτ Φ ν − 1 \tau_\Phi\nu^{-1} τ Φ ν − 1 であるδ-関手の同型T → R ∙ Φ T\to R^\bullet\Phi T → R ∙ Φ 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。
例 5.3. F = Hom Z ( Z / 2 Z , − ) F=\operatorname{Hom}_{\Z}(\Z/2\Z,-) F = Hom Z ( Z /2 Z , − ) とし、T 0 = F T^0=F T 0 = F 、T 1 = R 1 F ⊕ i d A b T^1=R^1F\oplus\mathrm{id}_{\mathbf{Ab}} T 1 = R 1 F ⊕ id Ab 、n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 でT n = R n F T^n=R^nF T n = R n F とする。このとき、零次の同型τ : F → R 0 F \tau:F\to R^0F τ : F → R 0 F を用い、連結射をδ T 0 = ( δ 0 τ , 0 ) \delta_T^0=(\delta^0\tau,0) δ T 0 = ( δ 0 τ , 0 ) 、δ T 1 = ( δ 1 , 0 ) \delta_T^1=(\delta^1,0) δ T 1 = ( δ 1 , 0 ) とし、以後はR ∙ F R^\bullet F R ∙ 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T T T はδ-関手である。
しかしi d T \mathrm{id}_T id T と、次数一の恒等関手成分を零にする射T → T T\to T T → T は、零次でともに恒等射である。Z \Z Z での一次の値Z / 2 Z ⊕ Z \Z/2\Z\oplus\Z Z /2 Z ⊕ Z 上で二つの射は異なるので、T T T は普遍的でない。入射対象Q / Z \Q/\Z Q / Z においてもT 1 ( Q / Z ) ≅ Q / Z ≠ 0 T^1(\Q/\Z)\cong\Q/\Z\ne0 T 1 ( Q / Z ) ≅ Q / Z = 0 であり、R ∙ F R^\bullet F R ∙ F と同型ではない。
6 Ext と群コホモロジー
例 6.1. 環R R R の左加群N N N に対し、左完全関手Hom R ( − , N ) : ( R - M o d ) o p → A b \operatorname{Hom}_R(-,N):(R\text{-}\mathbf{Mod})^{\mathrm{op}}\to\mathbf{Ab} Hom R ( − , N ) : ( R - Mod ) op → Ab の右導来関手はExt R n ( − , N ) \operatorname{Ext}^n_R(-,N) Ext R n ( − , N ) である。対象M M M の射影分解P P P は反対圏の入射分解なので、値は
H n ( Hom R ( P , N ) ) = Ext R n ( M , N ) H^n(\operatorname{Hom}_R(P,N))=\operatorname{Ext}^n_R(M,N) H n ( Hom R ( P , N )) = Ext R n ( 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 ) → M R^{(M)}\to M R ( M ) → M 、[ m ] ↦ m [m]\mapsto m [ m ] ↦ m と、その核への同じ構成の反復で与える。射f f f には[ m ] ↦ [ f ( m ) ] [m]\mapsto[f(m)] [ m ] ↦ [ 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R R R の左加群M M M に対し、Ext R ∙ ( M , − ) \operatorname{Ext}^\bullet_R(M,-) Ext 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 R 0 ( M , − ) ≅ Hom R ( M , − ) \operatorname{Ext}^0_R(M,-)\cong\operatorname{Hom}_R(M,-) Ext R 0 ( M , − ) ≅ Hom R ( M , − ) とτ \tau τ 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,-) Ext R ∙ ( M , − ) ≅ R ∙ Hom R ( M , − ) がある。この同型はM M M についても自然である。したがってM M M の射影分解P P P とN N N の入射分解I I I に対し、
H n ( Hom R ( P , N ) ) ≅ H n ( Hom R ( M , I ) ) H^n(\operatorname{Hom}_R(P,N))\cong H^n(\operatorname{Hom}_R(M,I)) H n ( Hom R ( P , N )) ≅ H n ( 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 ′ → M f:M'\to M f : M ′ → M に対し、Ext の反変写像と、Hom R ( f , − ) \operatorname{Hom}_R(f,-) 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 , n m,n m , n とd = gcd ( m , n ) d=\gcd(m,n) d = g cd( m , n ) に対し、Z / m Z \Z/m\Z Z / m Z の自由分解Z → m Z \Z\xrightarrow{m}\Z Z m Z から
Ext Z 1 ( Z / m Z , Z / n Z ) ≅ ( Z / n Z ) / m ( Z / n Z ) ≅ Z / d Z \operatorname{Ext}^1_{\Z}(\Z/m\Z,\Z/n\Z)\cong (\Z/n\Z)/m(\Z/n\Z)\cong\Z/d\Z Ext Z 1 ( Z / m Z , Z / n Z ) ≅ ( Z / n Z ) / m ( Z / n Z ) ≅ Z / d Z を得る。一方、Z / n Z \Z/n\Z Z / n Z の入射分解Q / Z → n Q / Z \Q/\Z\xrightarrow{n}\Q/\Z Q / Z n Q / Z に Hom を適用すると、Hom ( Z / m Z , Q / Z ) ≅ Z / m Z \operatorname{Hom}(\Z/m\Z,\Q/\Z)\cong\Z/m\Z Hom ( Z / m Z , Q / Z ) ≅ Z / m Z 上のn n n 倍写像となる。その余核もZ / d Z \Z/d\Z Z / d Z である。零次の核はいずれもHom ( Z / m Z , Z / n Z ) ≅ Z / d Z \operatorname{Hom}(\Z/m\Z,\Z/n\Z)\cong\Z/d\Z Hom ( Z / m Z , Z / n Z ) ≅ Z / d Z であり、二次以上は零である。m = 1 m=1 m = 1 またはn = 1 n=1 n = 1 の場合もd = 1 d=1 d = 1 として同じ式に含まれる。
命題 6.4. 群G G G に対し、H ∙ ( G , − ) H^\bullet(G,-) H ∙ ( 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H 0 ( G , M ) ≅ M G H^0(G,M)\cong M^G H 0 ( G , M ) ≅ M G とτ ( − ) G \tau_{(-)^G} τ ( − ) G の合成を零次とする、一意なδ-関手の同型
H ∙ ( G , − ) ≅ R ∙ ( − ) G H^\bullet(G,-)\cong R^\bullet(-)^G H ∙ ( G , − ) ≅ R ∙ ( − ) G がある。
命題 6.5. 群G G G と部分群H H H に対し、次が成り立つ。
余誘導Coind H G \operatorname{Coind}^G_H Coind H G は完全であり、入射加群を入射加群へ送る。
V ↦ H ∙ ( G , Coind H G V ) V\mapsto H^\bullet(G,\operatorname{Coind}^G_H V) V ↦ H ∙ ( G , Coind H G 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) ϕ ↦ ϕ ( 1 ) によってV H V^H V H と同一視される。
零次をこの同一視とする一意なδ-関手の同型
H ∙ ( G , Coind H G − ) ≅ H ∙ ( H , − ) H^\bullet(G,\operatorname{Coind}^G_H-)\cong H^\bullet(H,-) H ∙ ( G , Coind H G − ) ≅ H ∙ ( 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] Z [ G ] は左Z [ H ] \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],-) 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V V V 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 H G ⊣ Coind H G \operatorname{Res}^G_H\dashv\operatorname{Coind}^G_H Res H G ⊣ Coind H G を自明加群Z \Z Z に適用すると、零次の同型はϕ ↦ ϕ ( 1 ) \phi\mapsto\phi(1) ϕ ↦ ϕ ( 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S V S_V S V 、随伴の単位をi M : M → Coind Res M i_M:M\to\operatorname{Coind}\operatorname{Res}M i M : M → Coind Res M 、余単位をε V : Res Coind V → V \varepsilon_V:\operatorname{Res}\operatorname{Coind}V\to V ε V : Res Coind V → V とする。§E7.41 定理 2.3 の等式S Res M H n ( G , i M ) = res S_{\operatorname{Res}M}H^n(G,i_M)=\operatorname{res} S Res M H n ( G , i M ) = res とS S S の自然性、三角等式から
H n ( H , ε V ) res = H n ( H , ε V ) S Res Coind V H n ( G , i Coind V ) = S V H^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 H n ( H , ε V ) res = H n ( H , ε V ) S Res Coind V H n ( G , i Coind V ) = S V を得る。係数写像H n ( H , ε V ) H^n(H,\varepsilon_V) H n ( H , ε 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S S S 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。▨