1 入射対象と射影対象
定義 1.1. アーベル圏A \mathcal A A の対象I I I が入射的 (injective ) であるとは、任意のモノ射i : A → B i:A\to B i : A → B と射f : A → I f:A\to I f : A → I に対し、g i = f gi=f g i = f を満たす射g : B → I g:B\to I g : B → I が存在することをいう。対象P P P が射影的 (projective ) であるとは、任意のエピ射p : B → C p:B\to C p : B → C と射f : P → C f:P\to C f : P → C に対し、p g = f pg=f p g = f を満たす射g : P → B g:P\to B g : P → B が存在することをいう。
すべての対象が入射対象へのモノ射をもつとき、A \mathcal A A は十分な入射対象 (enough injectives ) をもつという。すべての対象が射影対象からのエピ射をもつとき、十分な射影対象 (enough projectives ) をもつという。
命題 1.3. アーベル圏A \mathcal A A の対象I I I について、次の条件は同値である。
I I I は入射的である。
Hom A ( − , I ) : A o p → A b \operatorname{Hom}_{\mathcal A}(-,I):\mathcal A^{\mathrm{op}}\to\mathbf{Ab} Hom A ( − , I ) : A op → Ab は完全である。
任意のモノ射i i i に対しHom ( i , I ) \operatorname{Hom}(i,I) Hom ( i , I ) は全射である。
双対に、P P P が射影的であるための必要十分条件は、Hom A ( P , − ) \operatorname{Hom}_{\mathcal A}(P,-) Hom A ( P , − ) が完全であることである。
証明. 条件 (a) と条件 (c) は同じ延長条件である。§E9.19 命題 8.3 により、短完全列0 → A → i B → C → 0 0\to A\xrightarrow{i}B\to C\to0 0 → A i B → C → 0 に反変 Hom を当てた列は左端からHom ( B , I ) \operatorname{Hom}(B,I) Hom ( B , I ) まで完全であり、残る条件がHom ( i , I ) \operatorname{Hom}(i,I) Hom ( i , I ) の全射性である。任意のモノ射は、その余核を添えて短完全列にすることができるので、§E9.19 命題 4.3 により条件 (b) と条件 (c) は同値である。反対圏に適用すると射影側を得る。▨
例 1.4. 環R R R の左加群P P P に対し、Hom R ( P , − ) \operatorname{Hom}_R(P,-) Hom R ( P , − ) は左完全であり、完全であるための必要十分条件はP P P が射影加群であることである。左加群N N N に対する− ⊗ R N -\otimes_R N − ⊗ R N は§E6.12 命題 19.1 により右完全である。
− ⊗ Z Z / 2 Z -\otimes_{\Z}\Z/2\Z − ⊗ Z Z /2 Z は単射2 : Z → Z 2:\Z\to\Z 2 : Z → Z を零射Z / 2 Z → Z / 2 Z \Z/2\Z\to\Z/2\Z Z /2 Z → Z /2 Z に送るので左完全でない。またn ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 に対し、Hom Z ( Z / n Z , − ) \operatorname{Hom}_{\Z}(\Z/n\Z,-) Hom Z ( Z / n Z , − ) は商写像Z → Z / n Z \Z\to\Z/n\Z Z → Z / n Z を全射に送らない。始域の Hom は零であり、終域の Hom は恒等射を含むからである。
環準同型R → S R\to S R → S による係数の制限S - M o d → R - M o d S\text{-}\mathbf{Mod}\to R\text{-}\mathbf{Mod} S - Mod → R - Mod と忘却関手R - M o d → A b R\text{-}\mathbf{Mod}\to\mathbf{Ab} R - Mod → Ab は完全である。核と余核が台のアーベル群で計算されることによる(§E9.19 命題 2.3 )。
例 1.5. R - M o d R\text{-}\mathbf{Mod} R - Mod のモノ射とエピ射は単射と全射であるので、入射対象と射影対象の定義は入射加群と射影加群の定義に一致する。§E6.16 定理 5.4 と§E6.14 系 1.2 により、この圏は十分な入射対象と十分な射影対象をもつ。
A b \mathbf{Ab} Ab の対象Q \Q Q とQ / Z \Q/\Z Q / Z は可除なので、§E6.16 命題 3.4 により入射的である。Z \Z Z は入射的でない。実際、2 Z → Z 2\Z\to\Z 2 Z → Z 、2 m ↦ m 2m\mapsto m 2 m ↦ m はZ → Z \Z\to\Z Z → Z へ延長することができない。A b o p \mathbf{Ab}^{\mathrm{op}} Ab op はA b \mathbf{Ab} Ab の十分な射影対象によって十分な入射対象をもつ。
命題 1.6. アーベル圏A \mathcal A A で、V V V -小な集合J J J によって添字づけた入射対象の族( I j ) (I_j) ( I j ) が直積をもつならば、その直積は入射的である。双対に、射影対象のV V V -小な族が余積をもつならば、その余積は射影的である。とくに有限個の入射対象の双積は入射的である。
証明. モノ射i : A → B i:A\to B i : A → B と射f : A → ∏ j I j f:A\to\prod_j I_j f : A → ∏ j I j をとる。各射影p j p_j p j に対し、g j i = p j f g_ji=p_jf g j i = p j f を満たすg j : B → I j g_j:B\to I_j g j : B → I j を選ぶ。選択する集合はHom ( B , I j ) \operatorname{Hom}(B,I_j) Hom ( B , I j ) の空でない部分集合であり、添字J J J も各 Hom もV V V -小である。直積の普遍性からp j g = g j p_jg=g_j p j g = g j を満たすg : B → ∏ j I j g:B\to\prod_jI_j g : B → ∏ j I j が一意に定まり、その一意性からg i = f gi=f g i = f である。空の積は零対象であり、同じ普遍性が適用される。反対圏で余積の主張を得る。▨
命題 1.7. アーベル圏の間の随伴L : B ⇄ A : G L:\mathcal B\rightleftarrows\mathcal A:G L : B ⇄ A : G 、L ⊣ G L\dashv G L ⊣ G が与えられているとする。このとき、L L L がモノ射を保つならばG G G は入射対象を保つ。双対に、G G G がエピ射を保つならばL L L は射影対象を保つ。L L L がモノ射を保つことは、L L L が完全であるための必要十分条件である。
証明. 入射対象I ∈ A I\in\mathcal A I ∈ A とモノ射i : B → C i:B\to C i : B → C をとる。随伴の第一変数に関する自然性により、Hom B ( i , G I ) \operatorname{Hom}_{\mathcal B}(i,G I) Hom B ( i , G I ) はHom A ( L i , I ) \operatorname{Hom}_{\mathcal A}(Li,I) Hom A ( L i , I ) と同一視される。後者はL i Li L i のモノ性とI I I の入射性から全射である。命題 1.3 によりG I GI G I は入射的である。反対圏で射影側を得る。L L L は§E9.19 命題 8.4 により右完全なので、モノ射を保つことと完全性との同値は§E9.19 命題 8.2 による。▨
例 1.8.
忘却関手U : R - M o d → A b U:R\text{-}\mathbf{Mod}\to\mathbf{Ab} U : R - Mod → Ab の右随伴はD ↦ Hom Z ( R , D ) D\mapsto\operatorname{Hom}_{\Z}(R,D) D ↦ Hom Z ( R , D ) である。左作用を( r h ) ( s ) = h ( s r ) (r h)(s)=h(sr) ( r h ) ( s ) = h ( sr ) とする。随伴の対応はϕ : U M → D \phi:UM\to D ϕ : U M → D をϕ ^ ( m ) ( r ) = ϕ ( r m ) \widehat\phi(m)(r)=\phi(rm) ϕ ( m ) ( r ) = ϕ ( r m ) に送り、逆はr = 1 r=1 r = 1 における評価である。対応は両変数の射との合成を保つ。U U U は完全なので、入射アーベル群D D D に対しHom Z ( R , D ) \operatorname{Hom}_{\Z}(R,D) Hom Z ( R , D ) は入射左R R R 加群である。
群G G G の部分群H H H に対し、制限Res H G \operatorname{Res}^G_H Res H G は余誘導Coind H G \operatorname{Coind}^G_H Coind H G の左随伴である(§E7.36 命題 2.2 )。制限は台のアーベル群を変えず完全であるから、余誘導は入射加群を保つ。
いずれも命題 1.7 の適用である。
2 分解の存在
定義 2.1. アーベル圏A \mathcal A A の対象M M M の射影分解 (projective resolution ) とは、負の次数で零である鎖複体P P P と射ε : P 0 → M \varepsilon:P_0\to M ε : P 0 → M であって、
⋯ ⟶ P 1 ⟶ P 0 → ε M ⟶ 0 \cdots\longrightarrow P_1\longrightarrow P_0\xrightarrow{\varepsilon}M\longrightarrow0 ⋯ ⟶ P 1 ⟶ P 0 ε M ⟶ 0 が完全であり、各P n P_n P n が射影的であるものをいう。射影性を要求しないものをM M M の分解 (resolution ) という。
双対に、負の次数で零である余鎖複体I I I と射η : M → I 0 \eta:M\to I^0 η : M → I 0 であって、0 → M → η I 0 → I 1 → ⋯ 0\to M\xrightarrow{\eta}I^0\to I^1\to\cdots 0 → M η I 0 → I 1 → ⋯ が完全であり、各I n I^n I n が入射的であるものを入射分解 (injective resolution ) という。入射性を要求しないものもM M M の分解という。ε \varepsilon ε とη \eta η を添加射 (augmentation ) という。
射f : M → N f:M\to N f : M → N の上の分解の射 (morphism of resolutions ) とは、添加射と可換な鎖写像または余鎖写像である。鎖の分解の間ではε N φ 0 = f ε M \varepsilon_N\varphi_0=f\varepsilon_M ε N φ 0 = f ε M を満たす鎖写像φ \varphi φ であり、余鎖の分解の間ではφ 0 η M = η N f \varphi^0\eta_M=\eta_Nf φ 0 η M = η N f を満たす余鎖写像φ \varphi φ である。
命題 2.2. 分解P → ε M P\xrightarrow{\varepsilon}M P ε M の添加射は同型H 0 ( P ) ≅ M H_0(P)\cong M H 0 ( P ) ≅ M を誘導し、n ≠ 0 n\ne0 n = 0 ではH n ( P ) = 0 H_n(P)=0 H n ( P ) = 0 である。双対に、M → η I M\xrightarrow{\eta}I M η I ではM ≅ H 0 ( I ) M\cong H^0(I) M ≅ H 0 ( I ) であり、n ≠ 0 n\ne0 n = 0 ではH n ( I ) = 0 H^n(I)=0 H n ( I ) = 0 である。
証明. 完全性からim d 1 = ker ε \operatorname{im}d_1=\ker\varepsilon im d 1 = ker ε であり、ε \varepsilon ε はエピ射である。像と余像の同型によりH 0 ( P ) = coker d 1 ≅ M H_0(P)=\operatorname{coker}d_1\cong M H 0 ( P ) = coker d 1 ≅ M を得る。正の次数では像と核が一致し、負の次数では複体が零である。反対圏における鎖複体はA \mathcal A A の余鎖複体となるので、同じ主張が入射側を与える。▨
定理 2.3.
十分な射影対象をもつアーベル圏の各対象は射影分解をもつ。
十分な入射対象をもつアーベル圏の各対象は入射分解をもつ。
証明. 主張 (1) を示す。K − 1 = M K_{-1}=M K − 1 = M とおき、各n ≥ 0 n\ge0 n ≥ 0 で射影対象からのエピ射q n : P n → K n − 1 q_n:P_n\to K_{n-1} q n : P n → K n − 1 とその核k n : K n → P n k_n:K_n\to P_n k n : K n → P n をとる。ε = q 0 \varepsilon=q_0 ε = q 0 、d n = k n − 1 q n d_n=k_{n-1}q_n d n = k n − 1 q n と定める。q n k n = 0 q_nk_n=0 q n k n = 0 なのでd n d n + 1 = 0 d_nd_{n+1}=0 d n d n + 1 = 0 である。q n + 1 q_{n+1} q n + 1 はエピ射なのでim d n + 1 = im k n \operatorname{im}d_{n+1}=\operatorname{im}k_n im d n + 1 = im k n であり、k n − 1 k_{n-1} k n − 1 はモノ射なのでker d n = ker q n = im k n \ker d_n=\ker q_n=\operatorname{im}k_n ker d n = ker q n = im k n である。添加射においても同じ等式が成り立つ。
各段の選択は直前の核に依存する。対象と射の有限組はV V V の元であり、各段の候補は空でない。§E1.21 系 4.3 をこの逐次構成に適用すると、候補全体がV V V -小でなくても可算列を得る。N ≥ 0 ∈ V \N\in V N ≥ 0 ∈ V と§E9.1 命題 2.3 により分解を表す列もV V V の元である。以上は対象M M M を一つ固定したときの分解の存在の証明である。主張 (2) を示す。反対圏に適用すると入射分解の存在を得る。▨
例 2.4. 有限アーベル群の充満部分圏F A b ⊂ A b \mathbf{FAb}\subset\mathbf{Ab} FAb ⊂ Ab は、零対象、有限双積、核、余核について閉じているのでアーベル圏である(§E9.19 命題 7.1 )。しかし、非零の入射対象も射影対象ももたない。
非零有限アーベル群I I I の最大単因子をe ≥ 2 e\ge2 e ≥ 2 とする。§E6.53 定理 16.2 によりe I = 0 eI=0 e I = 0 であり、位数e e e の元x x x がある。1 ↦ x 1\mapsto x 1 ↦ x で定まる射Z / e Z → I \Z/e\Z\to I Z / e Z → I がモノ射Z / e Z → Z / e 2 Z \Z/e\Z\to\Z/e^2\Z Z / e Z → Z / e 2 Z 、1 ↦ e 1\mapsto e 1 ↦ e に沿って射g : Z / e 2 Z → I g:\Z/e^2\Z\to I g : Z / e 2 Z → I に延長すれば、x = g ( e ) = e g ( 1 ) = 0 x=g(e)=e g(1)=0 x = g ( e ) = e g ( 1 ) = 0 となり、x x x の位数に反する。
また最大単因子への全射I → Z / e Z I\to\Z/e\Z I → Z / e Z がZ / e 2 Z → Z / e Z \Z/e^2\Z\to\Z/e\Z Z / e 2 Z → Z / e Z に沿って射g : I → Z / e 2 Z g:I\to\Z/e^2\Z g : I → Z / e 2 Z に持ち上がれば、g g g の像はe e e で零化される部分群e Z / e 2 Z e\Z/e^2\Z e Z / e 2 Z に入る。その部分群の商写像による像は零なので、元の全射が零となる。したがってI I I は射影的でもない。
命題 2.5. アーベル圏A \mathcal A A に余核の選択、関手E : A → A E:\mathcal A\to\mathcal A E : A → A 、自然モノ射u : i d ⇒ E u:\mathrm{id}\Rightarrow E u : id ⇒ E が与えられ、すべてのE ( A ) E(A) E ( A ) が入射的であるとする。このとき、Q 0 = i d Q^0=\mathrm{id} Q 0 = id とし、
I n ( A ) = E ( Q n ( A ) ) , Q n + 1 ( A ) = coker u Q n ( A ) I^n(A)=E(Q^n(A)),\qquad Q^{n+1}(A)=\operatorname{coker}u_{Q^n(A)} I n ( A ) = E ( Q n ( A )) , Q n + 1 ( A ) = coker u Q n ( A ) とおく。余核射をq A n : I n ( A ) → Q n + 1 ( A ) q^n_A:I^n(A)\to Q^{n+1}(A) q A n : I n ( A ) → Q n + 1 ( A ) とし、d A n = u Q n + 1 ( A ) q A n d^n_A=u_{Q^{n+1}(A)}q^n_A d A n = u Q n + 1 ( A ) q A n と定めると、A → I ( A ) A\to I(A) A → I ( A ) は入射分解である。余核の普遍性によるQ n ( f ) Q^n(f) Q n ( f ) とI n ( f ) = E ( Q n ( f ) ) I^n(f)=E(Q^n(f)) I n ( f ) = E ( Q n ( f )) は分解の射をなし、恒等射と合成を保つ。
証明. Q n Q^n Q n が関手なら、u u u の自然性からE ( Q n ( f ) ) u Q n ( A ) = u Q n ( B ) Q n ( f ) E(Q^n(f))u_{Q^n(A)}=u_{Q^n(B)}Q^n(f) E ( Q n ( f )) u Q n ( A ) = u Q n ( B ) Q n ( f ) である。余核の普遍性により一意なQ n + 1 ( f ) Q^{n+1}(f) Q n + 1 ( f ) を得る。その一意性を恒等射と合成に適用するとQ n + 1 Q^{n+1} Q n + 1 は関手となり、q n q^n q n も自然である。帰納法によりすべての次数で射への対応が定まる。
q n + 1 u Q n + 1 = 0 q^{n+1}u_{Q^{n+1}}=0 q n + 1 u Q n + 1 = 0 なのでd n + 1 d n = 0 d^{n+1}d^n=0 d n + 1 d n = 0 である。q n − 1 q^{n-1} q n − 1 のエピ性とu Q n + 1 u_{Q^{n+1}} u Q n + 1 のモノ性により
im d n − 1 = im u Q n = ker q n = ker d n . \operatorname{im}d^{n-1}=\operatorname{im}u_{Q^n}=\ker q^n=\ker d^n. im d n − 1 = im u Q n = ker q n = ker d n . 零次ではu A u_A u A がq A 0 q^0_A q A 0 の核である。微分との可換性と添加射との可換性はu , q n u,q^n u , q n の自然性による。構成は指定された余核と式だけを用い、E E E の加法性を必要としない。▨
例 2.6. 環R R R の左加群M M M に対し、
J M = Hom Z ( M , Q / Z ) , D M = ( Q / Z ) J M , E ( M ) = Hom Z ( R , D M ) J_M=\operatorname{Hom}_{\Z}(M,\Q/\Z),\quad
D_M=(\Q/\Z)^{J_M},\quad E(M)=\operatorname{Hom}_{\Z}(R,D_M) J M = Hom Z ( M , Q / Z ) , D M = ( Q / Z ) J M , E ( M ) = Hom Z ( R , D M ) とおき、ι M ( m ) ( r ) = ( χ ( r m ) ) χ ∈ J M \iota_M(m)(r)=(\chi(rm))_{\chi\in J_M} ι M ( m ) ( r ) = ( χ ( r m ) ) χ ∈ J M と定める。ここでE ( M ) E(M) E ( M ) の左作用は( r h ) ( s ) = h ( s r ) (rh)(s)=h(sr) ( r h ) ( s ) = h ( sr ) であり、この式からι M \iota_M ι M はR R R 線形である。指標は非零元を分離するので(§E6.16 命題 4.3 (1) )、r = 1 r=1 r = 1 で評価するとι M \iota_M ι M の単射性を得る。D M D_M D M は命題 1.6 により入射的であり、例 1.8 (1) によりE ( M ) E(M) E ( M ) も入射的である。
射f : M → N f:M\to N f : M → N に対しD ( f ) ( ( x χ ) χ ) = ( x ψ f ) ψ ∈ J N D(f)((x_\chi)_\chi)=(x_{\psi f})_{\psi\in J_N} D ( f ) (( x χ ) χ ) = ( x ψ f ) ψ ∈ J N とする。前合成の結合律によりD D D は関手であり、E ( f ) = Hom Z ( R , D ( f ) ) E(f)=\operatorname{Hom}_{\Z}(R,D(f)) E ( f ) = Hom Z ( R , D ( f )) はR R R 線形である。式に代入するとE ( f ) ι M = ι N f E(f)\iota_M=\iota_Nf E ( f ) ι M = ι N f を得る。商加群による余核の選択と命題 2.5 により、入射分解とその射を得る関手的な規則を定める。各集合と加群はV V V の閉包性によりV V V の元である。
3 比較定理
定理 3.1. アーベル圏A \mathcal A A の射f : M → N f:M\to N f : M → N について、次が成り立つ。
P → M P\to M P → M が射影分解、Q → N Q\to N Q → N が分解ならば、f f f の上の分解の射P → Q P\to Q P → Q が存在する。f f f の上の二つの分解の射は鎖ホモトピックである。
M → J M\to J M → J が分解、N → I N\to I N → I が入射分解ならば、f f f の上の分解の射J → I J\to I J → I が存在する。f f f の上の二つの分解の射は余鎖ホモトピックである。
証明. 主張 (1) を示す。P − 1 = M P_{-1}=M P − 1 = M 、Q − 1 = N Q_{-1}=N Q − 1 = N 、d 0 P = ε P d_0^P=\varepsilon_P d 0 P = ε P 、d 0 Q = ε Q d_0^Q=\varepsilon_Q d 0 Q = ε Q 、φ − 1 = f \varphi_{-1}=f φ − 1 = f とおく。P 0 P_0 P 0 の射影性によりf ε P f\varepsilon_P f ε P をε Q \varepsilon_Q ε Q に沿って持ち上げ、φ 0 \varphi_0 φ 0 を得る。n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 とし、それまでの成分が鎖写像の等式を満たすとする。d n − 1 Q φ n − 1 d n P = φ n − 2 d n − 1 P d n P = 0 d_{n-1}^Q\varphi_{n-1}d_n^P=\varphi_{n-2}d_{n-1}^Pd_n^P=0 d n − 1 Q φ n − 1 d n P = φ n − 2 d n − 1 P d n P = 0 なので、φ n − 1 d n P \varphi_{n-1}d_n^P φ n − 1 d n P は核ker d n − 1 Q \ker d_{n-1}^Q ker d n − 1 Q を通る。完全性からQ n → ker d n − 1 Q Q_n\to\ker d_{n-1}^Q Q n → ker d n − 1 Q はエピ射である。P n P_n P n の射影性によって核への射を持ち上げると、必要な成分φ n \varphi_n φ n を得る。
二つの射の差をθ = φ − ψ \theta=\varphi-\psi θ = φ − ψ とし、θ − 1 = 0 \theta_{-1}=0 θ − 1 = 0 、h − 1 = 0 h_{-1}=0 h − 1 = 0 とおく。n = 0 n=0 n = 0 ではd 0 Q θ 0 = 0 d_0^Q\theta_0=0 d 0 Q θ 0 = 0 である。一般に、前の次数で
θ n − 1 = d n Q h n − 1 + h n − 2 d n − 1 P \theta_{n-1}=d_n^Qh_{n-1}+h_{n-2}d_{n-1}^P θ n − 1 = d n Q h n − 1 + h n − 2 d n − 1 P が成り立つならば、鎖写像の等式から
d n Q ( θ n − h n − 1 d n P ) = θ n − 1 d n P − d n Q h n − 1 d n P = 0. d_n^Q(\theta_n-h_{n-1}d_n^P)=
\theta_{n-1}d_n^P-d_n^Qh_{n-1}d_n^P=0. d n Q ( θ n − h n − 1 d n P ) = θ n − 1 d n P − d n Q h n − 1 d n P = 0. したがってθ n − h n − 1 d n P \theta_n-h_{n-1}d_n^P θ n − h n − 1 d n P はker d n Q \ker d_n^Q ker d n Q を通る。エピ射Q n + 1 → ker d n Q Q_{n+1}\to\ker d_n^Q Q n + 1 → ker d n Q に沿う持ち上げh n h_n h n をとると、θ n = d n + 1 Q h n + h n − 1 d n P \theta_n=d_{n+1}^Qh_n+h_{n-1}d_n^P θ n = d n + 1 Q h n + h n − 1 d n P を得る。得られた射の族が鎖ホモトピーである。可算個の持ち上げには§E1.21 系 4.3 を用いる。
主張 (2) を示す。A o p \mathcal A^{\mathrm{op}} A op では余鎖の分解が鎖の分解となり、終域の入射性が始域の射影性になる。射f o p : N → M f^{\mathrm{op}}:N\to M f op : N → M に主張 (1) を適用すると主張 (2) を得る。▨
系 3.2. 同じ対象の二つの射影分解の間には恒等射の上の射が両向きに存在する。この二つの射は互いに鎖ホモトピー逆である。同じ対象の二つの入射分解の間には恒等射の上の射が両向きに存在する。この二つの射は互いに余鎖ホモトピー逆である。
証明. 定理 3.1 により恒等射を両向きに持ち上げる。各合成と分解の恒等射は同じ対象の恒等射の上にあるので、比較定理の一意性によりホモトピックである。▨
例 3.4. 正整数n n n に対し、η n ( 1 ) = 1 / n + Z \eta_n(1)=1/n+\Z η n ( 1 ) = 1/ n + Z とおくと
0 ⟶ Z / n Z → η n Q / Z → ⋅ n Q / Z ⟶ 0 0\longrightarrow\Z/n\Z\xrightarrow{\eta_n}\Q/\Z
\xrightarrow{\cdot n}\Q/\Z\longrightarrow0 0 ⟶ Z / n Z η n Q / Z ⋅ n Q / Z ⟶ 0 は入射分解である。η n \eta_n η n の像がn n n 倍写像の核であり、Q / Z \Q/\Z Q / Z の可除性からn n n 倍写像は全射だからである。
商写像Z / 6 Z → Z / 2 Z \Z/6\Z\to\Z/2\Z Z /6 Z → Z /2 Z の上には、次数0 , 1 0,1 0 , 1 の成分がそれぞれ( ⋅ 3 , ⋅ 1 ) (\cdot3,\cdot1) ( ⋅ 3 , ⋅ 1 ) である分解の射φ \varphi φ と、( ⋅ 9 , ⋅ 3 ) (\cdot9,\cdot3) ( ⋅ 9 , ⋅ 3 ) である分解の射ψ \psi ψ がある。実際3 / 6 = 9 / 6 = 1 / 2 ( m o d Z ) 3/6=9/6=1/2\pmod\Z 3/6 = 9/6 = 1/2 ( mod Z ) であり、2 ⋅ 3 = 1 ⋅ 6 2\cdot3=1\cdot6 2 ⋅ 3 = 1 ⋅ 6 、2 ⋅ 9 = 3 ⋅ 6 2\cdot9=3\cdot6 2 ⋅ 9 = 3 ⋅ 6 である。h 1 = ⋅ ( − 1 ) h^1=\cdot(-1) h 1 = ⋅ ( − 1 ) とおけば、φ 0 − ψ 0 = h 1 ( ⋅ 6 ) \varphi^0-\psi^0=h^1(\cdot6) φ 0 − ψ 0 = h 1 ( ⋅ 6 ) 、φ 1 − ψ 1 = ( ⋅ 2 ) h 1 \varphi^1-\psi^1=(\cdot2)h^1 φ 1 − ψ 1 = ( ⋅ 2 ) h 1 であり、二つの射は余鎖ホモトピックである。
例 3.5. Z → Q → Q / Z \Z\to\Q\to\Q/\Z Z → Q → Q / Z と、Z \Z Z を次数零に置いて恒等射を添加した複体は、ともにZ \Z Z の分解である。前者から後者へ恒等射の上の射は存在しない。次数零の射g : Q → Z g:\Q\to\Z g : Q → Z は包含Z → Q \Z\to\Q Z → Q の左逆でなければならないが、g ( 1 ) = n g ( 1 / n ) g(1)=n g(1/n) g ( 1 ) = n g ( 1/ n ) はすべての正整数n n n で割り切れるので零であり、さらにn g ( m / n ) = m g ( 1 ) = 0 n g(m/n)=m g(1)=0 n g ( m / n ) = m g ( 1 ) = 0 からg = 0 g=0 g = 0 となる。したがって比較定理の終域の入射性は外すことができない。
4 馬蹄補題
定理 4.1. アーベル圏の短完全列0 → A → i B → p C → 0 0\to A\xrightarrow{i}B\xrightarrow{p}C\to0 0 → A i B p C → 0 について、次が成り立つ。
A , C A,C A , C の射影分解P , Q P,Q P , Q が与えられているとする。このとき、B B B の射影分解E E E とi , p i,p i , p の上の分解の射P → E → Q P\to E\to Q P → E → Q であって、各次数でE n = P n ⊕ Q n E_n=P_n\oplus Q_n E n = P n ⊕ Q n 、二つの射が双積の入射と射影であるものが存在する。
A , C A,C A , C の入射分解I A , I C I_A,I_C I A , I C が与えられているとする。このとき、B B B の入射分解I B I_B I B とi , p i,p i , p の上の分解の射I A → I B → I C I_A\to I_B\to I_C I A → I B → I C であって、各次数でI B n = I A n ⊕ I C n I_B^n=I_A^n\oplus I_C^n I B n = I A n ⊕ I C n 、二つの射が双積の入射と射影であるものが存在する。
証明. 主張 (1) を示す。短完全列0 → U → α V → β W → 0 0\to U\xrightarrow{\alpha}V\xrightarrow{\beta}W\to0 0 → U α V β W → 0 とエピ射a : P ′ → U a:P'\to U a : P ′ → U 、c : Q ′ → W c:Q'\to W c : Q ′ → W をとり、Q ′ Q' Q ′ を射影的とする。β ℓ = c \beta\ell=c β ℓ = c を満たすℓ : Q ′ → V \ell:Q'\to V ℓ : Q ′ → V をとり、双積からの射b = ( α a , ℓ ) : P ′ ⊕ Q ′ → V b=(\alpha a,\ell):P'\oplus Q'\to V b = ( α a , ℓ ) : P ′ ⊕ Q ′ → V を定める。双積の短完全列から与えられた短完全列への射( a , b , c ) (a,b,c) ( a , b , c ) に§E9.20 定理 2.5 を適用する。coker a = coker c = 0 \operatorname{coker}a=\operatorname{coker}c=0 coker a = coker c = 0 なので、coker b = 0 \operatorname{coker}b=0 coker b = 0 であり、
0 ⟶ ker a ⟶ ker b ⟶ ker c ⟶ 0 0\longrightarrow\ker a\longrightarrow\ker b\longrightarrow\ker c\longrightarrow0 0 ⟶ ker a ⟶ ker b ⟶ ker c ⟶ 0 は短完全列である。
第1段の構成を、まず( U , V , W ) = ( A , B , C ) (U,V,W)=(A,B,C) ( U , V , W ) = ( A , B , C ) 、( a , c ) = ( ε P , ε Q ) (a,c)=(\varepsilon_P,\varepsilon_Q) ( a , c ) = ( ε P , ε Q ) として適用し、E 0 = P 0 ⊕ Q 0 → B E_0=P_0\oplus Q_0\to B E 0 = P 0 ⊕ Q 0 → B を得る。次に得られた核の短完全列へ、P 1 → ker ε P P_1\to\ker\varepsilon_P P 1 → ker ε P とQ 1 → ker ε Q Q_1\to\ker\varepsilon_Q Q 1 → ker ε Q を用いて適用する。この操作を反復し、E n = P n ⊕ Q n E_n=P_n\oplus Q_n E n = P n ⊕ Q n から前の段の核へのエピ射b n b_n b n を得る。核の包含をk n − 1 k_{n-1} k n − 1 とするとd n E = k n − 1 b n d_n^E=k_{n-1}b_n d n E = k n − 1 b n である。定理 2.3 の像と核の計算から完全性を得る。各E n E_n E n は命題 1.6 の双対により射影的である。
各段の核への射は元の可換図式から核の普遍性で誘導される。その定義式に核の包含を合成すると、双積の入射と射影が微分と可換であることを得る。可算反復には§E1.21 系 4.3 を適用する。主張 (2) を示す。反対圏の短完全列0 → C → B → A → 0 0\to C\to B\to A\to0 0 → C → B → A → 0 に同じ構成を適用し、双積の因子を交換すると入射側を得る。▨