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現代数学
文献あり

層に対する演算2(順像と逆像)

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順像と逆像

この節では位相空間の間の連続写像f:XYに関して層を変形させる演算を考えましょう.この連続写像でX上の層を押してY上の層を作ったり,Y上の層を引き戻してX上の層を作ったりします.この操作で別の空間の層を作るので外部演算とも呼ばれたりします.

順像

f:XYを位相空間の間の連続写像とします.これによってX上の層FSh(X)からY上の層GSh(Y)を作ることを考えましょう.このためにはまずYの開部分集合Vに対して切断を定めなければなりません.fは連続なのでf1(U)Xの開部分集合になるのでG(V):=F(f1(V))としてみます.すると,Yの開部分集合の組VVに対してf1(V)f1(V)なのでρf1(V),f1(V)F:F(f1(V))F(f1(V))が定まっています.これをρV,VGとすればFが前層であることからGも前層になることが分かります.さらにYの開部分集合Vとその開被覆{Vi}iIに対して,{f1(Vi)}iIf1(V)の開被覆になること・Gの制限写像の定義・Fが層であることからGが貼り合わせ条件を満たして層になることが分かります.このやり方でFSh(X)fで押し出すことができました.これをfFと書きます.X上の層の射φ:FFYの開部分集合Vに対して,(fφ)V:=φf1(V):(fF)(V)(fF)(V)と定めるとfφfFからfFへの層の射となります.fは射の合成を保つこともチェックできます.

層の順像

f:XYを位相空間の間の連続写像,FSh(X)とする.このとき,Yの開部分集合Vに対して(fF)(V):=F(f1(V)),開部分集合の組VVに対してρV,VfF:=ρf1(V),f1(V)Fと定めた層fFFfによる順像または押し出しと呼ぶ.また,函手f:Sh(X)Sh(Y)fによる順像函手と呼ぶ.

大域切断は順像の特殊な場合

一点からなる位相空間をpt={pt}と書く.pt上の層はその一点の切断を決めれば定まるので,Sh(pt)はアーベル圏の圏Abと同一視できる.さて,位相空間Xからptへの連続写像をaX:Xptと書く.このとき,aX1(pt)=Xであることと上の同一視から,FSh(X)に対して自然にaXFΓ(X;F)=F(X)となる.すなわち,aXΓ(X;):Sh(X)Abである.

包含写像による順像

ZXの閉部分集合としてi:ZXを包含写像する.このとき,FSh(Z)に対してiFの茎は
(iF)x{Fx(xZ)0(xXZ)
を満たす.特にこのときは順像函手i:Sh(Z)Sh(X)は完全函手である.Zが閉点一点でix:{x}Xを包含写像とするとき,MAbに対してixM摩天楼層とも呼ぶ.一方で,UXの開部分集合としてj:UXを包含写像とするとき,FSh(U)xXUに対して(jF)x0は一般には分からない.実際,包含写像j:(0,+)Rに対して(jZ(0,+))0Zである.

開部分集合・閉部分集合の包含写像の記号

ここでは開部分集合の包含写像をj,閉部分集合の包含写像をiと書く記号法を採用しているが,他の文献では逆の記号法を用いる場合もあるので注意.

定義から次もすぐに分かります.

順像は連続写像の合成に関しても函手的

f:XY,g:YZを二つの連続写像とするとき,FSh(X)に対して自然にg(fF)(gf)Fである.すなわち,函手として自然同値gf(gf):Sh(X)Sh(Z)が成り立つ.

上の命題から特に連続写像f:XYFSh(X)に対して,
Γ(Y;fF)aYfFaXFΓ(X;F)
が成り立ちます.

二重被覆による順像

X=Y=C{0}としてf:XY,zz2とする.このとき,X上の定数層ZXfによる順像fZXを考えてみる.Y内の開円盤Vに対してf1(V)V二つのコピーの非交和VVと同じなのでfZ|VZV2であることが分かる.このように各点の近傍で定数層と同形になる層のことを局所定数層または局所系と呼ぶ(局所系は各茎に有限性を課すこともある).しかし,fZXは定数層ではない.実際,Γ(Y;fZX)Γ(X;ZX)ZであるからfZXZY2は同形ではない(後者の大域切断はZ2).

第3節 で脆弱層というものを定義しました.FSh(X)が脆弱であるとは任意のXの開部分集合Uに対して制限写像ρU,XF:F(X)F(U)が全射になることでした.脆弱層の順像も脆弱層になります.

脆弱層の順像も脆弱

f:XYを位相空間の間の連続写像,FSh(X)X上の脆弱層とする.このとき,fFSh(Y)Y上の脆弱層である.

任意のYの開部分集合Vに対してρV,YfF=ρf1(V),XFであるから全射である.

逆像

次に連続写像f:XYによってY上の層GSh(Y)X上に引き戻すことを考えましょう.Xの開部分集合Uに対して,f(U)Vを満たすYの開部分集合Vを渡るときのG(V)の帰納極限
limf(U)VG(V)
を対応させて,Xの開部分集合の組UUに対して帰納極限に誘導される写像limf(U)VG(V)limf(U)VG(V)を制限写像とすれば,これは前層になります.これをここだけの記号でfGと書くことにしましょう.残念ながらfGは一般には層ではありません.

安直な引き戻しが層にならない例

Y=ptとしてaX:Xptを一点への写像とすると,aXZは任意の空でない開集合に対してZを返し空でない開集合間の制限写像が恒等写像となる前層なので,これは 第1節 で見た定数前層である.よって,一般には層ではない.

一般に層ではない前層があったらどうするかというのはだんだんわかってきたと思いますが,層化を取ればよいわけです.fの対応は層の射φ:GGに対して前層の射fφ:fGfGを引き起こし,それを層化すれば(fφ)+:(fG)+(fG)+が引き起こされることにも注意します.

層の逆像

f:XYを位相空間の間の連続写像,GSh(X)とする.このとき,Xの開部分集合Uに対して(fF)(U):=limf(U)VG(V),開部分集合の組UUに対して帰納極限から誘導された写像limf(U)VG(V)limf(U)VG(V)を制限写像ρU,UfGと定めた前層fの層化をf1Gと書き,Gfによる逆像または引き戻しと呼ぶ.また,函手f1:Sh(Y)Sh(X)fによる逆像函手と呼ぶ.

逆像函手の記号のブレについて

fによる逆像函手をfと書く場合もあるが,代数幾何などではfGは別の意味OXf1OYGf1は我々の定義)に使うことが多いのでこの記号は使わない.

定数層・茎は逆像の特殊な場合

(i) Xを位相空間としてaX:Xptを一点への写像とする.このとき,アーベル群MAbに対してaX1MMX(定数層)である.実際,aXMは定数前層なのでその層化は定数層MXである.
(ii) Xを位相空間,xXとしてix:{x}Xを包含写像とする.一点からなる空間上の層はAbと同一視されたことを思い出せば,逆像と茎の定義からFSh(X)に対してix1FFxである.

開部分集合の包含写像j:UXFSh(X)に対してj1FF|Uであることが分かります.これに基づいて逆像を使って層の制限の概念を拡張しておきます.

局所閉集合への制限

Zを位相空間Xの局所閉部分集合,すなわち開部分集合と閉部分集合の共通部分として,i:ZXを包含写像とする.このとき,FSh(X)に対して,F|Z:=i1FSh(Z)と定めてFZへの制限と呼ぶ.

例えばCX0|ZX内のZの近傍で定義された連続函数の層になります.

逆像に関して重要なことは茎が次のように計算できることです.

逆像の茎は像での茎

f:XYを位相空間の間の連続写像,GSh(Y)とする.このとき,同形(f1G)xGf(x)が成り立つ.

層化は茎を保つので(f1G)x(fG)xである.ここでfの連続性と帰納極限の性質から
(fG)x=limxUlimf(U)VG(V)limf(x)VG(V)=Gf(x)
となることが分かる.

射影による逆像

X=Y×Zとしてp:XYを第一射影とする.このとき,GSh(Y)に対して(p1G)(y,z)Gyである.すなわち,p1GZ方向にGのコピーを並べたX=Y×Z上の層になる.

逆像と順像との随伴

上で定義した層の逆像と順像は実は随伴の関係になっています.

層の逆像と順像は随伴

f:XYを位相空間の間の連続写像とする.このとき,FSh(X),GSh(Y)に対して自然な同形
HomSh(X)(f1G,F)HomSh(Y)(G,fF)
が成り立つ.また,これらに対して自然な同形
fHomX(f1G,F)HomY(G,fF)
も成り立つ.

概略

後半の同形で大域切断を取れば前半が得られるが,後半の同形は前半の議論を各開集合ごとに行えばよいので,前半の概略だけ説明する.層化の普遍性よりHomSh(X)(f1G,F)HomPSh(X)(fG,F)であるから,同形
HomPSh(X)(fG,F)HomSh(Y)(G,fF)
を示せばよい.
前層の射φ:fGFが与えられたとする.すると,任意のXの開部分集合Uに対してφU:(fG)(U)=limf(U)VG(V)F(U)が定まっている.一方でVを任意のYの開部分集合とすると,f(f1(V))Vだから帰納極限にG(V)limf(f1(V))VG(V)が定まる(これは実質的に層の射Gff1Gを定めている).上でU=f1(V)として合成
G(V)limf(f1(V))VG(V)F(f1(V))
を考えれば,これはψV:G(V)(fF)(V)を与えてψ={ψV}VYは層の射ψ:GfFを定めることがチェックできる.
逆に層の射ψ:GfFが与えられたとする.つまり,任意のYの開部分集合Vに対してψ:G(V)(fF)(V)=F(f1(V))が定まっている.Xの開部分集合Uに対してf(U)VなるYの開部分集合Vを取れば,Uf1(V)であるから制限写像F(f1(V))F(U)ある.帰納極限を取ればlimf(U)VF(f1(V))F(U)が定まる(これは実質的に層の射f1fFFを定めている).よって,帰納極限に誘導される写像との合成
limf(U)VG(V)limf(U)VF(f1(V))F(U)
を考えれば,これはφU:(fG)(U)F(U)を与えてφ={φ}UXは前層の射φ:fGFを定めることがチェックできる.
これらの対応は互いに逆を与えるので,同形が証明された.

上の随伴,または証明中での構成から,FSh(X),GSh(Y)に対して標準的な層の射
Gff1G,f1fFF
が存在します(随伴のunit・counitのこと).随伴の証明はunit・counitの条件を調べる方が簡単かもしれませんが,上では愚直に説明しました.
Xを位相空間として,Xに離散位相を入れたものをX^と書き,p:X^Xを標準的な連続写像とします.このとき,FSh(X)に対してpp1Fは不連続切断の層[F]と同形であり,自然な層の射Fpp1F[F]ε:F[F]と同一視されます.このようにして脆弱層への埋め込みを構成することもできます.

随伴を用いると様々なことが系として得られます.

逆像は連続写像の合成に関しても函手的

f:XY,g:YZを二つの連続写像とするとき,HSh(Z)に対して自然にf1(g1H)(gf)1Hである.すなわち,函手として自然同値f1g1(gf)1:Sh(Z)Sh(X)が成り立つ.

これを使うと逆像の茎の計算は次のようにも説明できます.f:XYを位相空間の間の連続写像,GSh(X)とします.ix:{x}Xを包含写像としたとき,(f1G)xix1f1G(fix)1Gであってfixif(x):{f(x)}Yと同一視できるので結局if(x)1GGf(x)と同形になります.

逆像の完全性と順像の左完全性

f:XYを連続写像とする.このとき,逆像函手f1:Sh(Y)Sh(X)は完全函手であり,順像函手f:Sh(X)Sh(Y)は左完全函手である.

f1の完全性は命題7の茎の同形から,fの左完全性は右随伴函手であることから従う.

随伴を使うと順像函手が入射的層を入射的層に送ることも分かります.次の証明は筆者は初めて見たときに随伴って偉いんだなぁと結構感動した記憶があります.

入射的層の順像も入射的

f:XYを位相空間の間の連続写像として,ISh(X)を入射的層とする.このとき,fISh(Y)も入射的層である.

随伴性から
HomSh(X)(f1(),I)HomSh(Y)(,fI)
が成り立つが,左辺の函手は完全函手の合成だから完全である.よって,右辺も完全でありfIは入射的である.

高次順像について少し

連続写像f:XYに対して順像函手f:Sh(X)Sh(Y)は左完全でした.左完全函手については 第4節 で右導来函手を定義したので,nZ0に対してfn次の右導来函手Rnf:Sh(X)Sh(Y)を考えることができます.このRnf高次順像とも呼びます.具体的にはFSh(X)に対して入射分解0FIを一つ取り,fIというSh(Y)における複体のn次コホモロジーをRnfFとすればよいのでした.高次順像は別の記述もあります.

高次順像は開集合の引き戻し上のコホモロジーを対応させる前層の層化

連続写像f:XYFSh(X)に対して,任意のnZ0についてRnfFSh(Y)Y上の前層
VHn(f1(V);F)
の層化である.

Fの入射分解0FI0d0I1d1I2d2を一つ取ると,RnfFKerf(dn)/Imf(dn1)(ただしd1=0)であった.右辺は商層の意味なので,これはY上の前層
V Kerf(dn)V/Imf(dn1)V= Ker(df1(V)n:In(f1(V))In+1(f1(V)))/Im(df1(V)n1:In1(f1(V))In(f1(V)))= Hn(f1(V);F)
の層化である.

別の説明として普遍δ函手を使っても以下のように証明できます.FSh(X)に対してVHn(f1(V);F)というY上の前層の層化を対応させる函手をTnと書くと,層化函手が完全函手(例えば茎を見れば分かる)ことからT={Tn}nδ函手となることが分かります.任意のX上の入射的層ISh(X)に対してTn(I)=0(層化する前に0だから)でT0fなので導来函手の普遍性によってRfTとなります.

さて,連続写像f:XYFSh(X)に対して,同形Γ(Y;fF)Γ(X;F)が成り立ったのでした.それでは層係数コホモロジーと高次順像についても同様のことが期待できるでしょうか?答えはそのままではNoですが,スペクトル系列というものを使うというのが一つの手です.詳しくは説明しませんが,
E2p,q=Hp(Y;RqfF)Hp+q(X;F)
となるスペクトル系列(Lerayスペクトル系列と呼ばれます)が存在するので,Hn(X;F)を高次順像のコホモロジーで計算することはできます.しかし,スペクトル系列などが出てきて何だか複雑ですね.これは完全からのズレをはかるために商空間を取ってコホモロジーを考えたことが原因なのです.そこで「コホモロジーが同じものは同じだとみなしたいが,コホモロジーは取りたくない」という贅沢で矛盾めいた(?)悩みが出てきます.これを実現したのが導来圏という概念なのです!すると,実際にコホモロジーや高次順像などを導来圏に適切に持ち上げてやると合成が簡単に計算できます.これについてはまたの機会に説明しましょう.

まとめ

この節では

  • 層の逆像と順像・様々な性質と例
  • 逆像と順像の随伴
  • 高次順像

について説明しました.

参考文献

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Masaki Kashiwara and Pierre Schapira, Sheaves on Manifolds, Grundlehren der mathematischen Wissenschaften, Springer, 1990
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Birger Iversen(著),前田博信(訳), 層のコホモロジー, 丸善出版, 1995
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廣中平祐(講義),森重文(記録), 代数幾何学, 京都大学学術出版会, 2004
[4]
上野健爾, 代数幾何, 岩波書店, 2005
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Masaki Kashiwara and Pierre Schapira, Categories and Sheaves, Grundlehren der mathematischen Wissenschaften, Springer, 2006
[6]
Alexandru Dimca, Sheaves in Topology, Universitext, Springer, 2013
[7]
Sergei I. Gelfand and Yuri I. Manin, Methods of Homological Algebra, Springer Monographs in Mathematics, Springer, 1997
[8]
Joseph Bernstein and Valery Lunts, Equivariant Sheaves and Functors, Lecture Notes in Mathematics, Springer, 1994
[9]
Jean-Pierre Schneiders, Introduction to characteristic classes and index theory, Textos de Matemática, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, 2000
[10]
Alexander Grothendieck, Sur quelques points d'algèbre homologique, Tohoku Math. J., 1957, pp. 119--221
投稿日:2021522

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層理論が好きです.広い意味での代数解析についての記事を書いています.

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  2. 順像
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  4. 逆像と順像との随伴
  5. 高次順像について少し
  6. まとめ
  7. 参考文献
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