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層とはなにか?局所を貼って大域を作るための約束ごと

層は、局所的なデータを貼り合わせて大域的なデータにするための約束ごとです。

開集合ごとにデータを置き、小さい開集合へ制限できるようにする。ここまでが前層です。

そこに 2 つの条件を足すと層になります。重なりで一致する局所データが、ただ 1 つの大域データに貼り合わさる、という条件です。

以下では前層から始め、層でない例を 3 つ作ります。茎・層化・構造層まで進み、大域切断がどこで足りなくなるかを見る。

前層

位相空間 の上の前層 とは、次の 2 つの組です[1]

各開集合 に集合 を対応させ、包含 ごとに制限写像を与えます。

条件は 2 つです。 が恒等写像であること、 に対して が成り立つこと。

値は集合でも群でも環でもよく、その場合は制限写像も準同型にします。代数幾何では環や加群を使います。

の元を の上の切断といい、 という記法で制限を書きます。

2 つの公理

前層に次を足すと層になります[1]

一意性。開被覆 について がすべての で成り立つなら
貼り合わせ。 が重なりの上で一致するなら、 となる が存在する。

一意性は「局所的に同じなら同じ」、貼り合わせは「局所的に作れるなら作れる」と読めます。

2 つを合わせると、 が局所データから完全に決まります。大域を局所から復元できる、ということです。

関数の集まりはたいていこの条件をみたします。関数であることが局所的な性質だからです。

貼り合わせを絵にする

公理の中身を描いておきます。

上の 2 本が局所切断で、薄い四角が重なりです。そこで値が一致していれば、下の 1 本にまとまります。

一意性の公理は、まとまり方が 1 通りしかないと言っています。2 通りできてしまうと、大域データが決まりません。

例: 連続関数の層

いちばん素直な例です。 上の連続関数の全体とします。

制限は関数の制限です。前層の条件は明らかに成り立ちます。

一意性も成り立ちます。すべての で一致する関数は、点ごとに一致するためです。

貼り合わせも成り立ちます。連続性が局所的な性質なので、各 で連続なら 全体で連続です。

したがって は層です。同じ議論が滑らかな関数や正則関数にも通ります。

例: 層にならない前層

条件が破れる例を 3 つ作ります。

定数前層

すべての開集合に同じ群 を対応させ、制限を恒等写像とします。 が 2 つの交わらない開集合に分かれるとき、それぞれで違う値をとる組が貼り合わせられません。層ではありません。

有界連続関数

の上で、有界な連続関数だけを集めます。 は各有界開区間で有界ですが、貼り合わせると有界でなくなります。貼り合わせの公理が破れます。

定数値をもつ関数

に定数関数だけを置きます。 が連結でない場合、成分ごとに違う定数をとる関数が作れません。定数前層と同じ理由で層になりません。

いずれも「局所的でない条件」を課したせいで壊れています。有界性も定数であることも、局所的な性質ではありません。

局所的に確かめられる条件だけを課すと、自然に層になります。連続性や正則性がその例です。

茎と芽

点のまわりの情報だけをとり出す道具が茎です[1]

を含む開集合の上の切断を集め、 の近くで一致するものを同一視します。この類を芽といいます。

芽は「点の近くでの姿」です。どんな近傍でとったかは忘れます。

連続関数の層なら、 の近くで定義された連続関数の芽の全体です。

構造層なら茎が局所環になります。 の点 での茎は です[3]

局所から大域を作る

貼り合わせのようすを動かします。

3 本の局所切断が、重なりの上で同じ値をとっています。だから 1 本につながります。

つながる先が 1 通りしかない、というのが一意性の公理です。図では上下にずらしてある 3 本が、ぴったり重なる位置へ落ちます。

重なりで値が違えば、貼り合わせられません。その場合は大域切断が作れず、障害として残ります。

層化

前層を層に直す操作があります[1]

前層 に対して、普遍性をもつ層 が 1 つ決まります。 から層への射が、すべて を経由する形です。

作り方の 1 つは、茎を集めて局所的に切断らしいものを集める方法です。芽の族のうち、局所的に切断から来るものを切断とします。

定数前層を層化すると、局所定数関数の層になります。成分ごとに値を選べるようになる。

茎は変わりません。層化しても、点のまわりの情報は同じです。

構造層

代数幾何でいちばん使う層が構造層です[4]

に対して、基本開集合 の上の切断を と定めます。茎は です[5]

大域切断は そのものに戻ります。環から空間を作り、その上の層としてもとの環を復元している形です。

スキームは、局所的にこの形をした局所環付き空間として定義されます[2]。層があって初めて、貼り合わせが意味をもちます。

位相空間だけでは足りません。同じ位相空間に別の構造層が乗ることがあります。

射は茎で判定できる

層の射 とは、各開集合ごとの写像で制限と両立するものです。

が同型であることと、すべての点で茎の写像 が同型であることが同値になります[1]

局所で確かめれば大域が決まる、という層らしい性質です。証明には貼り合わせの公理を使います。

全射性には注意が要ります。茎で全射でも、開集合ごとの写像が全射とは限りません。

この食い違いが、大域切断が足りなくなる原因になります。

大域切断は足りないことがある

層の射が茎で全射でも、大域切断で全射になるとは限りません。

局所的に持ち上げられても、貼り合わせで失敗することがあるためです。重なりの上でずれが残ります。

このずれを測る道具が層コホモロジーです。 が大域切断そのもので、 以上が貼り合わせの障害を表します。

層の言葉を用意しておくと、この障害を群として扱えます。局所と大域の差が、計算できる対象になります。

練習

の上で、各開集合に有界な連続関数の全体を対応させる前層があります。この前層が層にならない理由はどれですか。

  • 制限写像が定義できない
  • 貼り合わせの公理が破れる
  • 一意性の公理が破れる
  • 空集合での値が決まらない
__RESULT__

を考えます。有界開区間 に制限すればどれも有界で、重なりの上で一致します。ところが貼り合わせた 全体では有界でないので、 に入りません。有界性が局所的な性質でないことが原因です。一意性のほうは成り立ちます。

局所的に確かめられる条件かどうか。そこを見れば層になるかが分かります。

よくある誤り

まとめます。

前層と層を同じものだと思う。2 つの公理を足したものが層である。
定数前層を層だと思う。層化すると局所定数層になる。
茎が開集合の切断だと思う。芽の全体で、近傍の情報を忘れている。
茎で全射なら大域切断でも全射だと思う。貼り合わせで失敗することがある。
位相空間が同じなら同じ空間だと思う。構造層まで込みで比べる。
局所的でない条件を課しても層になると思う。有界性が反例になる。

局所で確かめられるか、という問いを最初に立てると、判定がほとんど終わります。

参考文献

Sheaf (mathematics)), Wikipedia (English).
Definition 26.9.1: Schemes, The Stacks Project.
Coherent sheaf, Wikipedia (English).
Scheme (mathematics)), Wikipedia (English).
Schéma (géométrie algébrique)), Wikipédia (français).
開集合ごとにデータを置いて制限できるようにしたものが前層で、そこに一意性と貼り合わせの 2 つを足すと層になります。連続関数は層になり、有界連続関数と定数前層はならない。破れる理由はどちらも、課した条件が局所的でないことにあります。茎と芽、層化、$\operatorname{Spec} A$ の構造層まで進み、茎で全射でも大域切断で全射とは限らないという食い違いにも触れます。