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射影加群は自由加群の直和因子として現れる

の上で を加群と見ます。これは射影加群ですが、自由加群ではありません[2]。

元の個数が なので、 とは同型になりません。それでも自由加群の直和因子にはなっている。基底を持たないまま、自由加群の一部として現れます。

自由加群

が自由とは、 のコピーの直和として書けることをいいます。

基底を持つこと、つまりどの元も基底の 線型結合として一意に書けること、と言いかえられます。

、多項式環 、行列のなす加群。どれも基底が目に見える形で並びます。

射影加群

が射影的とは、全射 と写像 に対し、 となる がとれることです[2]。

自由加群は射影的です。基底の行き先を の中で 1 つずつ選べばよく、全射なので選べます[2]。

逆は成り立ちません。冒頭の がその例になります。

同値な言いかえ

次の条件はすべて同値です[2,4]。

は射影加群である。
は自由加群の直和因子である。
を終域とする短完全列 がつねに分裂する。
関手 が完全である。
任意の について が成り立つ。

直和因子であることの証明は短い。 の生成系から全射 を作ると、射影性からこれが分裂します[2]。

逆に なら、 の持ち上げを作って の成分に落とせばよい。

が消えるという形は、ホモロジー代数で使う顔です。射影分解の出発点になります。

例: の上で

、 とします。 を全射とし、 となる をとる。

の生成する部分加群は と同型になります。 が分裂を与えるので、 は射影的です[2]。

背景は環の分解です。 なので、 は 自身の直和因子。

の上では話が変わります。 は分裂しないので、 は射影的ではありません[2]。

環を分解できるかどうかが効いています。 が連結でないと、自由でない射影加群が現れやすい。

例:デデキント整域のイデアル

、 をとります。これは単項ではありません。

それでも は射影加群です。デデキント整域では、 でないイデアルがすべて可逆で、したがって射影的になります。

さらに が成り立ちます。 という関係を使うと、次が出ます。

自身は自由でないのに、2 つ重ねると自由になる。階数が の射影加群が自由でない、という現象がここに出ています。

は連結なので、前の例とは事情が違います。連結でも自由でない射影加群が作れる、という例になっている。

有限生成なら局所自由

有限生成の射影加群には、幾何的な言いかえがあります[1,3]。

が有限表示かつ平坦である。
が有限生成射影加群である。
が有限自由加群の直和因子である。
が有限表示で、どの極大イデアルでの局所化も自由である。

これらはすべて同値です[1]。有限生成射影加群とは、各点の近くで自由な加群のこと。

大域で自由になるとは限りません。局所的に自由でも、貼り合わせでねじれが入ることがあります[3]。

幾何ではベクトル束にあたります。 は、ねじれた束を 2 つ重ねるとねじれが打ち消える、という現象です。

自由になる場合

条件を足すと、射影加群が自由になります。

局所環の上では、有限生成射影加群がつねに自由です[4]。剰余体で数えた次元だけの基底がとれる。

単項イデアル整域の上でも、射影加群は自由になります。有限生成でなくても成り立つ強い結果です。

体上の多項式環 では、有限生成射影加群が自由になります。Quillen と Suslin が 1976 年に示したものです[4]。

自由加群

基底がある。どの元も一意に表せる

射影加群

自由加群の直和因子。基底がないこともある

無限生成でも手がかりはあります。Kaplansky の定理により、射影加群は可算生成な射影加群の直和に分かれます[4]。

平坦加群との関係

包含関係は次のとおりです。

射影加群が平坦であることは、直和因子であることから出ます。自由加群とテンソルすると完全性が保たれ、その直和因子も保つ。

逆向きは一般に成り立ちません。 は 上平坦ですが射影的ではない。

有限表示という条件を足すと、平坦と射影が一致します[1]。差が出るのは無限生成の側だけです。

有限表示のもとで平坦と射影が一致するのは、局所自由という共通の言いかえに落ちるためです。

平坦性も射影性も、点ごとに見れば自由であることを意味します。差は大域の有限性の扱いから来ます。

階数

が連結なら、有限生成射影加群の階数は一定です。各点での局所化の階数がそろう。

連結でないと階数が変わります。 で をとると、片方の点で階数 、もう片方で 。

この は の直和因子なので射影的です。それでも自由ではありません。階数がそろわないため。

階数が一定でも自由とは限らないのは、 の例が示すとおりです。

上の加群のうち、射影的なものはどれですか。

__RESULT__

上の射影加群は自由加群に限られます。 は平坦ですが自由ではなく、 はねじれを持つので自由になりません。

まちがえやすい点

射影的なら自由だと思う。 上の が反例です。
平坦なら射影的だと考える。有限表示の条件がないと崩れます。
階数が一定なら自由だと決めてかかる。 のイデアルが反例になります。
局所自由と自由を同じものとして扱う。貼り合わせでねじれが残ることがあります。
無限生成の射影加群を有限生成と同じ扱いにする。局所自由の言いかえが使えません。

基底がなくても、自由加群の一部として置ける。この一歩ゆるめた条件が、ホモロジー代数とベクトル束の両方を支えています。

参考

Finite projective modules, Lemma 10.78.2. The Stacks Project.
Romyar Sharifi. *Homological Algebra*, §3.2. University of California, Los Angeles.
Wolfgang Soergel. *Kommutative Algebra und Geometrie*, 4.3.35. Universität Freiburg.
Projective module. Encyclopedia of Mathematics.
$\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}$ 上の $\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}$ は元が 3 個しかないので自由ではありません。それでも射影的です。全射の上へ写像を持ち上げられること、自由加群の直和因子であること、$\operatorname{Ext}^1$ が消えることが同値。有限生成なら局所自由と一致し、幾何ではベクトル束にあたります。$\mathbb{Z}[\sqrt{-5}]$ のイデアルは自由でないのに 2 つ重ねると自由になる。