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係数を替えるたびに調べ直さなくてよい、普遍係数定理のしくみ

整数係数のホモロジーさえ分かっていれば、ほかの係数の値は代数だけで決まります。空間をもう一度調べ直す必要はありません。

その計算式を与えるものが普遍係数定理です[1]。答えは つの部分に分かれ、片方は同じ次数から、もう片方は つ下の次数から来ます。

以下ではホモロジーの形とコホモロジーの形を並べ、 と が何を測っているかを確かめ、射影空間やクラインの壺で計算を重ねます。

ホモロジーの普遍係数定理

を位相空間、 をアーベル群とします。次の短完全列があり、これは分裂します[1,2]。

分裂するので、群としては直和に書けます。

つ下の次数から の項が上がってくる、この形が要点です。整数係数で 次にあったねじれが、 次に顔を出します。

Tor が測っているもの

の値は、簡単な規則で計算できます[4]。

自由な群では消えます。 で、 でも同じです。

巡回群では の 倍して になる元が出ます。

巡回群どうしなら最大公約数になります。

が拾うのはねじれどうしの重なりです。片方に のねじれ、係数に のねじれ、なら共通部分がなく になります。

例: 球面

のホモロジーは が か所に立つだけで、ねじれがありません。

自由群では が消えるので、第 項は現れません。

次と 次に が立ち、あとは です。係数をどう変えても形は変わりません。

ねじれのない空間では、普遍係数定理はテンソル積を 回とるだけの規則になります。

例: 実射影平面に mod 2 係数

でした[3]。係数を にします。

次は です。

次は に、 を足します。

次はテンソル側が ですが、 が上がってきます。

整数係数では だった 次に、 が現れました。 次のねじれが つ上へ持ち上がった形です。

例: 有理係数と mod 3 係数

同じ に を入れます。、 です。

でも同じ結果です。 なので、テンソル側も 側も消えます。

係数のねじれと空間のねじれがかみ合わないと、何も見えません。 を見るには で割った係数が要ります。

の整数係数は です。 係数にすると つの次数すべてに が並びます。

コホモロジーの普遍係数定理

矢印を逆にすると、 の代わりに が出てきます[1,2]。

この列も分裂します。ただし分裂は自然ではありません。

ホモロジーの側と違い、 の場合でも中身のある主張になります。整数係数のホモロジーから整数係数のコホモロジーを出す、という使い方が主です。

Ext が測っているもの

の計算規則も短くまとまります[5]。

自由な群では消えます。。

巡回群では商が出ます。 が核をとったのに対し、こちらは余核です。

とくに とすると がそのまま出ます。 なので、ねじれはこちら側にだけ残ります。

意味づけもあります。 の元は、 を で拡大する短完全列の同値類と 対 に対応します[5]。

例: 球面のコホモロジー

()で、ねじれはありません。 の項は消えます。

ホモロジーと同じ形です。自由な部分だけを持つ空間では、上下の区別が見えません。

例: 実射影平面のコホモロジー

に当てます。

次は です。

次は と で、あわせて 。

次は に が加わります。

ホモロジーで 次にあった が、コホモロジーでは 次に移りました。ねじれが つ上へずれる、という現象です[2]。

例: クラインの壺のコホモロジー

です。

次は に、 を足して 。

次は です。

次では がねじれを落とし、 次で が拾い直しています。落としたものが上の階で戻ってくる、という配置です。

分裂するが自然ではない

つの短完全列は分裂します。それでも「自然に」とは書けません[1]。

自然でないとは、空間の写像 をとったとき、直和分解が と両立するとは限らない、という意味です。

群として同型なので、値を計算するぶんには直和の形で困りません。困るのは、写像が誘導する準同型を成分ごとに追いたいときです。

証明でこの列を使うときは、分裂ではなく完全性のほうに寄りかかります。

体を係数にすると簡単になる

が体 なら、 上のベクトル空間はすべて自由です。 も も消えます。

コホモロジーはホモロジーの双対空間です。次元が等しくなるので、上下の区別が消えます。

体係数の計算が易しい理由がここにあります。そのかわり、ねじれの情報は落ちてしまいます。

例: ベッチ数と mod p の次元差

有限生成の場合、 係数の次元は つの量の和になります。

ここで はベッチ数、 は に含まれる ベキの巡回因子の個数です。

で確かめます。 として 、、 なので 次の次元は 。 次は 、 で次元 です。

有理係数と mod 係数の次元差を見れば、 ねじれの個数が読めます。ねじれを直接見ずに、 つの体で測って差をとる手です。

参考文献

Universal coefficient theorem - Wikipedia(英語)
Universelles Koeffiziententheorem - Wikipedia(ドイツ語)
Real projective space - Wikipedia(英語)
Tor functor - Wikipedia(英語)
Ext functor - Wikipedia(英語)
$H_n(X; A)$ は、同じ次数のテンソル積と $1$ つ下の次数の $\mathrm{Tor}$ に分かれます。球面では $\mathrm{Tor}$ が消え、実射影平面では $1$ 次のねじれが $2$ 次へ持ち上がる。$\mathbb{Q}$ や $\mathbb{Z}/3$ を入れると何も見えなくなる様子まで計算で並べました。コホモロジー側は $\mathrm{Ext}$ が担い、ねじれが $1$ つ上の次数へずれます。体係数で列がつぶれる理由と、ベッチ数との次元差からねじれを読む手順も。