無駄のない分解はただ一つ〜極小自由分解と Betti 数
加群を自由加群でつないで書き表す方法が自由分解です。とり方は無数にありますが、無駄を削ると 1 つに決まります[1]。
そこに現れる自由加群の階数が Betti 数。加群に付いた番号として、環と加群の情報を運びます。
生成元だけでは足りない
有限生成加群 に生成元 をとると、全射 ができます。
これで終わりにはできません。生成元のあいだに関係があるためです。 という等式が成り立つことがある。
関係の全体も加群になります。これを syzygy 加群と呼びます[5]。ギリシャ語で「連れ添うもの」という意味の語から来ています。
syzygy 加群にも生成元をとり、その関係を調べる。この繰り返しが自由分解です。

無駄を削る
自由分解のとり方は 1 つではありません。生成元を余分にとれば、いくらでも太らせられます。
削るための条件が極小性です。局所環 や次数付き環で、各写像の行列成分がすべて に入っていること[1]。
成分に単元があると、その行と列を掃き出せます。 の恒等写像がひと組ぶん現れていて、そこは削れる。
成分がすべて に入る自由分解を 極小自由分解 と呼びます。
削れる場所がもうない状態。各段の階数がいちばん小さくなる。
極小自由分解は、同型を除いて一意に決まります[1]。だから各段の階数が、加群だけで決まる不変量になる。
Betti 数
極小自由分解の第 段の階数を と書き、Betti 数と呼びます。
同じものが Tor でも書けます[2]。
理由は極小性です。極小分解を で送ると、写像の成分が に入っているので全部 になる。残るのは各段の ベクトル空間だけです。
だから Tor の次元がそのまま階数になります。分解のとり方によらないことも、この式から言える。
例:剰余体を分解する
で をとります。生成元は 個。
関係は と の 2 本です。次の段は階数 。
その 2 本のあいだの関係は の 1 本だけ。階数 で終わります。
Betti 数は です。これが Koszul 複体[4]。
変数が 本なら、階数は二項係数になります。 と並ぶ。

が正則列なら、Koszul 複体が の自由分解になります[4]。変数はいつでも正則列なので、この形が出る。
長さは変数の本数で止まる
Hilbert の syzygy 定理が、分解の長さを抑えます[1]。
上の有限生成加群は、長さ 以下の自由分解を持ちます。 段目の syzygy 加群が必ず自由になる。
1890 年の論文で示された結果です[1]。ホモロジー代数という分野ができる前の、その最初期の定理にあたります。
環の側で言えば、大域次元が になるということ。有限の大域次元を持つことと正則であることが対応します[3]。
分解は必ず有限段で止まる。長さは変数の本数まで
分解が無限に続くことがある。剰余体の Betti 数が増え続ける
次数付き Betti 数
次数付き環なら、階数だけでなく次数まで見られます。 の生成元が何次に現れるかを数える。
を、第 段の 次の生成元の個数とします。これを表に並べたものが Betti 表です。
表を見ると、分解の形が一目で分かります。どの段にどの次数の関係が現れるか。

例:ねじれ 3 次曲線
のねじれ 3 次曲線をとります。定義イデアル は 2 次式 3 本で生成されます。
その 3 本のあいだの関係は 2 本。分解は次の形で終わります。
生成元が 3 個で関係が 2 個。生成元より関係のほうが少ない、という形が特徴です。
3 本の 2 次式は、 行列の 次の小行列式として書けます。行列 1 つで分解が決まっている。
Hilbert-Burch の定理
いまの形は偶然ではありません。余次元 の Cohen-Macaulay イデアルは、いつでもこの形になります[6]。
の行列をとり、その最大次数の小行列式を並べる。それが生成元になります。
1890 年に Hilbert が多項式環で示し、1968 年に Burch が一般化しました[6]。
イデアルは単項。分解は の形になる
行列の小行列式で書ける。Hilbert-Burch の形になる
Betti 数から何が読めるか
Betti 数が並ぶと、そこから別の不変量が出てきます。
Hilbert 級数は交代和で書けます。各段の生成元の次数を、符号を変えながら足し合わせる形です。
分解が終わらない場合
多項式環では必ず止まりますが、一般の環ではそうなりません。
で をとります。 を掛ける写像が延々と続き、分解は無限に伸びる。Betti 数はずっと のままです。
止まるかどうかが正則性と結びついています。剰余体の分解が有限で終わる環が、正則局所環です。
で の Betti 数はどれですか。
無駄を削ると形が 1 つに決まる。その形に付いた数が、加群と環の両方を測る物差しになります。












変数 3 本の Koszul 複体になるので、階数は二項係数の (03),(13),(23),(33) です。