§E21.9右随伴と極限

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群の直積の台集合は、それぞれの台集合の直積である。位相空間の積の台集合も同様である。一方、群の余積は自由積であり、その台集合は台集合の余積ではない。同じ操作が片側だけを保つというこの現象は、忘却関手が右随伴であって左随伴ではないことから一挙に説明される。

本記事では、「随伴」で定義した随伴に対して、右随伴が存在する極限を保ち、左随伴が存在する余極限を保つことを証明する。証明の道具は hom 集合の計算だけである。そのために、まず錐の全体が集合をなすこと、その集合が集合の圏における極限にほかならないこと、そして対象XXから出る射の全体を取る操作が極限と交換することを順に述べる。集合の圏における小さい図式の極限の構成は「極限・余極限の特殊な場合」が証明済みであり、本記事はそれを引用する。

以下、C\mathcal CとD\mathcal Dは局所小圏(§E21.6 定義 1.1)、J\mathcal Jは小さい圏、すなわち対象の全体と射の全体がともに集合である圏とする。図式、錐、極限の定義は「極限と余極限」による。局所小性と hom 関手の定義は「米田の補題と表現可能関手」による。

1 錐の集合と集合の圏の極限

錐は射の族である。添字圏が小さく圏が局所小であれば、その族の全体は集合になり、しかもその集合は集合の圏における極限として現れる。この二つを順に確かめる。

定義 1.1.D:J→CD : \mathcal J \to \mathcal Cを小さい図式とし、XXをC\mathcal Cの対象とする。

Cone⁡(X,D)={ (ψj)j∈Ob⁡(J)∈∏j∈Ob⁡(J)Hom⁡C(X,D(j)) ∣ J の任意の射 u:i→j について D(u)∘ψi=ψj }\operatorname{Cone}(X, D) = \Bigl\{\,(\psi_j)_{j \in \operatorname{Ob}(\mathcal J)} \in \prod_{j \in \operatorname{Ob}(\mathcal J)} \operatorname{Hom}_{\mathcal C}\bigl(X, D(j)\bigr) \ \Bigm|\ \mathcal J \text{ の任意の射 } u : i \to j \text{ について } D(u) \circ \psi_i = \psi_j \,\Bigr\}

と定め、XXを頂点とするDD上の錐の集合 (set of cones) という。

§E21.4 定義 1.1の定義により、Cone⁡(X,D)\operatorname{Cone}(X, D)の元は頂点XXをもつDD上の錐そのものである。右辺が集合であることは補題 1.2で示す。

集合の圏における小さい図式の極限は「極限・余極限の特殊な場合」が直積と equalizer から構成しており、§E21.5 例 5.3がその形を書き下している。すなわち、小さい図式E:J→SetE : \mathcal J \to \mathbf{Set}の極限は、図式のすべての射と両立する成分の族の集合

{ (sj)j∈Ob⁡(J)∈∏j∈Ob⁡(J)E(j) ∣ J の任意の射 u:i→j について E(u)(si)=sj }\Bigl\{\,(s_j)_{j \in \operatorname{Ob}(\mathcal J)} \in \prod_{j \in \operatorname{Ob}(\mathcal J)} E(j) \ \Bigm|\ \mathcal J \text{ の任意の射 } u : i \to j \text{ について } E(u)(s_i) = s_j \,\Bigr\}

であり、その錐は第jj成分への射影(si)i↦sj(s_i)_i \mapsto s_jである。この構成を証明する責務は同記事が負っており、本記事では引用するだけで再証明しない。

対象XXに対してhX=Hom⁡C(X,−):C→Seth^X = \operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, -) : \mathcal C \to \mathbf{Set}は、対象YYにHom⁡C(X,Y)\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, Y)を、射v:Y→Y′v : Y \to Y'にv∘(−)v \circ (-)を対応させる関手である(§E21.6 定義 1.3と§E21.6 命題 1.4)。この関手を図式DDと合成すると、錐の集合が集合の圏の極限として現れる。

補題 1.2.D:J→CD : \mathcal J \to \mathcal Cを小さい図式とし、XXをC\mathcal Cの対象とする。

  1. Cone⁡(X,D)\operatorname{Cone}(X, D)は集合である。
  2. Cone⁡(X,D)\operatorname{Cone}(X, D)は、(ψi)i↦ψj(\psi_i)_i \mapsto \psi_jで定まる射影の族とともに、図式hX∘D:J→Seth^X \circ D : \mathcal J \to \mathbf{Set}のSet\mathbf{Set}における極限である。すなわち Cone⁡(X,D)=lim⁡jHom⁡C(X,D(j))\operatorname{Cone}(X, D) = \lim_j \operatorname{Hom}_{\mathcal C}\bigl(X, D(j)\bigr) が成り立つ。

証明.(1)を示す。J\mathcal Jは小さい圏であるからOb⁡(J)\operatorname{Ob}(\mathcal J)は集合であり、C\mathcal Cは局所小であるから各Hom⁡C(X,D(j))\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, D(j))は集合である。したがって定義 1.1の直積は集合族の直積(「数学の基礎」の「集合族」の§E1.2 定義 5.1)として集合であり、Cone⁡(X,D)\operatorname{Cone}(X, D)はその部分集合であるから集合である。

(2)を示す。J\mathcal Jの対象jjについて(hX∘D)(j)=Hom⁡C(X,D(j))(h^X \circ D)(j) = \operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, D(j))であり、J\mathcal Jの射u:i→ju : i \to jについて(hX∘D)(u)(h^X \circ D)(u)はD(u)∘(−)D(u) \circ (-)である。§E21.5 例 5.3の構成をこの図式へ適用すると、極限の台集合は

{ (ψj)j∈∏jHom⁡C(X,D(j)) ∣ J の任意の射 u:i→j について D(u)∘ψi=ψj }\Bigl\{\,(\psi_j)_j \in \prod_{j} \operatorname{Hom}_{\mathcal C}\bigl(X, D(j)\bigr) \ \Bigm|\ \mathcal J \text{ の任意の射 } u : i \to j \text{ について } D(u) \circ \psi_i = \psi_j \,\Bigr\}

であり、射影は第jj成分を取る写像である。この集合は定義 1.1のCone⁡(X,D)\operatorname{Cone}(X, D)そのものであり、射影も一致する。▨

Cone⁡(−,D)\operatorname{Cone}(-, D)は射を逆向きに送る対応になる。

命題 1.3.D:J→CD : \mathcal J \to \mathcal Cを小さい図式とする。C\mathcal Cの射x:X′→Xx : X' \to Xに対して

Cone⁡(x,D):Cone⁡(X,D)⟶Cone⁡(X′,D),(ψj)j⟼(ψj∘x)j\operatorname{Cone}(x, D) : \operatorname{Cone}(X, D) \longrightarrow \operatorname{Cone}(X', D), \qquad (\psi_j)_j \longmapsto (\psi_j \circ x)_j

と定めると、Cone⁡(−,D)\operatorname{Cone}(-, D)は関手Cop→Set\mathcal C^{\mathrm{op}} \to \mathbf{Set}である。

証明. 写像が定義されていることを確かめる。(ψj)j∈Cone⁡(X,D)(\psi_j)_j \in \operatorname{Cone}(X, D)とJ\mathcal Jの射u:i→ju : i \to jに対して、合成の結合律により

D(u)∘(ψi∘x)=(D(u)∘ψi)∘x=ψj∘xD(u) \circ (\psi_i \circ x) = \bigl(D(u) \circ \psi_i\bigr) \circ x = \psi_j \circ x

であるから、(ψj∘x)j(\psi_j \circ x)_jはCone⁡(X′,D)\operatorname{Cone}(X', D)に属する。

Cone⁡(idX,D)\operatorname{Cone}(\mathrm{id}_X, D)は各成分をψj∘idX=ψj\psi_j \circ \mathrm{id}_X = \psi_jへ送るので恒等写像である。x′:X′′→X′x' : X'' \to X'とx:X′→Xx : X' \to Xに対してψj∘(x∘x′)=(ψj∘x)∘x′\psi_j \circ (x \circ x') = (\psi_j \circ x) \circ x'であるからCone⁡(x∘x′,D)=Cone⁡(x′,D)∘Cone⁡(x,D)\operatorname{Cone}(x \circ x', D) = \operatorname{Cone}(x', D) \circ \operatorname{Cone}(x, D)である。これは§E21.2 定義 1.1の意味で、Cop\mathcal C^{\mathrm{op}}からの関手であることを述べている。▨

2 hom 集合と極限の交換

錐の集合を極限の判定へつなぐ。頂点から極限への射を、錐の成分の族へ写す写像を考える。

補題 2.1.D:J→CD : \mathcal J \to \mathcal Cを小さい図式とし、(L,(πj))(L, (\pi_j))をDD上の錐とする。C\mathcal Cの各対象XXに対して

ΛX:Hom⁡C(X,L)⟶Cone⁡(X,D),ΛX(t)=(πj∘t)j\Lambda_X : \operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, L) \longrightarrow \operatorname{Cone}(X, D), \qquad \Lambda_X(t) = (\pi_j \circ t)_j

と定める。このとき次が成り立つ。

  1. ΛX\Lambda_Xは写像であり、族(ΛX)X(\Lambda_X)_Xは自然変換Hom⁡C(−,L)⇒Cone⁡(−,D)\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(-, L) \Rightarrow \operatorname{Cone}(-, D)である。すなわちC\mathcal Cの任意の射x:X′→Xx : X' \to Xについて ΛX′(t∘x)=Cone⁡(x,D)(ΛX(t))(1)\Lambda_{X'}(t \circ x) = \operatorname{Cone}(x, D)\bigl(\Lambda_X(t)\bigr) \tag{1} が成り立つ。
  2. (L,(πj))(L, (\pi_j))がDDの極限であることと、C\mathcal Cのすべての対象XXについてΛX\Lambda_Xが全単射であることは同値である。

とくにDDの極限(lim⁡D,(πj))(\lim D, (\pi_j))が存在すれば、XXについて自然な全単射

Hom⁡C(X,lim⁡D)≅lim⁡jHom⁡C(X,D(j))\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, \lim D) \cong \lim_j \operatorname{Hom}_{\mathcal C}\bigl(X, D(j)\bigr)

が成り立つ。

証明.(1)を示す。t:X→Lt : X \to LとJ\mathcal Jの射u:i→ju : i \to jに対してD(u)∘(πi∘t)=(D(u)∘πi)∘t=πj∘tD(u) \circ (\pi_i \circ t) = (D(u) \circ \pi_i) \circ t = \pi_j \circ tであるから、(πj∘t)j(\pi_j \circ t)_jはCone⁡(X,D)\operatorname{Cone}(X, D)に属する。よってΛX\Lambda_Xは写像である。x:X′→Xx : X' \to Xについて

ΛX′(t∘x)=(πj∘t∘x)j=((πj∘t)∘x)j=Cone⁡(x,D)(ΛX(t))\Lambda_{X'}(t \circ x) = \bigl(\pi_j \circ t \circ x\bigr)_j = \bigl((\pi_j \circ t) \circ x\bigr)_j = \operatorname{Cone}(x, D)\bigl(\Lambda_X(t)\bigr)

であるから式 (1) が成り立つ。Hom⁡C(−,L)\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(-, L)は射xxを(−)∘x(-) \circ xへ送る関手であるから、式 (1) は§E21.3 定義 1.1の自然性の条件である。

(2)を示す。§E21.4 定義 1.1により、(L,(πj))(L, (\pi_j))がDDの極限であるとは、任意の錐(X,(ψj))(X, (\psi_j))に対してπj∘t=ψj\pi_j \circ t = \psi_j(すべてのjj)を満たす射t:X→Lt : X \to Lがただ一つ存在することである。条件πj∘t=ψj\pi_j \circ t = \psi_j(すべてのjj)はΛX(t)=(ψj)j\Lambda_X(t) = (\psi_j)_jと書き直される。したがって、極限であることは「各XXと各(ψj)j∈Cone⁡(X,D)(\psi_j)_j \in \operatorname{Cone}(X, D)に対してΛX(t)=(ψj)j\Lambda_X(t) = (\psi_j)_jを満たすttがただ一つ存在すること」であり、これは各ΛX\Lambda_Xが全単射であることにほかならない。

最後の主張は、(L,(πj))=(lim⁡D,(πj))(L, (\pi_j)) = (\lim D, (\pi_j))に第二の主張を適用して各ΛX\Lambda_Xが全単射であることを得たうえで、Cone⁡(X,D)\operatorname{Cone}(X, D)がlim⁡jHom⁡C(X,D(j))\lim_j \operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, D(j))に一致すること(補題 1.2 (2))を用いれば従う。自然性は式 (1) である。▨

3 右随伴は極限を保つ

3.1 証明方針

F⊣GF \dashv Gとし、D\mathcal Dの図式DDが極限(lim⁡D,(πj))(\lim D, (\pi_j))をもつとする。示すべきことは、GGを施した錐(G(lim⁡D),(G(πj)))(G(\lim D), (G(\pi_j)))がG∘DG \circ Dの極限であることである。補題 2.1 (2)により、これはC\mathcal Cの各対象XXについて

ΛXGD:Hom⁡C(X,G(lim⁡D))⟶Cone⁡(X,G∘D),t⟼(G(πj)∘t)j\Lambda^{G D}_X : \operatorname{Hom}_{\mathcal C}\bigl(X, G(\lim D)\bigr) \longrightarrow \operatorname{Cone}(X, G \circ D), \qquad t \longmapsto \bigl(G(\pi_j) \circ t\bigr)_j

が全単射であることと同値である。この写像を三つの全単射の合成として書く。第一は随伴の対応の逆Φ−1\Phi^{-1}、第二は補題 2.1をD\mathcal Dの極限lim⁡D\lim Dと頂点F(X)F(X)に適用したΛF(X)D\Lambda^{D}_{F(X)}、第三は各成分にΦ\Phiを施す写像である。三つがいずれも全単射であり、その合成がΛXGD\Lambda^{G D}_Xに一致することを確かめれば証明が終わる。三つともXXについて自然であることも同時に示す。

定理 3.1.C\mathcal CとD\mathcal Dを局所小圏、F:C→DF : \mathcal C \to \mathcal DとG:D→CG : \mathcal D \to \mathcal Cを関手とし、F⊣GF \dashv Gとする(§E21.8 定義 1.1)。J\mathcal Jを小さい圏とする。

  1. D:J→DD : \mathcal J \to \mathcal Dを図式とし、DDの極限(lim⁡D,(πj))(\lim D, (\pi_j))がD\mathcal Dに存在するとする。このとき(G(lim⁡D),(G(πj)))\bigl(G(\lim D), (G(\pi_j))\bigr)はG∘DG \circ Dの極限である。
  2. E:J→CE : \mathcal J \to \mathcal Cを図式とし、EEの余極限(colim⁡E,(ιj))(\operatorname{colim} E, (\iota_j))がC\mathcal Cに存在するとする。このとき(F(colim⁡E),(F(ιj)))\bigl(F(\operatorname{colim} E), (F(\iota_j))\bigr)はF∘EF \circ Eの余極限である。

証明.(1)を示す。Φ\Phiを随伴の対応とする。まず(G(lim⁡D),(G(πj)))\bigl(G(\lim D), (G(\pi_j))\bigr)がG∘DG \circ D上の錐であることを確かめる。J\mathcal Jの射u:i→ju : i \to jについて、GGが合成を保つことから

(G∘D)(u)∘G(πi)=G(D(u))∘G(πi)=G(D(u)∘πi)=G(πj)(G \circ D)(u) \circ G(\pi_i) = G\bigl(D(u)\bigr) \circ G(\pi_i) = G\bigl(D(u) \circ \pi_i\bigr) = G(\pi_j)

である。

XXをC\mathcal Cの対象とし、三つの写像を定める。

第一の写像はΦX,lim⁡D−1:Hom⁡C(X,G(lim⁡D))→Hom⁡D(F(X),lim⁡D)\Phi^{-1}_{X, \lim D} : \operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X, G(\lim D)) \to \operatorname{Hom}_{\mathcal D}(F(X), \lim D)である。§E21.8 定義 1.1により全単射である。x:X′→Xx : X' \to Xについて§E21.8 命題 1.2 (3)をb=idlim⁡Db = \mathrm{id}_{\lim D}、a=xa = xに適用すると

ΦX′,lim⁡D−1(t∘x)=ΦX,lim⁡D−1(t)∘F(x)(2)\Phi^{-1}_{X', \lim D}(t \circ x) = \Phi^{-1}_{X, \lim D}(t) \circ F(x) \tag{2}

が成り立つ。これが第一の写像のXXについての自然性である。

第二の写像は補題 2.1を極限(lim⁡D,(πj))(\lim D, (\pi_j))と頂点F(X)F(X)に適用して得られる

ΛF(X)D:Hom⁡D(F(X),lim⁡D)⟶Cone⁡(F(X),D),f⟼(πj∘f)j\Lambda^{D}_{F(X)} : \operatorname{Hom}_{\mathcal D}\bigl(F(X), \lim D\bigr) \longrightarrow \operatorname{Cone}\bigl(F(X), D\bigr), \qquad f \longmapsto (\pi_j \circ f)_j

である。補題 2.1 (2)により全単射である。同補題の式 (1) を射F(x):F(X′)→F(X)F(x) : F(X') \to F(X)へ適用すると

ΛF(X′)D(f∘F(x))=Cone⁡(F(x),D)(ΛF(X)D(f))(3)\Lambda^{D}_{F(X')}\bigl(f \circ F(x)\bigr) = \operatorname{Cone}\bigl(F(x), D\bigr)\bigl(\Lambda^{D}_{F(X)}(f)\bigr) \tag{3}

が成り立つ。右辺のCone⁡(F(x),D)\operatorname{Cone}(F(x), D)は命題 1.3が定めた写像である。これが第二の写像のXXについての自然性である。

第三の写像は

ΞX:Cone⁡(F(X),D)⟶Cone⁡(X,G∘D),(ψj)j⟼(ΦX,D(j)(ψj))j\Xi_X : \operatorname{Cone}\bigl(F(X), D\bigr) \longrightarrow \operatorname{Cone}(X, G \circ D), \qquad (\psi_j)_j \longmapsto \bigl(\Phi_{X, D(j)}(\psi_j)\bigr)_j

である。値が錐であることを確かめる。J\mathcal Jの射u:i→ju : i \to jについて、§E21.8 命題 1.2 (2)の第二の等式をb=D(u):D(i)→D(j)b = D(u) : D(i) \to D(j)とψi\psi_iに適用すると

ΦX,D(j)(D(u)∘ψi)=G(D(u))∘ΦX,D(i)(ψi)\Phi_{X, D(j)}\bigl(D(u) \circ \psi_i\bigr) = G\bigl(D(u)\bigr) \circ \Phi_{X, D(i)}(\psi_i)

であり、左辺はD(u)∘ψi=ψjD(u) \circ \psi_i = \psi_jによりΦX,D(j)(ψj)\Phi_{X, D(j)}(\psi_j)に等しい。よって(G∘D)(u)∘ΦX,D(i)(ψi)=ΦX,D(j)(ψj)(G \circ D)(u) \circ \Phi_{X, D(i)}(\psi_i) = \Phi_{X, D(j)}(\psi_j)が成り立ち、値はCone⁡(X,G∘D)\operatorname{Cone}(X, G \circ D)に属する。同じ計算を§E21.8 命題 1.2 (3)に対して行うと、(χj)j↦(ΦX,D(j)−1(χj))j(\chi_j)_j \mapsto (\Phi^{-1}_{X, D(j)}(\chi_j))_jがCone⁡(X,G∘D)→Cone⁡(F(X),D)\operatorname{Cone}(X, G \circ D) \to \operatorname{Cone}(F(X), D)の写像を定めることが従う。二つは成分ごとに互いに逆であるから、ΞX\Xi_Xは全単射である。x:X′→Xx : X' \to Xについては、§E21.8 命題 1.2 (2)の第一の等式によりΦX′,D(j)(ψj∘F(x))=ΦX,D(j)(ψj)∘x\Phi_{X', D(j)}(\psi_j \circ F(x)) = \Phi_{X, D(j)}(\psi_j) \circ xであるから

ΞX′(Cone⁡(F(x),D)((ψj)j))=Cone⁡(x,G∘D)(ΞX((ψj)j))(4)\Xi_{X'}\Bigl(\operatorname{Cone}\bigl(F(x), D\bigr)\bigl((\psi_j)_j\bigr)\Bigr) = \operatorname{Cone}(x, G \circ D)\bigl(\Xi_X\bigl((\psi_j)_j\bigr)\bigr) \tag{4}

が成り立つ。ここでも両辺のCone⁡(−,−)\operatorname{Cone}(-, -)は命題 1.3の写像である。これが第三の写像のXXについての自然性である。

合成ΞX∘ΛF(X)D∘ΦX,lim⁡D−1\Xi_X \circ \Lambda^{D}_{F(X)} \circ \Phi^{-1}_{X, \lim D}を計算する。t:X→G(lim⁡D)t : X \to G(\lim D)に対してf=ΦX,lim⁡D−1(t)f = \Phi^{-1}_{X, \lim D}(t)と置くと、§E21.8 命題 1.2 (2)の第二の等式をb=πj:lim⁡D→D(j)b = \pi_j : \lim D \to D(j)とffに適用して

ΦX,D(j)(πj∘f)=G(πj)∘ΦX,lim⁡D(f)=G(πj)∘t\Phi_{X, D(j)}\bigl(\pi_j \circ f\bigr) = G(\pi_j) \circ \Phi_{X, \lim D}(f) = G(\pi_j) \circ t

を得る。したがって

(ΞX∘ΛF(X)D∘ΦX,lim⁡D−1)(t)=(ΦX,D(j)(πj∘f))j=(G(πj)∘t)j=ΛXGD(t)\Bigl(\Xi_X \circ \Lambda^{D}_{F(X)} \circ \Phi^{-1}_{X, \lim D}\Bigr)(t) = \bigl(\Phi_{X, D(j)}(\pi_j \circ f)\bigr)_j = \bigl(G(\pi_j) \circ t\bigr)_j = \Lambda^{G D}_X(t)

である。三つの全単射の合成は全単射であるから、ΛXGD\Lambda^{G D}_XはC\mathcal Cのすべての対象XXについて全単射である。式 (2)、式 (3)、式 (4) により、この全単射はXXについて自然である。補題 2.1 (2)により、(G(lim⁡D),(G(πj)))\bigl(G(\lim D), (G(\pi_j))\bigr)はG∘DG \circ Dの極限である。

(2)を示す。反対圏へ移す。Cop\mathcal C^{\mathrm{op}}とDop\mathcal D^{\mathrm{op}}は局所小であり、FFとGGは同じ対応を与える関手Fop:Cop→DopF^{\mathrm{op}} : \mathcal C^{\mathrm{op}} \to \mathcal D^{\mathrm{op}}とGop:Dop→CopG^{\mathrm{op}} : \mathcal D^{\mathrm{op}} \to \mathcal C^{\mathrm{op}}を定める。

Gop⊣FopG^{\mathrm{op}} \dashv F^{\mathrm{op}}であることを示す。集合として

Hom⁡Cop(Gop(B),A)=Hom⁡C(A,G(B)),Hom⁡Dop(B,Fop(A))=Hom⁡D(F(A),B)\operatorname{Hom}_{\mathcal C^{\mathrm{op}}}\bigl(G^{\mathrm{op}}(B), A\bigr) = \operatorname{Hom}_{\mathcal C}\bigl(A, G(B)\bigr), \qquad \operatorname{Hom}_{\mathcal D^{\mathrm{op}}}\bigl(B, F^{\mathrm{op}}(A)\bigr) = \operatorname{Hom}_{\mathcal D}\bigl(F(A), B\bigr)

であるから、ΨB,A=ΦA,B−1\Psi_{B,A} = \Phi^{-1}_{A,B}は両者の間の全単射である。Dop\mathcal D^{\mathrm{op}}の射β:B′→B\beta : B' \to BはD\mathcal Dの射b:B→B′b : B \to B'であり、Cop\mathcal C^{\mathrm{op}}の射α:A→A′\alpha : A \to A'はC\mathcal Cの射a:A′→Aa : A' \to Aである。§E21.8 定義 1.1の式 (1) をΨ\Psiについて書いた等式は、合成の向きをC\mathcal CとD\mathcal Dへ戻すと

ΦA′,B′−1(G(b)∘g∘a)=b∘ΦA,B−1(g)∘F(a)\Phi^{-1}_{A',B'}\bigl(G(b) \circ g \circ a\bigr) = b \circ \Phi^{-1}_{A,B}(g) \circ F(a)

となる。これは§E21.8 命題 1.2 (3)であり、Φ\Phiの自然性から成り立つ。よってGop⊣FopG^{\mathrm{op}} \dashv F^{\mathrm{op}}であり、FopF^{\mathrm{op}}は右随伴である。

余極限は反対圏における極限として定義されている(「極限と余極限」)。E:J→CE : \mathcal J \to \mathcal Cに対してEop:Jop→CopE^{\mathrm{op}} : \mathcal J^{\mathrm{op}} \to \mathcal C^{\mathrm{op}}を対応する図式とすると、Jop\mathcal J^{\mathrm{op}}は小さい圏であり、(colim⁡E,(ιj))(\operatorname{colim} E, (\iota_j))はEopE^{\mathrm{op}}の極限にほかならない。本定理の第一の主張を右随伴FopF^{\mathrm{op}}と図式EopE^{\mathrm{op}}に適用すると、(Fop(colim⁡E),(Fop(ιj)))\bigl(F^{\mathrm{op}}(\operatorname{colim} E), (F^{\mathrm{op}}(\iota_j))\bigr)はFop∘Eop=(F∘E)opF^{\mathrm{op}} \circ E^{\mathrm{op}} = (F \circ E)^{\mathrm{op}}の極限である。これをC\mathcal CとD\mathcal Dの言葉へ戻すと、(F(colim⁡E),(F(ιj)))\bigl(F(\operatorname{colim} E), (F(\iota_j))\bigr)がF∘EF \circ Eの余極限であることを述べている。▨

注意 3.2 (保存から随伴は出ない).定理 3.1は必要条件を与える。すなわち、存在する余極限を保たない関手は左随伴になることができず、存在する極限を保たない関手は右随伴になることができない。この対偶の形は具体的な関手について随伴の不存在を示すために用いることができる。

逆向きは本定理からは従わない。極限を保つ関手が右随伴をもつかどうかを判定するには、極限の保存に加えて solution set condition と呼ばれる条件を課す必要がある。この条件を用いる随伴関手定理(一般随伴関手定理と特殊随伴関手定理)は「圏論 II」が扱う。本記事は、随伴が与えられている場合の保存だけを扱う。

4 例

忘却関手について、定理の主張と、極限側と余極限側で結論が分かれることを確かめる。

例 4.1 (群の忘却関手は極限を保ち、余積を保たない).U:Grp→SetU : \mathbf{Grp} \to \mathbf{Set}を忘却関手、F:Set→GrpF : \mathbf{Set} \to \mathbf{Grp}を自由群を作る関手とし、§E21.8 例 5.1によりF⊣UF \dashv Uとする。定理 3.1 (1)により、UUはGrp\mathbf{Grp}に存在する小さい図式の極限を保つ。

直積の場合を確かめる。二つの対象と恒等射だけをもつ圏を添字圏とする図式の極限が直積である(「極限・余極限の特殊な場合」)。群AAとBBに対して直積群A×BA \times B(§E7.13 定義 1.1)と射影pA,pBp_A, p_Bを取る。演算が成分ごとであるからpA,pBp_A, p_Bは準同型である。群XXと準同型f:X→Af : X \to A、g:X→Bg : X \to Bに対してt(x)=(f(x),g(x))t(x) = (f(x), g(x))は準同型であり、pA∘t=fp_A \circ t = fとpB∘t=gp_B \circ t = gを満たす。逆にこの二式を満たす写像は各成分が定まるのでttに等しい。よって(A×B,pA,pB)(A \times B, p_A, p_B)はGrp\mathbf{Grp}における直積である。定理により(U(A×B),U(pA),U(pB))\bigl(U(A \times B), U(p_A), U(p_B)\bigr)はSet\mathbf{Set}におけるU(A)U(A)とU(B)U(B)の直積である。実際、A×BA \times Bの台集合は台集合の直積そのものであり、U(pA),U(pB)U(p_A), U(p_B)は成分への射影であるから、定理の結論が具体的に確かめられる。

余積の場合を確かめる。§E7.9 定理 2.5は、自由積A∗BA * Bと標準埋め込みjA,jBj_A, j_B(§E7.9 定理 2.4)について、準同型f:A→Xf : A \to Xとg:B→Xg : B \to Xに対してφ∘jA=f\varphi \circ j_A = fとφ∘jB=g\varphi \circ j_B = gを満たす準同型φ:A∗B→X\varphi : A * B \to Xがただ一つ存在することを述べている。これは(A∗B,jA,jB)(A * B, j_A, j_B)がGrp\mathbf{Grp}におけるAAとBBの余積であることにほかならない。この普遍性は「群論入門」の「自由群・自由積と群の表示」が証明している。

A=B=Z/2Z={e,t}A = B = \mathbb Z/2\mathbb Z = \{e, t\}とする。UUがこの余積を保つと仮定する。すなわち(U(A∗B),U(jA),U(jB))\bigl(U(A * B), U(j_A), U(j_B)\bigr)がSet\mathbf{Set}におけるU(A)U(A)とU(B)U(B)の余積であると仮定する。Z={0,1}Z = \{0, 1\}とし、f:U(A)→Zf : U(A) \to Zとg:U(B)→Zg : U(B) \to Zをともに値00の定値写像とする。写像c1:U(A∗B)→Zc_1 : U(A * B) \to Zを値00の定値写像とし、写像c2:U(A∗B)→Zc_2 : U(A * B) \to Zを、§E7.9 定義 2.3の交互簡約語wwの長さが11以下のときc2(w)=0c_2(w) = 0、22以上のときc2(w)=1c_2(w) = 1として定める。jAj_AとjBj_Bの値は空語または一文字の語であるから

c1∘U(jA)=c2∘U(jA)=f,c1∘U(jB)=c2∘U(jB)=gc_1 \circ U(j_A) = c_2 \circ U(j_A) = f, \qquad c_1 \circ U(j_B) = c_2 \circ U(j_B) = g

が成り立つ。他方、ttのAAにおける像とBBにおける像を並べた二文字の語は交互簡約語であるからA∗BA * Bの元であり、c1c_1はそこで00、c2c_2はそこで11を取る。よってc1≠c2c_1 \neq c_2であり、余積が要求する一意性に反する。したがってUUは余積を保たない。

定理 3.1 (2)により、左随伴は存在する余極限を保つ。UUは余積を保たないので、UUは左随伴ではない。すなわちUUは右随伴をもたない。

5 演習

問題 5.1.

  1. 補題 1.2 (2)を、(hX∘D)(u)(h^X \circ D)(u)が何であるかを書き下して再現せよ。あわせて第一の主張の証明で、J\mathcal Jの小ささとC\mathcal Cの局所小性がそれぞれどこで必要かを述べよ。
  2. 補題 2.1 (2)を、極限の定義における存在と一意性がΛX\Lambda_Xの全射性と単射性のどちらに対応するかを明示して再現せよ。
  3. 定理 3.1の証明における三つの全単射のうち、随伴の自然性を用いるのはどれかを挙げ、それぞれ§E21.8 命題 1.2のどの条件を使ったかを述べよ。
  4. 定理 3.1の証明の最後で、合成がΛXGD\Lambda^{G D}_Xに一致することを確かめる計算を、πj\pi_jをbbとする自然性の適用として書き下せ。
  5. 添字圏J\mathcal Jを空圏として定理 3.1を読むと何が言えるかを述べ、U:Grp→SetU : \mathbf{Grp} \to \mathbf{Set}について具体的に確かめよ。
  6. 例 4.1の後半で構成したc2c_2が写像として定まる理由を、§E7.9 定義 2.3がA∗BA * Bの元を交互簡約語そのものとして定めていることに基づいて説明せよ。

6 扱った範囲と次の記事

本記事では、錐の全体が集合をなすこと、その集合が集合の圏における極限に一致すること、対象XXから出る射の全体を取る操作が極限と交換すること、そして右随伴が存在する極限を保ち左随伴が存在する余極限を保つことを証明した。集合の圏における小さい図式の極限の構成は「極限・余極限の特殊な場合」から引用した。例としては、群の忘却関手が直積を保ち、余積を保たないことを確かめた。

極限の保存だけから随伴の存在を導く条件は本記事では扱っていない。随伴関手定理は「圏論 II」が扱う。集合、群、ベクトル空間、位相空間、順序集合の各圏における極限と余極限の具体的な計算は「極限・余極限の計算」が、随伴の一覧と各例における保存の検証は「随伴の例」が扱う。

次の記事「圏同値と骨格」では、二つの圏が同じ構造をもつという関係を、関手と自然同型によって定義する。

参考文献

  1. Saunders Mac Lane, Categories for the Working Mathematician, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics 5, Springer, New York, 1998.右随伴が極限を保つことの hom 集合による証明を参考にした。
  2. Emily Riehl, Category Theory in Context, Dover Publications, 2016.hom 関手が極限と交換することを錐の集合として述べる整理を参考にした。
  3. Steve Awodey, Category Theory, 2nd ed., Oxford Logic Guides 49, Oxford University Press, Oxford, 2010.保存の逆が随伴関手定理を要することの位置づけを参考にした。

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