1 線形空間と線形写像の係数拡大
定義 1.1.L/Kを体拡大、VをK上の線形空間とする。
VL=L⊗KVとおき、
c(a⊗v)=(ca)⊗v(c,a∈L, v∈V)によってLのスカラー倍を定める。VLをVのLへの係数拡大 (extension of scalars) という。標準写像 (canonical map) を
ηV:V→VL,v↦1⊗vと書く。
命題 1.2. 上のスカラー倍はテンソルの表示に依存せず定まり、VLをL上の線形空間にする。標準写像ηVはK-線形である。
証明. 固定したc∈Lに対し、L×V→L⊗KV、(a,v)↦ca⊗vはK-双線形である。テンソル積の普遍性によりmc:L⊗KV→L⊗KVというK-線形写像を定める。mc(z)をczと書く。純テンソル上でmcmd=mcd、mc+d=mc+md、m1=idが成り立ち、純テンソルは全体を生成するのでこれらの等式は全体で成り立つ。したがってVLはL上の線形空間である。ηV(av+bu)=1⊗(av+bu)=a(1⊗v)+b(1⊗u)がa,b∈Kについて成り立つのでK-線形である。▨
命題 1.3.K-線形写像T:V→Wに対し、
TL=idL⊗T:VL→WL,TL(a⊗v)=a⊗T(v)はL-線形である。さらに
(S∘T)L=SL∘TL,(idV)L=idVLが成り立つ。
証明.§E3.11 命題 3.1によりK-線形写像TLが定まる。c,a∈Lに対してTL(c(a⊗v))=TL(ca⊗v)=ca⊗T(v)=cTL(a⊗v)なので、純テンソル上でL-線形性が成り立つ。加法と純テンソルによる生成から全体でL-線形である。合成と恒等写像の式は§E3.11 命題 3.1の対応する式から従う。▨
2 基底、次元、完全列
定理 2.1.BがVのK-基底なら
{1⊗b:b∈B}はVLのL-基底である。したがって基数の等式
dimLVL=dimKVが成り立つ。
証明. 任意の純テンソルa⊗vでv=∑j=1mcjbjと書くと
a⊗v=j=1∑m(acj)(1⊗bj)である。純テンソルがVLを生成するので、1⊗bの全体はL上でVLを生成する。
有限個の相異なるb1,…,bm∈Bについて∑jaj(1⊗bj)=0とする。各kについて、基底Bのbk成分を取り出すK-線形汎関数φk:V→Kを取る。写像
idL⊗φk:L⊗KV→L⊗KK≅Lを等式に施すとak=0を得る。したがって1⊗bの全体はL上で一次独立であり、基底である。基底の濃度が同じなので次元の等式を得る。▨
定理 2.2.K上の短完全列
0⟶UiVpW⟶0に係数拡大を施した
0⟶ULiLVLpLWL⟶0はL上の短完全列である。
証明.§E3.16 定理 1.1を、K上の線形空間X=Lに対して適用すると、表示した列はK-線形写像の列として短完全である。命題 1.3により各写像はL-線形である。像と核は集合として同じなので、L-線形写像の列としても完全である。▨
3 テンソル構成との両立
定理 3.1.K上の線形空間V,Wに対し、
Θ:(V⊗KW)L⟶VL⊗LWL,Θ(a⊗(v⊗w))=(a⊗v)⊗(1⊗w)は標準的なL-線形同型である。
証明. 右辺の式はa,v,wについて必要なK-線形関係を満たすので、テンソル積の普遍性を順に適用してL-線形写像Θを定める。逆向きには
Ψ((a⊗v)⊗(b⊗w))=ab⊗(v⊗w)と定める。この式は各変数についてK-双線形であり、さらに
Ψ((ca⊗v)⊗(b⊗w))=cab⊗(v⊗w)=Ψ((a⊗v)⊗(cb⊗w))なので、L上のテンソル積の平衡関係と両立する。したがってΨは表示に依存せず定まるL-線形写像を定める。純テンソル上で
ΨΘ(a⊗(v⊗w))=a⊗(v⊗w)かつ
ΘΨ((a⊗v)⊗(b⊗w))=(ab⊗v)⊗(1⊗w)=(a⊗v)⊗(b⊗w)である。純テンソルが各空間を生成するので、ΘとΨは相互に逆である。▨
定理 3.2. 各r≥0について、次の標準的なL-線形同型がある。
L⊗KSymKr(V)L⊗K⋀KrV≅SymLr(VL),≅⋀Lr(VL).第一の同型はa⊗(v1⋯vr)↦a(1⊗v1)⋯(1⊗vr)、第二の同型は楔積を用いた同じ式で定まる。
証明. 表示式は対称性または交代性と両立するため、それぞれの普遍性によりL-線形写像を定める。VのK-基底を(ei)とすると、定理 2.1により(1⊗ei)はVLのL-基底である。対称冪の単項式基底は同じ指数列によって対応し、外冪の基底は同じ昇順添字によって対応する。表示した写像はそれぞれ基底を基底へ送るので同型である。定義式は基底を用いないため、同型自体は基底の選択に依存しない。▨
4 有限次元双対との両立
定理 4.1.Vが有限次元なら、
Γ:L⊗KV∨⟶(VL)∨L,Γ(a⊗φ)(b⊗v)=abφ(v)は標準的なL-線形同型である。
証明. 右辺は(a,φ)および(b,v)についてテンソル積の関係と両立し、固定したa⊗φに対してb⊗vのL-線形汎関数を定める。したがってΓは表示に依存せず定まり、L-線形である。Vの基底を(e1,…,en)、双対基底を(e1,…,en)とする。1⊗eiの像はVLの基底(1⊗ej)に対して
Γ(1⊗ei)(1⊗ej)=δijを満たす。したがってΓは係数拡大した双対基底をVLの双対基底へ送り、同型である。▨
有限次元性を外すと、L⊗KV∨の元は有限個のK-線形汎関数のL-一次結合に限られるが、(VL)∨Lにはそれだけでは表されない汎関数が存在する場合がある。そのため双対との同型には有限次元性が必要である。
例 4.2 (実数から複素数への係数拡大).K=R、L=C、V=R2とする。VC=C⊗RR2は1⊗e1,1⊗e2を複素基底にもつので、複素線形空間としてC2と同型である。dimCVC=2=dimRVである。ただしVCを実線形空間として見ると次元は4であり、どの係数体について次元を取るかを区別する必要がある。
5 演習
問題 5.1 (テンソル両立写像が表示に依存しないこと).定理 3.1の逆写像Ψで、L上のテンソル積の関係(cz)⊗z′=z⊗(cz′)が保たれることを示せ。
解答.
z=a⊗v、z′=b⊗wとすると
Ψ((ca⊗v)⊗(b⊗w))=cab⊗(v⊗w),Ψ((a⊗v)⊗(cb⊗w))=acb⊗(v⊗w).Lは可換体なのでcab=acbであり、二つの値は一致する。したがってΨはL上の平衡関係と両立する。▨