1 Hom の加法群構造と係数環
一般の非可換環では、Hom R ( M , N ) \operatorname{Hom}_R(M,N) Hom R ( M , N ) を無条件に左R R R 加群とみなすことはできない。本記事で完全性を考える際には、Hom をアーベル群として扱う。
例 1.1 (追加構造なしには Hom の左作用が定まらない例). k k k を体、R : = Mat 2 × 2 ( k ) R:=\operatorname{Mat}_{2\times2}(k) R := Mat 2 × 2 ( k ) とし、左正則加群R R {}_RR R R を考える。f : = id R ∈ Hom R ( R , R ) f:=\operatorname{id}_R\in\operatorname{Hom}_R(R,R) f := id R ∈ Hom R ( R , R ) とする。r ∈ R r\in R r ∈ R に対して
( r ⋅ f ) ( x ) : = r f ( x ) (r\cdot f)(x):=r f(x) ( r ⋅ f ) ( x ) := r f ( x ) と定めても、r ⋅ f r\cdot f r ⋅ f は一般には左R R R 線形でない。
実際、
p : = ( 0 1 0 0 ) , q : = ( 0 0 1 0 ) p:=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix},
\qquad
q:=\begin{pmatrix}0&0\\1&0\end{pmatrix} p := ( 0 0 1 0 ) , q := ( 0 1 0 0 ) と置くと、
p q = ( 1 0 0 0 ) ≠ ( 0 0 0 1 ) = q p pq=\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix}
\ne
\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix}=qp pq = ( 1 0 0 0 ) = ( 0 0 0 1 ) = q p である。写像p ⋅ f p\cdot f p ⋅ f について、左R R R 線形性をq ∈ R q\in R q ∈ R と1 R ∈ R 1_R\in R 1 R ∈ R で検査すると
( p ⋅ f ) ( q 1 R ) = p q , q ( p ⋅ f ) ( 1 R ) = q p (p\cdot f)(q1_R)=pq,
\qquad
q(p\cdot f)(1_R)=qp ( p ⋅ f ) ( q 1 R ) = pq , q ( p ⋅ f ) ( 1 R ) = q p となり、両者は一致しない。したがってp ⋅ f ∉ Hom R ( R , R ) p\cdot f\notin\operatorname{Hom}_R(R,R) p ⋅ f ∈ / Hom R ( R , R ) である。
追加の双加群構造がある場合には§E6.2 定理 5.1 のような作用を定めることができるが、以下の結果にはそのような追加構造を仮定しない。
2 固定した始域から Hom を取る操作
左R R R 加群P P P を固定する。終域の間の写像を後から合成すると、Hom の間の写像が同じ向きに定まる。
定義 2.1. u : A → B u\colon A\to B u : A → B を左R R R 加群準同型とする。写像
u ∗ = Hom R ( P , u ) : Hom R ( P , A ) ⟶ Hom R ( P , B ) u_*=\operatorname{Hom}_R(P,u)\colon
\operatorname{Hom}_R(P,A)\longrightarrow\operatorname{Hom}_R(P,B) u ∗ = Hom R ( P , u ) : Hom R ( P , A ) ⟶ Hom R ( P , B ) を
u ∗ ( φ ) : = u ∘ φ u_*(\varphi):=u\circ\varphi u ∗ ( φ ) := u ∘ φ によって定め、この写像を固定した始域に対する共変 Hom 写像 (covariant Hom map with fixed source ) という。
合成u ∘ φ u\circ\varphi u ∘ φ は§E6.2 命題 4.2 によりR R R 線形であるため、この式は well-defined である。
命題 2.2. 固定した左R R R 加群P P P に対して、次が成り立つ。
任意のR R R 線形写像u : A → B u\colon A\to B u : A → B に対して、u ∗ u_* u ∗ はアーベル群の準同型である。
A A A の恒等写像に対して
( id A ) ∗ = id Hom R ( P , A ) (\operatorname{id}_A)_*
=\operatorname{id}_{\operatorname{Hom}_R(P,A)} ( id A ) ∗ = id Hom R ( P , A )
である。
R R R 線形写像A → u B → v C A\xrightarrow{u}B\xrightarrow{v}C A u B v C に対して
( v ∘ u ) ∗ = v ∗ ∘ u ∗ (v\circ u)_*=v_*\circ u_* ( v ∘ u ) ∗ = v ∗ ∘ u ∗
である。
証明. φ , ψ ∈ Hom R ( P , A ) \varphi,\psi\in\operatorname{Hom}_R(P,A) φ , ψ ∈ Hom R ( P , A ) とx ∈ P x\in P x ∈ P に対して、u u u の加法性から
u ∗ ( φ + ψ ) ( x ) = u ( φ ( x ) + ψ ( x ) ) = u ( φ ( x ) ) + u ( ψ ( x ) ) = ( u ∗ ( φ ) + u ∗ ( ψ ) ) ( x ) \begin{aligned}
u_*(\varphi+\psi)(x)
&=u\bigl(\varphi(x)+\psi(x)\bigr)\\
&=u(\varphi(x))+u(\psi(x))\\
&=\bigl(u_*(\varphi)+u_*(\psi)\bigr)(x)
\end{aligned} u ∗ ( φ + ψ ) ( x ) = u ( φ ( x ) + ψ ( x ) ) = u ( φ ( x )) + u ( ψ ( x )) = ( u ∗ ( φ ) + u ∗ ( ψ ) ) ( x ) となる。またu ∗ ( 0 ) = u ∘ 0 = 0 u_*(0)=u\circ0=0 u ∗ ( 0 ) = u ∘ 0 = 0 である。したがってu ∗ u_* u ∗ は加法群準同型である。
任意のφ : P → A \varphi\colon P\to A φ : P → A に対して
( id A ) ∗ ( φ ) = id A ∘ φ = φ (\operatorname{id}_A)_*(\varphi)
=\operatorname{id}_A\circ\varphi
=\varphi ( id A ) ∗ ( φ ) = id A ∘ φ = φ である。さらに、任意のφ : P → A \varphi\colon P\to A φ : P → A に対して合成の結合律から
( v ∘ u ) ∗ ( φ ) = ( v ∘ u ) ∘ φ = v ∘ ( u ∘ φ ) = v ∗ ( u ∗ ( φ ) ) (v\circ u)_*(\varphi)
=(v\circ u)\circ\varphi
=v\circ(u\circ\varphi)
=v_*(u_*(\varphi)) ( v ∘ u ) ∗ ( φ ) = ( v ∘ u ) ∘ φ = v ∘ ( u ∘ φ ) = v ∗ ( u ∗ ( φ )) となる。よって表示した恒等写像と合成に関する二等式が成り立つ。▨
3 固定した終域への Hom を取る操作
左R R R 加群N N N を固定する。始域の間の写像を先に合成すると、Hom の間の写像は反対向きに定まる。
定義 3.1. u : A → B u\colon A\to B u : A → B を左R R R 加群準同型とする。写像
u ∗ = Hom R ( u , N ) : Hom R ( B , N ) ⟶ Hom R ( A , N ) u^*=\operatorname{Hom}_R(u,N)\colon
\operatorname{Hom}_R(B,N)\longrightarrow\operatorname{Hom}_R(A,N) u ∗ = Hom R ( u , N ) : Hom R ( B , N ) ⟶ Hom R ( A , N ) を
u ∗ ( ψ ) : = ψ ∘ u u^*(\psi):=\psi\circ u u ∗ ( ψ ) := ψ ∘ u によって定め、この写像を固定した終域に対する反変 Hom 写像 (contravariant Hom map with fixed target ) という。
命題 3.2. 固定した左R R R 加群N N N に対して、次が成り立つ。
任意のR R R 線形写像u : A → B u\colon A\to B u : A → B に対して、u ∗ u^* u ∗ はアーベル群の準同型である。
A A A の恒等写像に対して
( id A ) ∗ = id Hom R ( A , N ) (\operatorname{id}_A)^*
=\operatorname{id}_{\operatorname{Hom}_R(A,N)} ( id A ) ∗ = id Hom R ( A , N )
である。
R R R 線形写像A → u B → v C A\xrightarrow{u}B\xrightarrow{v}C A u B v C に対して
( v ∘ u ) ∗ = u ∗ ∘ v ∗ (v\circ u)^*=u^*\circ v^* ( v ∘ u ) ∗ = u ∗ ∘ v ∗
である。
証明. φ , ψ ∈ Hom R ( B , N ) \varphi,\psi\in\operatorname{Hom}_R(B,N) φ , ψ ∈ Hom R ( B , N ) とx ∈ A x\in A x ∈ A に対して
u ∗ ( φ + ψ ) ( x ) = ( φ + ψ ) ( u ( x ) ) = φ ( u ( x ) ) + ψ ( u ( x ) ) = ( u ∗ ( φ ) + u ∗ ( ψ ) ) ( x ) u^*(\varphi+\psi)(x)
=(\varphi+\psi)(u(x))
=\varphi(u(x))+\psi(u(x))
=\bigl(u^*(\varphi)+u^*(\psi)\bigr)(x) u ∗ ( φ + ψ ) ( x ) = ( φ + ψ ) ( u ( x )) = φ ( u ( x )) + ψ ( u ( x )) = ( u ∗ ( φ ) + u ∗ ( ψ ) ) ( x ) となり、u ∗ ( 0 ) = 0 u^*(0)=0 u ∗ ( 0 ) = 0 である。したがってu ∗ u^* u ∗ は加法群準同型である。
任意のφ : A → N \varphi\colon A\to N φ : A → N に対してφ ∘ id A = φ \varphi\circ\operatorname{id}_A=\varphi φ ∘ id A = φ であるから、恒等写像に関する等式を得る。任意のθ : C → N \theta\colon C\to N θ : C → N に対して
( v ∘ u ) ∗ ( θ ) = θ ∘ ( v ∘ u ) = ( θ ∘ v ) ∘ u = u ∗ ( v ∗ ( θ ) ) (v\circ u)^*(\theta)
=\theta\circ(v\circ u)
=(\theta\circ v)\circ u
=u^*(v^*(\theta)) ( v ∘ u ) ∗ ( θ ) = θ ∘ ( v ∘ u ) = ( θ ∘ v ) ∘ u = u ∗ ( v ∗ ( θ )) となるため、合成の順序が反転する等式を得る。▨
4 共変 Hom の左完全性
短完全列
0 ⟶ A ′ → i A → p A ′ ′ ⟶ 0 0\longrightarrow A'
\xrightarrow{\ i\ }A
\xrightarrow{\ p\ }A''
\longrightarrow0 0 ⟶ A ′ i A p A ′′ ⟶ 0
を取る。§E6.9 定義 1.1 により、i i i は単射、p p p は全射であり、im i = ker p \operatorname{im}i=\ker p im i = ker p である。
共変な列では、値が単射i i i の像に入る写像をi i i を通して一意に因子化する。反変な列では、全射p p p を通る因子写像を持ち上げから構成し、両方の場合に因子写像の加法性とR R R 線形性を確認する。
命題 4.1. R R R を単位元をもつ結合環とし、
0 ⟶ A ′ → i A → p A ′ ′ ⟶ 0 0\longrightarrow A'
\xrightarrow{\ i\ }A
\xrightarrow{\ p\ }A''
\longrightarrow0 0 ⟶ A ′ i A p A ′′ ⟶ 0 を左R R R 加群の短完全列とする。
任意の左R R R 加群P P P に対して、アーベル群の列
0 ⟶ Hom R ( P , A ′ ) → i ∗ Hom R ( P , A ) → p ∗ Hom R ( P , A ′ ′ ) 0\longrightarrow\operatorname{Hom}_R(P,A')
\xrightarrow{\ i_*\ }\operatorname{Hom}_R(P,A)
\xrightarrow{\ p_*\ }\operatorname{Hom}_R(P,A'') 0 ⟶ Hom R ( P , A ′ ) i ∗ Hom R ( P , A ) p ∗ Hom R ( P , A ′′ )
は完全である。
任意の左R R R 加群N N N に対して、アーベル群の列
0 ⟶ Hom R ( A ′ ′ , N ) → p ∗ Hom R ( A , N ) → i ∗ Hom R ( A ′ , N ) 0\longrightarrow\operatorname{Hom}_R(A'',N)
\xrightarrow{\ p^*\ }\operatorname{Hom}_R(A,N)
\xrightarrow{\ i^*\ }\operatorname{Hom}_R(A',N) 0 ⟶ Hom R ( A ′′ , N ) p ∗ Hom R ( A , N ) i ∗ Hom R ( A ′ , N )
は完全である。
表示した列の右端に→ 0 \to0 → 0 は付けない。したがって、p ∗ p_* p ∗ またはi ∗ i^* i ∗ の全射性は主張していない。
証明. まず共変な列を証明する。
i ∗ i_* i ∗ の単射性。φ ∈ Hom R ( P , A ′ ) \varphi\in\operatorname{Hom}_R(P,A') φ ∈ Hom R ( P , A ′ ) がi ∗ ( φ ) = i ∘ φ = 0 i_*(\varphi)=i\circ\varphi=0 i ∗ ( φ ) = i ∘ φ = 0 を満たすとする。任意のx ∈ P x\in P x ∈ P に対してi ( φ ( x ) ) = 0 i(\varphi(x))=0 i ( φ ( x )) = 0 である。i i i は単射であるためφ ( x ) = 0 \varphi(x)=0 φ ( x ) = 0 となり、φ = 0 \varphi=0 φ = 0 である。よってi ∗ i_* i ∗ は単射である。
im i ∗ ⊆ ker p ∗ \operatorname{im}i_*\subseteq\ker p_* im i ∗ ⊆ ker p ∗ 。 任意のφ : P → A ′ \varphi\colon P\to A' φ : P → A ′ に対して
p ∗ ( i ∗ ( φ ) ) = p ∘ i ∘ φ = 0 p_*(i_*(\varphi))
=p\circ i\circ\varphi
=0 p ∗ ( i ∗ ( φ )) = p ∘ i ∘ φ = 0 である。最後の等式にはim i = ker p \operatorname{im}i=\ker p im i = ker p を用いた。
ker p ∗ ⊆ im i ∗ \ker p_*\subseteq\operatorname{im}i_* ker p ∗ ⊆ im i ∗ 。ψ ∈ Hom R ( P , A ) \psi\in\operatorname{Hom}_R(P,A) ψ ∈ Hom R ( P , A ) がp ∗ ( ψ ) = p ∘ ψ = 0 p_*(\psi)=p\circ\psi=0 p ∗ ( ψ ) = p ∘ ψ = 0 を満たすとする。各x ∈ P x\in P x ∈ P についてψ ( x ) ∈ ker p = im i \psi(x)\in\ker p=\operatorname{im}i ψ ( x ) ∈ ker p = im i であるため、i ( φ ( x ) ) = ψ ( x ) i(\varphi(x))=\psi(x) i ( φ ( x )) = ψ ( x ) を満たすφ ( x ) ∈ A ′ \varphi(x)\in A' φ ( x ) ∈ A ′ が存在する。i i i は単射であるため、このφ ( x ) \varphi(x) φ ( x ) は一意である。この対応によって写像φ : P → A ′ \varphi\colon P\to A' φ : P → A ′ を定める。
x , y ∈ P x,y\in P x , y ∈ P に対して
i ( φ ( x + y ) ) = ψ ( x + y ) = ψ ( x ) + ψ ( y ) = i ( φ ( x ) + φ ( y ) ) i(\varphi(x+y))
=\psi(x+y)
=\psi(x)+\psi(y)
=i(\varphi(x)+\varphi(y)) i ( φ ( x + y )) = ψ ( x + y ) = ψ ( x ) + ψ ( y ) = i ( φ ( x ) + φ ( y )) である。i i i の単射性からφ ( x + y ) = φ ( x ) + φ ( y ) \varphi(x+y)=\varphi(x)+\varphi(y) φ ( x + y ) = φ ( x ) + φ ( y ) を得る。同様に、r ∈ R r\in R r ∈ R に対して
i ( φ ( r x ) ) = ψ ( r x ) = r ψ ( x ) = i ( r φ ( x ) ) i(\varphi(rx))
=\psi(rx)
=r\psi(x)
=i(r\varphi(x)) i ( φ ( r x )) = ψ ( r x ) = r ψ ( x ) = i ( r φ ( x )) であるため、φ ( r x ) = r φ ( x ) \varphi(rx)=r\varphi(x) φ ( r x ) = r φ ( x ) となる。よってφ \varphi φ はR R R 線形であり、定義からi ∘ φ = ψ i\circ\varphi=\psi i ∘ φ = ψ である。したがってψ = i ∗ ( φ ) \psi=i_*(\varphi) ψ = i ∗ ( φ ) であり、共変な列の完全性を得る。
次に反変な列を証明する。
p ∗ p^* p ∗ の単射性。α ∈ Hom R ( A ′ ′ , N ) \alpha\in\operatorname{Hom}_R(A'',N) α ∈ Hom R ( A ′′ , N ) がp ∗ ( α ) = α ∘ p = 0 p^*(\alpha)=\alpha\circ p=0 p ∗ ( α ) = α ∘ p = 0 を満たすとする。任意のz ∈ A ′ ′ z\in A'' z ∈ A ′′ に対して、p p p の全射性からp ( a ) = z p(a)=z p ( a ) = z となるa ∈ A a\in A a ∈ A が存在する。したがって
α ( z ) = α ( p ( a ) ) = 0 \alpha(z)=\alpha(p(a))=0 α ( z ) = α ( p ( a )) = 0 であり、α = 0 \alpha=0 α = 0 である。よってp ∗ p^* p ∗ は単射である。
im p ∗ ⊆ ker i ∗ \operatorname{im}p^*\subseteq\ker i^* im p ∗ ⊆ ker i ∗ 。 任意のα : A ′ ′ → N \alpha\colon A''\to N α : A ′′ → N に対して
i ∗ ( p ∗ ( α ) ) = α ∘ p ∘ i = 0 i^*(p^*(\alpha))
=\alpha\circ p\circ i
=0 i ∗ ( p ∗ ( α )) = α ∘ p ∘ i = 0 である。
ker i ∗ ⊆ im p ∗ \ker i^*\subseteq\operatorname{im}p^* ker i ∗ ⊆ im p ∗ 。β ∈ Hom R ( A , N ) \beta\in\operatorname{Hom}_R(A,N) β ∈ Hom R ( A , N ) がi ∗ ( β ) = β ∘ i = 0 i^*(\beta)=\beta\circ i=0 i ∗ ( β ) = β ∘ i = 0 を満たすとする。z ∈ A ′ ′ z\in A'' z ∈ A ′′ に対して、p p p の全射性を用いてp ( a ) = z p(a)=z p ( a ) = z となるa ∈ A a\in A a ∈ A を取り、
α ( z ) : = β ( a ) \alpha(z):=\beta(a) α ( z ) := β ( a ) と定める。
この値がa a a の選び方に依存しないことを示す。p ( a ) = p ( a ′ ) p(a)=p(a') p ( a ) = p ( a ′ ) ならば
a − a ′ ∈ ker p = im i a-a'\in\ker p=\operatorname{im}i a − a ′ ∈ ker p = im i であるため、あるa 0 ∈ A ′ a_0\in A' a 0 ∈ A ′ によってa − a ′ = i ( a 0 ) a-a'=i(a_0) a − a ′ = i ( a 0 ) と書くことができる。したがって
β ( a ) − β ( a ′ ) = β ( i ( a 0 ) ) = 0 \beta(a)-\beta(a')
=\beta(i(a_0))
=0 β ( a ) − β ( a ′ ) = β ( i ( a 0 )) = 0 である。よってα \alpha α は well-defined である。
z , w ∈ A ′ ′ z,w\in A'' z , w ∈ A ′′ に対してp ( a ) = z p(a)=z p ( a ) = z 、p ( b ) = w p(b)=w p ( b ) = w となるa , b ∈ A a,b\in A a , b ∈ A を取ると、p ( a + b ) = z + w p(a+b)=z+w p ( a + b ) = z + w であるから
α ( z + w ) = β ( a + b ) = β ( a ) + β ( b ) = α ( z ) + α ( w ) \alpha(z+w)
=\beta(a+b)
=\beta(a)+\beta(b)
=\alpha(z)+\alpha(w) α ( z + w ) = β ( a + b ) = β ( a ) + β ( b ) = α ( z ) + α ( w ) となる。r ∈ R r\in R r ∈ R に対してp ( r a ) = r z p(ra)=rz p ( r a ) = r z であるから
α ( r z ) = β ( r a ) = r β ( a ) = r α ( z ) \alpha(rz)=\beta(ra)=r\beta(a)=r\alpha(z) α ( r z ) = β ( r a ) = r β ( a ) = r α ( z ) となる。したがってα \alpha α はR R R 線形である。任意のa ∈ A a\in A a ∈ A に対して
( p ∗ ( α ) ) ( a ) = α ( p ( a ) ) = β ( a ) (p^*(\alpha))(a)
=\alpha(p(a))
=\beta(a) ( p ∗ ( α )) ( a ) = α ( p ( a )) = β ( a ) であるため、β = p ∗ ( α ) \beta=p^*(\alpha) β = p ∗ ( α ) となる。以上により反変な列も完全である。▨
5 余核に対する反変 Hom の形
反変な場合の左完全性は、左端の単射を仮定しない形へ拡張することができる。右端の全射とその直前の完全性だけを仮定した列は、右端の加群を左隣の加群の余核として表示している。次の系は、反変 Hom がこの余核を核へ移すことを述べる。この形は、余核として与えた加群からの準同型を、その一つ左の加群からの準同型のうち合成が零になるものとして読み替えるときに用いる。
系 5.1. R R R を単位元をもつ結合環とし、左R R R 加群の列
B → u A → p C ⟶ 0 B\xrightarrow{\ u\ }A
\xrightarrow{\ p\ }C
\longrightarrow0 B u A p C ⟶ 0 を完全とする。すなわちp p p は全射であり、im u = ker p \operatorname{im}u=\ker p im u = ker p である。このとき、任意の左R R R 加群N N N に対して、アーベル群の列
0 ⟶ Hom R ( C , N ) → p ∗ Hom R ( A , N ) → u ∗ Hom R ( B , N ) 0\longrightarrow\operatorname{Hom}_R(C,N)
\xrightarrow{\ p^*\ }\operatorname{Hom}_R(A,N)
\xrightarrow{\ u^*\ }\operatorname{Hom}_R(B,N) 0 ⟶ Hom R ( C , N ) p ∗ Hom R ( A , N ) u ∗ Hom R ( B , N ) は完全である。
とくに、β : A → N \beta\colon A\to N β : A → N がβ ∘ u = 0 \beta\circ u=0 β ∘ u = 0 を満たすならば、α ∘ p = β \alpha\circ p=\beta α ∘ p = β を満たすR R R 線形写像α : C → N \alpha\colon C\to N α : C → N がただ一つ存在する。
証明. A ′ : = im u = ker p A':=\operatorname{im}u=\ker p A ′ := im u = ker p と置き、i : A ′ → A i\colon A'\to A i : A ′ → A を包含写像、u ‾ : B → A ′ \overline u\colon B\to A' u : B → A ′ をu u u の終域をA ′ A' A ′ へ制限した写像とする。A ′ A' A ′ はA A A の部分加群であるため、i i i は単射なR R R 線形写像であり、u ‾ \overline u u は全射なR R R 線形写像であってu = i ∘ u ‾ u=i\circ\overline u u = i ∘ u が成り立つ。仮定im i = A ′ = ker p \operatorname{im}i=A'=\ker p im i = A ′ = ker p とp p p の全射性により、列
0 ⟶ A ′ → i A → p C ⟶ 0 0\longrightarrow A'
\xrightarrow{\ i\ }A
\xrightarrow{\ p\ }C
\longrightarrow0 0 ⟶ A ′ i A p C ⟶ 0 は短完全列である。したがって命題 4.1 (2) により、
0 ⟶ Hom R ( C , N ) → p ∗ Hom R ( A , N ) → i ∗ Hom R ( A ′ , N ) 0\longrightarrow\operatorname{Hom}_R(C,N)
\xrightarrow{\ p^*\ }\operatorname{Hom}_R(A,N)
\xrightarrow{\ i^*\ }\operatorname{Hom}_R(A',N) 0 ⟶ Hom R ( C , N ) p ∗ Hom R ( A , N ) i ∗ Hom R ( A ′ , N ) は完全である。
u = i ∘ u ‾ u=i\circ\overline u u = i ∘ u からu ∗ = u ‾ ∗ ∘ i ∗ u^*=\overline u^{\,*}\circ i^* u ∗ = u ∗ ∘ i ∗ である。u ‾ \overline u u は全射であるため、φ ∘ u ‾ = 0 \varphi\circ\overline u=0 φ ∘ u = 0 を満たすφ : A ′ → N \varphi\colon A'\to N φ : A ′ → N は零写像に限り、u ‾ ∗ \overline u^{\,*} u ∗ は単射である。単射な準同型を後から合成しても核は変わらないため
ker u ∗ = ker ( u ‾ ∗ ∘ i ∗ ) = ker i ∗ \ker u^*
=\ker(\overline u^{\,*}\circ i^*)
=\ker i^* ker u ∗ = ker ( u ∗ ∘ i ∗ ) = ker i ∗ である。ゆえにp ∗ p^* p ∗ は単射であり、im p ∗ = ker i ∗ = ker u ∗ \operatorname{im}p^*=\ker i^*=\ker u^* im p ∗ = ker i ∗ = ker u ∗ が成り立つ。よって表示した列は完全である。
最後の主張を示す。β ∘ u = 0 \beta\circ u=0 β ∘ u = 0 はβ ∈ ker u ∗ = im p ∗ \beta\in\ker u^*=\operatorname{im}p^* β ∈ ker u ∗ = im p ∗ を意味するため、α ∘ p = β \alpha\circ p=\beta α ∘ p = β を満たすα \alpha α が存在する。p ∗ p^* p ∗ が単射であるため、このα \alpha α は一意である。▨
6 右端の写像が全射でない例
左完全性は、二つの列の右端の写像が全射であることを含まない。共変な列では、p ∗ p_* p ∗ の全射性はA ′ ′ A'' A ′′ への写像をp p p に沿って持ち上げることができるかどうかを表す。反変な列では、i ∗ i^* i ∗ の全射性はA ′ A' A ′ 上の写像をA A A 全体へ延長することができるかどうかを表す。
定義 6.1. 全射p : A → B p\colon A\to B p : A → B とR R R 線形写像α : P → B \alpha\colon P\to B α : P → B に対して、R R R 線形写像α ~ : P → A \widetilde\alpha\colon P\to A α : P → A が
p ∘ α ~ = α p\circ\widetilde\alpha=\alpha p ∘ α = α を満たすとき、α ~ \widetilde\alpha α をα \alpha α のp p p に沿う持ち上げ (lift along a surjection ) という。
固定したp p p とP P P に対して、
p ∗ : Hom R ( P , A ) ⟶ Hom R ( P , B ) p_*\colon\operatorname{Hom}_R(P,A)\longrightarrow\operatorname{Hom}_R(P,B) p ∗ : Hom R ( P , A ) ⟶ Hom R ( P , B ) が全射であることは、すべてのα : P → B \alpha\colon P\to B α : P → B がp p p に沿う持ち上げをもつことと同値である。本記事では、すべての全射に対するこの条件を加群の性質として定義しない。
例 6.2 (共変 Hom と反変 Hom の非全射性). 整数n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 に対して、Z \mathbb Z Z 加群の短完全列
0 ⟶ Z → × n Z → q Z / n Z ⟶ 0 0\longrightarrow\mathbb Z
\xrightarrow{\ \times n\ }\mathbb Z
\xrightarrow{\ q\ }\mathbb Z/n\mathbb Z
\longrightarrow0 0 ⟶ Z × n Z q Z / n Z ⟶ 0 を考える。
共変な場合にはP : = Z / n Z P:=\mathbb Z/n\mathbb Z P := Z / n Z とする。任意の準同型f : Z / n Z → Z f\colon\mathbb Z/n\mathbb Z\to\mathbb Z f : Z / n Z → Z に対して、a : = f ( 1 + n Z ) a:=f(1+n\mathbb Z) a := f ( 1 + n Z ) と置くと
n a = f ( n ( 1 + n Z ) ) = f ( 0 ) = 0 na=f(n(1+n\mathbb Z))=f(0)=0 na = f ( n ( 1 + n Z )) = f ( 0 ) = 0 となる。Z \mathbb Z Z には非零のn n n 倍で零となる元がないためa = 0 a=0 a = 0 であり、f = 0 f=0 f = 0 である。したがって
Hom Z ( Z / n Z , Z ) = 0 \operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z/n\mathbb Z,\mathbb Z)=0 Hom Z ( Z / n Z , Z ) = 0 である。一方、
id Z / n Z ∈ Hom Z ( Z / n Z , Z / n Z ) \operatorname{id}_{\mathbb Z/n\mathbb Z}
\in\operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z/n\mathbb Z,\mathbb Z/n\mathbb Z) id Z / n Z ∈ Hom Z ( Z / n Z , Z / n Z ) は非零である。よって
q ∗ : Hom Z ( Z / n Z , Z ) ⟶ Hom Z ( Z / n Z , Z / n Z ) q_*\colon
\operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z/n\mathbb Z,\mathbb Z)
\longrightarrow
\operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z/n\mathbb Z,\mathbb Z/n\mathbb Z) q ∗ : Hom Z ( Z / n Z , Z ) ⟶ Hom Z ( Z / n Z , Z / n Z ) は全射でない。特に恒等写像はq q q に沿う持ち上げをもたない。
反変な場合にはN : = Z N:=\mathbb Z N := Z とする。準同型f : Z → Z f\colon\mathbb Z\to\mathbb Z f : Z → Z はf ( 1 ) = a ∈ Z f(1)=a\in\mathbb Z f ( 1 ) = a ∈ Z によって一意に定まり、f ( m ) = m a f(m)=ma f ( m ) = ma である。したがって評価写像により
Hom Z ( Z , Z ) ≅ Z \operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z,\mathbb Z)\cong\mathbb Z Hom Z ( Z , Z ) ≅ Z と同一視することができる。この同一視の下で、前合成による写像
( × n ) ∗ : Hom Z ( Z , Z ) ⟶ Hom Z ( Z , Z ) (\times n)^*\colon
\operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z,\mathbb Z)
\longrightarrow
\operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z,\mathbb Z) ( × n ) ∗ : Hom Z ( Z , Z ) ⟶ Hom Z ( Z , Z ) はa ↦ n a a\mapsto na a ↦ na に対応する。実際、
( f ∘ ( × n ) ) ( 1 ) = f ( n ) = n a (f\circ(\times n))(1)=f(n)=na ( f ∘ ( × n )) ( 1 ) = f ( n ) = na である。n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 であるため1 1 1 はこの写像の像に属さず、( × n ) ∗ (\times n)^* ( × n ) ∗ は全射でない。この非全射性は、準同型n Z → Z , n m ↦ m n\mathbb Z\to\mathbb Z,\ nm\mapsto m n Z → Z , nm ↦ m をZ → Z \mathbb Z\to\mathbb Z Z → Z へ延長することができないことを表す。
7 演習
問題 7.1 (Hom の左完全性の確認). 次の各問に答えよ。
一般の非可換環上で( r ⋅ f ) ( m ) = r f ( m ) (r\cdot f)(m)=rf(m) ( r ⋅ f ) ( m ) = r f ( m ) という式がHom R ( M , N ) \operatorname{Hom}_R(M,N) Hom R ( M , N ) の左R R R 作用を定めない理由を説明し、例 1.1 の行列で直接確認せよ。
固定したP P P に対するu ∗ ( φ ) = u ∘ φ u_*(\varphi)=u\circ\varphi u ∗ ( φ ) = u ∘ φ が加法群準同型であり、恒等写像と合成を同じ向きに保つことを証明せよ。
固定したN N N に対するu ∗ ( ψ ) = ψ ∘ u u^*(\psi)=\psi\circ u u ∗ ( ψ ) = ψ ∘ u が加法群準同型であり、合成の順序を反転させることを証明せよ。
短完全列に共変 Hom を施した列について、i ∗ i_* i ∗ の単射性とim i ∗ = ker p ∗ \operatorname{im}i_*=\ker p_* im i ∗ = ker p ∗ を証明せよ。特に、ker p ∗ \ker p_* ker p ∗ の元から作る因子写像が加法とR R R の作用を保つことを示せ。
短完全列に反変 Hom を施した列について、p ∗ p^* p ∗ の単射性とim p ∗ = ker i ∗ \operatorname{im}p^*=\ker i^* im p ∗ = ker i ∗ を証明せよ。特に、A ′ ′ A'' A ′′ の元の持ち上げの選択から作る写像の well-defined 性とR R R 線形性を示せ。
例 6.2 の短完全列について、共変なq ∗ q_* q ∗ と反変な( × n ) ∗ (\times n)^* ( × n ) ∗ が全射でないことをそれぞれ計算せよ。
全射p : A → B p\colon A\to B p : A → B に対するp ∗ : Hom R ( P , A ) → Hom R ( P , B ) p_*\colon\operatorname{Hom}_R(P,A)\to\operatorname{Hom}_R(P,B) p ∗ : Hom R ( P , A ) → Hom R ( P , B ) の全射性を、個別の写像の持ち上げによって言い換えよ。本記事がこの条件を加群の性質として定義しない理由を述べよ。
完全列B → u A → p C → 0 B\xrightarrow uA\xrightarrow pC\to0 B u A p C → 0 を取る。u u u を像への全射と包含へ分解し、命題 4.1 (2) から系 5.1 を導け。とくに、全射との合成が核を変えないことを用いてker u ∗ = ker i ∗ \ker u^*=\ker i^* ker u ∗ = ker i ∗ を示せ。
解答 (演習の解答).
f f f が左R R R 線形でも、( r ⋅ f ) ( s m ) = r s f ( m ) (r\cdot f)(sm)=rsf(m) ( r ⋅ f ) ( s m ) = r s f ( m ) とs ( r ⋅ f ) ( m ) = s r f ( m ) s(r\cdot f)(m)=srf(m) s ( r ⋅ f ) ( m ) = sr f ( m ) は一般には一致しない。例のR = Mat 2 × 2 ( k ) R=\operatorname{Mat}_{2\times2}(k) R = Mat 2 × 2 ( k ) ではf = id R f=\operatorname{id}_R f = id R 、r = p r=p r = p 、s = q s=q s = q 、m = 1 R m=1_R m = 1 R とすると、二つの値はp q pq pq とq p qp q p であり一致しない。したがって追加構造なしには Hom を左R R R 加群とみなさない。
u ∗ ( φ + ψ ) = u ∘ ( φ + ψ ) = u ∘ φ + u ∘ ψ u_*(\varphi+\psi)=u\circ(\varphi+\psi)=u\circ\varphi+u\circ\psi u ∗ ( φ + ψ ) = u ∘ ( φ + ψ ) = u ∘ φ + u ∘ ψ であり、零写像も零写像へ移る。恒等写像について( id A ) ∗ ( φ ) = φ (\operatorname{id}_A)_*(\varphi)=\varphi ( id A ) ∗ ( φ ) = φ である。A → u B → v C A\xrightarrow{u}B\xrightarrow{v}C A u B v C に対して、合成の結合律から( v ∘ u ) ∗ ( φ ) = v ∘ ( u ∘ φ ) = v ∗ ( u ∗ ( φ ) ) (v\circ u)_*(\varphi)=v\circ(u\circ\varphi)=v_*(u_*(\varphi)) ( v ∘ u ) ∗ ( φ ) = v ∘ ( u ∘ φ ) = v ∗ ( u ∗ ( φ )) となる。
u ∗ ( φ + ψ ) = ( φ + ψ ) ∘ u = φ ∘ u + ψ ∘ u u^*(\varphi+\psi)=(\varphi+\psi)\circ u=\varphi\circ u+\psi\circ u u ∗ ( φ + ψ ) = ( φ + ψ ) ∘ u = φ ∘ u + ψ ∘ u である。恒等写像は恒等写像を誘導する。また( v ∘ u ) ∗ ( θ ) = θ ∘ v ∘ u = u ∗ ( v ∗ ( θ ) ) (v\circ u)^*(\theta)=\theta\circ v\circ u=u^*(v^*(\theta)) ( v ∘ u ) ∗ ( θ ) = θ ∘ v ∘ u = u ∗ ( v ∗ ( θ )) であるため、合成の順序は反転する。
i ∘ φ = 0 i\circ\varphi=0 i ∘ φ = 0 ならばi i i の単射性から各点でφ = 0 \varphi=0 φ = 0 となる。p ∘ i = 0 p\circ i=0 p ∘ i = 0 であるためim i ∗ ⊆ ker p ∗ \operatorname{im}i_*\subseteq\ker p_* im i ∗ ⊆ ker p ∗ である。p ∘ ψ = 0 p\circ\psi=0 p ∘ ψ = 0 ならばψ ( x ) ∈ ker p = im i \psi(x)\in\ker p=\operatorname{im}i ψ ( x ) ∈ ker p = im i である。i ( φ ( x ) ) = ψ ( x ) i(\varphi(x))=\psi(x) i ( φ ( x )) = ψ ( x ) となる一意なφ ( x ) \varphi(x) φ ( x ) を取る。i φ ( x + y ) = i ( φ ( x ) + φ ( y ) ) i\varphi(x+y)=i(\varphi(x)+\varphi(y)) i φ ( x + y ) = i ( φ ( x ) + φ ( y )) とi φ ( r x ) = i ( r φ ( x ) ) i\varphi(rx)=i(r\varphi(x)) i φ ( r x ) = i ( r φ ( x )) が成り立ち、i i i の単射性からφ \varphi φ はR R R 線形である。よってi ∗ ( φ ) = ψ i_*(\varphi)=\psi i ∗ ( φ ) = ψ となる。
α ∘ p = 0 \alpha\circ p=0 α ∘ p = 0 ならば、p p p の全射性からα = 0 \alpha=0 α = 0 である。p ∘ i = 0 p\circ i=0 p ∘ i = 0 であるためim p ∗ ⊆ ker i ∗ \operatorname{im}p^*\subseteq\ker i^* im p ∗ ⊆ ker i ∗ となる。β ∘ i = 0 \beta\circ i=0 β ∘ i = 0 とし、p ( a ) = z p(a)=z p ( a ) = z となるa a a を取ってα ( z ) = β ( a ) \alpha(z)=\beta(a) α ( z ) = β ( a ) と定める。二つの持ち上げの差はker p = im i \ker p=\operatorname{im}i ker p = im i に属し、β \beta β はim i \operatorname{im}i im i を零に写すため、α \alpha α は well-defined である。z , w z,w z , w の持ち上げa , b a,b a , b に対してa + b a+b a + b はz + w z+w z + w の持ち上げであり、r a ra r a はr z rz r z の持ち上げであるため、α \alpha α は加法とR R R の作用を保つ。定義からα ∘ p = β \alpha\circ p=\beta α ∘ p = β である。
Hom Z ( Z / n Z , Z ) = 0 \operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z/n\mathbb Z,\mathbb Z)=0 Hom Z ( Z / n Z , Z ) = 0 であるが、Hom Z ( Z / n Z , Z / n Z ) \operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z/n\mathbb Z,\mathbb Z/n\mathbb Z) Hom Z ( Z / n Z , Z / n Z ) は非零の恒等写像を含むため、q ∗ q_* q ∗ は全射でない。Hom Z ( Z , Z ) ≅ Z \operatorname{Hom}_{\mathbb Z}(\mathbb Z,\mathbb Z)\cong\mathbb Z Hom Z ( Z , Z ) ≅ Z の下で( × n ) ∗ (\times n)^* ( × n ) ∗ はa ↦ n a a\mapsto na a ↦ na であり、n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 では全射でない。
p ∗ p_* p ∗ が全射であることは、任意のα : P → B \alpha\colon P\to B α : P → B に対してp ∘ α ~ = α p\circ\widetilde\alpha=\alpha p ∘ α = α を満たすα ~ : P → A \widetilde\alpha\colon P\to A α : P → A が存在することと同値である。すべての全射に対してこの条件を要求して得られる加群の性質は後続記事の対象であるため、本記事では固定したp p p とα \alpha α に対する持ち上げだけを定める。
A ′ : = im u = ker p A':=\operatorname{im}u=\ker p A ′ := im u = ker p と置き、u = i ∘ u ‾ u=i\circ\overline u u = i ∘ u と分解する。ここでu ‾ : B → A ′ \overline u\colon B\to A' u : B → A ′ は全射、i : A ′ → A i\colon A'\to A i : A ′ → A は包含である。0 → A ′ → i A → p C → 0 0\to A'\xrightarrow iA\xrightarrow pC\to0 0 → A ′ i A p C → 0 は短完全列であるから、命題 4.1 (2) によりp ∗ p^* p ∗ は単射でim p ∗ = ker i ∗ \operatorname{im}p^*=\ker i^* im p ∗ = ker i ∗ である。u ∗ = u ‾ ∗ ∘ i ∗ u^*=\overline u^{\,*}\circ i^* u ∗ = u ∗ ∘ i ∗ であり、u ‾ \overline u u が全射であることからu ‾ ∗ \overline u^{\,*} u ∗ は単射であるためker u ∗ = ker i ∗ \ker u^*=\ker i^* ker u ∗ = ker i ∗ となる。よってim p ∗ = ker u ∗ \operatorname{im}p^*=\ker u^* im p ∗ = ker u ∗ が成り立つ。
▨
8 後続記事との関係
本記事では、固定した始域または終域に対する Hom の誘導写像を具体的に定め、短完全列から得られる二つの列の左完全性を証明した。あわせて、反変の場合を左端の単射を仮定しない形へ拡張し、反変 Hom が余核を核へ移すことを系 5.1 で示した。後続記事はこの系を、自由加群の間の準同型の余核として与えた加群のテンソル積が普遍性を満たすことの証明に用いる。さらに後続記事ではテンソル積と Hom の対応を構成し、全射に沿う持ち上げが常に存在する加群を別に定義して Hom の完全性との関係を扱う。