1 定義と自然性
定義 1.1.Mをアーベル群とする。Xの M係数特異鎖群 (singular chain group with coefficients) と境界作用素を
Cn(X;M):=Cn(X)⊗ZM,∂nM:=∂n⊗idMで定める。(∂M)2=0なので、
Hn(X;M):=ker∂nM/im∂n+1Mを M係数ホモロジー群 (homology group with coefficients) という。
Cn(X)は特異単体を基底とする自由アーベル群であるから、Cn(X;M)は有限個の特異単体にMの係数を付けた形式和とみなすことができる。
命題 1.2. 連続写像f:X→Yとアーベル群の準同型φ:M→Nは、それぞれ
f#⊗idM:C∗(X;M)⟶C∗(Y;M),idC∗(X)⊗φ:C∗(X;M)⟶C∗(X;N)という鎖準同型を定める。これらは恒等写像と合成を保ち、ホモロジー準同型を誘導する。
証明.f#∂=∂f#であるから、テンソル積を取っても境界作用素と可換する。係数準同型についても
(∂⊗idN)(id⊗φ)=(id⊗φ)(∂⊗idM)である。恒等写像と合成に関する等式は純テンソル上で直接成り立つため、鎖群全体とホモロジーへ移る。▨
命題 1.3. 自然な同型Hn(X;Z)≅Hn(X)がある。また、ホモトピックな写像f,g:X→Yは任意の係数群Mについて同じ準同型
f∗=g∗:Hn(X;M)⟶Hn(Y;M)を誘導する。
証明.Cn(X)⊗Z→Cn(X)、c⊗m↦mcは境界作用素と可換する同型である。ホモトピーFの整数係数角柱作用素Pは∂P+P∂=g#−f#を満たす。P⊗idMを取れば同じ鎖ホモトピー恒等式がM係数でも成立する。輪体に適用すると二写像の差が境界になる。▨
2 実射影平面の係数変更
ここではRP2の Δ 複体に係数を入れた鎖複体
CnΔ(RP2;M):=CnΔ(RP2)⊗ZM
と、そのホモロジーHnΔ(RP2;M)を直接計算する。二頂点v0,v1、三辺a,b,c、二つの二単体U,Lを取り、
∂1a=∂1b=v1−v0,∂1c=0,
∂2U=a−b+c,∂2L=a−b−c
とする。任意の係数群Mについてker∂1Δ,Mは
p:=a−b,q:=c
に付けた係数で表され、∂2Δ,Mは基底(U,L)と(p,q)に関して
A=(111−1)
で表される。
この段階では、係数付き Δ ホモロジーと係数付き特異ホモロジーを同一視する比較定理をまだ用いない。したがって、次の表は係数付き Δ ホモロジー群の計算である。
命題 2.1. 実射影平面の係数付き Δ ホモロジーについて次が成り立つ。
MZQF2H0Δ(RP2;M)ZQF2H1Δ(RP2;M)Z/2Z0F2H2Δ(RP2;M)00F2
証明.H0Δではv1−v0を零とするため、三係数のいずれでもMが残る。整数上ではdetA=−2なのでAは単射で、像の指数は二である。したがってH2Δ=0、H1Δ≅Z/2Zとなる。有理数上では2が可逆なのでAは同型であり、H1Δ=H2Δ=0である。二元体上では−1=1なので二列はいずれも(1,1)Tになる。像と核はいずれも一次元であり、H1Δ≅F2およびH2Δ≅F2を得る。▨
この係数付き Δ 鎖複体の計算では、整数係数で現れた二捩れが有理数係数で消える。一方、二元体係数では符号1と−1の差が消えるため、整数係数では大域的な向きをもたない実射影平面にも二次の類が現れる。この係数差は鎖行列だけから観察することができ、普遍係数定理も後続の単体・特異比較も必要としない。後続の比較定理を得た後に、これらの群をHn(RP2;M)と同一視する。
3 演習
問題 3.1.
- 上の行列AをZ/3Z上で考え、H1ΔとH2Δを求めよ。
- 係数準同型Z→F2が、RP2の一次 Δ ホモロジーの非零元を非零元へ送ることを鎖の代表元q=cで確認せよ。
解答。 第一問ではdetA=−2=1が可逆なのでAは同型であり、H1Δ=H2Δ=0である。第二問では、整数係数のH1Δはqの類が生成し、関係は2q=0である。係数を二で還元するとqは(p,q)の商の非零類へ移るため、誘導準同型は非零である。