Cartesianファイブレーション

同義語:カルテシアンファイブレーションCartesian fibration

概要

Cartesianファイブレーション(Cartesian fibration)とは、単体的集合の内部ファイブレーション $p\colon X\to S$ であって、$S$ の辺をいつも終点を指定して $p$-Cartesian な辺に持ち上げられるもののことである。辺 $f$ が $p$-Cartesian であることはスライスの間の写像が自明 Kan ファイブレーションであることで定め、これは最後の辺が $f$ の外側のホーン $\Lambda^n_n$ がいつも埋まることと同値である。通常の圏の脈体では Grothendieck のファイバー付き圏にあたり、すべての辺が Cartesian なものが右ファイブレーションである。直線化により $S^{\mathrm{op}}$ から∞圏の∞圏への関手を表す。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 左ファイブレーションと右ファイブレーション, 内部ホーンと内部アノダイン射, 結(単体的集合)

関手 $F\colon\mathcal A\to\mathcal B$ の射 $e\colon x\to y$ が Cartesian であるとは、$y$ への射のうち $F$ による像が $F(e)$ を通るものが、$e$ をただ 1 通りに通ることをいう。$\mathcal B$ の射をいつも終点の側から Cartesian に持ち上げられる関手が Grothendieck の ファイバー付き圏(Grothendieck ファイブレーション)であり、各対象 $b$ の上のファイバー $\mathcal A_b$ が $\mathcal B$ の射に沿って反変に動く。つまりファイバー付き圏は $\mathcal B^{\mathrm{op}}$ から圏の圏への関手を表す。
Cartesian ファイブレーション はその ∞圏版で、内部ファイブレーション $p\colon X\to S$ の辺 $f$ が $p$-Cartesian であることを、スライスの間の写像が自明 Kan ファイブレーションであることで定め、$S$ の辺がいつも $p$-Cartesian に持ち上がるものをいう(HTT09 Definition 2.4.2.1、p. 121)。すべての辺が $p$-Cartesian である場合が 左ファイブレーションと右ファイブレーション の右ファイブレーションであり、Cartesian ファイブレーションは $S^{\mathrm{op}}$ から∞圏の∞圏への関手を表す。向きを逆にしたものが coCartesian ファイブレーション である。
この記事では、まず通常の圏で Cartesian な射とファイバー付き圏を定義し、Grothendieck 構成と随伴の例を確かめる。次に ∞圏の Cartesian な辺を定義し、それが「最後の辺を固定した外側のホーン $\Lambda^n_n$ を埋められること」と同値であることを証明して、脈体の場合・引き戻しと合成・右ファイブレーションとの関係・標識付き単体的集合 との関係を導く。

通常の圏の場合

Cartesian な射とファイバー付き圏

関手 $F\colon\mathcal A\to\mathcal B$ の射 $e\colon x\to y$ が $F$-Cartesian であるとは、すべての対象 $z$ と $\mathcal B$ の射 $\beta\colon F(z)\to F(x)$ について、写像
$$ e_*\colon\{g\colon z\to x\mid F(g)=\beta\}\to\{a\colon z\to y\mid F(a)=F(e)\circ\beta\},\qquad g\mapsto e\circ g $$
が全単射であることをいう。すべての対象 $y$ と $\mathcal B$ の射 $\alpha\colon b\to F(y)$ について $F(e)=\alpha$ となる $F$-Cartesian な射 $e\colon x\to y$ があるとき、$F$ を ファイバー付き圏(fibered category)または Grothendieck ファイブレーション という。$F^{\mathrm{op}}$ について Cartesian な射を $F$-coCartesian といい、$F^{\mathrm{op}}$ がファイバー付き圏であるとき $F$ を 余ファイバー付き圏 という。

対象 $b$ の上の ファイバー $\mathcal A_b$ は、$F(x)=b$ となる対象 $x$ と、$F(g)=\mathrm{id}_b$ となる射 $g$ からなる部分圏である。左ファイブレーションと右ファイブレーション の定義「亜群でファイバー付けられた圏」の (F2) は「すべての射が $F$-Cartesian」ということにほかならず、(F1) は持ち上げの存在なので、亜群でファイバー付けられた圏とは、すべての射が Cartesian なファイバー付き圏のことである。

Cartesian な射の基本性質

$F\colon\mathcal A\to\mathcal B$ を関手とする。

  1. 同型射は $F$-Cartesian であり、$F$-Cartesian な射の合成は $F$-Cartesian である。
  2. $v$ と $v\circ h$ が $F$-Cartesian なら $h$ も $F$-Cartesian である。
  3. $F(e)$ が恒等射である $F$-Cartesian な射 $e$ は同型射である。
  4. $F$ がファイバー付き圏のとき、すべてのファイバーが亜群であることと、すべての射が $F$-Cartesian であることは同値である。

要点:$e_*$ の合成への分解と、恒等射の上での一意性。

詳しい証明を開く

1:$e$ が同型射なら $e_*$ の逆は $a\mapsto e^{-1}\circ a$ である($F(e^{-1}a)=F(e)^{-1}F(a)=\beta$)。$h\colon x\to x'$、$v\colon x'\to y$ について、$(z,\beta)$ に対する $(vh)_*$ は、$(z,\beta)$ に対する $h_*$ と $(z,F(h)\beta)$ に対する $v_*$ の合成なので、両方が全単射なら全単射である。2:同じ分解から $h_*=v_*^{-1}\circ(vh)_*$ である。3:$e\colon x\to y$ に $(z,\beta)=(y,\mathrm{id})$ を使うと $e\circ g=\mathrm{id}_y$、$F(g)=\mathrm{id}$ となる $g$ がある。$e\circ(g\circ e)=e=e\circ\mathrm{id}_x$ と $F(ge)=F(\mathrm{id}_x)$ から、$(x,\mathrm{id})$ に対する $e_*$ の単射性で $g\circ e=\mathrm{id}_x$ である。4:すべての射が Cartesian なら、ファイバーの射は 3 により同型射である。逆にファイバーが亜群とし、$e\colon x\to y$ をとる。$F(e)$ の Cartesian な持ち上げ $v\colon x'\to y$ を選ぶと、$(x,\mathrm{id}_{F(x)})$ に対する $v_*$ の全射性から $v\circ h=e$、$F(h)=\mathrm{id}$ となる $h$ がある。$h$ はファイバーの射なので同型射で、1 により $e=v\circ h$ は Cartesian である。$\square$

Grothendieck 構成

関手 $\Phi\colon\mathcal B^{\mathrm{op}}\to\mathbf{Cat}$ について、圏 $\int\Phi$ を、対象を組 $(b,x)$($x$ は $\Phi(b)$ の対象)、$(b',x')$ から $(b,x)$ への射を組 $(\beta,f)$($\beta\colon b'\to b$、$f\colon x'\to\Phi(\beta)(x)$ は $\Phi(b')$ の射)とし、合成を $(\beta,f)\circ(\beta',f'):=(\beta\beta',\ \Phi(\beta')(f)\circ f')$ で定める。射影 $\pi\colon\int\Phi\to\mathcal B$ はファイバー付き圏で、$\beta\colon b'\to b$ の $(b,x)$ への Cartesian な持ち上げとして $(\beta,\mathrm{id})\colon(b',\Phi(\beta)(x))\to(b,x)$ がとれる。$b$ の上のファイバーは $\Phi(b)$ である。

要点:持ち上げ $(\beta,\mathrm{id})$ との合成は第 2 成分を変えない。

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合成の第 2 成分は $\Phi(\beta\beta')=\Phi(\beta')\Phi(\beta)$ により $\Phi(\beta\beta')(x)$ への射であり、結合律と単位律は $\Phi$ の関手性から従う。$e=(\beta,\mathrm{id})$ とし、$z=(b'',x'')$、$\gamma\colon b''\to b'$ をとる。$\pi(g)=\gamma$ となる $g\colon z\to(b',\Phi(\beta)(x))$ は $(\gamma,f')$($f'\colon x''\to\Phi(\gamma)\Phi(\beta)(x)$)であり、$e\circ g=(\beta\gamma,\Phi(\gamma)(\mathrm{id})\circ f')=(\beta\gamma,f')$ である。$\pi(a)=\beta\gamma$ となる $a\colon z\to(b,x)$ は $(\beta\gamma,f)$($f\colon x''\to\Phi(\beta\gamma)(x)=\Phi(\gamma)\Phi(\beta)(x)$)なので、$e_*$ は $f'\mapsto f'$ で全単射である。$\square$

通常の圏の随伴も Cartesian な持ち上げで書ける。関手 $L\colon\mathcal C\to\mathcal D$ について、圏 $\mathcal M_L$ を、対象を $\mathcal C$ と $\mathcal D$ の対象の非交和とし、$\mathcal C$ どうし・$\mathcal D$ どうしの射はそれぞれ $\mathcal C$・$\mathcal D$ の射、$c$ から $d$ への射を $\mathrm{Hom}_{\mathcal D}(Lc,d)$ の元、$d$ から $c$ への射はなしとして定める(合成は $L$ を通して $\mathcal D$ で行う)。$\mathcal C$ を $0$、$\mathcal D$ を $1$ に送る関手 $q\colon\mathcal M_L\to[1]$ がある。

随伴と Cartesian な持ち上げ
  1. $q\colon\mathcal M_L\to[1]$ はいつも余ファイバー付き圏である。
  2. $q$ がファイバー付き圏であることと、$L$ が右随伴をもつことは同値である。このとき $d$ への $0\to1$ の Cartesian な持ち上げは、右随伴 $R$ の余単位 $\varepsilon_d\colon LRd\to d$ が定める射 $Rd\to d$ である。

要点:Cartesian 性の判定に現れるのは $\mathcal C$ の対象だけで、条件は普遍射の条件になる。

詳しい証明を開く

恒等射の上の持ち上げは恒等射でよい(同型射は Cartesian)。1:$c$ からの $0\to1$ の持ち上げとして $\mathrm{id}_{Lc}$ が定める $u_c\colon c\to Lc$ をとる。coCartesian 性の判定で $q(z)=1$ となる $z=d$ について、$\{h\colon Lc\to d\}\to\{a\colon c\to d\}=\mathrm{Hom}_{\mathcal D}(Lc,d)$、$h\mapsto h\circ u_c$ は恒等写像である。2:$d$ への持ち上げ $e\colon c\to d$($\varphi\in\mathrm{Hom}_{\mathcal D}(Lc,d)$)が Cartesian であることは、判定に現れる $z$ が $q(z)=0$ のものだけなので、すべての $z\in\mathcal C$ について $\mathrm{Hom}_{\mathcal C}(z,c)\to\mathrm{Hom}_{\mathcal D}(Lz,d)$、$g\mapsto\varphi\circ L(g)$ が全単射であること、すなわち $(c,\varphi)$ が $L$ から $d$ への普遍射であることと同じである。すべての $d$ が普遍射をもつことは $L$ が右随伴をもつことと同値で、そのとき普遍射は余単位で与えられる(Mac98 Theorem IV.1.1 (ii)、p. 82、Theorem IV.1.2 (iv)、p. 83)。$\square$

∞圏の随伴は、この性質を定義に採って、$\Delta^1$ 上の Cartesian かつ coCartesian なファイブレーションとして定義される(HTT09 Definition 5.2.2.1、p. 340。随伴関手(∞圏))。

∞圏の Cartesian な辺

記号は 左ファイブレーションと右ファイブレーション の節「スライスの射影」に従う。単体的集合 $X$ と写像 $r\colon K\to X$ について、スライス $X_{/r}$ は、$K$ 上で $r$ に一致する写像 $\Delta^m\star K\to X$ を $m$ 単体とする単体的集合であり、単体的集合 $A$ から $X_{/r}$ への写像は、$K$ 上で $r$ に一致する写像 $A\star K\to X$ と $A$ について自然に $1$ 対 $1$ に対応する(HTT09 Proposition 1.2.9.2、p. 42。$X$ が準圏でなくても同じ式で定まる)。辺 $f\colon x\to y$ を $f\colon\Delta^1\to X$ とみて $X_{/f}$ を、頂点 $y$ を $y\colon\Delta^0\to X$ とみて $X_{/y}$ を考える。$\{1\}\subset\Delta^1$ への制限が写像 $X_{/f}\to X_{/y}$ を定める。

p-Cartesian な辺

$p\colon X\to S$ を内部ファイブレーションとする。$X$ の辺 $f\colon x\to y$ が $p$-Cartesian であるとは、制限と $p$ との合成が定める写像
$$ \theta_f\colon X_{/f}\to X_{/y}\times_{S_{/p(y)}}S_{/p(f)} $$
が自明 Kan ファイブレーション(すべての $\partial\Delta^m\subset\Delta^m$ に対して右持ち上げ性質をもつ写像)であることをいう(HTT09 Definition 2.4.1.1、p. 115)。$p^{\mathrm{op}}\colon X^{\mathrm{op}}\to S^{\mathrm{op}}$ について $f^{\mathrm{op}}$ が Cartesian であるとき、$f$ を $p$-coCartesian という。

Cartesian ファイブレーション

単体的集合の写像 $p\colon X\to S$ が Cartesian ファイブレーション(Cartesian fibration)であるとは、$p$ が内部ファイブレーションであり、$S$ のすべての辺 $\alpha\colon s\to p(y)$($y$ は $X$ の頂点)について、$p(f)=\alpha$ となる $p$-Cartesian な辺 $f\colon x\to y$ があることをいう。$p^{\mathrm{op}}$ が Cartesian ファイブレーションであるとき、$p$ を coCartesian ファイブレーション という(HTT09 Definition 2.4.2.1、p. 121)。

定義はスライスを使うが、実際に使うのは次の持ち上げの言い換えである。

最後のホーンによる判定

$p\colon X\to S$ を内部ファイブレーション、$f$ を $X$ の辺とする。$f$ が $p$-Cartesian であることと、すべての $n\ge2$ について、最後の辺 $\{n-1,n\}$ を $f$ に送る写像 $u\colon\Lambda^n_n\to X$ と $p\circ u=v|_{\Lambda^n_n}$ となる $v\colon\Delta^n\to S$ に対して、$w|_{\Lambda^n_n}=u$、$p\circ w=v$ となる $w\colon\Delta^n\to X$ があることは同値である(HTT09 Remark 2.4.1.4、p. 116)。

結で境界の問題をホーンに移す

$m\ge0$ とし、$\theta_f$ の $\partial\Delta^m\subset\Delta^m$ に対する持ち上げの問題を書き直す。スライスの対応により、

  • 写像 $\partial\Delta^m\to X_{/f}$ は、$\Delta^1$ 上で $f$ となる写像 $\partial\Delta^m\star\Delta^1\to X$ であり、
  • 写像 $\Delta^m\to X_{/y}\times_{S_{/p(y)}}S_{/p(f)}$ は、写像 $\Delta^m\star\{1\}\to X$ と、$\Delta^1$ 上で $p(f)$ となる写像 $\Delta^m\star\Delta^1\to S$ で、$\Delta^m\star\{1\}$ の上で $p$ を通して一致するものの組である。
    正方形の可換性は、2 つの $X$ への写像が $\partial\Delta^m\star\{1\}$ の上で一致し、$S$ への写像が $\partial\Delta^m\star\Delta^1$ の上で $p$ を通した前者と一致することである。$(\partial\Delta^m\star\Delta^1)\cap(\Delta^m\star\{1\})=\partial\Delta^m\star\{1\}$ なので、前の 2 つの写像は和集合からの写像 $u$ にまとまり、結(単体的集合) の定理「境界とホーンの結」の 2($n=1$、$i=1$)により、$\Delta^m\star\Delta^1=\Delta^{m+2}$ の中で
    $$ (\partial\Delta^m\star\Delta^1)\cup(\Delta^m\star\{1\})=\Lambda^{m+2}_{m+2} $$
    である。$\Delta^1$ はここで頂点 $m+1,m+2$ の辺、つまり最後の辺であり、$u$ はそれを $f$ に送る。持ち上げ $\Delta^m\to X_{/f}$ は、$u$ を延ばし $p$ との合成が与えられた $v\colon\Delta^{m+2}\to S$ になる写像 $\Delta^{m+2}\to X$ と同じである。逆に最後の辺を $f$ に送る $\Lambda^{m+2}_{m+2}$ の問題は、同じ分解で $\theta_f$ の境界の問題に戻る。対応はスライスの対応の自然性により制限と両立する。$m$ が $0$ 以上を動くとき $n=m+2$ は $2$ 以上を動く($m=0$ では $\partial\Delta^0=\emptyset$ で、$\Lambda^2_2$ になる)。$\square$
準圏の Cartesian な辺は同値

$\mathcal C$ を準圏とし $p\colon\mathcal C\to\Delta^0$ とする。$\mathcal C$ の辺が $p$-Cartesian であることと同値(∞圏のホモトピー圏 の定義「同値の辺」)であることは同値である。とくに $p$ は Cartesian ファイブレーションである(HTT09 Remark 2.4.1.4 の (∗)、p. 116)。

thm-cf-horn により、$f$ が Cartesian であることは、最後の辺が $f$ の $\Lambda^n_n\to\mathcal C$($n\ge2$)がいつも埋まることである。頂点の順序の反転で、これは $\mathcal C^{\mathrm{op}}$ の中で最初の辺が $f^{\mathrm{op}}$ の $\Lambda^n_0$ がいつも埋まることと同じであり、Joyalの定理(準圏がKan複体である条件) の定理「Joyalの持ち上げ定理」により、$f^{\mathrm{op}}$ が $\mathcal C^{\mathrm{op}}$ の同値であることと同値である。$\mathcal C^{\mathrm{op}}$ は準圏であり(準圏 の命題「反対準圏」)、ホモトピー圏は辺を生成元、$2$ 単体ごとの関係で表示できるので(∞圏のホモトピー圏 の命題「生成元と関係による基本圏との一致」)$h(\mathcal C^{\mathrm{op}})\cong(h\mathcal C)^{\mathrm{op}}$ である。よってこれは $f$ が同値であることと同値である。$\Delta^0$ の辺は退化した辺だけで、その持ち上げには退化した辺(同値)がとれる。$\square$

脈体の場合

小さな圏の間の関手 $F\colon\mathcal A\to\mathcal B$ について、$N(\mathcal A)$ の辺 $e$ が $N(F)$-Cartesian であることと、$e$ が def-cf-ordinary の意味で $F$-Cartesian であることは同値である。とくに $N(F)$ が Cartesian ファイブレーションであることと、$F$ がファイバー付き圏であることは同値である(後半は HTT09 Remark 2.4.2.2、p. 121。前半の $\mathcal B=[1]$ で $F(e)$ が $0\to1$ の場合は同 Remark 2.4.1.2、p. 115)。

次元ごとにホーンを読む

要点:$n=2$ が $e_*$ の全射性、$n=3$ が単射性にあたり、$n\ge4$ ではいつも延びる。

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$N(F)$ は内部ファイブレーションである(ホーンと充填条件 の例「圏の脈体と関手」)。脈体 の補題「脈体への写像は辺と三角形で決まる」により、$\Lambda^n_n\to N(\mathcal A)$ は、頂点ごとの対象 $c_a$ と、ホーンに含まれる辺ごとの射 $e_{ab}$ で、ホーンに含まれる三角形ごとに $e_{bc}e_{ab}=e_{ac}$ を満たすものであり、延長は足りない関係を満たすことである。延長の像は辺の射で決まるので、底との両立はホーンに含まれない辺についてだけ確かめればよい($n\ge3$ では $\Lambda^n_n$ はすべての辺を含む)。最後の辺を $e_{n-1,n}=e\colon x\to y$ とし、thm-cf-horn の条件を $n$ ごとに読む。

$n=2$:$\Lambda^2_2$ は辺 $\{0,2\}$、$\{1,2\}$ だけからなり、データは $a=e_{02}\colon z\to y$ と $e$、底は $F(e)\circ\beta=F(a)$ となる $\beta\colon F(z)\to F(x)$ である。延長は $F(g)=\beta$、$e\circ g=a$ となる $g=e_{01}$ なので、条件は $e_*$ の全射性である。

$n=3$:$\Lambda^3_3$ はすべての辺と、三角形 $\{1,2,3\},\{0,2,3\},\{0,1,3\}$ を含み、延長には $e_{12}e_{01}=e_{02}$ が要る。$e_*$ が単射なら、$e(e_{12}e_{01})=e_{13}e_{01}=e_{03}=e\,e_{02}$ と、底から $F(e_{12}e_{01})=F(e_{02})$ が成り立つので、$e_{12}e_{01}=e_{02}$ である。逆に $g,h\colon z\to x$ が $F(g)=F(h)$、$eg=eh$ を満たすとき、頂点を $z,z,x,y$、$e_{01}=\mathrm{id}_z$、$e_{12}=g$、$e_{02}=h$、$e_{23}=e$、$e_{13}=eg$、$e_{03}=eh$ とするホーンと、底 $F(z)\xrightarrow{\mathrm{id}}F(z)\xrightarrow{F(g)}F(x)\xrightarrow{F(e)}F(y)$ を延ばせば $g=h$ を得る。よって $n=3$ の条件は $e_*$ の単射性である。

$n\ge4$:三角形 $\{a,b,c\}$ は $j\notin\{a,b,c\}$ の面 $d_j$ に含まれ、そのような $j$ は $2$ つ以上あるので $n$ 以外のものがとれる。よって $\Lambda^n_n$ はすべての辺と三角形を含み、いつも延長がある。

以上から $e$ が $N(F)$-Cartesian であることは $e_*$ がすべての $(z,\beta)$ で全単射であることと同値である。$N(\mathcal B)$ の辺は $\mathcal B$ の射なので、後半は定義を比べればよい。$\square$

引き戻し・合成と右ファイブレーション

同型・引き戻し・合成
  1. 単体的集合の同型 $p$ について、すべての辺は $p$-Cartesian であり、$p$ は Cartesian ファイブレーションである。
  2. 内部ファイブレーション $p\colon X\to S$ と写像 $g\colon S'\to S$ の引き戻し $p'\colon X'=X\times_SS'\to S'$、射影 $q\colon X'\to X$ について、$X'$ の辺 $f'$ の像 $q(f')$ が $p$-Cartesian なら、$f'$ は $p'$-Cartesian である。とくに Cartesian ファイブレーションの引き戻しは Cartesian ファイブレーションである。
  3. 内部ファイブレーション $p\colon X\to Y$、$q\colon Y\to Z$ と $X$ の辺 $f$ について、$p(f)$ が $q$-Cartesian で $f$ が $p$-Cartesian なら、$f$ は $q\circ p$-Cartesian である。とくに Cartesian ファイブレーションの合成は Cartesian ファイブレーションである。
    (HTT09 Proposition 2.4.1.3、p. 115、Proposition 2.4.2.3、p. 121。3 の逆向きはこの記事では扱わない。)
ホーンの問題を順に解く

要点:持ち上げの問題を、像の側で先に解いてから元の側で解く。

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すべて thm-cf-horn の持ち上げで確かめる。内部ファイブレーションは同型を含み、引き戻しと合成で閉じている(ホーンと充填条件 の定理「右持ち上げ性質の閉包性」)。1:$w=p^{-1}\circ v$ が解であり、辺の持ち上げも $p^{-1}$ でとれる。2:最後の辺が $f'$ の問題 $(u',v')$ に対し、$(q\circ u',g\circ v')$ は最後の辺が $q(f')$ の $p$ の問題なので解 $w$ があり、$(w,v')\colon\Delta^n\to X'$ が解である。$S'$ の辺 $\alpha'$ と $X'$ の頂点 $y'=(y,t)$($p(y)=g(t)$)について、$g(\alpha')$ の $p$-Cartesian な持ち上げ $f$ をとれば $(f,\alpha')$ が $p'$-Cartesian な持ち上げである。3:最後の辺が $f$ の $q\circ p$ の問題 $(u,v)$ に対し、まず最後の辺が $p(f)$ の $q$ の問題 $(p\circ u,v)$ を解いて $w_1\colon\Delta^n\to Y$ を得て、次に最後の辺が $f$ の $p$ の問題 $(u,w_1)$ を解けばよい。辺の持ち上げは、$Z$ の辺をまず $q$-Cartesian に、次にそれを $p$-Cartesian に持ち上げればよい。$\square$

右ファイブレーションとの関係

単体的集合の写像 $p\colon X\to S$ について、$p$ が右ファイブレーションであることと、$p$ が Cartesian ファイブレーションで $X$ のすべての辺が $p$-Cartesian であることは同値である。同様に、左ファイブレーションであることと、coCartesian ファイブレーションですべての辺が $p$-coCartesian であることは同値である。とくに Kan ファイブレーションは Cartesian かつ coCartesian なファイブレーションである(HTT09 Proposition 2.4.2.4、p. 122)。

右ファイブレーションは内部ファイブレーションである(左ファイブレーションと右ファイブレーション の命題「基本性質」の 2)。$p$ が右ファイブレーションなら、$n\ge2$ の $\Lambda^n_n$ に対する持ち上げがいつもあるので、thm-cf-horn によりすべての辺が $p$-Cartesian であり、$\Lambda^1_1$ に対する持ち上げが終点を指定した辺の持ち上げを与えるので、$p$ は Cartesian ファイブレーションである。逆に後者の条件を仮定する。$0< k< n$ のホーンは $p$ が内部ファイブレーションなので埋まる。$n\ge2$ の $\Lambda^n_n$ はその最後の辺を含み、それは $p$-Cartesian なので thm-cf-horn により埋まる。$\Lambda^1_1$ に対する持ち上げは Cartesian ファイブレーションの定義の辺の持ち上げである。左の場合は反対単体的集合に移せばよい(同命題の 1)。Kan ファイブレーションは右かつ左ファイブレーションである(同命題の 2)。$\square$

Cartesian ファイブレーションは右ファイブレーションと違い、ファイバー $X_s$ が Kan 複体とは限らない一般の準圏でよい(ex-cf-equivalence の $\mathcal C\to\Delta^0$ のファイバーは $\mathcal C$ 自身)。辺 $s'\to s$ の上の Cartesian な持ち上げは、ファイバーの間の「引き戻しの関手」$X_s\to X_{s'}$ の役をする(正確な形は下の直線化定理である)。

標識付きアノダイン射の 1・2 への持ち上げ

$p\colon(X,E)\to(S,F)$ を 標識付き単体的集合 の写像とする。$p$ が同記事の定義「標識付きアノダイン射」の 1 と 2 の写像すべてに対して右持ち上げ性質をもつことと、次の 3 条件は同値である(HTT09 Proposition 3.1.1.6 の証明の前半、pp. 149–150)。
(a) 下の写像 $X\to S$ は内部ファイブレーションである。
(b) $E$ のすべての辺は $p$-Cartesian である。
(c) $X$ の頂点 $y$ と $F$ の辺 $\bar e\colon s\to p(y)$ について、$p(e)=\bar e$ となる $e\in E$(終点 $y$)がある。
とくに Cartesian ファイブレーション $p$ について、$X^\natural$ は標識付き単体的集合であり(退化した辺は $p$-Cartesian である。prop-cf-degenerate-cartesian)、$X^\natural\to S^\sharp$ は定義の 1・2 に対して右持ち上げ性質をもつ。

要点:$\Lambda^n_n$ の最後の辺がただ 1 つの印なので、印の条件は最後の辺が $E$ に入ることだけになる。

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定義の 1 は平坦な単体的集合の間の包含なので、それに対する持ち上げは下の写像の内部ホーンに対する持ち上げと同じで、(a) と同値である。定義の 2 の $n=1$ は $\{1\}\subset(\Delta^1)^\sharp$ で、その持ち上げの問題は頂点 $y$ と $F$ の辺 $\bar e$(終点 $p(y)$)の組、解は $\bar e$ の上の終点 $y$ の標識付きの辺なので、(c) と同値である。$n\ge2$ では $\Lambda^n_n$ は最後の辺を含むので、始域から $X$ への標識付きの写像は、最後の辺を $E$ の辺 $e$ に送る写像 $\Lambda^n_n\to X$ と同じであり、終域から $S$ への写像の印の条件は $p(e)\in F$ から自動的に満たされる。解の印の条件も、最後の辺の像が $e$ なので自動的に満たされる。よって $n\ge2$ の持ち上げ性質は、「$e\in E$ を最後の辺とする $\Lambda^n_n$ の問題がいつも解ける」ことであり、(a) のもとで thm-cf-horn により (b) と同値である。最後の主張は (c) が Cartesian な持ち上げの存在そのものであることによる。$\square$

逆向きに、$p$ がすべての標識付きアノダイン射に対して持ち上がるには、(b) の逆($p(e)\in F$ で $p$-Cartesian な $e$ は $E$ に入る)も要り、そのために定義の 3・4 が使われる(HTT09 Proposition 3.1.1.6、pp. 149–150。この記事では証明しない)。

同値・退化した辺と直線化

∞圏のあいだの内部ファイブレーション $p\colon\mathcal C\to\mathcal D$ について、$\mathcal C$ の辺 $f$ が同値であることと、$f$ が $p$-Cartesian で $p(f)$ が同値であることは同値であり、とくに退化した辺は $p$-Cartesian である(HTT09 Proposition 2.4.1.5・Corollary 2.4.1.6、pp. 116–117)。$2$ 単体 $\sigma$ の辺 $d_0\sigma$ が $p$-Cartesian なら、$d_2\sigma$ が $p$-Cartesian であることと $d_1\sigma$ が $p$-Cartesian であることは同値である(同 Proposition 2.4.1.7、p. 117)。また一般の内部ファイブレーション $p\colon X\to S$ について、終点が $y$ で $p(f)=\alpha$ となる $p$-Cartesian な辺 $f$ は $X_{/y}\times_{S_{/p(y)}}\{\alpha\}$ の終対象とみなせ、同値を除いて一意である(同 Remark 2.4.1.9、p. 119)。いずれもこの記事では証明しない。底が∞圏でない内部ファイブレーションでは、退化した辺が Cartesian とは限らない(ex-cf-degenerate)。一方、Cartesian ファイブレーションでは退化した辺はいつも Cartesian である(prop-cf-degenerate-cartesian)。

退化した辺が Cartesian でない内部ファイブレーション

$S:=\Delta^2\amalg_{\Delta^{\{1,2\}}}\Delta^0$($\Delta^2$ の辺 $\{1,2\}$ を 1 点 $\ast$ につぶしたもの)とし、$X\subset S$ を辺 $\{0,2\}$ の像($X\cong\Delta^1$)、$p\colon X\subset S$ を包含とする。$p$ は内部ファイブレーションだが、$X$ の頂点 $\ast$ の退化した辺は $p$-Cartesian でない。

底の単体を辺から復元する

要点:$S$ の単体は頂点 $0$ から出る辺で決まり、$X$ には辺 $\{0,1\}$ の上の辺がない。

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$S$ の単体。$S$ の $k$ 単体は、順序を保つ写像 $\varphi\colon[k]\to[2]$ のうち像が $0$ を含むものと、頂点がすべて $\ast$ の 1 つの $k$ 単体である(像が $\{1,2\}$ に入る $\varphi$ はすべてつぶれる)。像が $0$ を含む $\varphi$ では $\varphi(0)=0$ で、各 $\varphi(l)$ は辺 $\varphi|_{\{0,l\}}$($\{0\}$ の退化した辺・辺「$01$」・辺「$02$」のどれか)で決まる。$X$ の単体は値が $\{0,2\}$ に入る $\varphi$ と頂点がすべて $\ast$ の単体で、辺「$01$」の上にある $X$ の辺はない。

内部ファイブレーション。$0< i< n$、$u\colon\Lambda^n_i\to X$、$b\colon\Delta^n\to S$、$p\circ u=b|_{\Lambda^n_i}$ とする。$X\cong\Delta^1$ は脈体なので $u$ は $w\colon\Delta^n\to X$ に延び(準圏 の定理「脈体の内部ホーンは一意に充填される」)、$p\circ w=b$ を示せばよい。$b$ の頂点 $0$ が $\ast$ なら $b$ もホーンの像もすべての頂点が $\ast$ で、$p\circ w$ と $b$ はどちらも頂点がすべて $\ast$ のただ 1 つの単体である。そうでなければ $b=\varphi$ は辺 $\varphi|_{\{0,l\}}$ で決まる。$n\ge3$ では辺 $\{0,l\}$ はすべて $\Lambda^n_i$ に入る($\{0,l\}$ を含む面 $d_j$ は $j\notin\{0,l\}$ で $n-1\ge2$ 個あり、$i$ 以外がとれる)。$n=2$、$i=1$ では辺 $\{0,1\}$ と $\{1,2\}$ が入り、辺 $\{0,1\}$ の像は $X$ の辺なので $\varphi(1)\in\{0,2\}$ である。$\varphi(1)=0$ なら $\varphi(2)$ は辺 $\{1,2\}$ で決まり、$\varphi(1)=2$ なら $\varphi(2)=2$ である。どの場合も $b$ はホーンへの制限で決まり、同じ制限をもつ $p\circ w$ と等しい。

退化した辺。$u\colon\Lambda^2_2\to X$ を、辺 $\{0,2\}$ を $X$ の非退化な辺 $a$ に、辺 $\{1,2\}$ を頂点 $\ast$ の退化した辺に送るものとし、$\mathrm{id}_{[2]}$ の像 $\tau\colon\Delta^2\to S$ をとる。$\tau$ の辺 $\{0,2\}$ は「$02$」$=p(a)$、辺 $\{1,2\}$ は $\ast$ につぶれるので $p\circ u=\tau|_{\Lambda^2_2}$ である。延長 $w$ の辺 $\{0,1\}$ は「$01$」の上の $X$ の辺でなければならないが、そのような辺はない。thm-cf-horn により退化した辺は $p$-Cartesian でない。なお $S$ は準圏でない。面 $d_3$・$d_2$・$d_0$ をそれぞれ $(0,1,2)$・$(0,1,1)$・頂点がすべて $\ast$ の単体に送る $\Lambda^3_1\to S$ は面の上で両立するが、延長は頂点 $0$ を $0$ に送るので $(0,1,2,1)$ でなければならず、これは順序を保たないので延びない。$\square$

Cartesian ファイブレーションの退化した辺

$p\colon X\to S$ が Cartesian ファイブレーションなら、$X$ の退化した辺はすべて $p$-Cartesian である。

単体に引き戻し、Cartesian な持ち上げと比べる

要点:底を $\Delta^n$ に取り替えて∞圏のあいだの話にし、Cartesian な持ち上げ $g$ と退化した辺を $2$ 単体で結んで比べる。

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$y$ を $X$ の頂点、$s=p(y)$、$e=s_0y$ とし、thm-cf-horn の問題 $(u,b)$($n\ge2$、$u\colon\Lambda^n_n\to X$ の最後の辺が $e$、$b\colon\Delta^n\to S$、$p\circ u=b|_{\Lambda^n_n}$)をとる。

1。$b$ に沿った引き戻し $p'\colon X':=X\times_S\Delta^n\to\Delta^n$ は prop-cf-basic の 2 により Cartesian ファイブレーションで、$\Delta^n$ が準圏なので $X'$ も準圏である(内部ファイブレーションの合成)。$u'=(u,\text{包含})\colon\Lambda^n_n\to X'$ の最後の辺は $e'=(e,\iota)$($\iota=\{n-1,n\}$)であり、$e'$ が $p'$-Cartesian なら問題 $(u',\mathrm{id}_{\Delta^n})$ の解の第 1 成分が $(u,b)$ の解になる。以下 $e'$ が $p'$-Cartesian であることを示す。

2。$b|_{\Delta^\iota}=p(e)=s_0s$ は $\Delta^1\to\Delta^0\xrightarrow{s}S$ と分解するので、$X'':=X'\times_{\Delta^n}\Delta^\iota\cong X_s\times\Delta^1$ であり、$p''\colon X''\to\Delta^1$ は $X_s\to\Delta^0$ の引き戻しである。$X_s$ は準圏で、$e'$ の $X_s$ 成分は退化した辺 $e$(同値)なので ex-cf-equivalence により $X_s\to\Delta^0$ について Cartesian であり、prop-cf-basic の 2 により $e'$ は $p''$-Cartesian である。

3。$\iota$ の $p'$-Cartesian な持ち上げ $g\colon x'\to(y,n)$ をとる。$g$ は $X''$ の辺で、prop-cf-basic の 2 により $p''$-Cartesian でもある。辺 $\{1,2\}$ を $g$、辺 $\{0,2\}$ を $e'$ に送る $\Lambda^2_2\to X'$ と、頂点を $n-1,n-1,n$ に送る $\Delta^2\to\Delta^n$ は両立するので、$g$ が $p'$-Cartesian であることから $d_0\sigma=g$、$d_1\sigma=e'$ となる $2$ 単体 $\sigma$ があり、$h:=d_2\sigma\colon(y,n-1)\to x'$ は頂点 $n-1$ の退化した辺の上にある。$\sigma$ の像は $\Delta^\iota$ に入るので、$\sigma$ は $X''$ の単体である。

4。$X''\cong X_s\times\Delta^1$ と $\Delta^1$ は準圏である。$X''\to\Delta^1$ と $\sigma$ に HTT09 Proposition 2.4.1.7 を使うと、$d_0\sigma=g$ と $d_1\sigma=e'$ が $p''$-Cartesian なので $h$ も $p''$-Cartesian であり、$p''(h)$ は退化した辺(同値)なので同 Proposition 2.4.1.5 により $h$ は $X''$ の同値、したがって $X'$ の同値である。

5。$X'\to\Delta^n$ に戻ると、Proposition 2.4.1.5 により $h$ は $p'$-Cartesian であり、Proposition 2.4.1.7 により($d_0\sigma=g$ と $d_2\sigma=h$ が $p'$-Cartesian)$d_1\sigma=e'$ も $p'$-Cartesian である。$\square$

ex-cf-degenerate でこの議論が通らないのは、$p$ が Cartesian ファイブレーションでなく、段 3 の $g$ がとれないためである。$b=\tau$ のとき、$X'$ の辺で $\iota=\{1,2\}$ の上にあり終点が $(\ast,2)$ のものは $(s_0\ast,\iota)$ だけであり、これが $p'$-Cartesian であるには「$01$」の上の $X$ の辺が要るが、そのような辺はない。
Cartesian ファイブレーションの理論の中心は Lurie の 直線化定理 である:$(\mathbf{sSet}^+)_{/S}$ の Cartesian モデル構造(ファイブラントな対象は Cartesian ファイブレーション $X\to S$ に Cartesian な辺の印を付けた $X^\natural$)は、直線化と非直線化の随伴によって $\mathfrak C[S]^{\mathrm{op}}$ 上の標識付き単体的集合に値をとる関手の射影モデル構造と Quillen 同値である(HTT09 Proposition 3.1.4.1、p. 160、Theorem 3.2.0.1、p. 169。この記事では証明しない。標識付き単体的集合)。こうして Cartesian ファイブレーション $X\to S$ は関手 $S^{\mathrm{op}}\to\mathcal{C}at_\infty$ と同じものになり、左ファイブレーションと右ファイブレーション の節「直線化」の右ファイブレーションと空間値の前層の対応を、∞圏値の関手へ広げる。

反例

外す条件反例成り立たなくなること
thm-cf-right の「すべての辺が Cartesian」$\Delta^1=N([1])\to\Delta^0$右ファイブレーションであること(Cartesian ファイブレーションではある)
def-cf-main の「終点を指定した持ち上げ」$N(\{1\})\subset N([1])$Cartesian ファイブレーションであること(coCartesian ファイブレーションではある)
prop-cf-adjunction の「$L$ が右随伴をもつ」2 対象の離散圏 $\{a,b\}$ から 1 点の圏への関手 $L$$\mathcal M_L\to[1]$ がファイバー付き圏であること
退化した辺が Cartesian になる「底が∞圏」ex-cf-degenerate退化した辺が Cartesian であること
反例の確認を開く

1 行目:$\Delta^1\to\Delta^0$ は ex-cf-equivalence により Cartesian ファイブレーションで、Cartesian な辺は同値な辺、つまり退化した辺だけである($h(\Delta^1)=[1]$)。非退化な辺 $0\to1$ は Cartesian でないので、thm-cf-right により右ファイブレーションでない。2 行目:包含 $\{1\}\subset[1]$ では、$0\to1$ を対象 $1$ への射として持ち上げられない。射が $1$ の恒等射だけなので coCartesian な持ち上げの条件(始点を指定し、$1$ から出る $[1]$ の射は恒等射だけ)は恒等射で満たされ、thm-cf-nerve の coCartesian 版(反対圏に移したもの)により coCartesian ファイブレーションである。3 行目:$\mathcal D$ の唯一の対象 $*$ について、右随伴 $R$ があれば $\mathrm{Hom}(a,R*)\cong\mathrm{Hom}(L a,*)$ は 1 点なので $a=R*$、同様に $b=R*$ となり矛盾する。prop-cf-adjunction の 2 による。

関連項目

参考文献

[1]
Jacob Lurie, Higher Topos Theory, Princeton University Press, 2009, Proposition 1.2.9.2(p. 42)、Definition 2.4.1.1・Remark 2.4.1.2・Proposition 2.4.1.3(p. 115)、Remark 2.4.1.4・Proposition 2.4.1.5(p. 116)、Corollary 2.4.1.6・Proposition 2.4.1.7(p. 117)、Remark 2.4.1.9(p. 119)、Definition 2.4.2.1・Remark 2.4.2.2・Proposition 2.4.2.3(p. 121)、Proposition 2.4.2.4(p. 122)、Proposition 3.1.1.6(pp. 149–150)、Proposition 3.1.4.1(p. 160)、Theorem 3.2.0.1(p. 169)、Definition 5.2.2.1(p. 340)
[2]
Saunders Mac Lane, Categories for the Working Mathematician, Graduate Texts in Mathematics 5, Springer, 1998, Theorem IV.1.1 (ii)(p. 82、随伴の余単位は普遍射)、Theorem IV.1.2 (iv)(p. 83、普遍射から随伴を作る)

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