結(単体的集合)(join of simplicial sets)とは、単体的集合 $K$ と $L$ から、$K$ の単体と $L$ の単体を $K$ の頂点を先に並べてつないだ単体全体として作る単体的集合 $K\star L$ である。標準単体については $\Delta^m\star\Delta^n\cong\Delta^{m+n+1}$ となり、脈体は圏の結を単体的集合の結に移す。結は押し出しなど連結な余極限を保ち、境界・ホーンと単体の結を貼り合わせた部分はまたホーンになるので、∞圏の錐・スライス・極限の構成と、右アノダイン射などの持ち上げの議論の基礎になる。準圏どうしの結は準圏である。
圏 $\mathcal C$ と $\mathcal D$ を並べ、$\mathcal C$ の各対象から $\mathcal D$ の各対象へちょうど 1 本ずつ射を足すと、新しい圏 $\mathcal C\star\mathcal D$ ができる。これを単体的集合に移したものが 結(join)である。$K\star L$ の単体は、$K$ の単体と $L$ の単体を「$K$ の頂点を先に、$L$ の頂点を後に」並べてつないだものであり、$\Delta^m\star\Delta^n\cong\Delta^{m+n+1}$ となる。結は ∞圏の錐・スライス・極限を定める基本の構成であり、境界やホーンと単体の結を貼り合わせた部分がまたホーンになるという計算が、右アノダイン射などの持ち上げの議論を支える。位相空間の結(ジョイン)とは別の構成だが、単体どうしでは実現が一致する。
空でない有限全順序集合 $J$ について、$J$ と $[n]$($n+1=\lvert J\rvert$)の間の唯一の順序同型により $K(J):=K_n$ とおき、空集合については $K(\emptyset):=\{*\}$(1 点)とおく。順序を保つ写像 $\alpha\colon J'\to J$ は写像 $\alpha^*\colon K(J)\to K(J')$ を定める($J'=\emptyset$ なら唯一の写像)。
単体的集合 $K,L$ に対し、単体的集合 $K\star L$ を、空でない有限全順序集合 $J$ について
$$
(K\star L)(J):=\coprod_{J=I\sqcup I',\ I< I'}K(I)\times L(I')
$$
で定める。和は、$I$ のすべての元が $I'$ のすべての元より小さいような分割 $J=I\sqcup I'$($I$ や $I'$ が空でもよい)全体にわたる。順序を保つ写像 $\alpha\colon J'\to J$ は、成分 $(I,I')$ の元 $(x,y)$ を、成分 $(\alpha^{-1}(I),\alpha^{-1}(I'))$ の元 $\bigl((\alpha|)^*x,\ (\alpha|)^*y\bigr)$ に送る。ここで $\alpha|$ は $\alpha^{-1}(I)\to I$、$\alpha^{-1}(I')\to I'$ への制限である。これを $K$ と $L$ の 結 という(HTT09 Definition 1.2.8.1、p. 40)。次数ごとには
$$
(K\star L)_n=K_n\ \sqcup\ L_n\ \sqcup\coprod_{i+j=n-1}K_i\times L_j
$$
である。
$\alpha$ は順序を保つので $\alpha^{-1}(I)$ は $J'$ の始切片、$\alpha^{-1}(I')$ は終切片であり、行き先の成分は確かに許された分割である。$(\alpha\alpha')^{-1}=\alpha'^{-1}\alpha^{-1}$ なので、これで関手が定まる。単体的写像 $f\colon K\to K'$、$g\colon L\to L'$ は成分ごとに $f\star g\colon K\star L\to K'\star L'$ を定める。
成分 $(I,I')$ の単体 $z=(x,y)$ について、$x$ を $z$ の $K$ 部分、$y$ を $L$ 部分 とよぶ($I=\emptyset$ なら $K$ 部分は空)。$I'=\emptyset$ の成分全体は $K$ に、$I=\emptyset$ の成分全体は $L$ に等しく、$K$ と $L$ は $K\star L$ の部分単体的集合である。とくに $\emptyset\star L=L$、$K\star\emptyset=K$ である。部分単体的集合 $A\subset K$、$B\subset L$ について、$A\star B$ は $K\star L$ の部分単体的集合で、$K$ 部分が $A$ に入るか空であり、$L$ 部分が $B$ に入るか空である単体全体からなる。
$L$ を固定する。次数 $n$ で
$$
(K\star L)_n=L_n\sqcup R_n(K),\qquad R_n(K):=K_n\sqcup\coprod_{i+j=n-1}K_i\times L_j
$$
と分け、$\alpha^*$ は $L_n$ を $L$ の構造で、$R_n(K)$ の元を $R$ の元か $L$ の元に送る。このとき次が成り立つ。
集合の圏で、固定した集合との積 $-\times L_j$ と非交和は余極限を保つので、$R_n$ は(集合への関手として)余極限を保つ。単射を保つことも同様である。押し出しと増大列の和集合は連結な図式の余極限であり、連結な図式の上の定数 $L_n$ の余極限は $L_n$ なので、$L_n\sqcup R_n(-)$ はこれらを保つ。余極限は次数ごとに計算されるので(単体的集合 の定理「極限と余極限の次数ごとの計算」)2 が従う。3 は「$K$ 部分が $A$ に入るか空」かつ「$L$ 部分が $B$ に入るか空」という記述から明らかである。$\square$
非交和は連結な余極限でないので保たれない。たとえば $(\Delta^0\sqcup\Delta^0)\star\Delta^0$ は 2 本の辺が共通の終点をもつ連結な単体的集合であり、$(\Delta^0\star\Delta^0)\sqcup(\Delta^0\star\Delta^0)=\Delta^1\sqcup\Delta^1$ ではない。$K\mapsto K\star L$ を、$L$ の下の単体的集合の圏 $\mathbf{sSet}_{L/}$ への関手とみれば、すべての余極限を保つ(HTT09 Remark 1.2.8.2、p. 40)。
$\Delta^N$ の部分単体的集合は、そこに入る非退化単体の頂点集合の族で決まり、単体 $\beta\colon[k]\to[N]$ が入るかどうかは像 $V(\beta):=\beta([k])$ だけで決まる。とくに、$\beta\in\partial\Delta^N$ は $V(\beta)$ がある頂点を含まないこと、$\beta\in\Lambda^N_k$ は $V(\beta)$ が $k$ 以外のある頂点を含まないことである(ホーンと充填条件 の命題「ホーンは面の和である」)。$\partial\Delta^0:=\emptyset$ とおく。
$m,n\ge0$ とし、$\Delta^m\star\Delta^n=\Delta^{m+n+1}$ を prop-join-basic の 1 の同型で同一視する。
$N:=m+n+1$ とし、$\Delta^N$ の単体 $\beta$ の左の頂点集合を $V_-:=V(\beta)\cap\{0,\dots,m\}$、右の頂点集合を $V_+:=V(\beta)\cap\{m+1,\dots,N\}$ とする。prop-join-basic の 1 の証明により、$\beta$ の $\Delta^m$ 部分の像は $V_-$、$\Delta^n$ 部分の像は $V_+$ を $m+1$ だけずらしたものである。部分単体的集合の結の記述(定義の直後)から、
2 のホーンの添字 $m+1+i$ は $1$ 以上 $N$ 以下なので、2 に現れるホーンはつねに $0< k\le N$ の 右ホーン であり、$i< n$ なら内側のホーンである。3 のホーンは $i\le m< N$ なので左ホーンであり、$i>0$ なら内側のホーンである。この計算と prop-join-colimit を組み合わせると、結が持ち上げの性質をどう移すかがわかる(HTT09 Lemma 2.1.2.3・2.1.2.4、p. 62、Lemma 4.2.3.5、p. 251)。右ホーンについての帰結は 右アノダイン射 で証明する。
$0< i< n$ とし、$u\colon\Lambda^n_i\to K\star L$ を与える。$n\ge2$ で、$\Lambda^n_i$ は頂点 $0,\dots,n$ と辺 $\{r,r+1\}$($0\le r< n$)をすべて含む($n=2$ では辺 $\{0,1\},\{1,2\}$、$n\ge3$ ではすべての辺)。$K\star L$ には $L$ の頂点から $K$ の頂点への辺がないので、$u$ で $K$ に行く頂点は始切片 $\{0,\dots,j\}$ をなす。
$j=n$(すべて $K$)なら、$u$ の値はすべて $K$ に入り(すべての頂点が $K$ にある単体は $K$ の単体である)、$K$ のホーンの充填で延びる。$j=-1$ も同様である。$0\le j< n$ とする。面 $\{0,\dots,j\}$ は、$k>j$ かつ $k\ne i$ を満たす $k$ を除いた面に含まれる($k=i$ だけしか候補がないのは $j=n-1$ かつ $i=n$ のときで、$i< n$ なので起こらない)。同様に面 $\{j+1,\dots,n\}$ も $\Lambda^n_i$ に入る($j=0$ かつ $i=0$ でない限り)。そこで $x:=u|_{\{0,\dots,j\}}\in K_j$、$y:=u|_{\{j+1,\dots,n\}}\in L_{n-j-1}$ とおき、$(x,y)\in(K\star L)_n$ を考える。$\Lambda^n_i$ の各単体 $\gamma$ について、$u(\gamma)$ の $K$ 部分と $L$ 部分はそれぞれ $x$ と $y$ の面であり、$K\star L$ の単体はこの 2 つの部分で決まるので、$u(\gamma)=\gamma^*(x,y)$ である。よって $(x,y)$ が延長を与える。$\square$
錐を次で定める(HTT09 Notation 1.2.8.4、p. 41):左錐 $K^{\triangleleft}:=\Delta^0\star K$、右錐 $K^{\triangleright}:=K\star\Delta^0$。$\Delta^0$ の頂点を 錐点 という。∞圏 $\mathcal C$ と図式 $p\colon K\to\mathcal C$ について、スライス $\mathcal C_{/p}$ は、$\Delta^n\star K\to\mathcal C$ で $K$ 上 $p$ に一致するものを $n$ 単体とする単体的集合であり、$\mathcal C_{/p}$ の終対象が $p$ の極限である(スライス圏(∞圏)、極限(∞圏))。
$\Delta^m\star\Delta^n=\Delta^{m+n+1}$ の実現 $\lvert\Delta^{m+n+1}\rvert$ は、点 $(1-s)x+sy$($x\in\lvert\Delta^m\rvert$、$y\in\lvert\Delta^n\rvert$ をそれぞれ最初の $m+1$ 座標・残りの座標に置き、$s\in[0,1]$)として、位相空間の結 $\lvert\Delta^m\rvert*\lvert\Delta^n\rvert$ と同相である(ジョイン の例「単体の結」)。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 因子の順序を変えないこと | $\Delta^0\star\partial\Delta^1=\Lambda^2_0$ と $\partial\Delta^1\star\Delta^0=\Lambda^2_2$ | $K\star L\cong L\star K$ |
| 余極限が連結であること(prop-join-colimit) | $(\Delta^0\sqcup\Delta^0)\star\Delta^0$ | 非交和との交換:$\Delta^1\sqcup\Delta^1$ と同型でない |
| $K$ が準圏であること(prop-join-quasicategory) | $\Lambda^2_1\star\Delta^0$ | $K\star L$ が準圏であること |
1 行目:$\Lambda^2_0$ では頂点 $0$ が 2 本の非退化な辺の始点($d_1$ の値)であるが、$\Lambda^2_2$ には 2 本の非退化な辺の始点になる頂点がない。同型は $d_0,d_1$ と可換なので、両者は同型でない。2 行目:左辺は辺 $\{0,2\},\{1,2\}$ をもつ連結な $\Lambda^2_2$ であり、右辺は連結でない。3 行目:$\Lambda^2_1$ の内側のホーン(恒等写像)は $K\star\Delta^0$ の中で延びない。延長の $2$ 単体の頂点はすべて $K$ にあるので $K$ の $2$ 単体でなければならないが、$\Lambda^2_1$ には非退化な $2$ 単体がない。$L=\Delta^0$ は準圏なので、外した条件は $K$ についてのものだけである。
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