反射部分圏(reflective subcategory)とは、圏 $\mathcal C$ の充満部分圏 $\mathcal D$ で、包含関手が左随伴 $L$(反射子)をもつもの、すなわち各対象 $c$ から $\mathcal D$ への射がすべて反射 $\eta_c\colon c\to Lc$ をただ 1 通りに経由するものである。アーベル化・捩れの商・閉包・層化が例であり、反射は冪等で、$c$ が $\mathcal D$ の対象と同型であることは $\eta_c$ が同型射であることと同値になる。反射部分圏は全体の圏の極限で閉じ、余極限は反射でとれる。$L$ は $L$ で同型になる射を逆にする普遍的な関手であり、反射的局所化とも呼ばれる。
圏 $\mathcal C$ の充満部分圏 $\mathcal D$ が反射部分圏(reflective subcategory)であるとは、各対象 $c$ に「$\mathcal D$ の中で $c$ に最も近い対象」$Lc$ と射 $\eta_c\colon c\to Lc$ があって、$c$ から $\mathcal D$ の対象への射がすべて $\eta_c$ をただ 1 通りに経由することをいう。言い換えると、包含関手が左随伴 $L$ をもつことである。群のアーベル化、捩れの商、閉包、層化は、どれもこの形の「最良の近似」である。
この記事では、反射部分圏を定義して例を確かめ、反射が冪等であること、反射部分圏は全体の圏の極限で閉じ、余極限は反射でとれることを証明する。さらに、$L$ で同型になる射のクラス $W$ を考えると、$\mathcal D$ の対象は $W$ の射に対して「局所的」な対象として特徴づけられ、$L\colon\mathcal C\to\mathcal D$ は $W$ を逆にする普遍的な関手(反射的局所化)であることを示す。
射の合成は $g\circ f$(先に $f$)と書く。$\mathcal D$ を $\mathcal C$ の充満部分圏とし、包含関手を $i\colon\mathcal D\to\mathcal C$ と書く。
$\mathcal C$ の充満部分圏 $\mathcal D$ が反射部分圏であるとは、包含関手 $i$ が左随伴 $L\colon\mathcal C\to\mathcal D$ をもつことをいう。$L$ を反射子(reflector)、随伴の単位 $\eta_c\colon c\to iLc$ を $c$ の反射(reflection)という。関手 $iL\colon\mathcal C\to\mathcal C$、あるいは $L$ そのものを $\mathcal C$ の反射的局所化(reflective localization)ともいう。
双対に、包含関手が右随伴をもつとき $\mathcal D$ を余反射部分圏(coreflective subcategory)という。
これは Rie16 Definition 4.5.12(p. 162)の定義であり、Mac98 Chapter IV §3(p. 91)の定義(部分圏に充満を要求しない)を充満部分圏に限ったものである。随伴の単位が普遍射の族であることから、定義は次のように言い換えられる(Mac98 Chapter IV §1, Theorem 2 の (ii), pp. 83–84、Chapter IV §3, p. 91)。
$\mathcal D$ が $\mathcal C$ の反射部分圏であることは、各 $c\in\mathcal C$ に対し、$\mathcal D$ の対象 $Rc$ と射 $\eta_c\colon c\to Rc$ があって、$\mathcal D$ の任意の対象 $d$ と任意の射 $g\colon c\to d$ について $g=\bar g\circ\eta_c$ となる $\mathcal D$ の射 $\bar g\colon Rc\to d$ がただ 1 つ存在することと同値である。このとき $Rc=Lc$ ととれる。
反射部分圏なら、随伴の全単射 $\operatorname{Hom}_{\mathcal D}(Lc,d)\cong\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(c,d)$ は $\bar g\mapsto\bar g\circ\eta_c$ で与えられる(随伴関手 の命題「随伴から単位・余単位を取り出す」)ので、$Rc=Lc$ が条件を満たす。
逆に条件が成り立つとする。$\mathcal C$ の射 $h\colon c\to c'$ に対し、$\eta_{c'}\circ h\colon c\to Rc'$ の行き先は $\mathcal D$ の対象なので、$\eta_{c'}\circ h=Rh\circ\eta_c$ となる $Rh\colon Rc\to Rc'$ がただ 1 つある。一意性から $R(\operatorname{id}_c)=\operatorname{id}_{Rc}$、$R(h'\circ h)=Rh'\circ Rh$ が従い(両辺とも $\eta_{c''}\circ h'\circ h$ を経由させる射である)、$R$ は関手 $\mathcal C\to\mathcal D$、$\eta$ は自然変換 $\operatorname{id}_{\mathcal C}\Rightarrow iR$ になる。写像 $\operatorname{Hom}_{\mathcal D}(Rc,d)\to\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(c,d)$、$f\mapsto f\circ\eta_c$ は仮定により全単射であり、$c$ についての自然性は $\eta$ の自然性から、$d$ についての自然性は合成の結合律から従う。よって $R$ は $i$ の左随伴である。$\square$
文献によっては、反射部分圏に同型で閉じている($\mathcal C$ の対象が $\mathcal D$ の対象と同型なら $\mathcal D$ に属する)ことも要求する。以下で同型で閉じていることを使うときは、そのつど仮定に書く。
反射 $\eta_c\colon c\to Lc$ は、$c$ を「$\mathcal D$ の性質をもつように最小限だけ直した」ものへの射である。$\mathcal D$ の対象への射は、この直しを必ず通る。$\mathcal D$ の対象 $d$ にはもう直すところがないので、$\eta_d$ は同型になる(prop-rs-idempotent)。直す操作を 2 回行っても 1 回と同じであり、反射は冪等である。
同型にする射の側から見ることもできる。$L$ で同型になる射を「$\mathcal D$ からは見分けのつかない射」と考えると、$\mathcal D$ の対象はそのような射をすべて同型とみなす対象であり、$L$ は $\mathcal C$ からそれらの射を逆にした圏への関手になる。これが「局所化」と呼ばれる理由である(thm-rs-localization)。
アーベル群 $A$ の位数有限の元全体 $T(A)$ は部分群である。捩れのない($0$ 以外に位数有限の元をもたない)アーベル群のなす充満部分圏は $\mathbf{Ab}$ の反射部分圏で、反射は商写像 $q\colon A\to A/T(A)$ である(Rie16 Example 4.5.13 (iii), p. 162)。
確かめる。$A/T(A)$ は捩れがない。実際 $n\ge1$ で $n(a+T(A))=0$ なら $na\in T(A)$ なので、ある $m\ge1$ で $mna=0$ となり $a\in T(A)$ である。捩れのない $B$ への準同型 $g\colon A\to B$ は、位数有限の元を位数有限の元、すなわち $0$ に写すので $T(A)\subset\ker g$ であり、$g=\bar g\circ q$ となる $\bar g$ がただ 1 つある($q$ は全射なので一意)。prop-rs-universal-arrow により反射部分圏である。
$R$ を可換環、$I$ をイデアルとする。$IM=0$ を満たす $R$ 加群 $M$ は $R/I$ 加群と同じものであり、そのような加群のなす $R$ 加群の圏の充満部分圏は反射部分圏で、反射は商写像 $M\to M/IM$ である。$IN=0$ を満たす $N$ への $R$ 線形写像 $g\colon M\to N$ は $g(IM)=Ig(M)\subset IN=0$ を満たすので、$M/IM$ をただ 1 通りに経由する。
半順序集合 $P$ を、$p\le q$ のときだけ 1 つの射 $p\to q$ がある圏とみなす。部分集合 $Q\subset P$ が張る充満部分圏が反射部分圏であることは、各 $p\in P$ に対し $p\le q$ を満たす $q\in Q$ の中に最小のもの $c(p)$ があることと同値である(prop-rs-universal-arrow の条件を書き下したもの)。このとき $c$ は $p\le c(p)$、$c(c(p))=c(p)$、$p\le p'\Rightarrow c(p)\le c(p')$ を満たす。たとえば位相空間 $X$ の部分集合全体を包含で順序づけると、閉集合全体は反射部分圏であり、$c$ は閉包をとる操作である($A$ を含む閉集合のうち最小のものが $\bar A$)。
次も反射部分圏である(この記事では証明しない)。位相空間 $X$ 上の層は前層の反射部分圏で、反射は層化である(Rie16 Example 4.5.13 (v), p. 163)。コンパクト Hausdorff 空間は位相空間の圏の反射部分圏で、反射は Stone–Čech コンパクト化である(Rie16 Example 4.5.13 (i), p. 162)。一様連続写像を射とする距離空間の圏で、完備な距離空間は反射部分圏をなし、反射は完備化である(Mac98 Chapter IV §3, p. 92)。小さい圏の圏は脈体によって単体的集合の圏の反射部分圏とみなせ、反射はホモトピー圏をとる関手である(Rie16 Example 4.5.13 (vi), p. 163)。
以下、$\mathcal D$ を $\mathcal C$ の反射部分圏、$L\dashv i$ をその随伴、$\eta$ と $\varepsilon\colon Li\Rightarrow\operatorname{id}_{\mathcal D}$ を単位と余単位とする。$i$ は充満忠実なので、余単位 $\varepsilon$ のすべての成分は同型射である(充満忠実関手 の命題「右随伴が充満忠実であることの判定」)。
1 は Rie16 Exercise 4.5.ix (i)(p. 165)、2 は同じ演習の (ii) の主張である。1 により、$T=iL$ と $\eta$、$\mu=i\varepsilon L\colon TT\Rightarrow T$ のなすモナドは、乗法 $\mu$ が同型になる冪等なモナドである(Rie16 Proposition 5.3.3, p. 199 は、反射部分圏がこの冪等なモナドの代数の圏と同値であることを示す。モナドとBarr–Beckの定理)。
$\mathcal D$ を $\mathcal C$ の反射部分圏、$K\colon J\to\mathcal D$ を図式とする。
これは Rie16 Proposition 4.5.14(p. 163)の主張であり、1 の極限の存在は Mac98 Chapter IV §3, Exercise 7(p. 92)の主張でもある。とくに、完備な圏の同型で閉じた反射部分圏は完備であり、余完備な圏の反射部分圏は余完備である。1 は、ある充満部分圏が反射部分圏でないことを示すのにも使える。
体のなす可換環の圏の充満部分圏 $\mathcal F$ は同型で閉じているが、反射部分圏でない。可換環の圏で $\mathbb F_2\times\mathbb F_2$ は $\mathbb F_2$ と $\mathbb F_2$ の積であり、thm-rs-limits の 1 によれば、$\mathcal F$ が反射部分圏なら $\mathbb F_2\times\mathbb F_2$ は体になるはずである。しかし $(1,0)(0,1)=0$ なので零因子をもち、体でない。
有限集合のなす $\mathbf{Set}$ の充満部分圏は反射部分圏でない。2 元集合の可算個の積 $\{0,1\}^{\mathbb N}$ は無限集合だからである。同様に、捩れアーベル群(すべての元の位数が有限)のなす $\mathbf{Ab}$ の充満部分圏も反射部分圏でない。$\prod_{n\ge1}\mathbb Z/n\mathbb Z$ の元 $(1,1,1,\dots)$ の位数は無限だからである。後者は余反射部分圏であり、余反射は $T(A)\hookrightarrow A$ である(Mac98 Chapter IV §3, p. 92)。
反射子 $L$ で同型になる $\mathcal C$ の射全体を $W$ と書く:
$$
W=\{f\mid L(f)\ \text{は同型射}\}.
$$
prop-rs-idempotent の 1 により、すべての反射 $\eta_c$ は $W$ に属する。$\mathcal C$ の対象 $x$ が $W$-局所的であるとは、$W$ のすべての射 $f\colon a\to b$ について、前合成 $f^\ast\colon\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(b,x)\to\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(a,x)$、$h\mapsto h\circ f$ が全単射であることをいう。
$\mathcal D$ を $\mathcal C$ の反射部分圏とし、$W$ を上のとおりとする。
1 は Rie16 Exercise 4.5.ix (iii)(p. 165)の主張である。2 は、$L$ が「$W$ の射を同型射に変える関手のうち普遍的なもの」であることを、自然同型を除いて述べている。圏の局所化 の定義「圏の局所化」は普遍性を関手の等式で述べるので、2 とは形が少し違うが、次の系により両者は圏同値を除いて一致する。
$\mathcal C$ が小さい圏で $W$ が上のとおりのとき、$\mathcal C$ の $W$ による局所化 $Q\colon\mathcal C\to\mathcal C[W^{-1}]$(圏の局所化 の命題「局所化の存在」)について、$L=\bar L\circ Q$ を満たす関手 $\bar L\colon\mathcal C[W^{-1}]\to\mathcal D$ は圏同値である。
$L$ は $W$ を同型射に送るので、局所化の普遍性から $\bar L$ がただ 1 つある。$\bar L\circ(Q\circ i)=L\circ i\cong\operatorname{id}_{\mathcal D}$ である。逆向きには、自然同型 $Q(\eta)\colon Q\Rightarrow Q\circ i\circ L=(Q\circ i\circ\bar L)\circ Q$ をとる($\eta_c\in W$ なので各成分は同型射)。命題「局所化の存在」の後半により、$Q$ との合成は自然変換の間の全単射を与え、逆射と合成もそれで対応するので、$Q(\eta)$ は自然同型 $\operatorname{id}\Rightarrow Q\circ i\circ\bar L$ から来る。よって $Q\circ i$ は $\bar L$ の擬逆であり、$\bar L$ は圏同値である。$\square$
∞圏でも、充満忠実な右随伴をもつ関手を局所化と呼ぶ(HTT09 §5.2.7, Definition 5.2.7.2)。局所対象と、局所対象から見て同型になる射(局所同値)を組にして扱う構成は、ホモトピー論では Bousfield局所化 として現れる。
thm-rs-limits の 1 の仮定を 1 つずつ外した反例である。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 反射部分圏である | 体のなす可換環の圏の充満部分圏 | 積 $\mathbb F_2\times\mathbb F_2$ が部分圏に入ること |
| 同型で閉じている | $\mathbf{Set}$ の対象 $\{0\}$ だけからなる充満部分圏 | 積 $\{0\}\times\{0\}=\{(0,0)\}$ が部分圏に入ること |
2 の余極限について、反射 $L$ を施す操作は省けない。群の圏で $\mathbb Z$ と $\mathbb Z$ の余積は 2 元生成の自由群(自由群)で、可換でないので $\mathbf{Ab}$ に入らない。$\mathbf{Ab}$ での余積 $\mathbb Z\oplus\mathbb Z$ は、そのアーベル化として得られる。
1 行目:ex-rs-fields のとおり。
2 行目:1 点集合 $\{0\}$ は終対象なので、どの集合 $X$ からも $\{0\}$ への射がただ 1 つあり、これが反射になる(prop-rs-universal-arrow の条件は、$\{0\}$ への射がただ 1 つであることから成り立つ)。$\{0\}$ と $\{0\}$ の $\mathbf{Set}$ での積として直積集合 $\{(0,0)\}$ をとると、それは $\{0\}$ と同型だが $\{0\}$ ではないので部分圏に入らない。$\eta_{\{(0,0)\}}$ は同型射で、thm-rs-limits の 1 の前半は成り立っている。
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