六演算

概要

六演算(six operations)とは、複素代数多様体(より一般に層別空間)の間の射 $f\colon X\to Y$ に対して構成可能複体の導来圏の上に定まる6つの関手 $\{f^*,Rf_*,f_!,f^!,\otimes^{\mathbf L},R\mathcal{H}om\}$ の総称——逆像・導来順像・例外的順像・例外的逆像・導来テンソル積・導来内部Homのことをいう。$(f^*,Rf_*)$、$(f_!,f^!)$、$(\otimes^{\mathbf L},R\mathcal{H}om)$ がそれぞれ随伴対をなし、固有射で $f_!=Rf_*$ となり、射影公式と固有基底変換を満たすなど、整合的な公理系(Grothendieckの形式主義)をなす。Verdier双対性とともに層係数コホモロジーの計算を統制し、20世紀後半以降の代数幾何・表現論・特異点論で広く用いられる。

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

前提知識: 圏, アーベル圏, 三角圏, 導来圏, 偏屈層, 交叉コホモロジー, 米田の補題

定義

以下、$X,Y$ は複素代数多様体(または、より一般に有限次元の局所コンパクトな層別空間)、$f\colon X\to Y$ は代数的射(層別と両立する連続写像)とし、係数は $\mathbb Q$ とする。$D^b_c(X)$ は $X$ 上の $\mathbb Q$ 加群の層の複体のうち構成可能複体(各コホモロジー層が層別の各層に制限すると局所定数層になる複体)からなる有界導来圏を表し、偏屈層の記事と同じ設定である。この設定での六演算の構成は KS90 第II–III章および BBD82 による。

四演算:逆像・順像・テンソル積・内部Hom

射 $f\colon X\to Y$ に対し、順像 $f_*$($X$ 上の層 $\mathcal F$ に対して $U\mapsto\mathcal F(f^{-1}(U))$ で定まる $Y$ 上の層)の右導来関手 $Rf_*\colon D^b(X)\to D^b(Y)$ を導来順像という。上の設定では $Rf_*$ は構成可能複体を構成可能複体に送り、$Rf_*\colon D^b_c(X)\to D^b_c(Y)$ を誘導する(KS90 第VIII章、BBD82)。これに加え、逆像 $f^*\colon D^b_c(Y)\to D^b_c(X)$(完全関手であり導来する必要がない、標準的な事実として引用する)、および $D^b_c(X)$ 上の導来テンソル積 $-\otimes^{\mathbf L}-\colon D^b_c(X)\times D^b_c(X)\to D^b_c(X)$ とその内部Hom $R\mathcal{H}om(-,-)\colon D^b_c(X)^{\mathrm{op}}\times D^b_c(X)\to D^b_c(X)$ が定まる(構成の詳細は層理論の標準的な事実として本記事では立ち入らない、KS90 第II章)。$(f^*,Rf_*)$ は随伴対をなす:
$$ \operatorname{Hom}_{D^b_c(X)}(f^*G,F)\cong\operatorname{Hom}_{D^b_c(Y)}(G,Rf_*F) $$
(自然な同型、標準的な事実として引用する)。$(-\otimes^{\mathbf L}-,R\mathcal{H}om(-,-))$ もまた随伴対をなす:$\operatorname{Hom}(F\otimes^{\mathbf L}G,H)\cong\operatorname{Hom}(F,R\mathcal{H}om(G,H))$。

例外的順像・例外的逆像

交叉コホモロジーで導入した開埋め込みの!拡張 $j_!$ を一般の射 $f\colon X\to Y$ に拡張したもの——例外的順像(exceptional pushforward、コンパクト台をもつ順像とも呼ばれる)$f_!\colon D^b_c(X)\to D^b_c(Y)$ が存在する($f$ が固有射のときは $f_!=Rf_*$、$f$ が開埋め込みのときは!拡張そのものに一致する、標準的な事実として引用する、KS90 III.3)。$f_!$ の右随伴として例外的逆像(exceptional pullback)$f^!\colon D^b_c(Y)\to D^b_c(X)$ が定まる:
$$ \operatorname{Hom}_{D^b_c(X)}(f_!F,G)\cong\operatorname{Hom}_{D^b_c(Y)}(F,f^!G) $$
($f_!$ が常に右随伴を持つことの構成は本記事の範囲を超えるため、標準的な事実として引用する、KS90 III.3)。これら $\{Rf_*,f^*,f_!,f^!,\otimes^{\mathbf L},R\mathcal{H}om\}$ の6つの関手の全体を、(Grothendieckの)六演算(six operations)と呼ぶ。

直感

六演算の枠組みは、「空間を動かす」演算($f^*,Rf_*,f_!,f^!$)と「一つの空間の上で係数をいじる」演算($\otimes^{\mathbf L},R\mathcal{H}om$)を統一的に扱う。$f^*$ と $Rf_*$ は素朴な引き戻し・押し出しであるのに対し、$f_!,f^!$ は「コンパクト台」を尊重する修正版であり、両者は $f$ が固有射(コンパクト台の条件が自動的に満たされる)のときに一致する。この「二種類の順像・逆像」が生まれる理由は、$f^*\dashv Rf_*$ の随伴と $f_!\dashv f^!$ の随伴が独立した公理であり、一方を満たす関手が他方を自動的には満たさないためである。偏屈層・交叉コホモロジーで用いた $j_!,Rj_*$(開埋め込みの場合)は、この六演算の特別な場合に他ならない。

性質

右随伴の一意性

関手 $F\colon\mathcal C\to\mathcal D$ が2つの右随伴 $G,G'\colon\mathcal D\to\mathcal C$ を持つならば、$G$ と $G'$ は自然同型である。

仮定より、自然な全単射 $\operatorname{Hom}_{\mathcal D}(FX,Y)\cong\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X,GY)$($X,Y$ について自然)と $\operatorname{Hom}_{\mathcal D}(FX,Y)\cong\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X,G'Y)$ が存在する。これらを合成すると、各 $Y$ について自然な全単射
$$ \operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X,GY)\cong\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(X,G'Y) $$
($X$ について自然)が得られる。すなわち、反対圏 $\mathcal C^{\mathrm{op}}$ から $\mathbf{Set}$ への関手として $\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(-,GY)\cong\operatorname{Hom}_{\mathcal C}(-,G'Y)$ である。米田の補題(の全充満性)により、この自然同型は一意な同型 $\varphi_Y\colon GY\xrightarrow{\cong}G'Y$ から引き起こされたものである。もとの随伴同型の $Y$ に関する自然性から、$\varphi_Y$ 自身も $Y$ の射と両立する($Y$ に関して自然である)ことが従う。ゆえに自然変換 $\varphi\colon G\Rightarrow G'$ は自然同型である。$\blacksquare$

開埋め込みでの例外的逆像

$j\colon U\hookrightarrow X$ が開埋め込みであるとき、$j^!\cong j^*$(例外的逆像は通常の逆像に一致する)である。

$j$ が開埋め込みのとき、$j_!$(!拡張)は $j^*$(制限)の左随伴であることが標準的な事実として知られている:$\operatorname{Hom}_{D^b_c(X)}(j_!F,G)\cong\operatorname{Hom}_{D^b_c(U)}(F,j^*G)$。一方def-exceptional-operationsにより $j^!$ は $j_!$ の右随伴として定義される:$\operatorname{Hom}_{D^b_c(X)}(j_!F,G)\cong\operatorname{Hom}_{D^b_c(U)}(F,j^!G)$。ゆえに $j^*$ と $j^!$ はいずれも $j_!$ の右随伴であり、lem-adjoint-uniquenessによりこれらは自然同型 $j^!\cong j^*$ である。$\blacksquare$

射影公式と固有基底変換

$f\colon X\to Y$ を射とする。
(1)(射影公式)$F\in D^b_c(X)$、$G\in D^b_c(Y)$ に対し、自然同型
$$ f_!(F\otimes^{\mathbf L}f^*G)\cong f_!F\otimes^{\mathbf L}G $$
が成り立つ。
(2)(固有基底変換)射 $g\colon Y'\to Y$ に対し、ファイバー積 $X':=X\times_YY'$ と射影 $g'\colon X'\to X$、$f'\colon X'\to Y'$ からなるデカルト平方を考えると、自然同型
$$ g^*\circ f_!\cong f'_!\circ g'^* $$
が成り立つ。

証明は本記事の範囲を超えるため割愛し、KS90 II.2・III.3 および SGA4 XVII–XVIII に委ねる。(2) は $f$ が固有射のときには $Rf_*$ についての基底変換 $g^*\circ Rf_*\cong Rf'_*\circ g'^*$ を与えるが、$f$ が固有でない一般の射に対して $Rf_*$ はこの形の基底変換を満たさず、これが $f_!$ を導入する理由の一つである。

Verdier双対関手と双対化複体

$a\colon X\to\{*\}$ を構造射とする。$\omega_X:=a^!(\mathbb Q)\in D^b_c(X)$ を $X$ の双対化複体(dualizing complex)と呼ぶ。$F\in D^b_c(X)$ に対し
$$ \mathbb D_X(F):=R\mathcal{H}om(F,\omega_X) $$
を $F$ のVerdier双対(Verdier dual)と呼び、$\mathbb D_X\colon D^b_c(X)^{\mathrm{op}}\to D^b_c(X)$ をVerdier双対関手と呼ぶ。

六演算の交換公式とVerdier双対性

$f\colon X\to Y$ を射とするとき
$$ \mathbb D_X\circ f^!\cong f^*\circ\mathbb D_Y,\qquad \mathbb D_Y\circ Rf_*\cong f_!\circ\mathbb D_X,\qquad \mathbb D_X\circ\mathbb D_X\cong\operatorname{id} $$
が成り立つ(いずれも $D^b_c$ の対象として自然同型)。これらは偏屈層で述べた「Verdier双対が $\operatorname{Perv}(X)$ を保つ」という事実の一般化である。

証明は本記事の範囲を大きく超えるため割愛し、標準的な事実として SGA4 XVII–XVIII、KS90 第III章・第VIII章、BBD82 を引用する。第3の同型 $\mathbb D_X\circ\mathbb D_X\cong\operatorname{id}$(双対性の反射性)は対象の構成可能性に依存する主張であり、構成可能とは限らない複体の導来圏 $D^b(X)$ 上では一般に成り立たない。一方、構成可能性を仮定しない一般の設定でも $f^!\circ\mathbb D_Y\cong\mathbb D_X\circ f^*$ および $Rf_*\circ\mathbb D_X\cong\mathbb D_Y\circ f_!$ の形の同型は成り立ち(KS90 第III章)、定理に述べた前2つの形はこれらに反射性を合わせて得られる。

例

固有射での例外的順像

$f$ が固有射であるとき $f_!=Rf_*$ である(def-exceptional-operationsの性質、標準的な事実として引用する)。とくに $f$ が閉埋め込みであるときも $f_!=Rf_*$ となり、交叉コホモロジーで扱った開埋め込みの場合(一般には $j_!\ne Rj_*$)と対照的である。

関連項目

参考文献

[1]
Michael Artin, Alexander Grothendieck, Jean-Louis Verdier, Théorie des topos et cohomologie étale des schémas (SGA 4), Lecture Notes in Mathematics 269, Springer, 1972
[2]
Masaki Kashiwara, Pierre Schapira, Sheaves on Manifolds, Springer, 1990

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