単体的集合の単体の圏(category of simplices)とは、単体的集合 $K$ のすべての単体を対象とし、$\alpha^*x=y$ を満たす順序写像 $\alpha$ を $y$ から $x$ への射とする圏 $\Delta/K$ であり、$K$ を単体圏上の前層とみたときの要素の圏である。$K$ は標準単体の $\Delta/K$ 上の余極限であり、脈体 $N(\Delta/K)$ から $K$ への最終頂点写像は弱ホモトピー同値なので、$\lvert K\rvert$ は $\Delta/K$ の分類空間とホモトピー同値になる。$K$ が圏の脈体のときはコンマ圏の可縮性による Quillen の判定法から証明できる。非退化単体の面が非退化なら非退化単体の部分圏で足りるが、この条件を外すとホモトピー型が変わる。
単体的集合 $K$ の 単体の圏 $\Delta/K$ は、$K$ のすべての単体(退化したものも含む)を対象とし、「ある単体が別の単体の面や退化として現れる仕方」を射とする圏である。$K$ を単体圏 $\Delta$ 上の前層とみたときの要素の圏にほかならず、$K$ は標準単体を $\Delta/K$ に沿って貼り合わせた余極限として書ける。
単体の圏は、単体的集合を圏に取り替える道具でもある。その脈体から $K$ への 最終頂点写像 は弱ホモトピー同値であり、したがって単体的集合の幾何学的実現は、圏 $\Delta/K$ の圏の分類空間とホモトピー同値になる。この記事では、最終頂点写像を定義して単体的写像であることを示し、$K$ が圏の脈体のときに弱ホモトピー同値であることを Quillenの定理A から証明する。さらに、非退化な単体だけからなる部分圏がどのようなときに同じホモトピー型をもつかを調べる。Δ 複体の面の順序集合では失われる「同じ面が何回現れるか」の情報を、単体の圏は射の本数として保つ(圏の分類空間 の反例の表)。
記号は 単体的集合 に従う。順序写像 $\alpha\colon[m]\to[n]$ に対し、構造写像を $\alpha^*\colon K_n\to K_m$ と書く。
単体的集合 $K$ の 単体の圏(category of simplices)$\Delta/K$ を次で定める。対象は組 $(n,x)$($n\geq0$、$x\in K_n$)である。$(m,y)$ から $(n,x)$ への射は、順序写像 $\alpha\colon[m]\to[n]$ で $\alpha^*x=y$ を満たすものである。恒等射と合成は単体圏 $\Delta$ のものを使う。
$(\alpha\beta)^*=\beta^*\alpha^*$ なので、合成は条件を保つ。$K$ を関手 $\Delta^{\mathrm{op}}\to\mathbf{Set}$ とみると、$\Delta/K$ は 前層(圏論) の定義「前層の要素の圏」の $\int K$ そのものである。米田の補題(単体的集合 の定理「標準単体による単体の表示」)により、対象 $(n,x)$ は単体的写像 $\hat x\colon\Delta^n\to K$ と、射は可換な三角形 $\hat x\circ\alpha_*=\hat y$ と同じである。HTT09 §4.2.3(p. 253)はこの形で単体の圏を定義している。$(n,x)\mapsto[n]$ で射影 $\Delta/K\to\Delta$ が定まり、単体的写像 $f\colon K\to L$ は関手 $\Delta/f\colon\Delta/K\to\Delta/L$、$(n,x)\mapsto(n,f(x))$ を与える。
前層(圏論) の定理「前層は表現可能前層の余極限」を $\Delta$ 上の前層 $K$ に当てると、
$$
K\cong\operatorname*{colim}_{(n,x)\in\Delta/K}\Delta^n
$$
が得られる。各単体 $x$ に $\Delta^n$ を $1$ 枚ずつ用意し、面と退化の関係 $\alpha^*x=y$ に沿って貼り合わせると $K$ が復元される。幾何学的実現は余極限を保つ(幾何学的実現 の系「余極限の保存」)ので、$\lvert K\rvert$ も位相的単体 $\lvert\Delta^n\rvert$ の同じ形の余極限である。
$\Delta/K$ の対象のうち非退化な単体からなる充満部分圏を $(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ と書く。
$K=\Delta^n$ では、$\Delta/\Delta^n$ の対象は順序写像 $x\colon[m]\to[n]$ であり、$(n,\mathrm{id}_{[n]})$ は終対象である。実際、任意の対象 $(m,x)$ から $(n,\mathrm{id})$ への射は $\alpha^*\mathrm{id}=\alpha=x$ を満たす $\alpha$、つまり $x$ だけである。とくに $\Delta/\Delta^0$ は単体圏 $\Delta$ と同型で、$[0]$ が終対象である。
$K=\Delta^1/\partial\Delta^1$(頂点 $v$ とループ $e$)の非退化単体は $v$ と $e$ だけである。$(0,v)$ から $(1,e)$ への射は $\delta^1,\delta^0\colon[0]\to[1]$($0$ を $0$ または $1$ へ送る写像)の $2$ 本で、どちらも $d_1e=d_0e=v$ により条件を満たす。したがって $(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ は平行な $2$ 本の射だけをもつ圏であり、その分類空間は円周である(圏の分類空間 の例「平行な $2$ 本の射」)。$\Delta/K$ 全体は退化単体 $s_0v$、$s_0e$、$s_1e$、… を無限に含む。
順序集合 $P$ の脈体 $K=N(P)$ の非退化単体は狭義の鎖 $p_0< \cdots< p_n$ である。非退化な単体の間の射 $\alpha$ は単射で、$\alpha^*x=y$ により $y$ の鎖が $x$ の鎖の部分集合になることと同じであり、そのとき $\alpha$ はただ 1 つに決まる。よって $(\Delta/N(P))_{\mathrm{nd}}$ は、$P$ の空でない有限な鎖を包含で順序付けた順序集合($P$ の順序複体の面の順序集合)と同型である。
$N(\Delta/K)$ の $n$ 単体は、$\Delta/K$ の射の列
$$
(m_0,x_0)\xrightarrow{\alpha_1}(m_1,x_1)\xrightarrow{\alpha_2}\cdots\xrightarrow{\alpha_n}(m_n,x_n)
$$
である。$i\leq j$ について合成 $\alpha_j\circ\cdots\circ\alpha_{i+1}\colon[m_i]\to[m_j]$ を $\alpha_{ij}$ と書く($\alpha_{ii}=\mathrm{id}$)。$\alpha_{ij}^*x_j=x_i$ である。
上の $n$ 単体 $\sigma$ に対し、$\theta_\sigma\colon[n]\to[m_n]$ を $\theta_\sigma(i)=\alpha_{in}(m_i)$ と定める。$\theta_\sigma$ は順序写像であり、
$$
\lambda_K(\sigma)=\theta_\sigma^*x_n\in K_n
$$
は単体的写像 $\lambda_K\colon N(\Delta/K)\to K$ を定める。さらに $\lambda$ は $K$ について自然である。すなわち単体的写像 $f\colon K\to L$ について $\lambda_L\circ N(\Delta/f)=f\circ\lambda_K$ が成り立つ。
順序写像であること:$i< n$ について、$\alpha_{i+1}(m_i)\leq m_{i+1}$ であり $\alpha_{i+1,n}$ は順序を保つので、$\theta_\sigma(i)=\alpha_{i+1,n}(\alpha_{i+1}(m_i))\leq\alpha_{i+1,n}(m_{i+1})=\theta_\sigma(i+1)$ である。
単体的写像であること:順序写像 $\gamma\colon[k]\to[n]$ に対し、$\gamma^*\sigma$ は列 $(m_{\gamma(0)},x_{\gamma(0)})\to\cdots\to(m_{\gamma(k)},x_{\gamma(k)})$(射は $\alpha_{\gamma(j-1)\gamma(j)}$)である。その $\theta$ は
$$
\theta_{\gamma^*\sigma}(j)=\alpha_{\gamma(j)\gamma(k)}(m_{\gamma(j)})
$$
であり、$\alpha_{\gamma(k)n}\circ\theta_{\gamma^*\sigma}(j)=\alpha_{\gamma(j)n}(m_{\gamma(j)})=\theta_\sigma(\gamma(j))$ となる。つまり $\theta_\sigma\circ\gamma=\alpha_{\gamma(k)n}\circ\theta_{\gamma^*\sigma}$ である。したがって
$$
\gamma^*\lambda_K(\sigma)=(\theta_\sigma\gamma)^*x_n=\theta_{\gamma^*\sigma}^*\,\alpha_{\gamma(k)n}^*x_n=\theta_{\gamma^*\sigma}^*x_{\gamma(k)}=\lambda_K(\gamma^*\sigma)
$$
である。
自然性:$N(\Delta/f)$ は列の $x_i$ を $f(x_i)$ に取り替え、$\alpha_i$ を変えないので、$\theta$ は変わらない。$f$ は構造写像と可換なので $\lambda_L(N(\Delta/f)\sigma)=\theta_\sigma^*f(x_n)=f(\theta_\sigma^*x_n)$ である。$\square$
$0$ 単体 $(m,x)$ は、$\theta(0)=m$ により $x$ の最後の頂点 $x|_{\{m\}}$ へ送られる。これが名前の由来である。辺 $\alpha\colon(m,y)\to(n,x)$ は、$x$ の頂点 $\alpha(m)$ から $n$ への辺 $x|_{\{\alpha(m),n\}}$ へ送られる。$\lambda_K$ は HTT09 Proposition 4.2.3.14(p. 254)の証明で、Lemma 4.2.3.13 のレトラクションを $N(\Delta/K)$ に制限して作られる写像と同じものである。
任意の単体的集合 $K$ について、$\lambda_K\colon N(\Delta/K)\to K$ は弱ホモトピー同値である。したがって $B(\Delta/K)$ と $\lvert K\rvert$ はホモトピー同値である。
HTT09 Proposition 4.2.3.14(p. 254)は $\lambda_K$ が∞圏の意味で共終であることを示し、共終な写像は弱ホモトピー同値である(HTT09 Proposition 4.1.1.3 (3), p. 223)。一般の $K$ についてはこの記事では証明しない。$K$ が圏の脈体であるとき(標準単体 $\Delta^n=N([n])$ を含む)は、次の定理で Quillenの定理A から証明する。後半は、CW 複体の間の弱ホモトピー同値がホモトピー同値であること(弱ホモトピー同値 の定理「Whitehead の定理」)による。
小さな圏 $\mathcal C$ について、$(m,x)\mapsto x(m)$ で定まる関手 $L\colon\Delta/N(\mathcal C)\to\mathcal C$($x\colon[m]\to\mathcal C$ の最後の対象をとる関手。射 $\alpha\colon(m,y)\to(n,x)$ を $x$ の射 $x(\alpha(m)\to n)$ へ送る)の脈体は $\lambda_{N(\mathcal C)}$ に等しく、$BL\colon B(\Delta/N(\mathcal C))\to B\mathcal C$ はホモトピー同値写像である。
段 1($N(L)=\lambda$).$N(\mathcal C)$ は脈体なので、単体的写像 $N(\Delta/N(\mathcal C))\to N(\mathcal C)$ は $0$ 単体と $1$ 単体の上の値で決まる(脈体 の命題「脈体関手は充満忠実である」)。上の注意のとおり、$\lambda$ は $0$ 単体 $(m,x)$ を $x(m)$ へ、辺 $\alpha$ を $x(\alpha(m)\to n)$ へ送り、これは $L$ と同じである。$L$ が関手であることは $\lambda$ が単体的写像であることから従う。
段 2(コンマ圏).Quillenの定理A の双対の形を使うため、$\mathcal C$ の対象 $c$ を固定し、$\mathcal A=(L\downarrow c)$ が可縮であることを示す。$\mathcal A$ の対象は組 $(m,x,u)$($x\colon[m]\to\mathcal C$、$u\colon x(m)\to c$)、射 $(m,x,u)\to(m',x',u')$ は $\alpha^*x'=x$ かつ $u'\circ x'(\alpha(m)\to m')=u$ を満たす順序写像 $\alpha\colon[m]\to[m']$ である。
列 $x$ の後ろに $u$ をつないだ列を $x\ast u\colon[m+1]\to\mathcal C$ とし、$E(m,x,u)=(m+1,x\ast u,\mathrm{id}_c)$ とおく。射 $\alpha$ に対し、$\alpha$ を $m+1\mapsto m'+1$ で延ばした順序写像を $E(\alpha)=\alpha^+$ とおく。$(\alpha^+)^*(x'\ast u')$ は $[m]$ の上で $\alpha^*x'=x$ であり、頂点 $m$ から $m+1$ への射は $u'\circ x'(\alpha(m)\to m')=u$ なので $x\ast u$ に等しい。$\mathrm{id}_c\circ L(\alpha^+)=\mathrm{id}_c$ も成り立つので、$E\colon\mathcal A\to\mathcal A$ は関手である。
次の $2$ つは自然変換である。
$K=\Delta^n$ では、$\Delta/\Delta^n$ が終対象をもち(ex-cs-standard)、$\lvert\Delta^n\rvert$ も可縮なので、thm-cs-weq は直接にも確かめられる。
$\Delta/K$ は退化単体を含むので、$K$ が有限個の非退化単体しかもたなくても無限個の対象をもつ。非退化単体だけの $(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ で足りるかどうかは、次の条件で決まる。
単体的集合 $K$ が次の条件 (F) を満たすとする。
(F) 非退化な単体の面は、すべて非退化である。すなわち、非退化な $x\in K_n$ と単射な順序写像 $\delta\colon[k]\to[n]$ について、$\delta^*x$ は非退化である。
このとき包含関手 $\iota\colon(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}\to\Delta/K$ は左随伴 $P$ をもち、$B\iota$ はホモトピー同値写像である。とくに $B(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ は $\lvert K\rvert$ とホモトピー同値である。
対象 $(n,x)$ について、単体的集合 の命題「退化単体の一意な表示」により、全射な順序写像 $\sigma\colon[n]\to[p]$ と非退化な $y\in K_p$ で $x=\sigma^*y$ となるものがただ 1 組ある。$\sigma$ は $\Delta/K$ の射 $\sigma\colon(n,x)\to(p,y)$ である。$(p,y)$ と $\sigma$ が、$(n,x)$ から $(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ への普遍的な射であることを示す。
非退化な $(k,z)$ と射 $\alpha\colon(n,x)\to(k,z)$($\alpha^*z=x$)をとる。$\alpha$ を像への全射 $\pi\colon[n]\to[l]$ と単射 $\delta\colon[l]\to[k]$ の合成 $\alpha=\delta\pi$ に分ける。条件 (F) により $\delta^*z$ は非退化であり、$x=\pi^*(\delta^*z)$ である。表示の一意性により $\pi=\sigma$、$\delta^*z=y$ となるので、$\delta$ は $(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ の射 $(p,y)\to(k,z)$ で $\alpha=\delta\circ\sigma$ を満たす。そのような $\delta$ は、$\sigma$ が全射なので $\alpha$ から一意に決まる。
各対象にこのような普遍的な射があるので、$(n,x)\mapsto(p,y)$ は $\iota$ の左随伴 $P$ に延び、$\sigma$ がその単位になる(随伴関手)。圏の分類空間 の系「随伴関手はホモトピー同値を与える」により $B\iota$ はホモトピー同値写像であり、最後の主張は thm-cs-weq による。$\square$
条件 (F) は、順序集合の脈体(ex-cs-poset)、単体的円周(ex-cs-circle)、頂点に順序を付けた単体複体などで成り立つ。順序集合 $P$ では、$(\Delta/N(P))_{\mathrm{nd}}$ は鎖の順序集合なので、その分類空間($P$ の順序複体の重心細分)が $BP$ とホモトピー同値であることが従う。
条件 (F) を外すと、thm-cs-nondegenerate の結論は成り立たない。
$K=\Delta^2/\Delta^{\{0,1\}}$ を、$\Delta^2$ の辺 $\{0,1\}$ を $1$ 点 $a$ につぶした単体的集合とする(単体的集合 の定理「極限と余極限の次数ごとの計算」による押し出し)。非退化単体は、頂点 $a$($0$ と $1$ の像)と $b$($2$ の像)、辺 $e_1=\{0,2\}$ と $e_2=\{1,2\}$ の像、$2$ 単体 $\tau$ の像である。$\tau$ の面 $d_2\tau$ は $a$ の退化 $s_0a$ なので、$K$ は条件 (F) を満たさない。
$(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ の恒等射でない射は、$\tau$ への射が頂点 $a$ から $2$ 本($0\mapsto0$ と $0\mapsto1$)、$b$ から $1$ 本、$e_1,e_2$ から各 $1$ 本、辺への射が $a\to e_1$、$b\to e_1$、$a\to e_2$、$b\to e_2$ の各 $1$ 本で、計 $9$ 本である。辺 $\{0,1\}$ に当たる非退化な辺がないので、ほかの射はない。恒等射を含まない合成可能な $2$ 本の列は、$a\to e_1\to\tau$、$a\to e_2\to\tau$、$b\to e_1\to\tau$、$b\to e_2\to\tau$ の $4$ つで、$3$ 本以上の列はない。よって $B(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ は $0$ 胞体 $5$ 個、$1$ 胞体 $9$ 個、$2$ 胞体 $4$ 個の有限 CW 複体で、その Euler標数 は $5-9+4=0$ である。
一方 $\lvert K\rvert$ は、$\lvert\Delta^2\rvert$ の辺(可縮な部分複体)をつぶした空間なので $\lvert\Delta^2\rvert$ とホモトピー同値で(コファイブレーション の定理「可縮な部分空間をつぶす商写像」、Hat02 Proposition 0.17, p. 15)、可縮である。可縮な有限 CW 複体の Euler 標数は $1$ なので(Euler標数 の系「2 つの Euler 標数は一致する」)、$B(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ は $\lvert K\rvert$ とホモトピー同値でない。thm-cs-weq により $B(\Delta/K)$ は $\lvert K\rvert$ とホモトピー同値なので、退化単体 $s_0a$ を経由する射が欠けたことでホモトピー型が変わっている。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 非退化単体の面が非退化(thm-cs-nondegenerate の (F)) | ex-cs-collapsed-edge の $K$ | $B(\Delta/K)_{\mathrm{nd}}$ が $\lvert K\rvert$ とホモトピー同値であること |
thm-cs-weq により、単体的集合のホモトピー論は、小さな圏の分類空間のホモトピー論で表せる。HTT09 は最終頂点写像が単なる弱ホモトピー同値でなく共終であることを示し(Proposition 4.2.3.14)、∞圏の余極限を通常の圏で添字付けた余極限に帰着させる。単体の圏をさらに重ねて取ると、共終な写像 $N(P)\to K$ を順序集合 $P$ から作ることもできる(HTT09 Variant 4.2.3.15, p. 255)。
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