Mayer–Vietoris完全列

同義語:Mayer-Vietoris完全列Mayer–Vietoris完全系列Mayer–Vietoris列Mayer–Vietoris系列マイヤー・ヴィートリス完全列Mayer–Vietoris sequence

概要

Mayer–Vietoris完全列(Mayer–Vietoris sequence)とは、位相空間 $X$ の部分空間 $A,B$ の内部が $X$ を覆うとき、特異ホモロジーの間に成り立つ長完全列 $\cdots\to H_n(A\cap B)\to H_n(A)\oplus H_n(B)\to H_n(X)\to H_{n-1}(A\cap B)\to\cdots$ のことである。鎖複体の短完全列 $0\to C_\bullet(A\cap B)\to C_\bullet(A)\oplus C_\bullet(B)\to C_\bullet(A+B)\to0$ と、小さい単体の鎖への変形(切除定理の証明の要)から得られ、接続準同型は輪体を $A$ の部分と $B$ の部分に分けて境界をとる写像である。空間を既知の部分に分けてホモロジーを計算する基本の道具である。

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

前提知識: 相対ホモロジーと長完全列, 切除定理(特異ホモロジー), 特異ホモロジー, 長完全列, ホモトピー同値

空間 $X$ を 2 つの部分 $A,B$ に分けたとき、$X$ のホモロジーは $A$、$B$、$A\cap B$ のホモロジーからどこまで決まるか。Mayer–Vietoris 完全列はこの問いに答える長完全列であり、$A$ と $B$ の内部が $X$ を覆えば
$$ \cdots\to H_n(A\cap B)\to H_n(A)\oplus H_n(B)\to H_n(X)\to H_{n-1}(A\cap B)\to\cdots $$
が完全になる。球面を 2 つの円板に、トーラスを 2 つの円筒に分けるように、よく知っている部分に分けて計算を進められるので、ホモロジーの計算と帰納法による証明の主要な道具である。この記事では、この列を切除定理(特異ホモロジー)の記事の定理(小さい単体の鎖への変形)から導き、被約版、接続準同型の具体的な形、切除との関係を証明して、球面とトーラスのホモロジーを計算する。

定理の主張

特異鎖複体・相対ホモロジーの記号は 相対ホモロジーと長完全列 の記事にそろえる。部分空間 $A,B\subset X$ に対し、$C_n(A+B)\subset C_n(X)$ を「$A$ の鎖と $B$ の鎖の和」の全体とする。これは $\mathcal{U}=\{A,B\}$ に小さい単体が生成する部分複体 $C_\bullet^{\mathcal{U}}(X)$ にほかならない。

Mayer–Vietoris 完全列

部分空間 $A,B\subset X$ が $\operatorname{int}A\cup\operatorname{int}B=X$ を満たすとする。包含写像 $A\cap B\hookrightarrow A$、$A\cap B\hookrightarrow B$、$A\hookrightarrow X$、$B\hookrightarrow X$ が誘導する準同型から
$$ \Phi(\alpha):=(\alpha,-\alpha),\qquad\Psi(\beta,\gamma):=\beta+\gamma $$
を作る($\alpha$ を $A$、$B$ のホモロジー類とみたものも $\alpha$ と書く)。このとき準同型 $\partial\colon H_n(X)\to H_{n-1}(A\cap B)$ があって、列
$$ \cdots\to H_n(A\cap B)\xrightarrow{\Phi}H_n(A)\oplus H_n(B)\xrightarrow{\Psi}H_n(X)\xrightarrow{\partial}H_{n-1}(A\cap B)\xrightarrow{\Phi}\cdots\to H_0(X)\to0 $$
は完全である。$\partial$ は次のように計算できる:$H_n(X)$ の類は、$A$ の鎖 $x$ と $B$ の鎖 $y$ の和 $z=x+y$ の形の輪体で代表され、そのとき $\partial x=-\partial y$ は $A\cap B$ の輪体で、$\partial[z]=[\partial x]$ である。

Mayer–Vietoris 完全列

段 1(鎖複体の短完全列).各次数の列
$$ 0\to C_n(A\cap B)\xrightarrow{\ \varphi\ }C_n(A)\oplus C_n(B)\xrightarrow{\ \psi\ }C_n(A+B)\to0,\qquad\varphi(x)=(x,-x),\quad\psi(x,y)=x+y $$
は完全である。$\varphi$ は明らかに単射で、$\psi\circ\varphi=0$ である。$\psi(x,y)=0$ なら $x=-y$ は $A$ の鎖でも $B$ の鎖でもあり、自由アーベル群の基底を比べると、像が $A$ と $B$ の両方に含まれる単体、すなわち $A\cap B$ の単体の一次結合である。よって $(x,y)=\varphi(x)$。$\psi$ の全射性は $C_n(A+B)$ の定義そのものである。$\varphi,\psi$ は境界作用素と可換なので、これは鎖複体の短完全列である。
段 2(長完全列).鎖複体の短完全列はホモロジーの長完全列を誘導する(長完全列 の記事の定理(複体の短完全列の長完全列)、あるいは 相対ホモロジーと長完全列 の記事の補題(蛇の補題による長完全列の導出))。$C_\bullet(A)\oplus C_\bullet(B)$ のホモロジーは $H_n(A)\oplus H_n(B)$ なので、
$$ \cdots\to H_n(A\cap B)\xrightarrow{\varphi_*}H_n(A)\oplus H_n(B)\xrightarrow{\psi_*}H_n(C_\bullet(A+B))\xrightarrow{\partial}H_{n-1}(A\cap B)\to\cdots $$
は完全である。$\varphi_*=\Phi$ である。
段 3($X$ への置き換え).$\operatorname{int}A\cup\operatorname{int}B=X$ なので、切除定理(特異ホモロジー) の記事の定理(小さい単体の鎖への変形)により、包含 $\iota\colon C_\bullet(A+B)\hookrightarrow C_\bullet(X)$ はホモロジーの同型 $\iota_*$ を誘導する。$\iota_*\circ\psi_*=\Psi$ なので、$H_n(C_\bullet(A+B))$ を $\iota_*$ で $H_n(X)$ に置き換え、$\partial$ を $\partial\circ\iota_*^{-1}$ に置き換えた列も完全であり、これが主張の列である。右端は $H_{-1}(A\cap B)=0$ による。
段 4(接続準同型の形).$\iota_*$ は全射なので、$H_n(X)$ の類は $C_n(A+B)$ の輪体 $z=x+y$ で代表される。$\psi$ による持ち上げとして $(x,y)$ をとると、その境界 $(\partial x,\partial y)$ は $\varphi$ の像に入り($\partial x+\partial y=\partial z=0$)、$(\partial x,\partial y)=\varphi(\partial x)$ である。長完全列の接続準同型の作り方(持ち上げて境界をとり、$\varphi$ で引き戻す)により $\partial[z]=[\partial x]$ である。

図式で書けば、段 1 の短完全列と段 3 の置き換えは
$$ \xymatrix{ 0 \ar[r] & C_\bullet(A\cap B) \ar[r]^-{\varphi} & C_\bullet(A)\oplus C_\bullet(B) \ar[r]^-{\psi} & C_\bullet(A+B) \ar[r] \ar@{^{(}->}[d]^{\iota} & 0\\ & & & C_\bullet(X) & } $$
であり、$\iota$ がホモロジーの同型を誘導することが、切除定理の証明の中心にある細分の議論である(Hat02 pp. 149–150)。

符号の流儀

$\Phi(\alpha)=(\alpha,\alpha)$、$\Psi(\beta,\gamma)=\beta-\gamma$ とする流儀もある。どちらも同じ短完全列の $\varphi,\psi$ に $B$ 側の符号を入れ替える同型を合成したものなので、完全性は変わらない。ただし接続準同型の符号は流儀とともに変わることがあり、他の写像との可換性を使うときは流儀をそろえる。特異コホモロジー の記事の定理(Mayer–Vietoris の完全列)は、コホモロジーで「制限の組」と「制限の差」を使う流儀で書かれている。

自然性

$f\colon X\to Y$ が連続で、$Y=\operatorname{int}A'\cup\operatorname{int}B'$、$f(A)\subset A'$、$f(B)\subset B'$ とする。$f_\sharp$ は段 1 の短完全列の間の鎖写像を与え($f_\sharp(C_\bullet(A+B))\subset C_\bullet(A'+B')$)、段 3 の包含と可換なので、2 つの Mayer–Vietoris 完全列の間の可換な梯子が得られる。接続準同型については $\partial f_*[x+y]=[\partial f_\sharp x]=(f|_{A\cap B})_*\partial[x+y]$ と直接確かめられる。

被約版

被約ホモロジーの Mayer–Vietoris 完全列

thm-mayer-vietoris-main の仮定に加えて $A\cap B\ne\emptyset$ とすると、各項を被約ホモロジー $\tilde H_n$ に置き換えた列
$$ \cdots\to\tilde H_n(A\cap B)\xrightarrow{\Phi}\tilde H_n(A)\oplus\tilde H_n(B)\xrightarrow{\Psi}\tilde H_n(X)\xrightarrow{\partial}\tilde H_{n-1}(A\cap B)\to\cdots\to\tilde H_0(X)\to0 $$
も完全である。

被約版

段 1 の短完全列を、添加された鎖複体(相対ホモロジーと長完全列 の記事の定義(被約ホモロジー))に広げる。次数 $-1$ には
$$ 0\to\mathbb{Z}\xrightarrow{\ (1,-1)\ }\mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z}\xrightarrow{\ (a,b)\mapsto a+b\ }\mathbb{Z}\to0 $$
を置く。これは完全であり、$\varphi,\psi$ は添加写像と両立する($C_\bullet(A+B)$ の添加写像は $C_\bullet(X)$ の添加写像の制限とする)。$A\cap B\ne\emptyset$ なので $A$、$B$、$A+B$ も空でなく、各添加写像は全射である。こうして得た短完全列の長完全列は、$C_\bullet(A+B)$ の項を除けば被約ホモロジーの列である。
残るのは、包含 $\iota$ が $\tilde H_0$ でも同型を誘導することである。次数 $1$ 以上では添加しても変わらない。次数 $0$ では $\tilde H_0=\ker\bigl(\varepsilon_*\colon H_0\to\mathbb{Z}\bigr)$ であり($\varepsilon_*$ は添加写像が誘導する写像)、$\iota_*\colon H_0(C_\bullet(A+B))\to H_0(X)$ は同型で $\varepsilon_*$ と両立するので、核の同型を誘導する。

接続準同型と切除

Mayer–Vietoris の接続準同型と切除

thm-mayer-vietoris-main の接続準同型 $\partial\colon H_n(X)\to H_{n-1}(A\cap B)$ は、次の合成に等しい。
$$ H_n(X)\xrightarrow{j_*}H_n(X,B)\xrightarrow{\ \cong\ }H_n(A,A\cap B)\xrightarrow{\partial}H_{n-1}(A\cap B) $$
ここで $j_*$ は対の長完全列の写像、中央は切除定理(包含 $(A,A\cap B)\hookrightarrow(X,B)$ が誘導する同型の逆)、右は対 $(A,A\cap B)$ の長完全列の接続準同型である。

接続準同型と切除

中央の同型は 切除定理(特異ホモロジー) の記事の定理(切除定理)の (2) を、$A$ と $B$ の役割を入れ替えて使ったものである($\operatorname{int}B\cup\operatorname{int}A=X$)。$[z]\in H_n(X)$ を $z=x+y$($x\in C_n(A)$、$y\in C_n(B)$)で代表させる。$j_*[z]$ は $C_n(X)/C_n(B)$ での $z$ の類であり、$y$ は $B$ の鎖なので $x$ の類に等しい。$x$ は $A$ の鎖で、$\partial x=-\partial y$ は $A\cap B$ の鎖なので、$x$ は対 $(A,A\cap B)$ の相対輪体であり、包含でその類 $[x]\in H_n(A,A\cap B)$ は $H_n(X,B)$ の $[x]=j_*[z]$ に写る。よって切除の同型の逆で $j_*[z]$ は $[x]$ に写り、対の接続準同型で $[\partial x]$ に写る。これは thm-mayer-vietoris-main の $\partial[z]=[\partial x]$ に等しい。

この形は、Mayer–Vietoris 完全列の接続準同型が「対の長完全列+切除」で読めることを示している。

例

球面のホモロジー

$n\ge0$ に対し、$n$ 次元球面 $S^n$ の被約ホモロジーは
$$ \tilde H_k(S^n)\cong\begin{cases}\mathbb{Z}&(k=n)\\0&(k\ne n)\end{cases} $$
である。したがって $H_0(S^n)\cong H_n(S^n)\cong\mathbb{Z}$($n\ge1$)、$H_0(S^0)\cong\mathbb{Z}^2$ で、ほかの $H_k(S^n)$ は $0$ である。

球面のホモロジー

$n$ に関する帰納法で示す。$n=0$ では $S^0$ は 2 点の離散空間で、特異単体はすべて定値写像なので $C_\bullet(S^0)$ は一点の特異鎖複体 2 つの直和である。一点のホモロジー(相対ホモロジーと長完全列 の記事の「特異鎖の約束」)から $H_0(S^0)\cong\mathbb{Z}^2$、$H_k(S^0)=0$($k\ne0$)であり、$\tilde H_0(S^0)\cong\mathbb{Z}$ である。
$n\ge1$ とし、北極 $N$ と南極 $S$ をそれぞれ除いた開集合 $U:=S^n\setminus\{N\}$、$V:=S^n\setminus\{S\}$ をとる。$U\cup V=S^n$ で、$U$、$V$ は立体射影により $\mathbb{R}^n$ と同相なので可縮であり、被約ホモロジーはすべて $0$ である。$U\cap V=S^n\setminus\{N,S\}$ は、点 $(x',x_{n+1})$($x'\in\mathbb{R}^n\setminus\{0\}$)を赤道上の点 $(x'/\lvert x'\rvert,0)$ へ大円に沿って動かす変形で赤道 $S^{n-1}$ に強変位レトラクトするので、$S^{n-1}$ とホモトピー同値である。$U\cap V\ne\emptyset$ なので prop-mayer-vietoris-reduced が使え、部分
$$ \tilde H_k(U)\oplus\tilde H_k(V)\to\tilde H_k(S^n)\xrightarrow{\partial}\tilde H_{k-1}(U\cap V)\to\tilde H_{k-1}(U)\oplus\tilde H_{k-1}(V) $$
の両端が $0$ だから、$\partial$ は同型である。よって $\tilde H_k(S^n)\cong\tilde H_{k-1}(U\cap V)\cong\tilde H_{k-1}(S^{n-1})$ であり、帰納法の仮定から主張が従う。

$D^n$ の境界をつぶすと $S^n$ になるので、相対ホモロジーと長完全列 の記事の例(円板とその境界)の $H_n(D^n,S^{n-1})\cong\mathbb{Z}$ は、切除定理(特異ホモロジー) の記事の命題(良い対の相対ホモロジー)を通じて $\tilde H_n(S^n)\cong\mathbb{Z}$ と一致する。球面のホモロジーから、$S^n$ と $S^m$($n\ne m$)がホモトピー同値でないこと、$\partial D^n$ が $D^n$ のレトラクトでないこと、したがって Brouwerの不動点定理 が従う(Hat02 Corollary 2.14・2.15、pp. 114–115。後の 2 つはこの記事では証明しない)。

トーラスのホモロジー

$T=S^1\times S^1$ では $H_0(T)\cong\mathbb{Z}$、$H_1(T)\cong\mathbb{Z}^2$、$H_2(T)\cong\mathbb{Z}$、$H_k(T)=0$($k\ge3$)である。
相異なる 2 点 $p,q\in S^1$ をとり、$U:=S^1\times(S^1\setminus\{p\})$、$V:=S^1\times(S^1\setminus\{q\})$ とおく。$S^1\setminus\{p\}$ は開区間と同相で可縮なので、$U$ は第 1 成分への射影によって $S^1$ とホモトピー同値であり、$t\in S^1\setminus\{p\}$ に対する $j_t\colon S^1\to U$、$z\mapsto(z,t)$ はそのホモトピー逆写像である。$t$ を $S^1\setminus\{p\}$ の中で動かしても $j_t$ はホモトピックなので、$c\in H_1(S^1)\cong\mathbb{Z}$ を生成元とすると、$u:=j_{t*}c$ は $t$ によらない $H_1(U)\cong\mathbb{Z}$ の生成元である。$V$ についても同様に生成元 $v$ がある。$U\cap V=S^1\times(J_1\sqcup J_2)$($J_1,J_2$ は $S^1\setminus\{p,q\}$ の 2 つの開弧)は 2 つの開集合の非交和で、特異単体の像は弧状連結なので、そのホモロジーは 2 つの円筒のホモロジーの直和である。$t_i\in J_i$ をとると $H_1(U\cap V)\cong\mathbb{Z}^2$ は $a_i:=j_{t_i*}c$($i=1,2$)で生成され、$\tilde H_0(U\cap V)\cong\mathbb{Z}$ である。
$a_i$ は $H_1(U)$ で $u$、$H_1(V)$ で $v$ になるので、$\Phi(ma_1+na_2)=\bigl((m+n)u,-(m+n)v\bigr)$ である。被約版の列
$$ 0\to\tilde H_2(T)\xrightarrow{\partial}H_1(U\cap V)\xrightarrow{\Phi}H_1(U)\oplus H_1(V)\xrightarrow{\Psi}H_1(T)\xrightarrow{\partial}\tilde H_0(U\cap V)\to0 $$
(左端の $0$ は $\tilde H_2(U)\oplus\tilde H_2(V)=0$、右端の $0$ は $\tilde H_0(U)\oplus\tilde H_0(V)=0$ から)により、$H_2(T)\cong\ker\Phi=\{ma_1-ma_2\}\cong\mathbb{Z}$ である。また $0\to\operatorname{coker}\Phi\to H_1(T)\to\mathbb{Z}\to0$ は完全で、$\operatorname{coker}\Phi=\mathbb{Z}^2/\{(k,-k)\}\cong\mathbb{Z}$ である。右端が自由なのでこの列は分裂し、$H_1(T)\cong\mathbb{Z}^2$ である。$k\ge3$ では $\tilde H_k(U)\oplus\tilde H_k(V)$ と $\tilde H_{k-1}(U\cap V)$ が $0$ なので $H_k(T)=0$ である。

$H_2(T)$ の生成元は $\partial$ で $a_1-a_2$(の符号倍)に写る。$T$ 全体を覆う 2 次元の輪体を $U$ 側の鎖 $x$ と $V$ 側の鎖 $y$ に分けると、$\partial x$ は切り口にあたる 2 つの円周の差を表す。接続準同型 $\partial$ はこの輪体を $U$ 側と $V$ 側に分け、切り口の境界をとる写像である。

反例

反例:仮定を外した場合
  1. 内部が覆わない. $X=S^1\subset\mathbb{R}^2$、$A=\{(x,y)\in S^1\mid y\ge0\}$(端点を含む上半円)、$B=\{(x,y)\in S^1\mid y<0\}$ とする。$A\cup B=S^1$ だが、$X$ の中での内部 $\{y>0\}$ と $B$ は 2 点 $(\pm1,0)$ を覆わない。$A$ と $B$ はどちらも弧で可縮、$A\cap B=\emptyset$ なので、もし Mayer–Vietoris 完全列が成り立てば $H_1(A)\oplus H_1(B)=0\to H_1(S^1)\to H_0(A\cap B)=0$ から $H_1(S^1)=0$ となるが、実際は $H_1(S^1)\cong\mathbb{Z}$(prop-mayer-vietoris-sphere)である。$0$ 次でも $0\to H_0(A)\oplus H_0(B)\cong\mathbb{Z}^2\to H_0(S^1)\cong\mathbb{Z}$ の単射性が破れる。
  2. 被約版で $A\cap B=\emptyset$. $X=\{a,b\}$(2 点の離散空間)、$A=\{a\}$、$B=\{b\}$ とすると $\operatorname{int}A\cup\operatorname{int}B=X$ だが $A\cap B=\emptyset$ である。被約版の列が完全なら $\tilde H_0(A)\oplus\tilde H_0(B)=0\to\tilde H_0(X)\to0$ から $\tilde H_0(X)=0$ となるが、実際は $\tilde H_0(X)\cong\mathbb{Z}$ である。添加した次数 $-1$ の列 $0\to0\to\mathbb{Z}^2\to\mathbb{Z}\to0$ が左で完全でないことが原因である(通常の版は成り立つ)。
  3. 接続準同型を省く. $S^n$($n\ge1$)と prop-mayer-vietoris-sphere の $U,V$ では $\tilde H_n(U)\oplus\tilde H_n(V)=0$ だが $\tilde H_n(S^n)\cong\mathbb{Z}$ であり、「$H_n(X)$ は $H_n(A)\oplus H_n(B)$ の商である」は成り立たない。$\tilde H_n(S^n)$ はすべて接続準同型を通じて $\tilde H_{n-1}(U\cap V)$ から来る。
外す条件反例成り立たなくなること
$\operatorname{int}A\cup\operatorname{int}B=X$$S^1$ を閉じた上半円と開いた下半円に分ける列の完全性($H_1(S^1)\cong\mathbb{Z}$ が $0$ になってしまう)
$A\cap B\ne\emptyset$(被約版)2 点の離散空間を 1 点ずつに分ける被約版の列の完全性($\tilde H_0(X)\cong\mathbb{Z}$)
接続準同型 $\partial$ を列に入れる$S^n=U\cup V$(2 つの円板)$\Psi$ の全射性($0\to\mathbb{Z}$)

いずれの反例でも、$A$ と $B$ のホモロジーは正しく計算されているが、$X$ との関係を述べる列が成り立たない。1 の反例は、切除定理の仮定(内部が覆う)が Mayer–Vietoris 完全列にもそのまま必要であることを示す。

補足

  • $H_1$ と van Kampen の定理:$A$、$B$、$A\cap B$ が弧状連結なら、被約版の列の右端から $H_1(X)\cong\bigl(H_1(A)\oplus H_1(B)\bigr)/\operatorname{im}\Phi$ である。これは van Kampenの定理 を可換化した形にあたる(弧状連結空間では $H_1$ が基本群の可換化であることによる。Hat02 p. 150、§2.A。この記事では証明しない)。
  • コホモロジー版と de Rham 版:同じ短完全列に $\operatorname{Hom}(-,G)$ を施すと特異コホモロジーの Mayer–Vietoris 完全列が得られる(特異コホモロジー の記事の定理(Mayer–Vietoris の完全列))。滑らかな多様体の開被覆については、微分形式の制限による de Rham 複体の Mayer–Vietoris 列があり、de Rham の定理の証明で両者が比べられる(de Rhamの定理)。
  • 相対版:$X=A\cup B$、$Y=C\cup D$($C\subset A$、$D\subset B$)で、$X$ が $A,B$ の内部の和、$Y$ が $C,D$ の $Y$ での内部の和であれば、相対ホモロジーの Mayer–Vietoris 完全列 $\cdots\to H_n(A\cap B,C\cap D)\to H_n(A,C)\oplus H_n(B,D)\to H_n(X,Y)\to\cdots$ がある(Hat02 p. 152。この記事では証明しない)。
  • 帰納法での使い方:「$A$、$B$、$A\cap B$ で成り立てば $A\cup B$ でも成り立つ」という形の主張は、Mayer–Vietoris 完全列と五項補題で証明されることが多い。de Rham の定理、Poincaré 双対性、胞体複体の骨格に関する帰納法がその例である。

関連項目

参考文献

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