台(層)(support of a sheaf)とは、位相空間 $X$ 上のアーベル群の層 $\mathcal{F}$ について茎 $\mathcal{F}_x$ が $0$ でない点 $x$ の全体 $\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ のことで、切断 $s$ の台も芽 $s_x$ が $0$ でない点の全体として定める。切断の台は定義域の閉集合で、連続関数の層では関数の台と一致するが、層の台は摩天楼層の無限直和のように閉集合でないことがある。環付き空間上の有限型の加群の層では台は閉集合になり、局所環付き空間では中山の補題によりテンソル積の台が台の共通部分になる。アフィンスキーム上では加群の台と一致し、台が閉集合に含まれる切断の層は局所コホモロジーの出発点になる。
アーベル群の層 $\mathcal{F}$ の台とは、茎 $\mathcal{F}_x$ が $0$ でない点 $x$ の全体であり、層が「実際に何かを持っている場所」を表す。切断 $s$ の台も同様に、芽 $s_x$ が $0$ でない点の全体として定める。連続関数の層では、切断の台は関数が $0$ でない点の集合の閉包、すなわち関数の台と一致する。
切断の台はいつも閉集合だが、層の台は閉集合とは限らない。環付き空間の上の有限型の加群の層(スキーム上の連接層など)では層の台も閉集合になり、局所環付き空間ではテンソル積の台が台の共通部分になる。この記事では台の定義と基本性質を述べ、これらを証明する。関数の台(関数が $0$ でない点の集合の閉包)は層を使わずに定義される概念で、連続関数の層の切断の台との関係は ex-supp-functions で述べる。
以下、$X$ を位相空間とし、層はアーベル群の層(環の層・加群の層を含む)とする。$\mathcal{F}$ の開集合 $U$ 上の切断 $s\in\mathcal{F}(U)$ と $x\in U$ について、$s_x\in\mathcal{F}_x$ を $s$ の $x$ での芽とする(層 の定義「茎と芽」)。
細層や 1 の分割の議論では、射(とくに自己準同型)の台をこの集合の閉包 $\overline{\{x\in X\mid\varphi_x\ne0\}}$ で定めることが多く、細層 と 層コホモロジー の細層の定義もこの閉包を台と呼んでいる。$\{x\mid\varphi_x\ne0\}$ は一般に閉集合でないので、「台が開集合 $U$ に含まれる」という条件は、閉包をとるかどうかで意味が変わる(閉包で定めるほうが強い条件になる)。
$\operatorname{Supp}\mathcal{F}=\emptyset$ と $\mathcal{F}=0$ は同値である。実際、すべての茎が $0$ なら、すべての切断の芽が $0$ なので、層 の命題「切断は芽で決まる」によりすべての切断が $0$ である。より一般に、開集合 $U$ について $\mathcal{F}|_U=0$ と $U\cap\operatorname{Supp}\mathcal{F}=\emptyset$ は同値である。
台は集合の層には定義されない。「$0$ でない」を判定するための零元が要るからである。環の層では、零環を零とみなす。
$\mathcal{F}$ を $X$ 上の層、$U$ を開集合とする。
1:$x\in U\setminus\operatorname{Supp}(s)$ とする。$s_x=0$ なので、芽の定義により $x$ の開近傍 $W\subset U$ で $s|_W=0$ となるものがある。$y\in W$ なら $s_y=(s|_W)_y=0$ なので $W\subset U\setminus\operatorname{Supp}(s)$ である。よって $U\setminus\operatorname{Supp}(s)$ は開集合である。
2:$x\in V$ なら $(s|_V)_x=s_x$ だからである。
3:芽をとる写像 $\mathcal{F}(U)\to\mathcal{F}_x$ は準同型なので $(s+t)_x=s_x+t_x$、$(-s)_x=-s_x$ である。$s_x=t_x=0$ なら $(s+t)_x=0$ である。
4:$\varphi_x(s_x)=\varphi_U(s)_x$ であり、$s_x=0$ なら $\varphi_U(s)_x=0$ である。
5:$\mathcal{F}_x\ne0$ なら、$0$ でない元 $s_x$($s\in\mathcal{F}(U)$、$x\in U$)があり $x\in\operatorname{Supp}(s)$ である。逆に $x\in\operatorname{Supp}(s)$ なら $s_x\ne0$ なので $\mathcal{F}_x\ne0$ である。
6:$(as)_x=a_xs_x$ であり、$a_x=0$ または $s_x=0$ なら $0$ である。$\square$
1 の閉性は $U$ の中での閉性であり、$X$ の閉集合になるとは限らない。たとえば $\mathbb{R}$ 上の連続関数の層で、$U=(0,1)$ 上の定数関数 $1$ の台は $(0,1)$ 全体で、$U$ では閉だが $\mathbb{R}$ では閉でない。
$\mathcal{F}$ を $X$ 上の層とする。$X\setminus\overline{\operatorname{Supp}\mathcal{F}}$ は、$\mathcal{F}|_U=0$ となる開集合 $U$ のうち最大のものである。
$W:=X\setminus\overline{\operatorname{Supp}\mathcal{F}}$ は開集合で、$W$ の点では茎が $0$ なので、定義の後の注意により $\mathcal{F}|_W=0$ である。逆に $\mathcal{F}|_U=0$ なら $U$ の点の茎は $0$ なので $U\subset X\setminus\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ であり、$U$ は開集合だから $X\setminus\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ の内部 $X\setminus\overline{\operatorname{Supp}\mathcal{F}}$ に含まれる。$\square$
台が閉集合のときは、$\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ の外で層が消え、台の上の情報だけが残る。閉部分スキーム や 連接層 の議論で台を閉集合として扱えるのは、後の節の thm-supp-finite-type による。
$X$ を位相空間、$\mathcal{C}_X$ を実数値連続関数の層とし、$f\in\mathcal{C}_X(U)$ とする。切断としての台は、$U$ における $\{x\in U\mid f(x)\ne0\}$ の閉包に等しい:
$$
\operatorname{Supp}(f)=\overline{\{x\in U\mid f(x)\ne0\}}\cap U.
$$
実際、$f_x=0$ は「$x$ のある開近傍 $W\subset U$ の上で $f$ が恒等的に $0$」ということであり、これは $x$ が $\{f\ne0\}$ の $U$ での閉包に属さないことと同値である。可微分多様体上の $C^\infty$ 関数の層でも同じである。切り落とし関数や 1 の分割で使う関数の台は、この意味で切断の台と一致する。
一方、連結な開集合 $U\subset\mathbb{C}$ 上の正則関数 $f$ については、$\operatorname{Supp}(f)$ は $\emptyset$ か $U$ である。実際、ある点 $x$ で $f_x=0$ なら $f$ は $x$ の近傍で $0$ なので、一致の定理 により $U$ 全体で $0$ である。正則関数の層では、台は関数の零点の位置ではなく、関数が恒等的に $0$ かどうかだけを表す。
点 $x\in X$ とアーベル群 $A\ne0$ の摩天楼層 $i_{x*}A$ の台は、摩天楼層 の命題「摩天楼層の茎」により 1 点の閉包 $\overline{\{x\}}$ である。
より一般に、$i\colon Z\to X$ を閉集合 $Z$ の包含写像、$\mathcal{G}$ を $Z$ 上の層とすると、順像 $i_*\mathcal{G}$ の茎は $z\in Z$ で $\mathcal{G}_z$、$Z$ の外で $0$ である(閉埋め込み の補題「閉集合への同相による押し出しの茎」)。よって $\operatorname{Supp}(i_*\mathcal{G})=\operatorname{Supp}\mathcal{G}$ であり、閉集合 $Z$ の上の層を $X$ の上へ押し出すと、台が $Z$ に含まれる層が得られる。
$A$ を可換環、$M$ を $A$ 加群とし、$X=\operatorname{Spec}A$ 上の付随する層 $\widetilde{M}$ を考える。このとき
$$
\operatorname{Supp}\widetilde{M}=\{\mathfrak{p}\in\operatorname{Spec}A\mid M_{\mathfrak{p}}\ne0\}
$$
であり、これは 加群の台 $\operatorname{Supp}M$ に一致する。$M$ が有限生成なら $\operatorname{Supp}\widetilde{M}=V(\operatorname{Ann}M)$ で、閉集合である。
1:層 の定理「アーベル群の層の圏はアーベル圏である」により、各点 $x$ で茎の列 $0\to\mathcal{F}'_x\to\mathcal{F}_x\to\mathcal{F}''_x\to0$ は完全である。$\mathcal{F}_x=0$ なら、単射 $\mathcal{F}'_x\to\mathcal{F}_x$ と全射 $\mathcal{F}_x\to\mathcal{F}''_x$ から $\mathcal{F}'_x=\mathcal{F}''_x=0$ である。逆に $\mathcal{F}'_x=\mathcal{F}''_x=0$ なら、完全性から $\mathcal{F}_x$ は $\mathcal{F}'_x$ の像に等しく $0$ である。
2:層化は茎を変えない(層 の定理「層化の構成と普遍性」の 2)ので、前層 $U\mapsto\bigoplus_\lambda\mathcal{F}_\lambda(U)$ の茎を計算すればよい。$x$ の開近傍についての有向な帰納極限は直和と交換するので、この茎は $\bigoplus_\lambda(\mathcal{F}_\lambda)_x$ である。これが $0$ であることと、すべての $\lambda$ で $(\mathcal{F}_\lambda)_x=0$ であることは同値である。$\square$
$(X,\mathcal{O}_X)$ を環付き空間とする。$\mathcal{O}_X$ 加群 $\mathcal{F}$ が有限型(of finite type)であるとは、各点 $x\in X$ に開近傍 $U$ と有限個の切断 $s_1,\dots,s_n\in\mathcal{F}(U)$ があり、それらが定める射 $\mathcal{O}_U^{\,n}\to\mathcal{F}|_U$、$(a_1,\dots,a_n)\mapsto\sum_ia_is_i$ が層の射として全射になることをいう。全射は茎で判定されるので、このとき $y\in U$ の茎 $\mathcal{F}_y$ は $\mathcal{O}_{X,y}$ 加群として芽 $s_{1,y},\dots,s_{n,y}$ で生成される。連接層 や、Noether環 上の有限生成加群に付随する層は有限型である。
$(X,\mathcal{O}_X)$ を環付き空間、$\mathcal{F}$ を有限型の $\mathcal{O}_X$ 加群とする。このとき $\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ は $X$ の閉集合である。
$x\notin\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ とし、$x$ の開近傍 $U$ と生成元 $s_1,\dots,s_n\in\mathcal{F}(U)$ をとる。$\mathcal{F}_x=0$ なので各 $i$ で $s_{i,x}=0$ であり、$x$ の開近傍 $W_i\subset U$ で $s_i|_{W_i}=0$ となるものがある。$W:=W_1\cap\dots\cap W_n$ とおくと、$y\in W$ について $\mathcal{F}_y$ は $s_{1,y},\dots,s_{n,y}$ で生成され、これらはすべて $0$ なので $\mathcal{F}_y=0$ である。よって $W\subset X\setminus\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ であり、$\operatorname{Supp}\mathcal{F}$ の補集合は開集合である。$\square$
$(X,\mathcal{O}_X)$ を環付き空間、$\mathcal{J}\subset\mathcal{O}_X$ をイデアル層とする。$\mathcal{O}_X/\mathcal{J}$ の台 $\{x\in X\mid\mathcal{J}_x\ne\mathcal{O}_{X,x}\}$ は閉集合である。とくに $\operatorname{Supp}\mathcal{O}_X=\{x\mid\mathcal{O}_{X,x}\ne0\}$ は閉集合である。
$\mathcal{O}_X/\mathcal{J}$ は大域切断 $1$ の像で生成されるので有限型であり、thm-supp-finite-type により台は閉集合である。商層の茎は $(\mathcal{O}_X/\mathcal{J})_x=\mathcal{O}_{X,x}/\mathcal{J}_x$(層 の定義「層の像・余核と商層」の後の注意)なので、これが $0$ でないことは $\mathcal{J}_x\ne\mathcal{O}_{X,x}$ と同値である。$\mathcal{J}=0$ の場合が後半である。$\square$
スキーム $X$ の閉部分スキーム $Z$ がイデアル層 $\mathcal{J}$ で定まるとき、$Z$ の台集合は $\operatorname{Supp}(\mathcal{O}_X/\mathcal{J})$ である。
茎は $(\mathcal{F}\otimes_{\mathcal{O}_X}\mathcal{G})_x\cong\mathcal{F}_x\otimes_{\mathcal{O}_{X,x}}\mathcal{G}_x$ である(Stacks Tag 01CB。テンソル積の層は前層 $U\mapsto\mathcal{F}(U)\otimes_{\mathcal{O}_X(U)}\mathcal{G}(U)$ の層化であり、有向な帰納極限はテンソル積と交換する)。$\mathcal{F}_x=0$ または $\mathcal{G}_x=0$ ならこれは $0$ なので、左辺は右辺に含まれる。
逆に $x$ が右辺に属するとする。$R:=\mathcal{O}_{X,x}$、$\mathfrak{m}$ をその極大イデアル、$k:=R/\mathfrak{m}$、$M:=\mathcal{F}_x$、$N:=\mathcal{G}_x$ とおく。$M,N$ は有限生成の $R$ 加群で $0$ でない。中山の補題 の定理「Nakayamaの補題」により $\mathfrak{m}M\ne M$、$\mathfrak{m}N\ne N$ なので、$M/\mathfrak{m}M$ と $N/\mathfrak{m}N$ は $0$ でない $k$ ベクトル空間である。テンソル積の結合性と $k\otimes_Rk=k$ により
$$
(M\otimes_RN)\otimes_Rk\cong(M\otimes_Rk)\otimes_k(N\otimes_Rk)=(M/\mathfrak{m}M)\otimes_k(N/\mathfrak{m}N)
$$
であり、$0$ でないベクトル空間のテンソル積は $0$ でない(基底のテンソル積が基底になる)。よって $M\otimes_RN\ne0$、すなわち $x\in\operatorname{Supp}(\mathcal{F}\otimes\mathcal{G})$ である。$\square$
アフィンスキーム $\operatorname{Spec}A$ 上で $\mathcal{F}=\widetilde{M}$、$\mathcal{G}=\widetilde{N}$($M,N$ は有限生成)とすれば、prop-supp-affine によりこれは 加群の台 の定理「有限加群のテンソル積」$\operatorname{Supp}(M\otimes_AN)=\operatorname{Supp}M\cap\operatorname{Supp}N$ の言い換えである。
$Z\subset X$ を閉集合とし、$\mathcal{F}$ を $X$ 上のアーベル群の層とする。開集合 $U$ に
$$
\mathcal{H}_Z(\mathcal{F})(U):=\{s\in\mathcal{F}(U)\mid\operatorname{Supp}(s)\subset Z\}
$$
を対応させると、$\mathcal{H}_Z(\mathcal{F})$ は $\mathcal{F}$ の部分層である。その大域切断を $\Gamma_Z(X,\mathcal{F})$ と書く。
prop-supp-section の 3 により $\mathcal{H}_Z(\mathcal{F})(U)$ は $\mathcal{F}(U)$ の部分群であり、2 により制限で閉じている。局所性は $\mathcal{F}$ から従う。貼り合わせ:開被覆 $U=\bigcup U_i$ と $s\in\mathcal{F}(U)$ について、すべての $i$ で $s|_{U_i}\in\mathcal{H}_Z(\mathcal{F})(U_i)$ なら、2 により $\operatorname{Supp}(s)=\bigcup_i\operatorname{Supp}(s|_{U_i})\subset Z$ である。重なりで一致する族を $\mathcal{F}$ で貼り合わせた切断はこの条件を満たすので、$\mathcal{H}_Z(\mathcal{F})$ は層である。$\square$
$U=X\setminus Z$ とすると、$\Gamma_Z(X,\mathcal{F})$ は制限 $\mathcal{F}(X)\to\mathcal{F}(U)$ の核にほかならない($s|_U=0$ と $\operatorname{Supp}(s)\cap U=\emptyset$ は同値)。したがって、層の完全列 $0\to\mathcal{F}'\to\mathcal{F}\to\mathcal{F}''$ に 層コホモロジー の命題「大域切断関手の左完全性」を $X$ と $U$ の上で用い、核をとれば、$0\to\Gamma_Z(X,\mathcal{F}')\to\Gamma_Z(X,\mathcal{F})\to\Gamma_Z(X,\mathcal{F}'')$ も完全である。すなわち関手 $\mathcal{F}\mapsto\Gamma_Z(X,\mathcal{F})$ は左完全であり、その導来関手が台つきのコホモロジー、すなわち局所コホモロジーである。
$X=\mathbb{R}$、$x_n=1/n$($n\ge1$)とし、$\mathcal{S}:=\bigoplus_{n\ge1}i_{x_n*}\mathbb{Z}$(摩天楼層 の直和)とおく。thm-supp-exact の 2 と ex-supp-skyscraper により
$$
\operatorname{Supp}\mathcal{S}=\bigcup_{n\ge1}\overline{\{x_n\}}=\{1/n\mid n\ge1\}
$$
であり、これは $0$ を集積点にもつが $0$ を含まないので閉集合でない。アーベル群の層は定数層 $\mathbb{Z}_X$ 上の加群の層とみなせるので、thm-supp-finite-type により $\mathcal{S}$ は $\mathbb{Z}_X$ 加群として有限型でない。直和を直積 $\prod_ni_{x_n*}\mathbb{Z}$ に替えると、$0$ での茎が $0$ でなくなり(摩天楼層 の例「反例:無限個の摩天楼層の直積の茎」)、台は閉集合 $\{1/n\}\cup\{0\}$ になる。
スキームの例もある。$\operatorname{Spec}\mathbb{Z}$ 上で $M=\bigoplus_p\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$($p$ はすべての素数)とすると、$\widetilde{M}$ の台はすべての閉点の集合であり、閉集合でない(加群の台 の例「反例:無限個の閉点だけを台に持つ加群」)。$M$ は有限生成でなく、$\widetilde{M}$ は有限型でない。
1 点空間 $X=\{*\}$ に環 $\mathbb{Z}$ を構造層として与えた環付き空間を考える。$X$ 上の加群の層は $\mathbb{Z}$ 加群と同じものである。$\mathcal{F}=\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}$、$\mathcal{G}=\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}$ はどちらも有限型で、台は $X$ 全体である。しかし $\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\otimes_{\mathbb{Z}}\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}=0$($1\otimes1=3(1\otimes1)-2(1\otimes1)=1\otimes3-2\otimes1=0$)なので、テンソル積の台は空集合である。茎 $\mathbb{Z}$ は局所環でなく、thm-supp-tensor の中山の補題の段階が使えない。
素数 $p$ について、1 点空間に局所環 $\mathbb{Z}_{(p)}$ を構造層として与える。これは局所環付き空間である。$\mathcal{F}=\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$ は有限型、$\mathcal{G}=\mathbb{Q}$ は有限型でなく、どちらも $0$ でない。$\mathbb{Q}$ では $p$ が可逆なので、$a\otimes r=a\otimes p(r/p)=pa\otimes(r/p)=0$ となり $\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\otimes\mathbb{Q}=0$ である。テンソル積の台は空で、台の共通部分(1 点)と一致しない。$\mathbb{Q}=p\mathbb{Q}$ なので中山の補題の結論が成り立たない。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 切断の定義域が $X$ 全体であること(prop-supp-section の 1) | $\mathbb{R}$ 上の連続関数の層の、$(0,1)$ 上の定数関数 $1$ | 切断の台が $X$ の閉集合であること |
| $\mathcal{F}$ が有限型であること(thm-supp-finite-type) | $\bigoplus_ni_{1/n*}\mathbb{Z}$(ex-supp-not-closed) | 層の台が閉集合であること |
| 茎が局所環であること(thm-supp-tensor) | $(\{*\},\mathbb{Z})$ 上の $\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}$ と $\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}$(ex-supp-tensor-nonlocal) | テンソル積の台が台の共通部分になること |
| $\mathcal{G}$ が有限型であること(thm-supp-tensor) | $(\{*\},\mathbb{Z}_{(p)})$ 上の $\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$ と $\mathbb{Q}$(ex-supp-tensor-not-finite) | テンソル積の台が台の共通部分になること |
切断の台と層の台の定義、切断の台が閉集合であることは Har77 II 演習 1.14(p. 67)、台が閉集合に含まれる切断の層は同 演習 1.20(p. 68)、アフィンスキームと Noether スキーム上の連接層の台は同 II 演習 5.6(p. 124)にある。Stacks は定義を Tag 01AT、切断の台の性質を Tag 01AU に置き、その直後で摩天楼層の無限直和の台が閉集合でない例を挙げている。有限型の加群の層の台が閉集合であることは Tag 01BA、テンソル積の茎は Tag 01CB にある。prop-supp-section、thm-supp-exact、thm-supp-finite-type、thm-supp-tensor の証明はこの記事で示した。
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