構成可能層(constructible sheaf)とは、空間を局所有限個の局所閉な層に分けた層別について、各層への制限が局所定数で、茎が有限生成であるような層である。コホモロジー層がすべて構成可能な有界複体を構成可能複体という。どの層別を許すかが本質的で、複素代数多様体では代数的な Whitney 層別、実解析多様体では劣解析的な層別を使い、層別を固定すると構成可能層は核と余核で閉じた Abel 圏をなす。実直線を原点で分けた層別に関する構成可能層は、図式 $V_-\leftarrow V_0\to V_+$ と圏同値である。
構成可能層(constructible sheaf)は、空間を有限個(局所的には有限個)の「素直な」部分(層、stratum)に分けたとき、各部分の上では局所定数になり、茎が有限生成であるような層である。特異点をもつ空間の上の層のうち、有限の組合せ的なデータで記述できるものをまとめた概念で、Whitney層別・劣解析的集合・o-極小構造の幾何と、層のコホモロジーの形式的な理論(コンパクト台の順像、Verdier双対、六演算)とをつなぐ。
構成可能層の類は、空間を分ける部分としてどのような集合を許すかに依存する。部分を任意の局所閉集合にすると、ほとんどどんな層も「構成可能」になってしまう。複素代数多様体では代数的な Whitney 層別、実解析多様体では劣解析的な層別、o-極小構造では定義可能な層別を使う。この記事では、層別に関する構成可能性を定義し、細分で保たれること、核と余核で閉じていることを証明する。主定理として、実直線を原点で分けた層別に関する構成可能層が、3 つの加群と 2 つの線形写像からなる図式で完全に分類されることを証明し、零拡張と順像をこの図式で計算する。最後に、構成可能でない層の例を反例の表にまとめる。
$A$ を可換環とし、層はすべて $A$ 加群の層とする。有限生成性を問うときは $A$ を Noether 環とする。位相空間 $X$ の部分集合 $S$ への包含を $i\colon S\to X$ とし、$X$ 上の層 $F$ の $S$ への制限を $F|_S:=i^{-1}F$ と書く。$x\in S$ なら $(F|_S)_x=F_x$ である。$S$ が開集合なら、$F|_S$ は $S$ に含まれる開集合の上でだけ $F$ を見たものである。
$S$ の上の層 $G$ が局所定数であるとは、各点に開近傍 $V$ と $A$ 加群 $M$ があって $G|_V$ が定数層 $M_V$ と同型になることをいう(局所系)。次の 2 つを繰り返し使う。
位相空間 $X$ の層別(stratification)とは、$X$ を互いに交わらない局所閉な部分集合(層)の和 $X=\bigsqcup_{S\in\mathcal S}S$ に分けたもので、局所有限なもの(各点に有限個の層としか交わらない近傍があるもの)をいう。層別 $\mathcal S'$ が $\mathcal S$ の細分であるとは、$\mathcal S'$ の各層が $\mathcal S$ のある層に含まれることをいう。
ここでの「層」は空間の部分(stratum)を指し、空間の上の対象である層(sheaf)とは別の語である。層の閉包が層の和になること(境界条件)や、層が多様体であること、層の対が Whitney の条件を満たすことは、状況に応じて付け加える(Whitney層別)。
$\mathcal S$ を $X$ の層別とする。$X$ 上の層 $F$ が $\mathcal S$ に関して弱構成可能であるとは、すべての層 $S\in\mathcal S$ について $F|_S$ が局所定数であることをいう。さらに $A$ が Noether 環で、すべての茎 $F_x$ が有限生成 $A$ 加群であるとき、$F$ は $\mathcal S$ に関して構成可能であるという。
$X$ 上の層の複体の有界導来圏 $D^b(X)$ の対象 $F$ が $\mathcal S$ に関して構成可能であるとは、すべてのコホモロジー層 $\mathcal H^j(F)$ が $\mathcal S$ に関して構成可能であることをいう。これを構成可能複体という。
「層別を決めずに」構成可能と言うときは、許す層別の類を先に決めておく。代表的なものは次のとおりである。
$\mathcal S'$ が $\mathcal S$ の細分なら、$\mathcal S$ に関して(弱)構成可能な層は $\mathcal S'$ に関しても(弱)構成可能である。
$S'\in\mathcal S'$ をとり、$S'\subset S\in\mathcal S$ とする。包含 $S'\to S\to X$ の合成について逆像は合成と両立するので、$F|_{S'}=(F|_S)|_{S'}$ である。$F|_S$ は局所定数なので、$x\in S'$ に対して $S$ の開近傍 $V$ と加群 $M$ があり $F|_V\cong M_V$ となる。$V\cap S'$ は $x$ の $S'$ での開近傍で、定数層の制限は定数層なので $(F|_{S'})|_{V\cap S'}\cong M_{V\cap S'}$ である。よって $F|_{S'}$ は局所定数である。茎は変わらないので、有限生成性もそのまま保たれる。$\square$
2 つの層別には、層どうしの共通部分を層とする共通の細分があるので(局所有限性と局所閉性は共通部分で保たれる)、この命題から、2 つの構成可能層を同時に構成可能にする層別がとれる。代数的・劣解析的・定義可能な層別の類では、共通の細分をさらに Whitney 層別に細分できる(MS21 p. 6、Whitney層別の節「存在」)。
局所定数層の射の核と余核は、局所的には加群の準同型の核と余核にすぎない。
$\mathcal S$ を、各層が局所連結な層別とする。$\mathcal S$ に関して弱構成可能な層の射 $\varphi\colon F\to G$ の核と余核は、$\mathcal S$ に関して弱構成可能である。$A$ が Noether 環で $F,G$ が構成可能なら、核と余核も構成可能である。特に、$\mathcal S$ に関して構成可能な層は、層の圏の中で核と余核で閉じた Abel 圏をなす。
制限 $i^{-1}$ は完全関手なので(茎で見ればよい)、$(\operatorname{Ker}\varphi)|_S=\operatorname{Ker}(\varphi|_S)$、$(\operatorname{Coker}\varphi)|_S=\operatorname{Coker}(\varphi|_S)$ である。よって、局所連結な空間 $S$ の上の局所定数層の射 $\psi\colon F'\to G'$ の核と余核が局所定数であることを示せばよい。
$x\in S$ をとる。$F'$ と $G'$ がそれぞれ定数になる開近傍の共通部分の中に、$x$ の連結な開近傍 $V$ をとる($S$ が局所連結なのでとれる)。$F'|_V\cong M_V$、$G'|_V\cong N_V$ とする。$M_V$ は 1 点への写像 $a\colon V\to\{*\}$ による $M$ の逆像なので、随伴 $a^{-1}\dashv a_*$ により
$$
\operatorname{Hom}(M_V,N_V)\cong\operatorname{Hom}_A(M,\Gamma(V,N_V))=\operatorname{Hom}_A(M,N)
$$
である($V$ が連結なので $\Gamma(V,N_V)=N$)。したがって $\psi|_V$ は $A$ 線形写像 $f\colon M\to N$ から $a^{-1}$ で得られる。$a^{-1}$ は完全なので、$\operatorname{Ker}(\psi|_V)\cong(\operatorname{Ker}f)_V$、$\operatorname{Coker}(\psi|_V)\cong(\operatorname{Coker}f)_V$ であり、どちらも $V$ の上で定数である。
有限生成性について:茎は $\operatorname{Ker}(\varphi_x)\subset F_x$ と $\operatorname{Coker}(\varphi_x)$ であり、Noether 環の上の有限生成加群の部分加群と商加群は有限生成である。層の圏は Abel 圏であり(層の定理「アーベル群の層の圏はアーベル圏である」)、その充満部分圏が核と余核(と零対象・有限直和、これらは明らか)で閉じているので Abel 圏をなす。$\square$
構成可能層は拡大でも閉じている(MS21 p. 6)。ただしこれは、局所定数層の拡大が局所定数であることを使い、層が局所可縮な多様体であることが効く。この記事では証明しない。
$\mathbb R$ を $\mathbb R_-:=(-\infty,0)$、$\{0\}$、$\mathbb R_+:=(0,\infty)$ の 3 つの層に分けた層別を $\mathcal S_0$ とする。$\mathcal S_0$ に関して弱構成可能な層とは、$\mathbb R\setminus\{0\}$ の上で局所定数な層のことである(1 点の上の層はつねに定数層である)。このような層は、次の図式で完全に記述される。
$A$ 加群 $V_-,V_0,V_+$ と $A$ 線形写像 $r_-\colon V_0\to V_-$、$r_+\colon V_0\to V_+$ の組
$$
V_-\xleftarrow{\ r_-\ }V_0\xrightarrow{\ r_+\ }V_+
$$
を図式と呼ぶ。図式の射は、3 つの $A$ 線形写像 $\psi_-,\psi_0,\psi_+$ で $\psi_\pm\circ r_\pm=r'_\pm\circ\psi_0$ を満たすものとする。
$\mathcal S_0$ に関して弱構成可能な層 $F$ から図式を作る。$V_\pm:=\Gamma(\mathbb R_\pm,F)$、$V_0:=F_0$(原点での茎)とする。$F|_{\mathbb R_+}$ は開区間の上の局所定数層なので、$\varepsilon>0$ について制限 $V_+\to\Gamma((0,\varepsilon),F)$ は同型である(節「設定と記号」)。
$F$ を $\mathcal S_0$ に関して弱構成可能な層とする。任意の $\varepsilon>0$ について、芽をとる写像 $\Gamma((-\varepsilon,\varepsilon),F)\to F_0$ は同型である。
全射:$\sigma\in F_0$ は、ある $0< \delta\le\varepsilon$ と $t\in\Gamma((-\delta,\delta),F)$ の芽である。制限 $\Gamma((0,\varepsilon),F)\to\Gamma((0,\delta),F)$ は(どちらも $V_+$ と同型なので)同型だから、$u_+\in\Gamma((0,\varepsilon),F)$ で $u_+|_{(0,\delta)}=t|_{(0,\delta)}$ となるものがある。同様に $u_-\in\Gamma((-\varepsilon,0),F)$ をとる。$(-\varepsilon,\varepsilon)$ の開被覆 $(-\delta,\delta)$、$(0,\varepsilon)$、$(-\varepsilon,0)$ の上の切断 $t,u_+,u_-$ は、共通部分 $(0,\delta)$・$(-\delta,0)$ の上で一致し($(0,\varepsilon)\cap(-\varepsilon,0)=\emptyset$)、層の条件により $s\in\Gamma((-\varepsilon,\varepsilon),F)$ に貼り合う。$s$ の芽は $t$ の芽 $\sigma$ である。
単射:$s\in\Gamma((-\varepsilon,\varepsilon),F)$ の芽が $0$ なら、ある $\delta$ で $s|_{(-\delta,\delta)}=0$ である。$s|_{(0,\varepsilon)}$ は $(0,\delta)$ への制限が $0$ で、制限 $\Gamma((0,\varepsilon),F)\to\Gamma((0,\delta),F)$ は単射なので $s|_{(0,\varepsilon)}=0$ である。同様に $s|_{(-\varepsilon,0)}=0$ であり、3 つの開集合の上で $0$ なので $s=0$ である。$\square$
補題により、$r_+\colon V_0\to V_+$ を「$\sigma\in F_0$ を $(-\varepsilon,\varepsilon)$ の上の切断に延ばし、$(0,\varepsilon)$ に制限して $V_+$ の元とみる」ことで定められる。これは $\varepsilon$ によらない。$r_-$ も同様である。こうして得られる図式を $\Phi(F)$ と書く。層の射は $\Phi$ の射を誘導する。
$\Phi$ は、$\mathcal S_0$ に関して弱構成可能な $\mathbb R$ 上の層の圏から、図式 $V_-\leftarrow V_0\rightarrow V_+$ の圏への圏同値である。$A$ が Noether 環なら、$\mathcal S_0$ に関して構成可能な層は、$V_-,V_0,V_+$ が有限生成な図式に対応する。
逆向きの構成。図式 $V=(V_-\xleftarrow{r_-}V_0\xrightarrow{r_+}V_+)$ に対し、開集合 $U\subset\mathbb R$ の上の関数 $s$ で、$x< 0$ なら $s(x)\in V_-$、$s(0)\in V_0$($0\in U$ のとき)、$x>0$ なら $s(x)\in V_+$ となるもののうち、次の 2 条件を満たすものの全体を $\mathcal M(V)(U)$ とする。
$\Phi(\mathcal M(V))\cong V$。$\Gamma(\mathbb R_\pm,\mathcal M(V))$ は連結な $\mathbb R_\pm$ の上の局所定数関数なので $V_\pm$ である。条件 2 により、原点の近くの切断は $s(0)$ で決まる。逆に $v\in V_0$ に対し、$s(0)=v$、$\mathbb R_\pm$ の上で $s\equiv r_\pm(v)$ とおけば $\mathbb R$ 上の切断になる。よって原点での茎は $V_0$ であり、$\Phi$ の定義の $r_\pm$ は与えられた $r_\pm$ に一致する。図式の射 $\psi$ は、関数の値に $\psi_-,\psi_0,\psi_+$ を施すことで層の射 $\mathcal M(\psi)$ を与える。
$F\cong\mathcal M(\Phi(F))$。$F$ の各茎を図式の加群と同一視する。$x>0$ では制限 $V_+=\Gamma(\mathbb R_+,F)\to F_x$ が同型なので $F_x\cong V_+$、原点では $F_0=V_0$、$x< 0$ では $F_x\cong V_-$ である。$U$ の上の切断 $s$ に、各点での芽を並べた関数 $\theta(s)\colon x\mapsto s_x$ を対応させる。$\theta(s)$ は条件 1 を満たす:$x\in U\cap\mathbb R_+$ を含む開区間 $J\subset U\cap\mathbb R_+$ をとると、$s|_J$ は $V_+\cong\Gamma(J,F)$ のただ 1 つの元に対応し、$J$ の各点の芽はどれもその元である。条件 2 も満たす:$(-\delta,\delta)\subset U$ となる $\delta$ をとると、$r_+$ の定義により $s|_{(0,\delta)}$ は $r_+(s_0)$ に対応する。よって $\theta\colon F\to\mathcal M(\Phi(F))$ は層の射であり、各点の茎で同型(どちらの茎も同じ加群で、$\theta$ は恒等写像)なので、層の同型である(層の命題「層の射の茎による判定」)。$\theta$ は $F$ について自然である。
圏同値。以上から $\Phi$ は本質的全射である。層の射 $\varphi$ は茎の写像で決まり、茎は図式の加群と同一視されるので、$\Phi$ は忠実である。図式の射 $\psi\colon\Phi(F)\to\Phi(G)$ があれば、$\theta_G^{-1}\circ\mathcal M(\psi)\circ\theta_F\colon F\to G$ の像が $\psi$ なので、$\Phi$ は充満である。有限生成性の主張は、茎が $V_-,V_0,V_+$ のどれかであることから従う。$\square$
開集合 $j\colon U\to\mathbb R$ と $U$ 上の層 $G$ について、零拡張 $j_!G$ は茎が $x\in U$ で $G_x$、$x\notin U$ で $0$ となる層、順像 $j_*G$ は $V\mapsto G(V\cap U)$ で定まる層である(コンパクト台の順像)。$i\colon\{0\}\to\mathbb R$ とする。定理の図式で書くと次のようになる($M$ は $A$ 加群、$p_\pm$ は射影)。
| 層 | $V_-$ | $V_0$ | $V_+$ | $r_-$、$r_+$ |
|---|---|---|---|---|
| 定数層 $M_{\mathbb R}$ | $M$ | $M$ | $M$ | 恒等写像 |
| 摩天楼層 $i_*M$ | $0$ | $M$ | $0$ | $0$ |
| $j_!M_U$($U=\mathbb R_+$) | $0$ | $0$ | $M$ | $0$ |
| $j_*M_U$($U=\mathbb R_+$) | $0$ | $M$ | $M$ | $0$、恒等写像 |
| $j_!M_U$($U=\mathbb R\setminus\{0\}$) | $M$ | $0$ | $M$ | $0$ |
| $j_*M_U$($U=\mathbb R\setminus\{0\}$) | $M$ | $M\oplus M$ | $M$ | $p_-$、$p_+$ |
$U=\mathbb R\setminus\{0\}$ とする。lem-cs-germ により $(j_*M_U)_0=\Gamma((-\varepsilon,\varepsilon),j_*M_U)=\Gamma((-\varepsilon,0)\sqcup(0,\varepsilon),M_U)=M\oplus M$ であり、$(0,\varepsilon)$ への制限は第 2 成分の射影である。$U=\mathbb R_+$ なら $\Gamma((-\varepsilon,\varepsilon)\cap\mathbb R_+,M)=M$ となり、表の 4 行目を得る。さらに、高次順像 $R^qj_*M_U$($q\ge1$)の原点での茎は $\varinjlim_\varepsilon H^q((-\varepsilon,\varepsilon)\cap U;M)$ であり(高次順像)、開区間の定数層のコホモロジーは正の次数で消える(層コホモロジーの定理「de Rham の定理と特異コホモロジーとの比較」)ので $0$ である。原点以外の点でも同様に $0$ なので、$Rj_*M_U=j_*M_U$ である。
図式の言葉では、短完全列 $0\to j_!M_U\to M_{\mathbb R}\to i_*M\to0$($U=\mathbb R\setminus\{0\}$)は、各成分で $0\to M\to M\to0$、$0\to0\to M\to M\to0$ の形の完全列になる。また、零拡張と順像の違いは原点の茎 $V_0$ にだけ現れる。$j_!$ は「外に何も足さない」延長、$j_*$ は「外から見える切断をすべて集める」延長である。
構成可能性は、層の標準的な演算で保たれる。次の結果はこの記事では証明しない。
次の例は、層として許す集合の類が構成可能性を左右することを示す。
$A\neq0$ とし、$Z:=\{0\}\cup\{1/n\mid n\ge1\}\subset\mathbb R$、$F:=i_*A_Z$($i\colon Z\to\mathbb R$ は閉集合の包含)とする。$F$ の茎は $Z$ の点で $A$、それ以外で $0$ である。
層を任意の局所閉集合にしてよいなら、$F$ は構成可能になる。劣解析的という条件は、層が「局所的に有限個の点と区間」であることを保証し、lem-cs-germ のような局所的な有限性を可能にしている。
$j\colon\mathbb R_+\to\mathbb R$ を包含、$Z':=\{1/n\mid n\ge1\}$ とする。$Z'$ は $\mathbb R_+$ の閉集合で、$\mathbb R_+$ の中では局所有限である。$G:=(i')_*A_{Z'}$($i'\colon Z'\to\mathbb R_+$)は、点 $1/n$ と開区間 $(1/(n+1),1/n)$、$(1,\infty)$ からなる $\mathbb R_+$ の層別(各層は劣解析的で、族は $\mathbb R_+$ の中で局所有限)に関して構成可能である。ところが $j_*G$ の茎は $1/n$ で $A$、$\mathbb R_+\setminus Z'$ で $0$ なので、prop-cs-sequence の (2) と同じ議論により、$j_*G$ は劣解析的な層別に関して弱構成可能でない。$j$ は $G$ の台 $Z'$ の上で固有でない(コンパクト集合 $[0,1]$ の $j|_{Z'}$ による逆像 $Z'$ がコンパクトでない)。これは $Rf_*$ が構成可能性を保つための固有性の仮定を破る例である。複素解析的な同じ現象が MS21 Example 2.3(pp. 6–7)にある。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 層が劣解析的(定義可能)であること | $Z=\{0\}\cup\{1/n\}$ の上の定数層を、層別 $\{Z,\mathbb R\setminus Z\}$ で見る(prop-cs-sequence) | 劣解析的な層別に関する構成可能性。層を任意の局所閉集合にすると構成可能層の類が大きくなりすぎる |
| 茎の有限生成性 | 無限階数の自由加群 $M$ による定数層 $M_{\mathbb R}$ | 構成可能性(弱構成可能ではある)。Verdier双対の二重双対 |
| 層の上で局所定数であること | $\mathbb R$ 上の実数値連続関数の層 | どの層別に関しても弱構成可能でない |
| 順像をとる写像が台の上で固有であること | $j_*(i'_*A_{Z'})$、$j\colon\mathbb R_+\to\mathbb R$(ex-cs-nonproper) | 順像で構成可能性が保たれること |
3 行目の理由:局所閉集合で内部が空のものは疎な集合である。$\mathbb R$ の局所有限な層別では、ある開区間が有限個の層で覆われ、疎な集合の有限和は開区間を覆えないので、ある層が開区間 $J$ を含む。連続関数の層が $J$ の点 $x$ の連結な開近傍 $V$ の上で定数層なら $\Gamma(V,\cdot)\to(\cdot)_x$ は同型になるはずだが、$x$ の近くで $0$ で $V$ の上で $0$ でない連続関数があるので単射でない。
2 行目の $M_{\mathbb R}$ は 1 つの層からなる層別に関して弱構成可能だが、茎が有限生成でない。有限生成性は、構成可能複体のコホモロジーの有限性(MS21 Corollary 2.13、pp. 10–11)や二重双対(Verdier双対)で使われる。
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