アーベル圏

アーベル圏（アーベルけん、テンプレート:Lang-en-short^{[注 1]}）とは（コ）チェイン複体のホモロジー/コホモロジーと層のコホモロジーの双方を展開するのに十分な構造を備えた圏である。

アーベル圏となる圏の具体例としてはアーベル群の圏や環上の加群の圏、アーベル圏上の（コ）チェイン複体の圏、およびアーベル圏に値を取る前層や層の圏が挙げられる。

アーベル圏の著しい性質として加法圏になる事、すなわちアーベル圏の対象間の射のクラス $H o m (A, B)$ がアーベル群になる（事に加え、いくつかのよい性質を満たす）事が挙げられる。

アーベル圏が小さい圏であればアーベル圏は加群の圏に埋め込める（ミッチェルの埋め込み定理）。よって特に加群の圏で成立する事実、例えば5項補題や蛇の補題のようにホモロジー代数を展開する上で必須となる補題を満たす。

マックレーン^[1]はグロタンディークが1958年の論文^[2]でアーベル圏を定義したとするが、別の文献^[3]によれば、アイレンベルグの弟子の^[3]^[4]テンプレート:訳語疑問点範囲が1955年の博士論文^[5]で「テンプレート:En」の名称でこの概念を提案し、これを知ったグロタンディークが「アーベル圏」という名前でこの概念を広めた。

加法圏

上述のようにアーベル圏の著しい性質として加法圏になる事が挙げられるので、本節ではアーベル圏を導入する準備として、加法圏の定義とその性質を述べる。

定義

加法圏は以下のように定義される：テンプレート:Math theorem テンプレート:Math theorem

特徴づけ

加法圏の1番目の条件は以下のようにも言い換えられる：テンプレート:Math theorem加法圏の２番目の条件は以下のようにも言い換えられる：テンプレート:Math theoremここで複積とは以下のように定義される概念である：テンプレート:Math theorem実は次が成立する：テンプレート:Math theorem

アーベル圏

本節ではまずアーベル圏の定義を述べ、次にアーベル圏が加法圏になる事を見る。そしてアーベル圏上のホモロジー代数について述べ、最後にアーベル圏が小さい圏であれば加群の圏に埋め込める事を見る。

定義

アーベル圏は以下のように定義される。テンプレート:Math theorem 環テンプレート:Mvarをfixするとき、[[加群の圏|左テンプレート:Mvar-加群の圏]]テンプレート:Mathはアーベル圏である^[6]。よって特に $ℤ$ -加群の圏、すなわちアーベル群の圏テンプレート:Mathはアーベル圏である^[6]。それ以外の具体例は後述する。

像と余像

アーベル圏 $𝒞$ では射 $f : A \to B$ の射の核と余核の存在が保証されているので、以下の定義ができる：テンプレート:Math theorem $𝒞$ がテンプレート:Mvar-加群の圏の場合はテンプレート:Mvarの余核テンプレート:Mvarは $C = B / f (A)$ なので、 $c : B \to B / f (A)$ の核は通常の意味でのテンプレート:Mvarの像 $f (A)$ に一致する。一般のアーベル圏の場合も、像テンプレート:Mvarは圏論的な意味での像の定義を満たす^[7]。

像と双対的に余像も定義できる：

テンプレート:Math theorem

「核の余核」という定義より、 $𝒞$ がテンプレート:Mvar-加群の圏の場合、余像は通常の意味での余像 $A / K e r f$ に一致する。一般のアーベル圏の場合も圏論的な意味での余像の定義も満たす。

単射と全射

アーベル圏では単射と全射を定義でき、これらはそれぞれモニック射、エピック射に一致する：テンプレート:Math theorem

テンプレート:Math theorem

アーベル圏は加法圏

アーベル圏の重要な性質として、アーベル圏が加法圏になる事が挙げられる：テンプレート:Math theorem

アーベル圏の定義から、零対象の存在性と積の存在性は明らかに従うので、 $H o m (A, B)$ にアーベル群の構造が入ることのみ示せば良い。ここでは $H o m (A, B)$ 上の加法の定義を述べるにとどめ、加法がアーベル群の公理を満たすことの証明は略す。

準備

$H o m (A, B)$ に加法を定義するためにいくつか記号を定義する。アーベル圏 $𝒞$ の対象テンプレート:Mvar、テンプレート:Mvarに対し、テンプレート:Mvarとテンプレート:Mvar自身との積を $A \overset{p_{1}}{\leftarrow} A \times A \overset{p_{2}}{\to} A$ とし、 $f_{1}, f_{2} : C \to A$ を2つの射とするとき、

f_{1} \times f_{2} : C \to A \times A

such that

p_{1} \circ (f_{1} \times f_{2}) = f_{1}

,

p_{2} \circ (f_{1} \times f_{2}) = f_{2}

となるものが積の普遍性から一意に存在する。同様に余積 $A \overset{ι_{1}}{\to} A ⨿ A \overset{ι_{2}}{\leftarrow} A$ と2つの射 $g_{1}, g_{2} : A \to B$ に対し、射

g_{1} ⨿ g_{2} : A ⨿ A \to B

such that

(g_{1} ⨿ g_{2}) \circ ι_{1} = g_{1}

,

(g_{1} ⨿ g_{2}) \circ ι_{2} = g_{2}

となるものが余積の普遍性から一意に存在する。

加法の定義

テンプレート:Mvar、テンプレート:Mvarをアーベル圏 $𝒞$ の2つの対象とすると、自然な写像

A ⨿ B \to A \times B

は同等射になる^[8]。そこでこれら二つを同一視し、2つの射 $f, g : A \to B$ に対し、

f +_{L} g : = (f ⨿ g) \circ ({i d}_{A} \times {i d}_{A}) : A \to B

f +_{R} g : = ({i d}_{A} ⨿ {i d}_{A}) \circ (f \times g) : A \to B

とするとテンプレート:Refn、以下が成立する：テンプレート:Math theorem 上記の定理からアーベル圏は加法圏である事が従う。

ホモロジー代数

アーベル圏には零対象テンプレート:Mvarがあり、しかも像、核、および余核を定義できるので、アーベル圏 $𝒞$ 上のチェイン複体 $(A_{i}, \partial_{i})_{i \in ℤ}$ を

\dots \overset{\partial_{i + 2}}{\to} A_{i + 1} \overset{\partial_{i + 1}}{\to} A_{i} \overset{\partial_{i}}{\to} A_{i - 1} \to \dots

such that

\partial_{i - 1} \partial_{i} = 0

for

\forall i

により定義でき、さらにその完全性

I m \partial_{i + 1} = \ker \partial_{i}

for

\forall i

を定義できるなど、ホモロジー代数を展開するに十分な性質を満たしている。

特にホモロジー代数で必須となる以下の補題はアーベル圏でも成り立つ：

テンプレート:Mvar-加群の圏への埋め込み

アーベル圏はテンプレート:仮リンクとは限らないので、一般的にはアーベル圏の対象テンプレート:Mvarに対して「テンプレート:Mvarの元」という言葉は意味を持たない。しかしアーベル圏が小さい圏であれば、アーベル圏はテンプレート:Mvar-加群の圏に埋め込むことができ、したがって埋め込み先で「テンプレート:Mvarの元」を考える事ができる^[13]：

テンプレート:Math theorem ここで「完全」は以下のように定義する：テンプレート:Math theorem なお、関手が完全であれば、３項のみならず任意の長さの完全系列に対して同様の事が成り立つ事を容易に示せる。

上記の定理からわかるように、アーベル圏の図式に関する定理を示したい場合はテンプレート:Mvar-加群に埋め込んだ上でその定理を証明する事ができる^[14]。よってテンプレート:Mvar-加群の図式に対して成り立つ性質、例えば前述の５項補題や蛇の補題は任意のアーベル圏で成立する。

具体例テンプレート:Anchors

前述のように環テンプレート:Mvarに対し[[加群の圏|左テンプレート:Mvar-加群の圏]]テンプレート:Mathはアーベル圏であり^[6]、特にアーベル群の圏テンプレート:Mathはアーベル圏である^[6]。また有限生成なアーベル群の圏や捩れアーベル群の圏もアーベル圏であるが^[6]、捩れなしのアーベル群の圏は（余核は捩れなしとは限らないので）アーベル圏ではない^[6]。よってアーベル圏の充満部分圏はアーベル圏とは限らない^[6]。

アーベル圏の定義は射の向きを反対にしても不変なので、以下が成立する：テンプレート:Math theorem

前述のように左テンプレート:Mvar-加群の圏テンプレート:Mathはアーベル圏なので、上記の定理から右テンプレート:Mvar-加群の圏テンプレート:Mathもアーベル圏である。

アーベル圏上でチェイン複体を定義できる事をすでに見たが、チェイン複体のなす圏はアーベル圏になる：テンプレート:Math theoremアーベル圏の双対もアーベル圏になる事から $𝒞$ 上のコチェイン複体の圏もアーベル圏になる。以上の事からテンプレート:Mvar-加群上のホモロジーやコホモロジーをアーベル圏に一般化できる。

アーベル圏上の前層や層もアーベル圏になるので、層係数のコホモロジーもアーベル圏上で展開できる：テンプレート:Math theoremアーベル圏の前層がアーベル圏になるのは下記の事実から従う：テンプレート:Math theorem

アーベル圏

目次

加法圏

定義

特徴づけ

アーベル圏

定義

像と余像

単射と全射

アーベル圏は加法圏

準備

加法の定義

ホモロジー代数

テンプレート:Mvar-加群の圏への埋め込み

具体例テンプレート:Anchors

注

出典

注釈

文献

参考文献

原論文

その他の文献

関連項目

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アーベル圏

加法圏

定義

特徴づけ

アーベル圏

定義

像と余像

単射と全射

アーベル圏は加法圏

準備

加法の定義

ホモロジー代数

テンプレート:Mvar-加群の圏への埋め込み

具体例テンプレート:Anchors

注

出典

注釈

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