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가군층

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1. 개요

가군층은 환 달린 공간 위의 아벨 군의 층으로, 각 열린 집합에 가군 구조를 부여하여 정의된다. 가군층의 범주는 아벨 범주를 이루며, 층 코호몰로지를 정의할 수 있다. 가군층은 전역 단면으로 생성될 수 있으며, 텐서 대수, 외대수, 대칭 대수 등의 연산을 통해 새로운 가군층을 만들 수 있다. 가군층은 대수기하학에서 중요한 역할을 하며, 층 코호몰로지 계산과 층의 확장에 대한 연구가 이루어진다.

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가군층
정의
대상(X, O) 환을 갖춘 공간
설명O-가군의 층
추가 정보
참고O가환일 때, O-가군층은 quasi-coherent sheaf이다.
구성
조건 F는 각 열린 집합 UX에 대해, F(U)는 O(U)-가군이다.
조건각 열린 집합 VU에 대해, 제한 사상 F(U) → F(V)는 O(U) → O(V)와 호환되는 가군 준동형사상이다. 즉, 임의의 O(U)의 원소 fF(U)의 원소 s에 대해, 제한 사상은 fs를 (f의 제한)(s의 제한)으로 보낸다.
예시
예시벡터 다발은 OX 위의 함수의 층일 때 O-가군층의 한 예이다.
참고특히, O가 정수인 경우, O-가군층은 아벨 군의 층이다.

2. 정의

환 달린 공간 (X, \mathcal O_X) 위의 '''가군층'''은 다음과 같은 데이터로 구성된다.


  • X 위의 아벨 군 \mathcal F
  • 각 열린 집합 U \subseteq X에 대하여, \Gamma(U; \mathcal F) 위의 \Gamma(U; \mathcal O_X)-가군의 구조


이는 다음 조건을 만족시켜야 한다.

  • \mathcal F의 제약 사상은 \mathcal O_X의 제약 사상과 호환된다. 즉, 임의의 열린 집합 V \subseteq U \subseteq X에 대하여, 제약 사상 \operatorname{res}_{UV}^{\mathcal O_X} \colon \Gamma(U; \mathcal O_X) \to \Gamma(V; \mathcal O_X), \operatorname{res}_{UV}^{\mathcal F} \colon \Gamma(U; \mathcal F) \to \Gamma(V; \mathcal F)이 주어졌을 때, 임의의 f \in \Gamma(U, \mathcal O_X), s \in \Gamma(U, \mathcal F)에 대하여, \operatorname{res}^{\mathcal F}_{UV}(fs) = \operatorname{res}^{\mathcal O_X}_{UV}(f) \operatorname{res}^{\mathcal F}_{UV}(s)이다.

3. 성질

환 달린 공간 (X,\mathcal O_X) 위의 가군층의 범주는 아벨 범주를 이룬다. 또한, 이 범주는 단사 대상을 충분히 가지는 범주이므로, 층 코호몰로지 H^\bullet(X;-)를 정의할 수 있다. (그러나 일반적으로 사영 대상을 충분히 가지는 범주가 아니다.)

3. 1. 전역 단면으로 생성됨

(''X'', ''O'')를 환 달린 공간이라고 하자. ''O''-가군 ''F''가 다음 ''O''-가군 전사 사상이 존재하면 '''전역 단면으로 생성된다'''고 한다.

:\bigoplus_{i \in I} O \to F \to 0.

구체적으로, 이것은 각 줄기 ''F''''x''에서 ''s''''i''의 이미지가 ''O''''x''-가군으로서 ''F''''x''를 생성하는 ''F''의 전역 단면 ''s''''i''가 존재함을 의미한다.

이러한 묶음의 예는 대수기하학에서 가환환인 ''R''-가군 ''M''에, ''R''의 스펙트럼 ''Spec''(''R'')과 연관된 것이다. 또 다른 예로는, 카르탕 정리 A에 따르면 슈타인 다양체 위의 모든 가결련층은 전역 단면에 의해 생성된다. 스킴 이론에서 이와 관련된 개념은 충분한 선다발이다.

4. 연산

(X, O)를 환 달린 공간이라고 하자. FGO-가군이면, 이들의 텐서곱은 F \otimes_O G 또는 F \otimes G로 표시되며, 이는 전층 U \mapsto F(U) \otimes_{O(U)} G(U)에 수반하는 층인 O-가군이다.

마찬가지로, FGO-가군이면, \mathcal{H}om_O(F, G)는 층 U \mapsto \operatorname{Hom}_{O|_U}(F|_U, G|_U)O-가군을 나타낸다.[4] 특히, O-가군 \mathcal{H}om_O(F, O)F의 '''쌍대 가군'''이라고 불리며, \check F로 표기된다.

f: (X, O) \rightarrow (X', O')를 환 달린 공간의 사상이라고 하자. FO-가군일 때, 순상층 f_* F는 자연스러운 사상 O' \rightarrow f_* O에 의해 O'-가군이다.

GO'-가군일 때, G의 역상 f^* G인 가군은 가군의 텐서곱으로 주어지는 O-가군이다.

:f^{-1} G \otimes_{f^{-1} O'} O

여기서 f^{-1} GG의 역상 선층이고, f^{-1} O' \to OO' \to f_* O로부터 수반에 의해 얻어진다.

f_*f^* 사이에는 수반 관계가 존재한다. 즉, 임의의 O-가군 FO'-가군 G에 대해, 아벨 군으로서

:\operatorname{Hom}_{O}(f^* G, F) \simeq \operatorname{Hom}_{O'}(G, f_*F)

이 성립한다. 사영 공식 또한 존재하는데, O-가군 F와 유한 계수의 국소 자유 O'-가군 E에 대해,

:f_*(F \otimes f^*E) \simeq f_* F \otimes E

이 성립한다.

4. 1. 텐서 대수, 외대수, 대칭 대수

(X, O)를 환 달린 공간이라 하고, F와 G를 O-가군이라고 하자. 그러면 F와 G의 텐서 곱은 $F \otimes_O G$ 또는 $F \otimes G$로 나타내며, 이는 선층 $U \mapsto F(U) \otimes_{O(U)} G(U)$에 연관된 O-가군이다.[4] 여기서 $O(1)$은 투영 공간에서 세르의 비틀린 선층이다.

마찬가지로, F와 G가 O-가군이면, $\mathcal{H}om_O(F, G)$는 선층 $U \mapsto \operatorname{Hom}_{O|_U}(F|_U, G|_U)$인 O-가군을 나타낸다.[4] 특히, O-가군 $\mathcal{H}om_O(F, O)$는 F의 '''쌍대 가군'''이라고 불리며 $\check F$로 표시된다. 임의의 O-가군 E, F에 대해, 다음과 같은 자연스러운 준동형이 존재한다.

:$\check{E} \otimes F \to \mathcal{H}om_O(E, F)$

이는 E가 유한 계수의 국소 자유 선층이면 동형사상이다. 특히, L이 계수 1의 국소 자유이면 (이러한 L은 가역 선층 또는 선 다발이라고 불린다),[5] 다음과 같이 표현된다.

:$\check{L} \otimes L \simeq O$

이것은 가역 선층의 동형사상 클래스가 군을 형성함을 의미한다. 이 군은 X의 피카르 군이라고 불리며, $\operatorname{H}^1(X, \mathcal{O}^*)$ (체흐 코호몰로지를 이용한 표준 논증에 의해)과 자연스럽게 동일시된다.

E가 유한 계수의 국소 자유 선층이면, 페어링에 의해 주어지는 O-선형 사상 $\check{E} \otimes E \simeq \operatorname{End}_O(E) \to O$가 존재한다. 이것은 E의 추적 사상이라고 불린다.

임의의 O-가군 F에 대해, F의 텐서 대수, 외대수대칭 대수는 동일한 방식으로 정의된다. 예를 들어, k-번째 외적

:$\bigwedge^k F$

는 선층 $U \mapsto \bigwedge^k_{O(U)} F(U)$에 연관된 선층이다. F가 계수 n의 국소 자유이면, $\bigwedge^n F$는 F의 행렬식 선 다발 (하지만 기술적으로 가역 선층)이라고 불리며, det(F)로 표시된다. 다음과 같은 자연스러운 완전 페어링이 있다.

:$\bigwedge^r F \otimes \bigwedge^{n-r} F \to \det(F)$

5. 예

다음은 가군층의 예시이다.


  • 환 달린 공간(''X'', ''O'')에서, ''F''가 ''O''의 ''O''-부분 가군인 경우.
  • ''X''가 차원이 ''n''인 매끄러운 다양체인 경우, ''X''의 접다발과 표준 층.
  • 대수 층은 링의 층이기도 한 모듈의 층인 경우.

5. 1. 구체적인 예


  • 환 달린 공간 (''X'', ''O'')가 주어졌을 때, ''F''가 ''O''의 ''O''-부분 가군이면, 각 열린 부분 집합 ''U''에 대해 ''F''(''U'')가 링 ''O''(''U'')의 아이디얼이므로, 이를 아이디얼 층이라고 부른다.
  • ''X''를 차원이 ''n''인 매끄러운 다양체라고 하자. 그러면 ''X''의 접다발은 코탄젠트 다발 \Omega_X의 쌍대이며, 표준 층 \omega_X\Omega_X의 ''n''번째 외대수 (행렬식)이다.
  • 대수 층은 링의 층이기도 한 모듈의 층이다.
  • ''X''를 ''n''차원의 매끄러운 대수다양체라고 하면, ''X''의 접층은 여접층 \Omega_X의 쌍대이며, 표준층 \omega_X\Omega_X의 ''n''차 외적(행렬식 다발)이다.

5. 2. 일반적인 예

위상 공간 X 위에, 정수환의 상수층 \underline{\mathbb Z}을 주었을 때, (X,\underline{\mathbb Z}) 위의 가군층은 X 위의 아벨 군과 같다.

6. 가군에 부수하는 층

A 위의 가군 M이 주어졌을 때, X = \operatorname{Spec}(A)에 대응하는 가군층 \widetilde{M}을 구성할 수 있다. 여기서 D(f) = \{ f \ne 0 \} = \operatorname{Spec}(A[f^{-1}])f가 0이 아닌 점들의 집합을 나타낸다.

각 쌍 D(f) \subseteq D(g)에 대해, 국소화의 보편 성질에 의해 자연스러운 사상 \rho_{g, f}: M[g^{-1}] \to M[f^{-1}]이 존재하고, \rho_{g, f} = \rho_{g, h} \circ \rho_{h, f}를 만족한다. 이때, D(f) \mapsto M[f^{-1}]는 집합 D(f)를 대상으로 하고, 집합의 포함 관계를 사상으로 하는 범주에서 아벨 군의 범주로 가는 반변 함자이다. 이는 B-층의 조건을 만족하며, 따라서 M에 연관된 층 \widetilde{M}을 정의한다.[26]

가장 기본적인 예시는 X 위의 구조 층 \mathcal{O}_X = \widetilde{A}이다. \widetilde{M}\mathcal{O}_X = \widetilde{A}-가군의 구조를 가지며, M \mapsto \widetilde{M}A 위의 가군의 범주 Mod''A''에서 \mathcal{O}_X 위의 가군의 범주로 가는 정확 함자가 된다. 이는 Mod''A''에서 X 위의 준-가환 층의 범주로 가는 동치를 정의하며, 역은 전역 단면 함자 \Gamma(X, -)이다. X가 뇌터 스킴이면, 이 함자는 유한 생성 A-가군의 범주에서 X 위의 가환 층의 범주로 가는 동치이다.

이 구성은 다음과 같은 성질을 가진다.[27],[28],[29]


  • 모든 A-가군 M, N과 모든 사상 \varphi:M\to N에 대해, M[f^{-1}]^{\sim} = \widetilde{M}|_{D(f)}.
  • A의 소 아이디얼 p에 대해, \widetilde{M}_p \simeq M_p는 ''O''''p'' = ''A''''p''-가군이다.
  • (M \otimes_A N)^{\sim} \simeq \widetilde{M} \otimes_{\widetilde{A}} \widetilde{N}.
  • M이 유한 표현이면, \operatorname{Hom}_A(M, N)^{\sim} \simeq \mathcal{H}om_{\widetilde{A}}(\widetilde{M}, \widetilde{N}).
  • Mod''A''X 위의 준-가환 층의 범주 사이의 동치에 의해, \operatorname{Hom}_A(M, N) \simeq \Gamma(X, \mathcal{H}om_{\widetilde{A}}(\widetilde{M}, \widetilde{N})).
  • (\varinjlim M_i)^{\sim} \simeq \varinjlim \widetilde{M_i}; 특히, 직합을 취하는 것과 \sim는 교환한다.
  • ''A''-가군의 시퀀스가 정확할 필요충분조건은 \sim에 의해 유도된 시퀀스가 정확한 것이다. 특히, (\ker(\varphi))^{\sim}=\ker(\widetilde{\varphi}), (\operatorname{coker}(\varphi))^{\sim}=\operatorname{coker}(\widetilde{\varphi}), (\operatorname{im}(\varphi))^{\sim}=\operatorname{im}(\widetilde{\varphi}).

7. 차수 붙은 가군에 부수하는 층

''R''을 ''R''0-대수(''R''0는 차수 0을 의미)로 차수 1 원소에 의해 생성되는 등급환으로 하고, ''M''을 등급 ''R''-가군으로 한다. ''X''를 ''R''의 Proj 구성으로 하면(''R''이 뇌터 가환환이면 ''X''는 사영 스킴이다), 임의의 양의 차수를 갖는 ''R''의 균질 원소 ''f''에 대해 자연 동형 사상이 있는 ''O''-가군 \widetilde{M}이 존재한다.[12]

:\widetilde{M}|_{\{f \ne 0\}} \simeq (M[f^{-1}]_0)^{\sim}

이는 아핀 스킴 \{f \ne 0\} = \operatorname{Spec}(R[f^{-1}]_0) 위의 가군의 층으로, 풀잉을 통해 \widetilde{M}을 정의한다.[12]

'''예시''': ''R''(1)''n'' = ''R''''n''+1으로 주어지는 등급 ''R''-가군을 ''R''(1)이라고 한다. 그러면 O(1) = \widetilde{R(1)}은 세르 꼬임층이라고 불리며, ''R''이 차수 1에서 유한하게 생성되면 자명한 선형 다발의 쌍대이다.

만약 ''F''가 ''X'' 위의 ''O''-가군이라면, F(n) = F \otimes O(n)로 표기할 때, 다음과 같은 자연 사상이 존재한다.

:\left(\bigoplus_{n \ge 0} \Gamma(X, F(n))\right)^{\sim} \to F,

이는 ''F''가 준연접일 때에만 동형 사상이다.

8. 층 코호몰로지 계산

환 달린 공간 (X,\mathcal O_X) 위의 가군층의 범주는 아벨 범주를 이룬다. 이 범주는 단사 대상을 충분히 가지는 범주이므로, 층 코호몰로지 H^\bullet(X;-)를 정의할 수 있다. (그러나 일반적으로 사영 대상을 충분히 가지는 범주는 아니다.)

층 코호몰로지는 계산하기 어렵기로 정평이 나 있다. 따라서 층 코호몰로지의 실제 계산에는 체흐 코호몰로지와 세르 소멸 정리가 기본이 된다.

8. 1. 체흐 코호몰로지

층 코호몰로지는 계산하기 어렵다는 평판을 가지고 있다. 이 때문에 다음의 일반적인 사실은 모든 실질적인 계산에 기본이 된다.

: ''X''를 위상 공간, ''F''를 위상 공간 ''X'' 위의 가군층, \mathfrak{U}\operatorname{H}^i(U_{i_0} \cap \cdots \cap U_{i_p}, F) = 0인 ''X''의 열린 덮개라고 하자. 여기서 모든 ''i'', ''p''에 대해, 그리고 U_{i_j}\mathfrak{U}에 속한다. 그러면 모든 ''i''에 대해,

:\operatorname{H}^i(X, F) = \operatorname{H}^{i}(C^{\bullet}(\mathfrak{U}, F))

: 여기서 우변은 ''i''번째 체흐 코호몰로지이다.

8. 2. 세르 소멸 정리

세르 소멸 정리[13]는 ''X''가 사영 대수다양체이고 ''F''가 ''X'' 위의 연접층일 때, 충분히 큰 ''n''에 대해 세르 꼬임 ''F''(''n'')은 유한 개의 전역 단면으로 생성된다고 말한다. 게다가 다음과 같은 성질을 갖는다.

(a) 각 ''i''에 대해, H''i''(''X'', ''F'')는 ''R''0 위에서 유한하게 생성된다.

(b) ''F''에 따라 달라지는 정수 ''n''0가 존재하여

::\operatorname{H}^i(X, F(n)) = 0, \, i \ge 1, n \ge n_0.이다.[14][15][16]

9. 층의 확대

(''X'', ''O'')영어가 환 달린 공간이고, ''F''영어, ''H''영어가 ''X''영어 위의 ''O''영어-가군 층이라고 하자. ''H''영어의 ''F''영어에 의한 '''확장'''은 ''O''영어-가군의 짧은 완전열

:0 \rightarrow F \rightarrow G \rightarrow H \rightarrow 0

이다.

군 확장과 마찬가지로, ''F''영어와 ''H''영어를 고정하면, ''H''영어의 ''F''영어에 의한 모든 확장의 동치류는 아벨 군을 형성하며 (바이어 합 참조), 이는 Ext 군 \operatorname{Ext}_O^1(H,F)와 동형이다. \operatorname{Ext}_O^1(H,F)의 항등원은 자명한 확장에 해당한다.[17]

''H''영어가 ''O''영어인 경우, 임의의 ''i''영어 ≥ 0에 대해 다음이 성립한다.

:\operatorname{H}^i(X, F) = \operatorname{Ext}_O^i(O,F)

이는 양변 모두 동일한 함자 \Gamma(X, -) = \operatorname{Hom}_O(O, -)의 오른쪽 유도 함자이기 때문이다.[17]

'''참고''': 일부 저자는 아래첨자 ''O''를 생략한다.

''X''가 뇌터 환 위의 사영 스킴이고, ''F'', ''G''가 ''X'' 위의 가결 층이며, ''i''가 정수라고 가정하자. 그러면 다음을 만족하는 ''n''0가 존재한다.

:\operatorname{Ext}_O^i(F, G(n)) = \Gamma(X, \mathcal{E}xt_O^i(F, G(n))), \, n \ge n_0.[17]

9. 1. 국소 자유 분해

(''X'', ''O'')가 환 달린 공간이고, ''F'', ''H''가 ''X'' 위의 ''O''-가군 층이라고 하자. ''H''의 ''F''에 의한 확장은 ''O''-가군의 짧은 완전열

:0 \rightarrow F \rightarrow G \rightarrow H \rightarrow 0

이다.

군 확장과 마찬가지로, ''F''와 ''H''를 고정하면, ''H''의 ''F''에 의한 모든 확장의 동치류는 아벨 군을 형성하며 (바이어 합 참조), 이는 Ext 군 \operatorname{Ext}_O^1(H,F)와 동형이다. \operatorname{Ext}_O^1(H,F)의 항등원은 자명한 확장에 해당한다.

''H''가 ''O''인 경우, 임의의 ''i'' ≥ 0에 대해 다음이 성립한다.

:\operatorname{H}^i(X, F) = \operatorname{Ext}_O^i(O,F)

이는 양변 모두 동일한 함자 \Gamma(X, -) = \operatorname{Hom}_O(O, -)의 오른쪽 유도 함자이기 때문이다.

'''참고''': 일부 저자는 아래첨자 ''O''를 생략한다.

''X''가 뇌터 환 위의 사영 스킴이고, ''F'', ''G''가 ''X'' 위의 가결 층이며, ''i''가 정수라고 가정하자. 그러면 다음을 만족하는 ''n''0가 존재한다.

:\operatorname{Ext}_O^i(F, G(n)) = \Gamma(X, \mathcal{E}xt_O^i(F, G(n))), \, n \ge n_0.[17]

9. 1. 1. 초곡면

매끄러운 차수 d초곡면 X를 생각해보자. 그러면 다음과 같은 분해를 계산할 수 있다.

:\mathcal{O}(-d) \to \mathcal{O}

그리고 다음을 찾을 수 있다.

:\mathcal{Ext}^i(\mathcal{O}_X,\mathcal{F}) = h^i(\mathcal{Hom}(\mathcal{O}(-d) \to \mathcal{O}, \mathcal{F}))

9. 1. 2. 매끄러운 완전 교차의 합집합

다음과 같은 스킴을 고려하자.

:X = \text{Proj}\left( \frac{\mathbb{C}[x_0,\ldots,x_n]}{(f)(g_1,g_2,g_3)} \right) \subseteq \mathbb{P}^n

여기서 (f,g_1,g_2,g_3)는 매끄러운 완전 교차이고 \deg(f) = d, \deg(g_i) = e_i이다. 다음과 같은 복소수를 갖는다.

:

\mathcal{O}(-d-e_1-e_2-e_3) \xrightarrow{\begin{bmatrix} g_3 \\ -g_2 \\ -g_1 \end{bmatrix}} \begin{matrix} \mathcal{O}(-d-e_1-e_2) \\ \oplus \\ \mathcal{O}(-d-e_1-e_3) \\ \oplus \\ \mathcal{O}(-d-e_2-e_3) \end{matrix} \xrightarrow{\begin{bmatrix} g_2 & g_3 & 0 \\ -g_1 & 0 & -g_3 \\ 0 & -g_1 & g_2 \end{bmatrix}} \begin{matrix} \mathcal{O}(-d-e_1) \\ \oplus \\ \mathcal{O}(-d-e_2) \\ \oplus \\ \mathcal{O}(-d-e_3) \end{matrix} \xrightarrow{\begin{bmatrix} fg_1 & fg_2 & fg_3 \end{bmatrix}} \mathcal{O}



이 복소수는 \mathcal{O}_X를 해소하며, 이를 사용하여 \mathcal{Ext}^i(\mathcal{O}_X,\mathcal{F})를 계산할 수 있다.

참조

[1] 문서 Math 216: Foundations of algebraic geometry http://math.stanford[...]
[2] 서적
[3] 서적
[4] 문서 canonical homomorphism
[5] 문서 tensor inverse
[6] 서적
[7] 웹사이트 https://math.stackex[...]
[8] 서적
[9] 서적
[10] 서적
[11] 서적
[12] 서적
[13] 웹사이트 Section 30.2 (01X8): Čech cohomology of quasi-coherent sheaves—The Stacks project https://stacks.math.[...] 2023-12-07
[14] 서적 2021
[15] 서적 Local Cohomology Cambridge University Press
[16] 서적 1955
[17] 서적
[18] 서적 Algebraic Geometry
[19] 문서 Math 216: Foundations of algebraic geometry http://math.stanford[...]
[20] 서적
[21] 서적
[22] 문서 標準的な準同型
[23] 문서 テンソル逆を持つこと
[24] 서적
[25] 웹사이트 http://math.stackexc[...]
[26] 서적
[27] 서적
[28] 서적
[29] 서적
[30] 서적
[31] 서적



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