В математике группа Гротендика , или группа разностей , [1] коммутативного моноида M — это некоторая абелева группа . Эта абелева группа строится из M наиболее универсальным способом, в том смысле, что любая абелева группа, содержащая гомоморфный образ M , будет также содержать гомоморфный образ группы Гротендика M. Конструкция группы Гротендика берет свое название от конкретного случая в теории категорий , введенного Александром Гротендиком в его доказательстве теоремы Гротендика–Римана – Роха , что привело к развитию K-теории . Этот конкретный случай — моноид классов изоморфизма объектов абелевой категории с прямой суммой в качестве операции.
Если задан коммутативный моноид M , «наиболее общая» абелева группа K , которая возникает из M , должна быть построена путем введения обратных элементов ко всем элементам M. Такая абелева группа K всегда существует; она называется группой Гротендика M. Она характеризуется определенным универсальным свойством и также может быть конкретно построена из M.
Если M не обладает свойством сокращения (то есть существуют a , b и c в M такие, что и ), то группа Гротендика K не может содержать M . В частности, в случае моноидной операции, обозначенной мультипликативно, которая имеет нулевой элемент, удовлетворяющий для каждого , группа Гротендика должна быть тривиальной группой ( группой только с одним элементом), поскольку должно быть
для каждого х .
Пусть M — коммутативный моноид. Его группа Гротендика — абелева группа K с гомоморфизмом моноида, удовлетворяющим следующему универсальному свойству: для любого гомоморфизма моноида из M в абелеву группу A существует единственный гомоморфизм группы такой, что
Это выражает тот факт, что любая абелева группа A , содержащая гомоморфный образ M, будет также содержать гомоморфный образ K , причем K является «наиболее общей» абелевой группой, содержащей гомоморфный образ M.
Чтобы построить группу Гротендика K коммутативного моноида M , нужно сформировать декартово произведение . Две координаты должны представлять положительную часть и отрицательную часть, поэтому соответствует в K .
Добавление определяется покоординатно:
Далее определяется отношение эквивалентности на , такое, что эквивалентно тому, что для некоторого элемента k из M , m 1 + n 2 + k = m 2 + n 1 + k (элемент k необходим, поскольку закон сокращения выполняется не во всех моноидах). Класс эквивалентности элемента ( m 1 , m 2 ) обозначается как [( m 1 , m 2 )]. Определяется K как множество классов эквивалентности. Поскольку операция сложения на M × M совместима с нашим отношением эквивалентности, получается сложение на K , и K становится абелевой группой. Элементом единицы K является [(0, 0)], а обратным к [( m 1 , m 2 )] является [( m 2 , m 1 )]. Гомоморфизм переводит элемент m в [( m , 0)].
Альтернативно, группа Гротендика K группы M может быть также построена с использованием генераторов и соотношений : обозначая через свободную абелеву группу, порождённую множеством M , группа Гротендика K является фактором по подгруппе , порождённой . (Здесь +′ и −′ обозначают сложение и вычитание в свободной абелевой группе, а + обозначает сложение в моноиде M .) Это построение имеет то преимущество, что его можно выполнить для любой полугруппы M и оно даёт группу, которая удовлетворяет соответствующим универсальным свойствам для полугрупп, т. е. «наиболее общую и наименьшую группу, содержащую гомоморфный образ M » . Это известно как «групповое пополнение полугруппы» или «группа дробей полугруппы».
На языке теории категорий любая универсальная конструкция порождает функтор ; таким образом, получается функтор из категории коммутативных моноидов в категорию абелевых групп , который переводит коммутативный моноид M в его группу Гротендика K. Этот функтор является левым сопряженным к забывающему функтору из категории абелевых групп в категорию коммутативных моноидов.
Для коммутативного моноида M отображение i : M → K инъективно тогда и только тогда, когда M обладает свойством сокращения, и оно биективно тогда и только тогда, когда M уже является группой.
Самый простой пример группы Гротендика — это построение целых чисел из (аддитивных) натуральных чисел . Сначала замечаем, что натуральные числа (включая 0) вместе с обычным сложением действительно образуют коммутативный моноид. Теперь, когда мы используем построение группы Гротендика, мы получаем формальные различия между натуральными числами как элементами n − m и имеем отношение эквивалентности
Теперь определим
Это определяет целые числа . Действительно, это обычная конструкция для получения целых чисел из натуральных чисел. См. «Конструкция» в разделе «Целые числа» для более подробного объяснения.
Аналогично, группа Гротендика мультипликативного коммутативного моноида (начинающегося с 1) состоит из формальных дробей с эквивалентностью
которые, конечно, можно отождествить с положительными рациональными числами .
Группа Гротендика является фундаментальной конструкцией K-теории . Группа компактного многообразия M определяется как группа Гротендика коммутативного моноида всех классов изоморфизма векторных расслоений конечного ранга на M с моноидной операцией, заданной прямой суммой. Это дает контравариантный функтор из многообразий в абелевы группы. Этот функтор изучается и расширяется в топологической K-теории .
Нулевая алгебраическая группа K (не обязательно коммутативного ) кольца R — это группа Гротендика моноида, состоящего из классов изоморфизма конечно порождённых проективных модулей над R , с моноидной операцией, заданной прямой суммой . Тогда — ковариантный функтор из колец в абелевы группы.
Два предыдущих примера связаны: рассмотрим случай, когда — кольцо комплексных -значных гладких функций на компактном многообразии M. В этом случае проективные R -модули являются двойственными векторным расслоениям над M (по теореме Серра–Свана ). Таким образом , и являются одной и той же группой.
Другая конструкция, которая носит название группа Гротендика , следующая: Пусть R — конечномерная алгебра над некоторым полем k или, более общо, артиново кольцо . Тогда определим группу Гротендика как абелеву группу, порожденную множеством классов изоморфизма конечно порожденных R -модулей и следующими соотношениями: Для каждой короткой точной последовательности
из R -модулей, добавьте соотношение
Это определение подразумевает, что для любых двух конечно порожденных R -модулей M и N , , из-за расщепленной короткой точной последовательности
Пусть K — поле. Тогда группа Гротендика — абелева группа, порожденная символами для любого конечномерного K - векторного пространства V . Фактически, изоморфна , генератором которой является элемент . Здесь символ для конечномерного K -векторного пространства V определяется как , размерность векторного пространства V . Предположим, что имеется следующая короткая точная последовательность K -векторных пространств.
Поскольку любая короткая точная последовательность векторных пространств распадается, выполняется следующее . Фактически, для любых двух конечномерных векторных пространств V и W выполняется следующее:
Следовательно, указанное выше равенство удовлетворяет условию символа в группе Гротендика.
Обратите внимание, что любые два изоморфных конечномерных K -векторных пространства имеют одинаковую размерность. Кроме того, любые два конечномерных K -векторных пространства V и W одинаковой размерности изоморфны друг другу. Фактически, каждое конечное n -мерное K -векторное пространство V изоморфно . Таким образом, наблюдение из предыдущего абзаца доказывает следующее уравнение:
Следовательно, каждый символ генерируется элементом с целочисленными коэффициентами, что означает, что он изоморфен генератору .
В более общем случае пусть будет множеством целых чисел. Группа Гротендика — это абелева группа, порожденная символами для любых конечно порожденных абелевых групп A . Сначала следует отметить, что любая конечная абелева группа G удовлетворяет условию . Имеет место следующая короткая точная последовательность, где отображение — умножение на n .
Из точной последовательности следует, что , поэтому каждая циклическая группа имеет свой символ, равный 0. Это, в свою очередь, означает, что каждая конечная абелева группа G удовлетворяет основной теореме о конечных абелевых группах.
Заметим, что по фундаментальной теореме о конечно порожденных абелевых группах каждая абелева группа A изоморфна прямой сумме подгруппы кручения и абелевой группы без кручения, изоморфной для некоторого неотрицательного целого числа r , называемого рангом группы A и обозначаемого . Определим символ как . Тогда группа Гротендика изоморфна с генератором Действительно, наблюдение, сделанное в предыдущем абзаце, показывает, что каждая абелева группа A имеет свой символ , совпадающий с символом , где . Более того, ранг абелевой группы удовлетворяет условиям символа группы Гротендика. Предположим, что имеется следующая короткая точная последовательность абелевых групп:
Тогда тензорное умножение на рациональные числа приводит к следующему уравнению.
Поскольку вышеприведенное является короткой точной последовательностью -векторных пространств, последовательность расщепляется. Следовательно, имеем следующее уравнение.
С другой стороны, также имеет место следующее соотношение; для получения дополнительной информации см. Ранг абелевой группы .
Следовательно, справедливо следующее уравнение:
Следовательно, было показано, что изоморфно с генератором
Группа Гротендика удовлетворяет универсальному свойству. Дадим предварительное определение: Функция из множества классов изоморфизма в абелеву группу называется аддитивной , если для каждой точной последовательности выполняется Тогда для любой аддитивной функции существует единственный гомоморфизм групп , такой что факторизуется и отображение, которое переводит каждый объект из в элемент, представляющий его класс изоморфизма в Конкретно это означает, что удовлетворяет уравнению для каждого конечно порожденного -модуля и является единственным гомоморфизмом групп, который это делает.
Примерами аддитивных функций являются функции характера из теории представлений : если - конечномерная -алгебра, то можно сопоставить характер каждому конечномерному -модулю , который определяется как след - линейного отображения , заданного умножением на элемент на .
Выбрав подходящий базис и записав соответствующие матрицы в блочно-треугольной форме, легко увидеть, что характерные функции аддитивны в указанном выше смысле. По универсальному свойству это дает нам "универсальный характер", такой что .
Если и — групповое кольцо конечной группы , то это отображение характеров даже дает естественный изоморфизм и кольца характеров . В теории модульных представлений конечных групп может быть полем алгебраическое замыкание конечного поля с p элементами. В этом случае аналогично определенное отображение, которое сопоставляет каждому -модулю его характер Брауэра, также является естественным изоморфизмом на кольцо характеров Брауэра. Таким образом, группы Гротендика появляются в теории представлений.
Это универсальное свойство также делает «универсальным приемником» обобщенных эйлеровых характеристик . В частности, для каждого ограниченного комплекса объектов в
один имеет канонический элемент
На самом деле группа Гротендика изначально была введена для изучения характеристик Эйлера.
Общее обобщение этих двух понятий дается группой Гротендика точной категории . Проще говоря, точная категория — это аддитивная категория вместе с классом выделенных коротких последовательностей A → B → C. Выделенные последовательности называются «точными последовательностями», отсюда и название. Точные аксиомы для этого выделенного класса не имеют значения для построения группы Гротендика.
Группа Гротендика определяется так же, как и раньше, как абелева группа с одним генератором [ M ] для каждого (класса изоморфизма) объекта(ов) категории и одним отношением
для каждой точной последовательности
Альтернативно и эквивалентно, можно определить группу Гротендика, используя универсальное свойство: отображение из в абелеву группу X называется «аддитивным», если для каждой точной последовательности выполняется ; абелева группа G вместе с аддитивным отображением называется группой Гротендика тогда и только тогда, когда каждое аддитивное отображение однозначно пропускается через .
Каждая абелева категория является точной категорией, если просто использовать стандартную интерпретацию «точного». Это дает понятие группы Гротендика в предыдущем разделе, если выбрать категорию конечно порожденных R -модулей в качестве . Это действительно абелева категория, поскольку R предполагалось артиновым (и, следовательно, нетеровым ) в предыдущем разделе.
С другой стороны, каждая аддитивная категория также точна, если объявить точными те и только те последовательности, которые имеют форму с каноническими морфизмами включения и проекции. Эта процедура создает группу Гротендика коммутативного моноида в первом смысле (здесь имеется в виду «множество» [игнорируя все фундаментальные вопросы] классов изоморфизма в .)
Обобщая еще больше, можно также определить группу Гротендика для триангулированных категорий . Конструкция по сути похожа, но использует соотношения [ X ] − [ Y ] + [ Z ] = 0 всякий раз, когда есть выделенный треугольник X → Y → Z → X [1].