stringtranslate.com

Группа Гротендика

В математике группа Гротендика , или группа разностей , [1] коммутативного моноида M является некоторой абелевой группой . Эта абелева группа строится из M наиболее универсальным образом в том смысле, что любая абелева группа, содержащая гомоморфный образ M , будет также содержать гомоморфный образ группы Гротендика M . Конструкция группы Гротендика получила свое название от конкретного случая в теории категорий , введенного Александром Гротендиком в его доказательстве теоремы Гротендика-Римана-Роха , которое привело к развитию K-теории . Этот частный случай представляет собой моноид классов изоморфизма объектов абелевой категории с прямой суммой в качестве его операции.

Группа Гротендика коммутативного моноида

Мотивация

Для коммутативного моноида M «наиболее общая» абелева группа K , возникающая из M , должна быть построена путем введения обратных элементов ко всем элементам M . Такая абелева группа K всегда существует; она называется группой Гротендика группы M . Оно характеризуется некоторым универсальным свойством и может быть также конкретно построено из М.

Если M не обладает свойством сокращения (т. е. 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 каждой группы Гротендика, должна быть тривиальной группой ( группой только с одним элементом), поскольку необходимо иметь

для каждого х .

Универсальная собственность

Пусть M — коммутативный моноид. Ее группа Гротендика является абелевой группой K с моноидным гомоморфизмом , удовлетворяющим следующему универсальному свойству: для любого моноидного гомоморфизма 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 — «наиболее общая» абелева группа, содержащая гомоморфный образ M.

Явные конструкции

Чтобы построить группу Гротендика K коммутативного моноида M , нужно сформировать декартово произведение . Две координаты предназначены для представления положительной части и отрицательной части, что соответствует в K .

Сложение определяется по координатам:

.

Далее определяется отношение эквивалентности на , такое, что это эквивалентно тому , что если для некоторого элемента k из M , m 1 + n 2 + k = m 2 + n 1 + k (элемент k необходим, поскольку закон сокращения не выполняется во всех моноидах). Класс эквивалентности элемента ( m 1 , m 2 ) обозначается [( m 1 , m 2 )]. Определим 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. Единичным элементом K является [(0, 0)], а обратным элементу [( m 1 , m 2 )] является [( m 2 , m 1 )]. Гомоморфизм переводит элемент m в [( m , 0)].

Альтернативно , группа Гротендика K группы M также может быть построена с использованием генераторов и отношений : обозначая свободной абелевой группой , порожденной набором M , группа Гротендика K является фактором по подгруппе , порожденной . (Здесь +′ и −′ обозначают сложение и вычитание в свободной абелевой группе, а + обозначает сложение в моноиде M .) Эта конструкция имеет то преимущество, что ее можно выполнить для любой полугруппы M и дает группу, которая удовлетворяет соответствующему равенству универсальные свойства полугрупп, т. е. «наиболее общая и наименьшая группа, содержащая гомоморфный образ М  ». Это известно как «групповое пополнение полугруппы» или «группа дробей полугруппы».

Характеристики

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 слева сопряжен с функтором забвения из категории абелевых групп в категорию коммутативных моноидов.

Для коммутативного моноида M отображение i  :  MK инъективно тогда и только тогда, когда M обладает свойством сокращения, и биективно тогда и только тогда, когда M уже является группой.

Пример: целые числа

Самый простой пример группы Гротендика — построение целых чисел из (аддитивных) натуральных чисел . Во-первых, можно заметить, что натуральные числа (включая 0) вместе с обычным сложением действительно образуют коммутативный моноид. Теперь, когда используется конструкция группы Гротендика, мы получаем формальные различия между натуральными числами как элементами n - m и имеем отношение эквивалентности

для некоторых .

Теперь определите

Это определяет целые числа . Действительно, это обычная конструкция для получения целых чисел из натуральных чисел. См. «Строительство» в разделе «Целые числа» для более подробного объяснения.

Пример: положительные рациональные числа

Аналогично группа Гротендика мультипликативного коммутативного моноида (начиная с 1) состоит из формальных дробей с эквивалентностью

для некоторых

которые, конечно, можно отождествить с положительными рациональными числами .

Пример: группа Гротендика многообразия.

Группа Гротендика является фундаментальной конструкцией К-теории . Группа компактного многообразия M определяется как группа Гротендика коммутативного моноида всех классов изоморфизма векторных расслоений конечного ранга на M с операцией моноида, заданной прямой суммой. Это дает контравариантный функтор от многообразий к абелевым группам. Этот функтор изучается и расширяется в топологической К-теории .

Пример: группа Гротендика кольца.

Нулевая алгебраическая группа K (не обязательно коммутативного ) кольца R — это группа Гротендика моноида, состоящего из классов изоморфизма конечно порожденных проективных модулей над R , с операцией моноида, заданной прямой суммой . Тогда – ковариантный функтор от колец к абелевым группам.

Два предыдущих примера связаны между собой: рассмотрим случай, когда кольцо комплекснозначных гладких функций на компактном многообразии M . В этом случае проективные R -модули двойственны векторным расслоениям над M (по теореме Серра–Свона ). Таким образом и являются одной и той же группой.

Группа Гротендика и расширения

Определение

Другая конструкция, носящая название группы Гротендика , следующая: пусть R — конечномерная алгебра над некоторым полем k или, в более общем смысле, артиновым кольцом . Затем определим группу Гротендика как абелеву группу, порожденную множеством классов изоморфизма конечно порожденных R -модулей и следующими соотношениями: Для каждой короткой точной последовательности

R -модулей добавим соотношение

Из этого определения следует, что для любых двух конечно порожденных R -модулей M и N , из-за расщепляемости короткой точной последовательности

Примеры

Пусть K — поле. Тогда группа Гротендика — это абелева группа, порожденная символами любого конечномерного K - векторного пространства V. Фактически изоморфен тому, генератором которого является элемент . Здесь символ конечномерного K -векторного пространства V определяется как размерность векторного пространства V. Предположим, что имеется следующая короткая точная последовательность K -векторных пространств.

Так как любая короткая точная последовательность векторных пространств расщепляется, то верно, что . Фактически, для любых двух конечномерных векторных пространств V и W справедливо следующее:

Следовательно, приведенное выше равенство удовлетворяет условию символа в группе Гротендика.

Заметим, что любые два изоморфных конечномерных K -векторных пространства имеют одинаковую размерность. Кроме того, любые два конечномерных K -векторных пространства V и W одной 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 целыми коэффициентами, что означает, что он изоморфен генератору .

В более общем смысле, пусть это набор целых чисел. Группа Гротендика — абелева группа, порожденная символами любых конечно порожденных абелевых групп A. Прежде всего отметим, что любая конечная абелева группа G удовлетворяет этому требованию . Имеет место следующая короткая точная последовательность, где отображение представляет собой 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 фундаментальной теореме о конечных абелевых группах.

Заметим, что по фундаментальной теореме о конечно порожденных абелевых группах каждая абелева группа A изоморфна прямой сумме периодической подгруппы и абелевой группы без кручения , изоморфной для некоторого неотрицательного целого числа r , называемого рангом A и обозначаемого к . Определите символ как . Тогда группа Гротендика изоморфна с генератором. Действительно, наблюдение, сделанное в предыдущем абзаце, показывает, что каждая абелева группа A имеет свой символ, тот же, что и символ где . При этом ранг абелевой группы удовлетворяет условиям символа группы Гротендика. Предположим, что имеется следующая короткая точная последовательность абелевых групп:

Тогда тензоризация с рациональными числами приводит к следующему уравнению.

Поскольку приведенное выше представляет собой короткую точную последовательность -векторных пространств, последовательность распадается. Таким образом, имеем следующее уравнение.

С другой стороны, также имеет место следующее соотношение; для получения дополнительной информации см. Ранг абелевой группы .

Следовательно, имеет место следующее уравнение:

Таким образом, было показано, что изоморфно с генератором

Универсальная собственность

Группа Гротендика обладает универсальным свойством. Дается предварительное определение: функция из множества классов изоморфизма абелевой группе называется аддитивной , если для каждой точной последовательности имеет место Тогда для любой аддитивной функции существует единственный групповой гомоморфизм такой, что факторизуется и отображение который переводит каждый объект в элемент, представляющий его класс изоморфизма в Конкретно это означает, что он удовлетворяет уравнению для каждого конечно порожденного -модуля и является единственным групповым гомоморфизмом, который это делает.

Примерами аддитивных функций являются характер-функции из теории представлений : если — конечномерная -алгебра, то можно связать характер с каждым конечномерным -модулем , который определяется как след -линейного отображения , заданного умножением. с включенным элементом .

Выбрав подходящий базис и записав соответствующие матрицы в блочно-треугольной форме, легко увидеть, что характер-функции аддитивны в указанном выше смысле. Благодаря свойству универсальности 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 модулярной теории представлений конечных групп полем может быть алгебраическое замыкание конечного поля с p элементами. В этом случае аналогично определенное отображение, сопоставляющее 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 его «универсальным приемником» обобщенных эйлеровых характеристик . В частности, для любого ограниченного комплекса объектов в

есть канонический элемент

Фактически группа Гротендика была первоначально введена для изучения эйлеровых характеристик.

Группы Гротендика точных категорий

Общее обобщение этих двух понятий даёт группа Гротендика точной категории . Проще говоря, точная категория — это аддитивная категория вместе с классом выделенных коротких последовательностей ABC. Выделенные последовательности называются «точными последовательностями», отсюда и название. Точные аксиомы этого выдающегося 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 одного отношения

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 имеется ; абелева группа G вместе с аддитивным отображением называется группой Гротендика тогда и только тогда, когда каждое аддитивное отображение факторизуется однозначно через .

Каждая абелева категория является точной категорией, если использовать стандартную интерпретацию слова «точный». Это дает понятие группы Гротендика из предыдущего раздела, если в качестве категории конечно порожденных R -модулей выбрать . Это на самом деле абелевское уравнение, поскольку в предыдущем разделе предполагалось, что R артиново (и, следовательно, нётерово ).

С другой стороны, всякая аддитивная категория также точна, если объявить точными те и только те последовательности, которые имеют вид с каноническими морфизмами включения и проекции. Эта процедура создает группу Гротендика коммутативного моноида в первом смысле (здесь имеется в виду «множество» [игнорируя все основные вопросы] классов изоморфизма в .)

Группы Гротендика триангулированных категорий

Обобщая еще больше, можно также определить группу Гротендика для триангулированных категорий . Конструкция по существу аналогична, но использует отношения [ X ] − [ Y ] + [ Z ] = 0 всякий раз, когда существует отмеченный треугольник XYZX [1].

Дальнейшие примеры

Более того, для точной последовательности
m = l + n , поэтому
Таким образом
и изоморфен и порождается Наконец для ограниченного комплекса конечномерных векторных пространств V  *,
где стандартная эйлерова характеристика, определяемая формулой

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Брунс, Винфрид; Губеладзе, Иосиф (2009). Многогранники, кольца и K-теория . Спрингер. п. 50. ISBN 978-0-387-76355-2.