Group Cohomology / 2026-05-21

定義から計算する \(H^1(C_2,M)\)

非斉次コチェインの定義だけを出発点に、\(C_2=\{1,\tau\}\) の第一群コホモロジーを手で計算する。結論は、\(1\)-コサイクルの値 a = f(τ) が (1+τ)a = 0 を満たし、\(1\)-コバウンダリが \((\tau-1)m\) であることから、\(H^1(C_2,M)\cong \ker(1+\tau)/\operatorname{im}(\tau-1)\) となる、という一文に尽きる。

群コホモロジー \(C_2\) 1-cocycle crossed homomorphism MathJax SVG Interactive

1. 核となる見方

持ち帰るべき一文。 \(H^1(C_2,M)\) は「\(\tau\) に送る値 \(a\) のうち、ノルム \(N=1+\tau\) で消えるもの」を、「代表元の取り替え \(a\sim a+(\tau-1)m\)」で割ったものとして読める。

前提

\(M\) は左 \(C_2\)-加群、すなわち可換群 \(M\) に自己同型 \(\tau:M\to M\) が作用し、\(\tau^2=1\) を満たすものとする。加群の演算は加法で書く。

読後にできること

非斉次コチェインの微分を使って、\(Z^1\)、\(B^1\)、\(H^1\) を順に求められる。特に自明作用・符号作用・入れ替え作用の例を自力で判定できる。

\[ H^1(C_2,M) = \frac{Z^1(C_2,M)}{B^1(C_2,M)} \cong \frac{\ker(1+\tau : M\to M)}{\operatorname{im}(\tau-1 : M\to M)}. \]

ここで \(1+\tau\) は \(m\mapsto m+\tau m\)、\(\tau-1\) は \(m\mapsto \tau m-m\) を表す。

2. 図で見る

計算の流れは、巨大な定義を小さい群 \(C_2\) に制限し、\(1\)-コチェイン f: C₂ → M をただ一つの値 a = f(τ) に圧縮することにある。

DOT グラフ

下のグラフは、証明の依存関係を表す。必要なら DOT ソースを編集して図を再描画できる。

3. 定義

非斉次コチェインで群コホモロジーを定義する。\(n\ge 0\) に対して

\[ C^n(G,M)=\operatorname{Map}(G^n,M) \]

とし、\(f\in C^n(G,M)\) の微分 \(d^n f\in C^{n+1}(G,M)\) を

\[ \begin{aligned} (d^n f)(g_1,\ldots,g_{n+1}) &= g_1 f(g_2,\ldots,g_{n+1}) \\ &\quad + \sum_{i=1}^{n}(-1)^i f(g_1,\ldots,g_i g_{i+1},\ldots,g_{n+1}) \\ &\quad + (-1)^{n+1} f(g_1,\ldots,g_n) \end{aligned} \]

で定める。第一コホモロジーは

\[ H^1(G,M)=\frac{\ker(d^1:C^1\to C^2)}{\operatorname{im}(d^0:C^0\to C^1)} \]

である。これを \(G=C_2=\langle \tau\mid \tau^2=1\rangle\) に適用する。

0-cochain の微分

\(C^0(G,M)=M\)。\(m\in M\) に対して

\[(d^0m)(g)=gm-m.\]

1-cochain の微分

\(f:G\to M\) に対して

\[(d^1f)(g,h)=g f(h)-f(gh)+f(g).\]

4. 定義からの計算

以下では、\(1\)-コサイクル全体 \(Z^1\) と \(1\)-コバウンダリ全体 \(B^1\) を別々に求め、最後に商を取る。

4.1 \(Z^1(C_2,M)\) を求める

\(f\in C^1(C_2,M)\) がコサイクルであるとは、任意の \(g,h\in C_2\) について

\[g f(h)-f(gh)+f(g)=0\]

すなわち

\[f(gh)=g f(h)+f(g)\tag{1}\]

が成り立つことである。これは非自明な作用の下では「準同型」ではなく、交叉準同型または crossed homomorphism と呼ばれる条件である。

  1. まず \(f(1)=0\)。 式 (1) に \(g=1\) を代入すると
    \[f(h)=f(h)+f(1),\]
    よって \(f(1)=0\)。
  2. 次に a = f(τ) と置く。 \(C_2\) の元は \(1\) と \(\tau\) しかないので、\(f(1)=0\) が分かれば \(f\) は a = f(τ) だけで決まる。
  3. 最後に \((g,h)=(\tau,\tau)\) を見る。 \(\tau^2=1\) なので、式 (1) は
    \[0=f(1)=\tau f(\tau)+f(\tau)=\tau a+a.\]
    したがって
    \[(1+\tau)a=0.\]

逆に、\(a\in M\) が (1+τ)a = 0 を満たすなら、\(f(1)=0\)、\(f(\tau)=a\) と定めた写像は式 (1) を満たす。したがって

\[ Z^1(C_2,M) \cong \ker(1+\tau : M\to M), \qquad f\longmapsto f(\tau). \]

4.2 \(B^1(C_2,M)\) を求める

\(1\)-コバウンダリは、ある \(m\in C^0(C_2,M)=M\) から \(d^0m\) として得られる \(1\)-コチェインである。\(d^0m\) の \(\tau\) での値は

\[(d^0m)(\tau)=\tau m-m=(\tau-1)m.\]

よって、\(f\mapsto f(\tau)\) で見れば

\[ B^1(C_2,M) \cong \operatorname{im}(\tau-1:M\to M). \]
商が意味をもつ理由。 任意の \(m\in M\) に対して \[ (1+\tau)(\tau-1)m=(\tau-1+\tau^2-\tau)m=0 \] なので、\(\operatorname{im}(\tau-1)\subseteq \ker(1+\tau)\) である。

4.3 結論

以上を \(H^1=Z^1/B^1\) に代入すると、自然な同型

\[ \boxed{ H^1(C_2,M) \cong \frac{\ker(1+\tau)}{\operatorname{im}(\tau-1)} } \]

を得る。直感的には、a = f(τ) が「反不変的」な条件 \(a+\tau a=0\) を満たす限りコサイクルであり、\(a\) に \((\tau-1)m\) を足す変更はコバウンダリを足しただけなので同じコホモロジー類を表す。

5. インタラクティブ確認

有限加群 \(M=\mathbb Z/n\mathbb Z\) で、\(\tau\) が \(+1\) または \(-1\) として作用する場合を列挙する。出力は a = f(τ) の候補、コバウンダリで消える候補、商の代表元を表示する。

n = 8
0 n-1

濃い丸は \(\ker(1+\tau)\) に属する値、外枠のある丸は \(\operatorname{im}(\tau-1)\) に属する値を表す。コホモロジーは、濃い丸を外枠のある丸による平行移動で同一視したもの。

6. 具体例

例 1: 自明作用

\(\tau m=m\) なら \(1+\tau=2\)、\(\tau-1=0\)。したがって

\[H^1(C_2,M)\cong M[2]=\{m\in M\mid 2m=0\}.\]

これは \(C_2\to M\) という群準同型の全体と一致する。

例 2: \(M=\mathbb Z\) の自明作用

\(\mathbb Z\) には非零の \(2\)-torsion がないので

\[H^1(C_2,\mathbb Z)=0.\]

例 3: \(M=\mathbb Z\) の符号作用

\(\tau m=-m\) なら \(1+\tau=0\)、\(\tau-1=-2\)。したがって

\[H^1(C_2,\mathbb Z_{\mathrm{sgn}})\cong \mathbb Z/2\mathbb Z.\]

例 4: 入れ替え作用

\(M=A\oplus A\)、\(\tau(x,y)=(y,x)\) とする。このとき

\[\ker(1+\tau)=\{(a,-a)\},\quad \operatorname{im}(\tau-1)=\{(a,-a)\},\]

よって \(H^1(C_2,A\oplus A)=0\)。

計算表

作用 \(\ker(1+\tau)\) \(\operatorname{im}(\tau-1)\) \(H^1(C_2,M)\)
自明作用 \(\tau=1\) \(M[2]\) \(0\) \(M[2]\)
符号作用 \(\tau=-1\) \(M\) \(2M\) \(M/2M\)
入れ替え作用 on \(A\oplus A\) \(\{(a,-a)\}\) \(\{(a,-a)\}\) \(0\)

7. 演習

基本問題 1: \(f(1)=0\) を別の代入で確認する

コサイクル条件 \(f(gh)=g f(h)+f(g)\) に \(h=1\) を代入し、\(f(1)=0\) を示せ。

解答。 \(f(g)=g f(1)+f(g)\) なので \(g f(1)=0\)。\(g=1\) とすれば \(f(1)=0\)。

基本問題 2: \(\operatorname{im}(\tau-1)\subseteq\ker(1+\tau)\)

\(\tau^2=1\) だけを使って、任意の \(m\in M\) に対し \((1+\tau)(\tau-1)m=0\) を示せ。

解答。 \((1+\tau)(\tau-1)m=(\tau-1+\tau^2-\tau)m=(\tau^2-1)m=0\)。

基本問題 3: \(M=\mathbb Z/6\mathbb Z\) の自明作用

\(H^1(C_2,\mathbb Z/6\mathbb Z)\) を求めよ。

解答。 自明作用なので \(H^1\cong M[2]\)。\(2a=0\) in \(\mathbb Z/6\mathbb Z\) の解は \(a=0,3\)。したがって \(H^1\cong \mathbb Z/2\mathbb Z\)。

発展問題: \(C_2\) の第二コホモロジーとの比較

同じ記号で、標準的な周期分解から \(H^2(C_2,M)\cong \ker(\tau-1)/\operatorname{im}(1+\tau)\) が得られる。\(H^1\) の式と比較し、\(1+\tau\) と \(\tau-1\) の役割が交互に入れ替わることを確認せよ。

8. まとめ

  • \(1\)-コサイクルは \(f(gh)=g f(h)+f(g)\) を満たす写像 f: C₂ → M である。
  • \(C_2\) では \(f(1)=0\) となり、\(f\) は a = f(τ) だけで決まる。
  • コサイクル条件は (1+τ)a = 0、コバウンダリ条件は a = (τ−1)m。
  • したがって \(H^1(C_2,M)\cong\ker(1+\tau)/\operatorname{im}(\tau-1)\)。