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数学において、K理論とは、大まかに言えば、位相空間または位相スキーム上のベクトル束によって生成される環の研究である。代数位相幾何学においては、位相K理論として知られるコホモロジー理論である。代数学および代数幾何学においては、代数K理論と呼ばれる。また、作用素環の分野における基本的なツールでもある。これは、大規模行列のある種の不変量に関する研究とみなすことができる。[1]
K理論は、位相空間または位相スキーム、またはより一般的には、ホモトピーカテゴリの任意のオブジェクトを関連付けられた環にマッピングするK関数の族の構築を伴います。これらの環は、元の空間またはスキームの構造のいくつかの側面を反映します。代数的位相幾何学における群への関数と同様に、この関数マッピングの理由は、マッピングされた環からの方が、元の空間またはスキームからよりも位相特性を計算するのが容易であるためです。K理論アプローチから得られる結果の例には、グロタンディーク・リーマン・ロッホの定理、ボット周期性、アティヤ・シンガーの指数定理、アダムス演算などがあります。
高エネルギー物理学において、K理論、特にツイストK理論はII型弦理論に登場し、Dブレーン、ラモンド・ラモン場の強度、そして一般化複素多様体上の特定のスピノルを分類すると推測されている。凝縮系物理学において、K理論はトポロジカル絶縁体、超伝導体、安定フェルミ面の分類に用いられている。詳細については、K理論(物理学)を参照のこと。
グロタンディーク完成
アーベルモノイドからアーベル群へのグロタンディーク完備化は、K理論を定義する上で必須の要素である。なぜなら、すべての定義は、適切な圏からアーベルモノイドを構築し、この普遍構成を通してそれをアーベル群に変換することから始まるからである。アーベルモノイドが与え
られ、



が存在する場合、その集合は次のような群の構造を持ちます。



![{\displaystyle [(a_{1},a_{2})]+[(b_{1},b_{2})]=[(a_{1}+'b_{1},a_{2}+'b_{2})].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/182427e4e418cca8f96a58f86919a42086c6c672)
この群の同値類は、アーベルモノイドの元の形式的な差異として考えるべきである。この群はまた、によって与えられるモノイド準同型と関連しており、これは特定の普遍性を持つ。


![{\displaystyle a\mapsto [(a,0)],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b4e047ed4aef19ca8ec67bb9bf1f0121d31eed69)
この群をより深く理解するために、アーベルモノイドの同値類を考えてみましょう。ここで、 の単位元を で表すと、 は の単位元になります。まず、任意の に対して となるので、を設定し、同値関係から の式を適用して を得ることができます。これは次を意味します。



![{\displaystyle [(0,0)]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dea79f439d5bf46e299f412248f64c51f5af2b75)





![{\displaystyle [(a,b)]+[(b,a)]=[(a+b,a+b)]=[(0,0)]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b8e26de4b3780d97370f13c63838a6bc9c5ed95)
したがって、各 に対して加法的な逆元が存在する。これは、同値類を形式的な差分として考えるべきであるというヒントを与えてくれる。もう一つの有用な観察は、同値類がスケーリングに対して不変であるということである。
![{\displaystyle [(b,a)]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f3f183a28f11d30b90bfbcd12d7564ced92c012b)
![{\displaystyle [(a,b)]\in G(A)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dfb746d1ff9c3a4d4a3828b8c03d7a0a6c3e3e64)
![{\displaystyle [(a,b)]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5d4673f87e9f04b411addd9c344dceb4c2915dd1)

いかなる
グロタンディーク完備化は関手 として見ることができ、対応する忘却関手の左随伴であるという性質を持つ。これは、アーベル群の基礎となるアーベルモノイドへのアーベルモノイドの射が与えられたとき、唯一のアーベル群射が存在することを意味する。




自然数の例
分かりやすい例として、 のグロタンディーク完備化を見てみましょう。任意のペアに対して、スケーリング不変性を用いることで最小の代表値を見つけることができることがわかります。例えば、スケーリング不変性から、





一般的に、

これは、または

これは、を正の整数、を負の整数として考えるべきであることを示しています。


定義
K 理論にはいくつかの基本的な定義があり、そのうち 2 つは位相幾何学から、残りの 2 つは代数幾何学から来ています。
コンパクトハウスドルフ空間のグロタンディーク群
コンパクトハウスドルフ空間 が与えられたとき、上の有限次元ベクトル束の同型類の集合を と表記し、ベクトル束の同型類を と表記する。ベクトル束の同型類は直和に関して良好な振る舞いを示すので、同型類に対するこれらの演算は次のように書ける。




![{\displaystyle [E]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a170d18691c57fbfee5802ee401bd9f84ac8804b)
![{\displaystyle [E]\oplus [E']=[E\oplus E']}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/aba77a413deb4c31f306f059e1bf1f9eff1eeb31)
はアーベルモノイドであり、単位元は自明なベクトル束 によって与えられることは明らかである。グロタンディーク完備化を適用することで、このアーベルモノイドからアーベル群を得ることができる。これは のK理論と呼ばれ、 と表記される。




セール・スワンの定理といくつかの代数を用いて、 上のベクトル束を連続複素数値関数の環上の射影加群として別の記述で得ることができる。そして、これらは何らかの行列環 内のべき等行列と同一視できる。べき等行列の同値類を定義し、アーベルモノイド を形成することができる。そのグロタンディーク完備化は とも呼ばれる。位相空間のグロタンディーク群を計算する主な手法の一つは、アティヤ・ヒルツェブルッフのスペクトル列に由来しており、これによってグロタンディーク群は非常にアクセスしやすくなっている。スペクトル列を理解するために必要な計算は、球面 の群を計算することだけである。[2] 51-110 ページ





代数幾何学におけるベクトル束のグロタンディーク群
代数幾何学におけるベクトル束を考えることで、同様の構成が得られる。ネータースキーム に対して、上の代数的ベクトル束のすべての同型類の集合が存在する。すると、前述と同様に、ベクトル束の同型類の直和は明確に定義され、アーベルモノイド を与える。そして、このアーベルモノイドにグロタンディーク構成を適用することで、
グロタンディーク群が定義される。





代数幾何学におけるグロタンディーク連接層の群
代数幾何学では、滑らかなスキーム上の代数的ベクトル束にも同じ構成を適用できます。しかし、任意のネータースキームには別の構成法があります。連接層の同型類を見ると、短完全列が存在する場合、関係式によってmod outすることができます。


これはグロタンディーク群を与え、これは滑らかな場合と同型である。この群は環構造も持つため特別である。これを以下のように定義する。




![{\displaystyle [{\mathcal {E}}]\cdot [{\mathcal {E}}']=\sum (-1)^{k}\left[\operatorname {Tor} _{k}^{{\mathcal {O}}_{X}}({\mathcal {E}},{\mathcal {E}}')\right].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9a7186f606702b303c83f1d3c942dd13d99daae6)
グロタンディーク・リーマン・ロッホの定理を用いると、

は環の同型である。したがって、交差理論に用いることができる。[3]
初期の歴史
この主題はアレクサンダー・グロタンディーク(1957)に始まったと言ってもいいでしょう。彼はこれを用いてグロタンディーク・リーマン・ロッホの定理を定式化しました。この定理はドイツ語のKlasseに由来し、「類」を意味します。[4]グロタンディークは代数多様体X上の連接層 を扱う必要がありました。彼は層を直接扱うのではなく、層の同型類を群の生成元として使い、2 つの層の任意の拡大をそれらの和と同一視する関係に従う群を定義しました。結果として得られる群は、局所自由層だけが使われるときはK ( X )と呼ばれ、すべてが連接層のときはG ( X ) と呼ばれます。これら 2 つの構成はどちらもグロタンディーク群と呼ばれます。K ( X ) はコホモロジー的振る舞いをし、G ( X ) はホモロジー的振る舞いをします。
Xが滑らかな多様体の場合、2つの群は同じです。X が滑らかなアフィン多様体の場合、局所自由層の拡大はすべて分解されるため、群は別の定義を持ちます。
位相幾何学において、マイケル・アティヤとフリードリヒ・ヒルツェブルッフは、1959年にベクトル束に同じ構成を適用することで、位相空間Xに対してK ( X )を定義し、ボット周期性定理を用いてこれを並外れたコホモロジー理論の基礎とした。これは、アティヤ・シンガーの指数定理の第二証明(1962年頃)において重要な役割を果たした。さらに、このアプローチはC*-代数に対する非可換K理論へとつながった。
ジャン=ピエール・セールは、1955 年にはすでに、ベクトル束と射影加群の類推を用いて、多項式環上の有限生成射影加群はすべて自由であるというセールの予想を定式化していました。この主張は正しいのですが、20 年も経ってようやく解決されました。(スワンの定理は、この類推の別の側面です。)
開発
代数 K 理論のもう 1 つの歴史的起源は、 JHC ホワイトヘッドらによる、後にホワイトヘッドねじれとして知られるようになった研究でした。
その後、高次K理論の関手に関する様々な部分的な定義が提示された時期がありました。最終的に、 1969年と1972年にダニエル・キレンによってホモトピー理論を用いた2つの有用かつ同等な定義が与えられました。また、擬同位体研究に関連する空間の代数的K理論を研究するために、フリードヘルム・ヴァルトハウゼンによっても変種が与えられました。高次K理論に関する現代の研究の多くは、代数幾何学とモティヴィックコホモロジーの研究に関連しています。
補助二次形式を含む対応する構成は、一般的にL理論と呼ばれています。これは外科手術理論の主要なツールです。
弦理論では、ラモンド・ラモン場の強度と安定なD膜の電荷のK理論分類が1997年に初めて提案されました。[5]
2022年、ロシアの数学者アレクサンダー・イワノビッチ・エフィモフは、特に双対化可能な-カテゴリに適用された代数的K理論の重要な一般化を構築した[6]
例と特性
K0フィールドの
グロタンディーク群の最も簡単な例は、体 の点 のグロタンディーク群です。この空間上のベクトル束は有限次元ベクトル空間にすぎず、これは連接層の圏における自由対象であり、したがって射影的であるため、同型類のモノイドはベクトル空間の次元に対応します。したがって、グロタンディーク群が であることを示すのは簡単な演習です。




K0フィールド上のアルティニアン代数の
ノイザンスキーム のグロタンディーク群の重要な性質の一つは、それが縮約に対して不変であることである。したがって、 となる。[7]したがって、任意のアルティン代数のグロタンディーク群は、スペクトルの各連結成分について1つずつ、のコピーの直和となる。例えば、



K0射影空間の
グロタンディーク群の計算で最もよく使われるものの一つは、体上の射影空間に対するの計算である。これは、射影の交差数が を埋め込んでプッシュプル公式 を用いることで計算できるためである。これにより、 の構造を明示的に知らなくてもの元を用いた具体的な計算が可能になる。なぜなら[8] の
グロタンディーク群を決定する一つの手法は、としての成層化から得られる。
なぜなら、アフィン空間上の連接層のグロタンディーク群は と同型であり、 の交差はに対して一般的に となる
からである。



![{\displaystyle i^{*}([i_{*}{\mathcal {E}}]\cdot [i_{*}{\mathcal {F}}])}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c57bd9f415c56a0c2f4b0268fefa3d19540248e6)
![{\displaystyle K(\mathbb {P} ^{n})={\frac {\mathbb {Z} [T]}{(T^{n+1})}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e8ad8292ded3dd543440a078d7b103acc3c3817c)






K0射影束の
グロタンディーク群のもう一つの重要な公式は、射影束公式である:[9]ノイザンスキーム上の階数rのベクトル束が与えられたとき、射影束のグロタンディーク群は、基底 を持つ階数rの自由-加群である。この公式を用いることで、 のグロタンディーク群を計算することができる。これにより、 またはヒルツェブルッフ面を計算することが可能となる。さらに、グロタンディーク群が 体上の射影束であることを観察することで、グロタンディーク群を計算することもできる。









K0特異空間と孤立した商特異点を持つ空間
マイナー特異点を持つ空間のグロタンディーク群を計算する最近の技術の 1 つは、との差を評価することです。この差は、すべてのベクトル束が同値にコヒーレント層として記述できるという事実に由来します。これは、導来非可換代数幾何学 の特異点カテゴリ [10] [11] のグロタンディーク群を使用して行われます。これは、から始まる長い正確なシーケンスを提供します
。
ここで、高次の項は高次 K-理論に由来します。特異点上のベクトル束は、滑らかな軌跡 上のベクトル束によって与えられることに注意してください。これにより、重み付き射影空間が通常孤立した商特異点を持つため、その上のグロタンディーク群を計算することができます。特に、これらの特異点が等方性群を持つ場合、に対して写像は
単射であり、余核は によって消滅します。[ 11] 3 ページ









K0滑らかな射影曲線の
滑らかな射影曲線の場合、グロタンディーク群は
のピカール群
に対してである。これは、代数 K 理論 のBrown-Gersten-Quillen スペクトル列[12] pg 72から従う。体上の有限型の
正則スキームの場合、余次元点の集合、つまり余次元 のサブスキームの集合と、サブスキームの代数関数体
の収束スペクトル列が存在する。このスペクトル列は、
の Chow 環に対して[12] pg 80 の特性を持ち、本質的に の計算を与える。 には余次元点がないので、スペクトル列の唯一の非自明な部分は であり、したがって で
ある点に注意する。その後、コニヴォー濾過を使用して を目的の明示的な直和として
決定することができる。これは
、左側の項が に同型で、右側の項が に同型である正確な列を与えるからである。なので、上アーベル群の列は を分割し、同型性を与える。 が上の種数 の滑らかな射影曲線である場合、
となることに注意されたい
。さらに、孤立した特異点に対する導来圏を用いた上記の手法は、孤立したコーエン=マコーレー特異点にも拡張でき、任意の特異代数曲線のグロタンディーク群を計算する手法が得られる。これは、縮約によって一般的に滑らかな曲線が得られ、すべての特異点がコーエン=マコーレーであるためである。
























アプリケーション
仮想バンドル
グロタンディーク群の有用な応用の一つは、仮想ベクトル束を定義することである。例えば、滑らかな空間の埋め込みがある場合、短い完全列が存在する。


ここではにおけるの余法線束である。特異空間が滑らかな空間に埋め込まれている場合、仮想余法線束を次のように定義する。





![{\displaystyle [\Omega _{X}|_{Y}]-[\Omega _{Y}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f4bc33d118bc04780270c9f36cb27e9a681ce46d)
仮想束のもう一つの有用な応用は、空間の交差の仮想接束の定義である。滑らかな射影多様体の射影部分多様体を とする。すると、それらの交差の仮想接束を次のように
定義できる。

![{\displaystyle [T_{Z}]^{vir}=[T_{Y_{1}}]|_{Z}+[T_{Y_{2}}]|_{Z}-[T_{X}]|_{Z}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7fc864d9b60c00dc0f3255ac079792dc0e8d32c5)
コンツェビッチはこの構文を彼の論文の一つで使用している。[13]
チャーン文字
チャーン類は、空間の位相的K理論からその有理コホモロジー(の完備化)への環の準同型を構成するために用いることができる。直線束Lに対して、チャーン指標chは次のように定義される
。

より一般的には、直線束の直和が第一チャーン類である場合、チャーン指標は加法的に定義される。



チャーン指標は、テンソル積のチャーン類の計算を容易にするため、特に有用である。チャーン指標は、ヒルツェブルッフ・リーマン・ロッホの定理において用いられる。
同変K理論
同変代数K理論は、 QuillenのQ構成を介して、線型代数群の作用を持つ代数スキーム上の同変連接層のカテゴリに関連付けられた代数K理論である。したがって、定義により、



特に、は のグロタンディーク群である。この理論は1980年代にRWトーマスンによって発展した。[14]具体的には、彼は局所化定理などの基本定理の同変類似を証明した。


参照
注記
- ^ アティヤ、マイケル(2000). 「K理論の過去と現在」. arXiv : math/0012213 .
- ^ パーク、エフトン (2008).複素位相K理論. ケンブリッジ: ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-511-38869-9. OCLC 227161674。
- ^ グロタンディーク。 「SGA 6 - 適切なスキーマ代数における交差の形式主義」。 2023-06-29 のオリジナルからアーカイブされました。2020年10月20日に取得。
- ^ カロウビ、2006年
- ^ Ruben Minasian (http://string.lpthe.jussieu.fr/members.pl?key=7)、およびGregory Moore著「K-theory and Ramond–Ramond Charge」。
- ^ Efimov, Alexander I. (2025-02-06)、K理論と大規模カテゴリの局所的不変量、arXiv : 2405.12169
- ^ 「双対数上の射影空間のグロタンディーク群」. mathoverflow.net . 2017年4月16日閲覧。
- ^ 「kt.k理論とホモロジー - 双対数上の射影空間のグロタンディーク群」MathOverflow . 2020年10月20日閲覧。
- ^ マニン、ユリ I (1969-01-01)。 「代数幾何学における K 関数の講義」。ロシアの数学的調査。24 (5): 1– 89。書誌コード:1969RuMaS..24....1M。土井:10.1070/rm1969v024n05abeh001357。ISSN 0036-0279。
- ^ “ag.algebraic geometry - 重み付き射影空間の代数グロタンディーク群は有限生成か?” MathOverflow . 2020年10月20日閲覧。
- ^ ab Pavic, Nebojsa; Shinder, Evgeny (2021). 「K理論と商特異点の特異点圏」Annals of K-Theory . 6 (3): 381– 424. arXiv : 1809.10919 . doi :10.2140/akt.2021.6.381. S2CID 85502709.
- ^ ab Srinivas, V. (1991).代数的K理論. ボストン: Birkhäuser. ISBN 978-1-4899-6735-0. OCLC 624583210。
- ^ Kontsevich, Maxim (1995), 「トーラス作用による有理曲線の列挙」,曲線のモジュライ空間 (Texel Island, 1994) , Progress in Mathematics, vol. 129, Boston, MA: Birkhäuser Boston, pp. 335– 368, arXiv : hep-th/9405035 , MR 1363062
- ^ チャールズ・A・ワイベル、ロバート・W・トーマソン(1952–1995)。
参考文献
外部リンク
- グロタンディーク・リーマン・ロッホ
- マックス・カルービのページ
- K理論プレプリントアーカイブ