Grothendieck local duality
を完備
次元 Cohen-Macaulay 局所環とする。また
を剰余体
の入射包とする。
の双対化加群を
によって定義する。このとき,任意の有限生成
-加群
と任意の整数
に対して \begin{align*}\operatorname{Hom}_A(H^i_{\mathfrak{m}}(M),E_A(k))\simeq\operatorname{Ext}^{d-i}_A(M,\omega_A)\end{align*} が自然同型として成り立つ。
以下,この同型を証明する。
補題
を平坦
-加群,
を入射
-加群とする。このとき
は入射
-加群である。
証明
任意の -加群
に対して,Tensor-Hom adjunction により \begin{align*}\operatorname{Hom}_A(M\otimes_A N,J)\simeq\operatorname{Hom}_A(M,\operatorname{Hom}_A(N,J))\end{align*}が成り立つ。
は平坦なので,関手
は完全である。また
は入射なので,関手
は完全である。したがって
は完全関手である。上の随伴同型により,これは
と同型な関手である。よって
は入射加群である。∎
Čech複体
を
のパラメータ系とする。すなわち
は
-primary なイデアルである。このパラメータ系に付随する Čech 複体(stable Koszul 複体ともいう)
を \begin{align*} 0\to A\to\bigoplus_i A_{x_i}\to\bigoplus_{i{<}j} A_{x_i x_j}\to\cdots\to A_{x_1\cdots x_d}\to 0\end{align*} によって定義する。
ここで を次数
に置き,
を次数
に置く。微分は通常の Čech 複体の交代和で定める。各項
は
の局所化であるから平坦
-加群である。したがって
は平坦
-加群からなる複体である。
任意の -加群
に対して
である。また
は
-primary なので,この Čech 複体は
に関する局所コホモロジーを計算する。すなわち
である。特に
とすると
である。
は Cohen-Macaulay なので,
である。したがって
は,平坦
-加群からなる複体として,
の平坦分解を与える。
双対化して入射分解を得る
次に とおく。ただし
として,次数を反転して考える。
の各項は平坦
-加群であり,
は入射
-加群である。したがって先の補題より,
の各項は入射
-加群である。
また, は
の平坦分解を与えるので,これを
で双対化すると,
は
の入射分解になる。シフトに注意すると
である。双対化加群の定義より
であるから,
は
の入射分解を与える。
とおくと,
は通常の意味での
の入射分解である。
局所双対性の証明
を有限生成
-加群とする。Čech 複体による局所コホモロジーの計算から
である。
は入射加群なので,関手
は完全である。
したがって複体 に
を適用すると,\begin{align*}\operatorname{Hom}_A(H^i_{\mathfrak{m}}(M),E)\simeq H^{-i}\operatorname{Hom}_A(M\otimes_A\check C^\bullet(\boldsymbol{x};A),E)\end{align*} を得る。
さらに Tensor-Hom adjunction により \begin{align*}\operatorname{Hom}_A(M\otimes_A\check C^\bullet(\boldsymbol{x};A),E)\simeq\operatorname{Hom}_A(M,\operatorname{Hom}_A(\check C^\bullet(\boldsymbol{x};A),E))\end{align*}である。 とおいたので,\begin{align*}\operatorname{Hom}_A(H^i_{\mathfrak{m}}(M),E)\simeq H^{-i}\operatorname{Hom}_A(M,I^\bullet)\end{align*}となる。
いま とおくと,
は
の入射分解である。したがって Ext 群の定義より
である。一方で
だから,複体
の次数
の部分は,複体
の次数
の部分に対応する。よって
である。
以上より である。