군론에서 군 코호몰로지(群cohomology, 영어: group cohomology)와 군 호몰로지(群homology, 영어: group homology)는 군 위에 정의되는 코호몰로지 · 호몰로지 이론이다.[1][2][3]
다음이 주어졌다고 하자.
- 군
. 이로부터 군환
를 정의할 수 있다.
-왼쪽 가군 ![{\displaystyle _{\mathbb {Z} [G]}M}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f75fdd9981dcc7f1fca30ac2ebb43909bc9c5a6f)
임의의 자연수
에 대하여,
의
계수
차 군 호몰로지
및
의
계수
차 군 코호몰로지
는 각각 아벨 군이다. 이들은 다음과 같이 여러가지로 정의될 수 있지만, 이 정의들은 서로 동치이다.
군 코호몰로지는 불변량 함자의 왼쪽 유도 함자로, 군 호몰로지는 쌍대 불변량 함자의 오른쪽 유도 함자로 정의될 수 있다.
구체적으로, 군
가 주어졌다고 하자.
의 왼쪽 가군들의 범주
는 단사 대상을 충분히 가지는 아벨 범주이다.
다음과 같은 함자를 정의하자.
![{\displaystyle (-)^{G}\colon {}_{\mathbb {Z} [G]}{\text{Mod}}\to \operatorname {Ab} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6dd63593d27c2bd25b6f730ebf12593e5256c680)

즉, 이는 가군을 그 불변량으로 구성된 아벨 군으로 대응시킨다.
는 왼쪽 완전 함자이다. 그
번째 오른쪽 유도 함자를
의
차 군 코호몰로지라고 한다.

마찬가지로, 다음과 같은 함자를 정의하자.
![{\displaystyle (-)_{G}\colon {}_{\mathbb {Z} [G]}{\text{Mod}}\to \operatorname {Ab} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ef9cb0f6872aae79bbb32f53349e5cf9e71638f)

여기서

이다. 즉,
는
의 쌍대 불변량(영어: coinvariant)으로 구성된다.
는 오른쪽 완전 함자이다. 그
번째 왼쪽 유도 함자를
의
차 군 호몰로지라고 한다.

군 코호몰로지는 군환에 대한 Ext 함자의 특별한 경우이며, 군 호몰로지는 군환에 대한 Tor 함자의 특별한 경우이다.
구체적으로, 군
및
-왼쪽 가군
이 주어졌다고 하자. 그렇다면,
를 자명한
-왼쪽 가군으로 여길 수 있다. (즉, 임의의
및
에 대하여
이다.) 그렇다면,
-왼쪽 가군의 범주
에서 Ext 함자를 취할 수 있다.
의
계수의 군 코호몰로지는 다음과 같은 Ext 함자이다.
![{\displaystyle \operatorname {H} ^{n}(G;M)=\operatorname {Ext} _{\mathbb {Z} [G]}^{n}(\mathbb {Z} ,M)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ccdfafbeacd926f0c6691ad9836e3f76d95f6a2f)
마찬가지로,
를 자명한
-오른쪽 가군으로 여길 수 있다. (즉, 임의의
및
에 대하여
이다.) 그렇다면, 오른쪽 가군
와 왼쪽 가군
사이의 Tor 함자를 취할 수 있다.
의
계수의 군 호몰로지는 다음과 같은 Tor 함자이다.
![{\displaystyle \operatorname {H} _{n}(G;M)=\operatorname {Tor} _{n}^{\mathbb {Z} [G]}(\mathbb {Z} ,M)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ee5ffc9224511fab8d295bb12e30093d36763b83)
가 군이고
이
-가군이라고 하자. 양의 정수
에 대하여,
차 공사슬(共사슬, 영어: cochain)을
함수로 정의하고,
차 공사슬의 집합을
으로 쓰자. 이는 덧셈에 대하여 아벨 군을 이룬다. (여기서
은 군의 직접곱
이다.)
공경계 준동형(共境界準同形, 영어: coboundary homomorphism)
을 다음과 같이 정의하자.


이렇게 정의하면

임을 알 수 있다. 따라서
은 공사슬 복합체를 이루며, 이에 따라

과 같이 코호몰로지 군
을 정의할 수 있다. 이를
계수를 가진
의
차 군 코호몰로지라고 한다.
가 군이고
이
-왼쪽 가군이라고 하자.
양의 정수
에 대하여,
차 사슬(영어: cochain)의 집합은
이다.
그 사이에 다음과 같은 경계 준동형(境界準同形, 영어: boundary homomorphism)을 정의하자.

그렇다면, 다음과 같은 사슬 복합체를 얻는다.

(이는 막대 복합체
과 같다.)
그 호몰로지 군

을
계수를 가진
의
차 군 호몰로지라고 한다.
구체적 정의는 Ext · Tor를 사용한 정의로부터 다음과 같이 유도된다.
우선, 아벨 군의 아벨 범주
에서,
-결합 대수 (즉, 환)
의 왼쪽 가군
및
오른쪽 가군
를 생각하자. 그렇다면, 물론
![{\displaystyle \mathbb {Z} [G]\otimes _{\mathbb {Z} [G]}\mathbb {Z} \cong \mathbb {Z} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/73fcf5493e26b87e2a5c6e0f0f2946703f0a9109)
이다. 이를 사용하여, 다음과 같은 막대 복합체를 생각하자.
![{\displaystyle \operatorname {Bar} _{n}^{\mathbb {Z} }(\mathbb {Z} [G],\mathbb {Z} [G],\mathbb {Z} )=\overbrace {\mathbb {Z} [G]\otimes _{\mathbb {Z} }\dotsb \otimes _{\mathbb {Z} }\mathbb {Z} [G]} ^{n+1}\otimes _{\mathbb {Z} }\mathbb {Z} \cong \mathbb {Z} [\overbrace {G\times \dotsb \times G} ^{n}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b1db4e9bd508e4f1540144c97d9990ca576fcda2)
그렇다면,
![{\displaystyle \dotsb \xrightarrow {\partial } \mathbb {Z} [G\times G]\xrightarrow {\partial } \mathbb {Z} [G]\twoheadrightarrow \mathbb {Z} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ecb90274e35f6df17cd47d901205dcdc0214c419)
는
의 분해를 이룬다.
막대 복합체의 모든 성분들은
-사영 가군이므로, 막대 복합체
는
의 사영 분해를 정의한다. 이에 따라서, Ext 함자
은 다음과 같은 공사슬 복합체의 코호몰로지로 얻어진다.
![{\displaystyle 0\to \hom _{\mathbb {Z} [G]}(\mathbb {Z} [G],M)\to \hom _{\mathbb {Z} [G]}(\mathbb {Z} [G\times G],M)\to \dotsb }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c49d04a6481afa3b0b7461e75964c33d34e64656)
그런데
은
-자유 가군이므로, 다음과 같은 표준적인 전단사 함수가 존재한다.
![{\displaystyle \hom _{\operatorname {Set} }(G^{\times n},M)\to \hom _{\mathbb {Z} [G]}(\mathbb {Z} [G^{\times (n+1)}],M)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/51a808d9a7cc1f6d35180aadc4f2a7b08f8d64b3)
여기서
은 모든 함수
의 집합이며, 이는 군 코호몰로지를 정의하는
차 공사슬의 집합과 같다.
마찬가지로, Tor 함자
은
의 사영 분해
를 사용하면 다음과 같은 사슬 복합체
![{\displaystyle \operatorname {Bar} _{\bullet }^{\mathbb {Z} }(\mathbb {Z} ,\mathbb {Z} [G],M)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8c8655e3b0998849f2a5df7c69e69699e840b6ae)
의 호몰로지로 계산된다.
![{\displaystyle \dotsb \to \mathbb {Z} [G^{\times 3}]\otimes _{\mathbb {Z} [G]}M\to \mathbb {Z} [G^{\times 2}]\otimes _{\mathbb {Z} [G]}M\to \mathbb {Z} [G]\otimes _{\mathbb {Z} [G]}M\cong M}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/569f488f815a26bc2667200bde52a5c63e7226dc)
그런데
![{\displaystyle \mathbb {Z} [G^{\times (n+1)}]\otimes _{\mathbb {Z} [G]}M\cong \mathbb {Z} [G^{\times n}]\otimes _{\mathbb {Z} }M}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f88bed5b7643d09063b3838e6191804e32653e0)
이다. 이는 군 호몰로지를 정의하는
차 사슬의 집합과 같다.
군 코호몰로지의 공사슬 복합체는 다음과 같이 시작한다.





마찬가지로, 군 호몰로지의 사슬 복합체는 다음과 같이 시작한다.

![{\displaystyle C_{1}(G;M)=\mathbb {Z} [G]\otimes _{\mathbb {Z} }M}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a029c3db49ae0d3b845fc22d6e5cd309222327f3)
![{\displaystyle C_{2}(G;M)=\mathbb {Z} [G\times G]\otimes _{\mathbb {Z} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0e6775c517502592cd844297a9f6a697550be557)



이에 따라, 낮은 차수의 군 (코)호몰로지는 다음과 같이 해석된다. (마지막 열은
의
위의 작용이 자명할 경우에 대한 특별한 해석이다.)
공사슬 종류 |
기호 |
해석 |
자명한 작용일 경우의 해석
|
0차 완전 공사슬
|
|
|
0차 닫힌 사슬
|
|
임의의 원소
|
0차 닫힌 공사슬
|
|
불변량: 가운데, 임의의 에 대하여 인 것
|
임의의 원소
|
0차 완전 사슬
|
|
1차 닫힌 공사슬
|
|
교차 준동형(영어: crossed homomorphism): 함수 가운데, 인 것
|
군 준동형
|
1차 완전 공사슬
|
|
주 교차 준동형(영어: principal crossed homomorphism, 에 대하여, 꼴의 교차 준동형)들의 선형 결합
|
상수 함수
|
1차 닫힌 사슬
|
|
선형 결합 가운데, 인 것
|
선형 결합
|
1차 완전 사슬
|
|
꼴의 선형 결합들의 합 ( )
|
의 원소
|
특히, 만약
의
위의 작용이 자명할 때, 다음이 성립한다.



- 2차 군 코호몰로지
는 군
의 아벨 군
에 대한 확대들을 분류한다.
만약
의
위의 작용이 자명하다면, 군 호몰로지와 군 코호몰로지는 각각 (이산 위상을 부여한 위상군으로서의) 분류 공간
의 특이 호몰로지 및 특이 코호몰로지와 동형이다.


증명:
의 분류 공간은 단체 집합
이다. 그 정수 계수 단체 호몰로지는 사슬 복합체
![{\displaystyle \operatorname {Bar} _{\bullet }^{\mathbb {Z} }(\mathbb {Z} ,\mathbb {Z} [G],\mathbb {Z} )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8c857805139b5af4c6dc9a57a86dacd81d3e2232)
로 주어지며,
계수 단체 호몰로지는 사슬 복합체
![{\displaystyle \operatorname {Bar} _{\bullet }^{\mathbb {Z} }(\mathbb {Z} ,\mathbb {Z} [G],\mathbb {Z} )\otimes _{\mathbb {Z} }M}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4173923c669dc2fa34415c193afe2b6b840b6803)
으로 주어진다. 그런데 이는 군 호몰로지를 정의하는 사슬 복합체와 같다.
마찬가지로, 분류 공간
의
계수 단체 코호몰로지는 공사슬 복합체
,
로 주어진다. 그런데 이는
의
계수 군 코호몰로지와 같다.
보다 일반적으로, 만약
의 작용이 자명하지 않다면,
은
위의 일종의 층
을 정의하며, 이 층의 층 (코)호몰로지는
의
계수 군 (코)호몰로지와 같다.


개의 원소로 생성되는 자유군
을 생각하자. 자명한 작용을 가진 아벨 군
에 대하여, 군 (코)호몰로지는 다음과 같다.

차 순환군
을 생각하자. 자명한 작용을 가진 아벨 군
에 대하여, 군 (코)호몰로지는 다음과 같다.

여기서
은
의
-꼬임 부분군이다.
이는 순환군의 분류 공간인
의 특이 호몰로지와 같다. 특히,
일 경우 이는 무한 차원 실수 사영 공간
의 특이 호몰로지이다.
차 자유 아벨 군
을 생각하자. 자명한 작용을 가진 아벨 군
에 대하여, 군 (코)호몰로지는 다음과 같다.

여기서
은 이항 계수이다. 이는 자유 아벨 군의 분류 공간인 원환면
의 특이 호몰로지와 같다.