다음이 주어졌다고 하자.
- 군
. 이로부터 군환
를 정의할 수 있다.
-왼쪽 가군 ![{\displaystyle _{\mathbb {Z} [G]}M}](//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.
Ext와 Tor를 통한 정의
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)}](//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)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ee5ffc9224511fab8d295bb12e30093d36763b83)
군 코호몰로지의 구체적 정의
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.
군 호몰로지의 구체적 정의
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 정의의 유도
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} }](//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}]}](//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} }](//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 }](//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)}](//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)}](//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}](//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}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f88bed5b7643d09063b3838e6191804e32653e0)
이다. 이는 군 호몰로지를 정의하는
차 사슬의 집합과 같다.