定理已证明
同调长正合列
命题陈述
给定链复形的短正合列 0→A′→A→A′′→0(即对每个 n,0→An′→An→An′′→0 与微分相容地正合),存在同调模的长正合列 ⋯→Hn(A′)→Hn(A)→Hn(A′′)∂Hn−1(A′)→⋯,其中连接同态 ∂:Hn(A′′)→Hn−1(A′) 是一个典范定义的映射。
为什么成立?
这是同调代数中最有用的计算工具:只需理解一个连接映射,就能从两个更简单部分 A′ 与 A′′ 的同调计算出复杂对象 A 的同调。实践中用到的每一个长正合列(迈尔-维托里斯序列、万有系数定理、五项引理的应用)都是这个定理的一个实例。
证明思路
第一步(构造 ∂)。取 [a′′]∈Hn(A′′),其代表闭链为 a′′∈An′′,d(a′′)=0。由于 An→An′′ 是满射,把 a′′ 提升为某个 a∈An。于是 d(a)∈An 映到 An−1′′ 中的 d(a′′)=0,因此由正合性存在唯一的 a′∈An−1′ 使得 d(a)=ι(a′)(利用 ι:A′→A 的单射性)。定义 ∂[a′′]:=[a′]。
第二步(a′ 是闭链,且 ∂ 定义良好)。由于 ι 是单射且链映射与 d 交换,ι(da′)=d(ιa′)=d(da)=0,故 da′=0,[a′] 是真正的同调类。若选取 a′′ 的另一个提升 a~,则 a~−a 在 An′′ 中映为 0,故存在 c∈An′ 使 a~−a=ι(c);此时 Hn−1(A′) 中所得两个类相差 [d(c)]=0。类似的验证表明 ∂ 不依赖于 [a′′] 的闭链代表元(把 a′′ 换成 a′′+d(b′′) 只会使 a 改变一个边缘元,从而 a′ 也只改变一个边缘元)。
第三步(在 Hn(A) 与 Hn(A′′) 处的正合性)。在 Hn(A) 处的正合性(Hn(A′)→Hn(A) 的像等于 Hn(A)→Hn(A′′) 的核)与在 Hn(A′′) 处的正合性(Hn(A)→Hn(A′′) 的像等于 ∂ 的核)都可通过对代表元直接进行图追踪得到,只需用到 ι 的单射性、商映射的满射性,以及链层面的 imι=ker(quotient)——与第一、二步同样的论证方式,逐次数应用即可。
第四步(在 Hn−1(A′) 处的正合性)。最后验证 im∂=ker(Hn−1(A′)→Hn−1(A)):若 ∂[a′′]=[a′],则 ι(a′)=d(a) 是 A 中的一个边缘元,故 [a′] 在 Hn−1(A) 中映为 0,得到 im∂⊆ker;反之若对某个 a∈An 有 ι(a′)=d(a),倒着运行第一步可知 a 的像 a′′= 满足 ∂[a′′]=[a′],得到反向包含。至此每一处的正合性都已验证完毕,整个构造正是经典的蛇形引理。