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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′′→00 \to A' \to A \to A'' \to 0(即对每个 nn,0→An′→An→An′′→00 \to A'_n \to A_n \to A''_n \to 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′)→⋯\cdots \to H_n(A') \to H_n(A) \to H_n(A'') \xrightarrow{\partial} H_{n-1}(A') \to \cdots,其中连接同态 ∂:Hn(A′′)→Hn−1(A′)\partial: H_n(A'') \to H_{n-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′A' 与 A′′A'' 的同调计算出复杂对象 AA 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 ∂\partial)。取 [a′′]∈Hn(A′′)[a''] \in H_n(A''),其代表闭链为 a′′∈An′′a'' \in A''_n,d(a′′)=0d(a'')=0。由于 An→An′′A_n \to A''_n 是满射,把 a′′a'' 提升为某个 a∈Ana \in A_n。于是 d(a)∈And(a) \in A_n 映到 An−1′′A''_{n-1} 中的 d(a′′)=0d(a'')=0,因此由正合性存在唯一的 a′∈An−1′a' \in A'_{n-1} 使得 d(a)=ι(a′)d(a) = \iota(a')(利用 ι:A′→A\iota: A' \to A 的单射性)。定义 ∂[a′′]:=[a′]\partial[a''] := [a']。

第二步(a′a' 是闭链,且 ∂\partial 定义良好)。由于 ι\iota 是单射且链映射与 dd 交换,ι(da′)=d(ιa′)=d(da)=0\iota(d a') = d(\iota a') = d(d a) = 0,故 da′=0d a' = 0,[a′][a'] 是真正的同调类。若选取 a′′a'' 的另一个提升 a~\tilde a,则 a~−a\tilde a - a 在 An′′A''_n 中映为 00,故存在 c∈An′c \in A'_n 使 a~−a=ι(c)\tilde a - a = \iota(c);此时 Hn−1(A′)H_{n-1}(A') 中所得两个类相差 [d(c)]=0[d(c)] = 0。类似的验证表明 ∂\partial 不依赖于 [a′′][a''] 的闭链代表元(把 a′′a'' 换成 a′′+d(b′′)a'' + d(b'') 只会使 aa 改变一个边缘元,从而 a′a' 也只改变一个边缘元)。

第三步(在 Hn(A)H_n(A) 与 Hn(A′′)H_n(A'') 处的正合性)。在 Hn(A)H_n(A) 处的正合性(Hn(A′)→Hn(A)H_n(A')\to H_n(A) 的像等于 Hn(A)→Hn(A′′)H_n(A)\to H_n(A'') 的核)与在 Hn(A′′)H_n(A'') 处的正合性(Hn(A)→Hn(A′′)H_n(A)\to H_n(A'') 的像等于 ∂\partial 的核)都可通过对代表元直接进行图追踪得到,只需用到 ι\iota 的单射性、商映射的满射性,以及链层面的 im⁡ι=ker⁡(quotient)\operatorname{im}\iota = \ker(\text{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′)H_{n-1}(A') 处的正合性)。最后验证 im⁡∂=ker⁡(Hn−1(A′)→Hn−1(A))\operatorname{im}\partial = \ker(H_{n-1}(A')\to H_{n-1}(A)):若 ∂[a′′]=[a′]\partial[a'']=[a'],则 ι(a′)=d(a)\iota(a')=d(a) 是 AA 中的一个边缘元,故 [a′][a'] 在 Hn−1(A)H_{n-1}(A) 中映为 00,得到 im⁡∂⊆ker⁡\operatorname{im}\partial \subseteq \ker;反之若对某个 a∈Ana\in A_n 有 ι(a′)=d(a)\iota(a')=d(a),倒着运行第一步可知 aa 的像 a′′=a''= 满足 ∂[a′′]=[a′]\partial[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。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Charles A. Weibel (1994). An Introduction to Homological Algebra
  2. Henri Cartan, Samuel Eilenberg (1956). Homological Algebra
  3. Alexander Grothendieck (1957). Sur quelques points d'algèbre homologique (the Tôhoku paper) · DOI:10.2748/tmj/1178244839
  4. Bhargav Bhatt, Akhil Mathew, Thomas Nikolaus (2019). Topological Cyclic Homology · arXiv:1802.03261