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定义Definition

Abel 范畴

施工中 · 内容逐步修订

Abelian category · 阿贝尔范畴

每个态射都有核与余核且余像到像的典范态射总为同构的加性范畴。

形式陈述 ​

Abel 范畴 A 是一个加性范畴,满足每个态射 f:A→B 都有核和余核,并且由它们定义的余像与像之间的典范态射总是同构。

范畴中的核 k:K→A 以泛性质刻画:fk=0,且任意满足 fg=0 的 g:X→A 唯一经 k 分解。它推广了模或线性映射的核。余核 q:B→Q 对偶地满足 qf=0 及相应的唯一分解性质;在模范畴中就是余核 B/imf。

定义

coimf=coker(ker⁡f),imf=ker⁡(cokerf).

核与余核的泛性质给出唯一的中间态射 f¯,得到 f 的分解

A↠coimf→f¯imf↪B.

Abel 条件要求 f¯ 对每个 f 都是同构。等价地,A 是有所有核与余核的加性范畴,并且每个单态射都是某态射的核、每个满态射都是某态射的余核。单、满态射分别用左、右消去律定义;这些条件都可以直接在范畴内检验。

直觉

加性范畴已经能把箭头写成矩阵,但它可能缺少解线性方程所得的子对象或商对象。Abel 范畴要求这些缺口都能在范畴内部表示,而且“先商掉看不见的输入”与“只保留真正到达的输出”得到同一个中间对象。

余像—像同构把一条态射拆成“满态射—同构—单态射”。这是第一同构定理的范畴化。正因为这种分解不依赖元素,核—像图表追逐、正合列和同调可以在层、表示、模等完全不同的对象上使用同一套证明。

Abel 范畴中的标准分解
例子与边界

对任意环 R,R-Mod 是 Abel 范畴。取 Z-模同态

f:Z→×nZ,n≠0.

其核为 0,所以 coimf≅Z;其余核为 Z/nZ,故像对象是商映射的核 nZ↪Z。典范映射

f¯:Z⟶nZ,k⟼nk

确为同构,其逆把 nk 送回 k。随后接上包含 nZ↪Z,才得到原来的乘 n 映射。这个分解具体展示了像对象与原陪域各自承担的角色。

现在只允许有限生成自由 Abel 群作为对象,就得到一个加性范畴。在其中重新计算 f=×2:Z→Z 的余核。若 g:Z→L 满足 g∘f=0,则 2g(1)=0;自由 Abel 群 L 无挠,故 g=0。所以在这个子范畴中,f 的余核是 Z→0。

因此这个子范畴内的 coimf 与 imf 都是 Z,典范映射 f¯ 正是乘 2,没有逆。失败发生在余像—像同构条件;在整个 Abel 群范畴中计算得到的余核 Z/2Z,则使用了这里已排除的目标对象。

Banach 空间及有界线性映射提供另一种失败机制。包含 ℓ1↪ℓ2 连续且像稠密,因为有限支撑序列已稠密;但 (1/n)n≥1 属于 ℓ2 而不属于 ℓ1。这个范畴中的余核要商掉像的闭包,所以该包含的余核为零,像对象为整个 ℓ2,余像为 ℓ1。两者间的典范态射仍是非满射的包含,因而不是同构。

推论与应用

在 Abel 范畴中,有限积与余积一致,单态射和满态射分别由核与余核控制,正合性可以定义为 imf=ker⁡g。于是短正合列、蛇引理、五引理以及同调长正合列都只依赖图表和泛性质,不依赖元素。任意链复形的同调对象可定义为 ker⁡dn/imdn+1,并且链映射自然诱导同调态射。

Abel 范畴还是平衡范畴:若 f 同时为单态射和满态射,则 ker⁡f=0 且 cokerf=0,所以余像与像分别同构于源和靶;典范的余像—像同构遂给出 f 的逆。由此,证明一条态射可逆可以分为验证两种消去性。

有限维向量空间构成 Abel 范畴,但其中不存在可数个 k 的余积。若存在,取各分量中 1 的像,再用余积性质构造读取单个分量的线性映射,就会迫使这些像线性无关,与有限维矛盾。Abel 公理提供的是有限正合演算所需的构造。

有足够多投射或内射对象,分别保证投射分解或内射分解能够用于每个对象。前者使每个对象接收来自投射对象的满态射,后者使每个对象嵌入一个内射对象,因此相应分解能逐层延续,用于构造导出函子。

参考资料
  • Saunders Mac Lane, Categories for the Working Mathematician, 2nd ed., Springer, 1998,Ch. VIII, §§3–4。
  • Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994,§1.2。
  • Joseph J. Rotman, An Introduction to Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 2009,Ch. 5, §§5.3–5.5。
关系图谱18 个相邻概念 · 4 类关系

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