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定义Definition

正合列

Exact sequence

相邻同态满足前一映像等于后一核的一列模与同态。

形式陈述 ​

模同态序列

⋯⟶Mi−1→fi−1Mi→fiMi+1⟶⋯

在 Mi 处称为正合,若

imfi−1=ker⁡fi.

于是相邻映射的复合必为零,但“复合为零”只给出包含关系,未必正合。短正合列

0→A→uB→vC→0

等价于 u 单射、v 满射且 imu=ker⁡v,因而以商模表示为 C≅B/u(A)=cokeru;这个商对象及其泛性质见余核。短正合列何时能与箭头相容地拆成直和,由分裂正合列的截面、回缩与直和等价条件回答。

在一般Abel 范畴中,同样以 imfi−1=ker⁡fi 定义正合,只需把核与像理解为范畴中的子对象,并要求它们作为 Mi 的子对象一致。此时端点的“单射、满射”改为单态射、满态射,0→A→B→C→0 仍称为短正合列。下面先用模中的元素计算说明这些条件;学习这一初等部分不需要预先掌握范畴论。

直觉

正合性逐点要求“上一箭头产生的元素,恰好是下一箭头送到零的元素”。这有两步:上一映射的像全部进入下一映射的核;核中的每个元素又都能从上一位置找到原像。第一步是复合为零,第二步把包含关系补成相等。

在短正合列中,u 把 A 嵌入 B,v 把这部分压成零,剩下的商就是 C。因此 A 与 C 分别描述 B 内部的一部分和压缩后的结果;它们之间怎样结合,则由整条正合列记录。

例子与边界

在 A→0B→0C 中,前一映射的像为 0,后一映射的核为整个 B,所以它在 B 处正合当且仅当 B=0。两端出现的零也有明确作用:0→A→uB 在 A 处正合等价于 u 单射;B→vC→0 在 C 处正合等价于 v 满射。

设 F 的特征为 0,n≥1,Pn(F) 表示次数至多 n 的多项式空间。把 F 作为常数多项式嵌入,求导给出短正合列

0⟶F⟶Pn(F)→DPn−1(F)⟶0,

常数恰是 D 的核;对 ∑j=0n−1ajxj,逐项取原函数 ∑j=0n−1ajxj+1/(j+1) 就得到一个原像,因此 D 满射。若 charF=p 且 n≥p,这两项结论同时改变:xp 成为非常数的核元素,而 xp−1 没有原像。因为若原多项式中 xp 的系数为 ap,导数中 xp−1 的系数就是 pap=0。

整数模给出另一种短正合列:0→Z→×2Z→Z/2Z→0。乘二的像是偶数,恰好也是模二映射的核。这条列不分裂:若模二映射有同态截面,[1] 就必须映到一个加两次为零的非零整数,而这样的整数不存在。

推论与应用

对于相邻复合为零的模链复形,模同态的核与像的差距由同调 ker⁡fi/imfi−1 记录;这一商为零,恰好等价于在该处正合。长正合列便利用这种逐点相等,在相邻的同调群之间传递信息。

若对象是有限维向量空间,短正合列还给出 dim⁡B=dim⁡A+dim⁡C。选择 C 的一组基并在 B 中逐个提升,就能构造截面,得到 B≅A⊕C。上面的整数模例子说明,一般模的短正合列会保留额外的扩张信息,是否能拆成直和由分裂条件决定。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 10, exact sequences and splitting。
  • Serge Lang, Algebra, revised 3rd ed., Springer, 2002,Part III, exactness and module extensions。
  • The Stacks Project,§12.5, Abelian categories,Definition 12.5.7:Abel 范畴中的正合复形与短正合列。
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