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定义Definition

Ext 函子

Ext functor · Ext groups

以Hom导出量测量延拓障碍,并从提升、商群表示和Baer和完整证明Z/m被任意Abel群扩张的分类。

形式陈述 ​

设 R 为含幺环,M,N 为左 R-模。固定第一变量时,左正合函子

HomR(M,−):R-Mod→Ab

的右导出函子定义为

ExtRn(M,N)=RnHomR(M,−)(N).

具体地,选 N 的内射分解 N→I∙,取上链复形 HomR(M,I∙) 的上同调:

ExtRn(M,N)=Hn(HomR(M,I∙)).

等价地,可选 M 的投射分解 P∙→M,计算

ExtRn(M,N)≅Hn(HomR(P∙,N)).

两种计算得到自然同构的群,这称为 Ext 的平衡性。Ext 对 M 反变、对 N 协变,且

ExtR0(M,N)≅HomR(M,N).
直觉

考虑满射 E↠Q,其核为 N。给定同态 f:M→Q,可以为每个元素选择原像,却未必能把这些选择组织成一个同态 M→E。连接同态把 f 送到 ExtR1(M,N) 中的一个类;这个类为零,恰好表示 f 能提升到 E。Ext 因而把“能否作出相容选择”变成了群中一个元素是否为零的问题。

ExtR1(M,N) 还有具体的扩张意义:它由短正合列

0→N→E→M→0

的等价类组成,零元对应分裂扩张,加法由 Baer 和构造给出。两个扩张等价,是指存在中间项的同构,使两端 N,M 上的恒等映射与全部箭头组成交换图。第二变量 N 因此位于子对象一端,第一变量 M 位于商对象一端。

例子与边界

先取整数 m≥2,计算 ExtZn(Z/m,Z)。使用内射分解

0→Z→Q→Q/Z→0.

这里 Q 与 Q/Z 都是可除 Abel 群,因而是内射 Z-模。有限群到无挠群 Q 的同态为零,而

HomZ(Z/m,Q/Z)≅(Q/Z)[m]≅Z/m.

所以 Hom 上链复形只有次数 1 的非零项,得到

ExtZ0(Z/m,Z)=0,ExtZ1(Z/m,Z)≅Z/m,

且 n≥2 时为零。同样的答案可由投射分解

0→Z→×mZ→Z/m→0

得到:施加 Hom(−,Z) 后,上链复形为 Z→×mZ,其零次上同调是核 0,一次上同调是余核 Z/m。

这条投射分解本身也是 Z/m 被 Z 扩张的短正合列,代表一个非零 Ext 类。若它分裂,截面就要把 [1] 送到 Z 中一个非零的 m-挠元,与整数群无挠矛盾。作为对照,Z⊕Z/m 配上自然嵌入与投影,给出同样两个端点之间的分裂扩张,代表零类。

每个 ExtRn(M,N) 首先是 Abel 群。固定同一对象 M 后,Yoneda 乘积使 ⨁n≥0ExtRn(M,M) 成为分次环:p 次和 q 次的类相乘,结果位于 p+q 次。

投射性与内射性对应有量词的消失判据:M 投射当且仅当对每个 N 都有 ExtR1(M,N)=0;N 内射当且仅当对每个 M 都有 ExtR1(M,N)=0。满足其中任一条件时,所有正次数 Ext 都消失。

推论与应用

任意 Abel 群作为核时,一次 Ext 是什么 ​

前面的长度一投射分解对任意 Abel 群 N 都可使用。因为 HomZ(Z,N)≅N,它给出上链复形

N→×mN.

因此,对整数 m≥2,

ExtZ0(Z/m,N)=N[m],ExtZ1(Z/m,N)=N/mN,ExtZj(Z/m,N)=0(j≥2),

其中 N[m]={n∈N:mn=0}。核测量已有的 m-挠元,余核测量哪些元素无法被 m 整除;两者虽然在某些有限循环群上同构,含义并不相同。下文将把这个余核中的每个元素直接变成一条扩张,并验证这正是扩张分类中的群结构。

从一条扩张读出余类 ​

取 Abel 群的短正合列

0⟶N→iE→πZ/m⟶0.

选取 e∈E 使 π(e)=1―。于是 π(me)=0,所以唯一存在 c∈N 满足 me=i(c)。若换一个提升 e′=e+i(b),则

me′=i(c+mb).

因此扩张确定的是余类 [c]∈N/mN,不依赖提升。若两条扩张通过两端恒等的同构对应,提升和等式也被送到对应的提升与等式,故这个余类只依赖扩张等价类。

从余类重建扩张并证明没有遗漏 ​

反过来,对 c∈N 定义

Ec=(N⊕Z)/⟨(−c,m)⟩.

这里先取整数模的直和 N⊕Z,再取商模;分母是单个元素 (−c,m) 生成的循环子群。令

ic(n)=[(n,0)],πc([(n,k)])=k―.

πc 良定义且满射。若 (n,0)=t(−c,m),第二坐标使 tm=0 于整数群,从而 t=0、n=0,所以 ic 单射。若 k―=0,写 k=mt,则商群中的关系给出

[(n,mt)]=[(n+tc,0)].

故 ker⁡πc=imic,我们实际构造了一条短正合列。标准提升 ec=[(0,1)] 满足 mec=ic(c),恰好恢复指定余类。

对于上一节的任意扩张,映射

Ec⟶E,[(n,k)]⟼i(n)+ke

良定义,因为关系 (−c,m) 被送到 −i(c)+me=0。任意 x∈E 的像 π(x) 可写成 k―,于是 x−ke∈i(N),所以该映射满射。若 i(n)+ke=0,先投影得到 k=mt,再由 i 单射得到 n+tc=0;这正好说明 [(n,k)]=0,故映射也单射,而且保持两端的指定映射。每条扩张都由某个 Ec 给出。

最后,若 c′=c+mb,则

Ec′⟶Ec,[(n,k)]⟼[(n+kb,k)]

是两端恒等的同构:关系 (−c′,m) 被送到 (−c,m),逆映射把 b 改为 −b。结合从扩张读取余类的不变性,得到完整双射

{Z/m 被 N 扩张的等价类}⟷N/mN.

它与 Hom 复形的余核计算相容:把自由生成元 1∈P0=Z 提升为 e 后,关系生成元 m 的像就是 c;改变提升使它增加 mb,也就是 Hom 复形中的一个余边界。这个具体提升把抽象 Ext 计算与扩张分类接在一起。

分裂条件与两条阶四扩张 ​

扩张分裂,当且仅当可以选到满足 me=0 的提升:这样的提升唯一确定同态截面 k―↦ke。换提升只把 c 改成 c+mb,故

Ec 分裂⟺c∈mN.

取 m=2、N=Z/2,因为 2N=0,恰有两个扩张类。c=0 时没有扭曲关系,E0≅C2⊕C2。c=1― 时,若把 N 的生成元记为 a、提升记为 e,关系是

2a=0,2e=a.

于是 4e=0,且 2e=a≠0,所以 E1≅C4;嵌入把 1―∈N 送到 2∈C4,商映射是模 2。商的两个可能提升 1,3 都有阶 4,不能形成截面。这与半直积页中的补群失败例使用同一条短正合列;本页进一步把它定位成一次 Ext 的非零元。

分类的对象包含嵌入与商映射,不能只比较中间群的抽象同构型。例如 m=5、N=Z 时,c=1 与 c=2 在 Z/5 中不同,给出不等价扩张,但两个中间群都同构于 Z。前者取生成元 e 有 a=5e;后者令 t=a−2e,由 5e=2a 得 5t=a、2t=e,故也由单个无限阶元 t 生成。前者商映射对中间群生成元取 1―,后者取 −2―=3―。同构中间项时若忘掉端点标记,就丢失了 Ext 要分类的数据。

Baer 和为何成为余类加法 ​

给两条扩张 Ec,Ed,先组成同商的配对群

P={(x,y)∈Ec⊕Ed:πc(x)=πd(y)}.

它向 Z/m 的共同投影满射,核为 N⊕N。再取商

Ec⊞Ed=P/{(ic(n),−id(n)):n∈N}.

这一步将两个核通过加法 (n1,n2)↦n1+n2 合并成一个 N。新的嵌入可写成 n↦[(ic(n),0)];它是单射,因为若 (ic(n),0)=(ic(b),−id(b)),则 b=0、n=0。共同投影的核正好是这个嵌入的像,所以所得对象仍是一条扩张。这就是当前 Abel 群情形的 Baer 和。

标准提升是 [(ec,ed)],乘以 m 后成为核中的

[(ic(c),id(d))]=[(ic(c+d),0)].

它所对应的余类因此是 [c+d]。分类双射保持加法,从而是群同构;零类、负类分别由分裂扩张与 E−c 表示。

特别地,刚才的非分裂 C4 扩张与自身作 Baer 和得到 [1]+[1]=[0],结果分裂。这里不是把两个 C4 直接相加:先要求两个元素在商 C2 中有相同像,再把两个核合并。具体地,提升 (1,1) 的两倍为 (2,2),它在商掉的反对角核中,因为 −2=2 于 C4。所以合成扩张确实出现了阶 2 的商生成元提升。

回到延拓障碍与更高次数 ​

同一个类还可以解释为导出范畴中的移位态射。在 m=2,N=Z 时,先把 Z/2 替换为两项自由复形,再映到次数 −1 的 Z[1];链映射由整数 a 决定,同伦恰使 a 增加 2b,因此仍得到 Z/2。奇数类对应上面的非分裂整数扩张,换提升与换链同伦给出同一余类关系。

固定第二变量 N,对短正合列 0→A→B→C→0 应用 HomR(−,N),会得到长正合列中的片段

HomR(B,N)→HomR(A,N)→δExtR1(C,N).

因此 f:A→N 能延拓到 B,恰好等价于 δ(f)=0。这与前面沿满射提升映射的解释对应,分别展示了 Ext 在两个变量中的作用。

在有限无环箭图中,Hom–Ext 计算复形把同样的扩张信息具体写成箭头矩阵的非对角块:改变各顶点的向量空间截面,恰好增加差分 Wafi−fjVa。这样可以用有限线性方程同时算Hom与Ext,而带路径关系时须另外加入关系约束。

高次 Ext 可以用更长的正合列表示。例如 ExtR2(M,N) 的类由 0→N→E1→E0→M→0 表示;Yoneda 乘积通过拼接这样的列实现。群上同调也能放进同一框架:对群 G 的 Z[G]-模 N,有 Hn(G,N)≅ExtZ[G]n(Z,N),其中 Z 带平凡 G-作用。

参考资料
  • Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994,§§2.5–2.6 and §3.4。
  • Joseph J. Rotman, An Introduction to Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 2009,Ch. 7, §§7.1–7.3。
  • Peter J. Hilton and Urs Stammbach, A Course in Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 1997,Ch. IV, §7 and Ch. VI, §1。
  • The Stacks Project Authors, Derived Categories, §13.27: Ext groups,2026 年访问版本,Yoneda 扩张及其复合。
  • The Stacks Project Authors, Homological Algebra, §12.6: Extensions,2026 年访问版本,定义12.6.1–12.6.2及Baer和构造。本文在Abel群中具体构造同商配对与反对角商,并独立证明它对应于 N/mN 的加法。
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