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定义Definition

链复形的同调

施工中 · 内容逐步修订

Homology of a chain complex · Homology object

以每次边界算子的核模去前一次边界算子的像所得的正合缺陷。

形式陈述 ​

设 C∙=(Cn,dn) 是模范畴中的链复形。由 dndn+1=0 得

imdn+1⊆ker⁡dn.

称

Zn(C)=ker⁡dn,Bn(C)=imdn+1

为 n 次循环模与边界模,并定义 n 次同调为商模

Hn(C)=Zn(C)/Bn(C)=ker⁡dn/imdn+1.

这里取的是模同态 dn 的核与 dn+1 的像,两者都位于 Cn 中。循环 z 代表零同调类当且仅当它是边界;两个循环代表同一类,当且仅当它们的差是边界。

在一般 Abel 范畴中,这个定义写成边界到循环之单态射的余核:

Hn(C)=coker(Bn(C)↪Zn(C)).

若 f:C→D 是链映射,交换条件使 fn 把循环送到循环、边界送到边界,于是诱导

Hn(f):Hn(C)→Hn(D),[z]↦[fn(z)].

这个赋值保持恒等与复合,所以每个 Hn 都是函子。

直觉

在几何图像中,循环已经闭合,边界则还能够由高一维的链填充。例如三角形的三条边首尾相接,构成循环;若复形中还放入整个三角形的面,这个循环就成为该面的边界。同调将能这样填充的循环视为零。

计算时要先取核,再取商。核找出全部循环,上一边界映射的像找出其中应当视为零的部分;即使循环很多,只要它们全是边界,同调仍为零。这恰好就是该次数的正合性。

同调保留的还包括类之间的加法与标量作用。例如一个非零类可能加若干次后变为零,这种挠信息就无法单靠“洞有几个”来表达。不同剖分或分解产生的复形,可以通过链映射及其诱导的同调映射进行比较。

例子与边界

对整数 m≠0,考虑二项复形

C:0⟶Z→×mZ⟶0,

其中两个非零项位于次数 1,0。乘 m 在 Z 上单射,所以

H1(C)=ker⁡(×m)=0.

在次数 0,微分为零,故 Z0=Z,而 B0=mZ,从而

H0(C)=Z/mZ.

若把 m 改为 0,同一个形状得到 H1≅Z 且 H0≅Z。变化来自实际边界算子,而不是链群本身。

再取三项复形

0→Z→×2Z→qZ/2Z→0.

因为 ker⁡q=2Z=im(×2),且两端也正合,它的所有同调为零。不过它不与零复形链同伦等价:若恒等映射可收缩到零,在最右非零项的同伦公式就会给出 q 的同态截面;这样的截面需要将 [1]2 送到一个阶为 2 的非零整数,因而不存在。

同调对象还依赖所选范畴。上面的二项复形可以完全由自由整数模组成,但其同调 Z/mZ 在 |m|>1 时不是自由模。因此若只在自由整数模范畴内工作,同调可能落到范畴之外;在全部整数模组成的 Abel 范畴中,所需的核、像和商都存在。

推论与应用

所有次数的同调都为零的复形称为无环复形,也就是在每处都满足正合性的复形。一个链映射若在每个次数诱导同调同构,则称为拟同构;这提供了比较两个复形所携带同调信息的方式。

短正合链复形会产生同调长正合列。将商复形中的循环提升到中间复形后,再取边界,结果来自左侧复形;它在低一次同调中的类就是连接同态的值。原循环虽然总能逐元素提升,但能否提升成循环,要由这个同调类判断。

投射分解与内射分解的增广序列原本正合。对它们施加函子后,正合性可能改变;所得高次同调或上同调,就是导出函子记录的量。例如张量积对投射分解产生的高次同调给出 Tor。

结补空间的无限循环覆盖给出带有移层作用的一阶同调模。Seifert 矩阵与 Alexander 多项式用 V−tVT 呈示这个模,再由行列式得到只确定到 ±tm 的不变量;其中 t 记录覆盖的层次移动,不能当作普通整数同调中的额外常数。

参考资料
  • Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994,§1.1。
  • Joseph J. Rotman, An Introduction to Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 2009,Ch. 6, §6.1。
  • Peter J. Hilton and Urs Stammbach, A Course in Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 1997,Ch. IV, §1。
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