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定义Definition

链复形的同伦范畴

Homotopy category of chain complexes · K(A)

保留链复形并把链映射按链同伦取等价类所得的范畴。

形式陈述 ​

设 A 为加性范畴。链复形的同伦范畴记作 K(A):其对象与链复形范畴 Ch(A) 相同,而态射集定义为

HomK(A)(C,D)=HomCh(A)(C,D)/≃,

即链映射按链同伦取等价类形成商集。链映射 f 的类记作 [f]。

复合由代表元给出:

[g]∘[f]=[g∘f].

它良定义,因为链同伦与前、后复合相容;若 f≃f′、g≃g′,则 gf≃g′f′。恒等态射是 [1C]。

零同伦的映射在逐次加法下组成子群:两个见证同伦相加或取负,仍是见证同伦。又因 f≃g 当且仅当 f−g 零同伦,HomK(A)(C,D) 正是链映射的 Abel 群对这个子群的商群。

零复形和逐次有限双积在取同伦类后仍满足零对象与双积的恒等式,因此 K(A) 是加性范畴。

链映射 f:C→D 在 K(A) 中为同构,当且仅当存在 g:D→C 使

[g][f]=[1C],[f][g]=[1D],

也就是 f 是链同伦等价。这里取商的是“态射之间的同伦”,不是把同伦等价的对象直接合并成同一个对象;同伦等价对象只是在新范畴中同构。

直觉

Ch(A) 记录具体链映射,而 K(A) 把差为 dh+hd 的映射视为同一箭头。例如用不同选择将模同态提升到投射分解之间时,比较定理给出提升间的链同伦;在 K(A) 中,这些提升就表示同一个态射。

当 A 为 Abel 范畴时,链同伦的映射诱导相同同调映射,但同调还会忘掉更多信息。因此 K(A) 比各次同调群保留了更细的结构:某个同调全为零的复形,仍可能不是其中的零对象。

例子与边界

令

E:0⟶Z→1Z⟶0.

两个非零项位于次数 1,0。取 h0:E0→E1 为恒等映射,其余分量为零,就有 dh+hd=1E,即 1E≃0。所以在 K(Ab) 中

[1E]=[0].

任何对象若恒等态射等于零态射,就是零对象;因此可缩复形 E 在同伦范畴中同构于零复形。具体地,E→0 与 0→E 的复合在零对象一侧严格为恒等,在 E 一侧则只需同伦于恒等。

再看由非分裂短正合列组成的无同调复形

0→Z→×2Z→Z/2→0.

它的同调全为零,却不在 K(Ab) 中同构于零,因为那将等价于可缩并迫使短正合列分裂。这说明同伦范畴没有把所有拟同构都变成同构;无同调对象仍可能非零。

逐次取核也未必能从链映射下降到同伦类。令 C 仅在次数 0 为 Z,定义 f,g:C→E,其中 f0=1、g0=0,其余分量为零。取 h0:C0→E1 为恒等映射,就有 f−g=dh+hd,所以 [f]=[g]。然而逐次计算得到 ker⁡f=0、ker⁡g=C,二者连零次同调都不同。因此逐次核依赖具体代表元,不能据此定义同伦范畴中的核函子。

推论与应用

若 A 为 Abel 范畴,同调函子在链同伦下不变,所以唯一地经 K(A) 因子化:

Ch(A)⟶K(A)→HnA.

固定模同态及两端的投射分解后,所有相容的提升都代表 K(A) 中的同一个态射。若原模同态为恒等、两端为同一模的不同分解,比较定理便给出分解在 K(A) 中的同构。内射分解也有相同结论。

取模范畴 A=R-Mod,导出范畴 D(A) 从 K(A) 进一步局部化,将拟同构形式地变成同构;在这一范围内,所得态射仍组成集合。[4] 上面的例子取 R=Z:非分裂正合复形因同调全为零,到零复形的映射是拟同构,因此在 D(Ab) 中成为零对象;它在 K(Ab) 中却仍非零。导出范畴与移位态射在模范畴中证明映射锥判据及投射替代的计算合法性,并算出 HomD(Z/2,Z[1])=Z/2;直接在原对象之间计算同伦态射却只能得到零。

参考资料
  • [4] The Stacks Project,Derived categories, Remark 13.11.4:一般大 Abel 范畴的局部化可能不局部小;Grothendieck Abel 范畴(包括环上的模范畴)可用 K-内射替代保证态射成集合。

  • Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994,§§1.4–1.5 and Ch. 10, §10.1。

  • Joseph J. Rotman, An Introduction to Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 2009,Ch. 6, §§6.2–6.3。

  • Sergei I. Gelfand and Yuri I. Manin, Methods of Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 2003,Ch. III, §1。

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