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定理Theorem

箭图表示的 Hom–Ext 计算复形

Hom–Ext complex for quiver representations

把箭图的同态和扩张统一为一个线性差分的核与余核,给出非对角块证明、标准投射分解和计算成本。

形式陈述 ​

两个箭图表示之间的全部映射和扩张,怎样化成同一份线性方程?设 Q 为有限无环箭图,V,W 为有限维表示。定义

C0(V,W)=⨁iHomk(Vi,Wi),C1(V,W)=⨁a:i→jHomk(Vi,Wj),

以及

(1)(δf)a=Wafi−fjVa.

则有自然正合列

(2)0→HomQ(V,W)→C0(V,W)→δC1(V,W)→ExtQ1(V,W)→0.

因此 Hom 是线性映射 δ 的核,而$\operatorname{Ext}^1$ 是它的余核。这里是没有附加路径关系的箭图。对带关系代数,扩张矩阵必须另外满足关系的线性化条件,式 (2) 不能不加修改地使用。

直觉

C0 是在每个顶点随意选一个映射,还没管它们能否组成表示同态。δ 测量每条箭的方块有多不交换。缺陷全为零,就是 Hom。

同一份“箭头缺陷”也能描述扩张:在每个顶点先把短正合列按向量空间拆开,箭头矩阵中的非对角块记录两个端点表示怎样接合。改变局部拆法会改变这些块,但只改变一个 δf。因此真正的扩张信息恰是余核。

例子与边界

一条箭给出一个可手算的非分裂扩张 ​

对 1→2,取 V=S1=(k→0)、W=S2=(0→k)。每个同顶点 Hom 都为零,所以 C0=0;箭头对应的 Hom(k,k)=k,所以 C1=k。于是

HomQ(S1,S2)=0,ExtQ1(S1,S2)≅k.

扩张参数 λ∈k 对应中间表示 Eλ=(k→λk),得到

0→S2→Eλ→S1→0.

λ=0 时中间表示为 S1⊕S2,正合列分裂;λ≠0 时若有截面 S1→Eλ,源顶点映射必须为恒等,但箭头交换要求 λ=0,矛盾。

所有非零 λ 的中间表示彼此同构,却代表不同的扩张类:扩张等价要求同时固定左右端点,而任意表示同构可以缩放这些端点。这个差别不能从“中间矩阵相似”中省掉。

实际组装一个小矩阵 ​

仍取单箭头,令 V=W=(k→1k)。此时

C0=k2,C1=k,δ(a,b)=a−b.

差分满射,核为对角线。所以 End 为 k,而自扩张群为零。这个表示虽然不是单模,却没有自扩张;单性、不可分解性与自扩张消失又是不同问题。

推论与应用

非对角块给出余核的直接证明 ​

给扩张 0→W→E→V→0,在每个顶点选择向量空间截面,将 Ei 写为 Wi⊕Vi。箭头必须形如

Ea=(Waza0Va),za:Vi→Wj.

没有额外路径关系时,任意这些 za 都给一个表示及扩张。

若将第 i 个截面改成原截面加 fi:Vi→Wi,直接代入矩阵换基,新的非对角块为

za′=za+Wafi−fjVa=za+(δf)a.

反过来,任何固定端点的扩张同构在各顶点都具有这种上三角、对角为恒等的形状。因此等价类正是 C1/imδ。按纤维积再推并构造 Baer 和时,非对角块相加,所以这个对应也保持 Ext 群的加法。

路径给出长度一的投射分解 ​

以下分解中的 ⊗k 是张量积。令 Pi=kQei,它由从顶点 i 出发的路径张成,是正则路径代数模的投射直和项。存在投射分解

0→⨁a:i→jPj⊗kVi→d⨁iPi⊗kVi→εV→0,

其中

d(p⊗v)=pa⊗v−p⊗Vav,ε(p⊗v)=Vpv.

d 的两项分别落在 i、j 标记的直和项。商掉其像后,可以逐箭把路径从张量左侧搬到 v 的作用上,最后只剩终点的长度0路径,故余核正是 V。

d 还单射。若一份非零有限线性组合落入核,取其中最长的 p;第一项 pa 比对应第二项长一步。正长度路径的第一条箭和余下路径唯一,因此最长的这些第一项无法互相抵消,也无法被更短的第二项抵消,矛盾。

应用 HomQ(−,W),再用 HomQ(Pi,W)≅Wi,便恢复式 (2),并得到所有 n≥2 的 ExtQn(V,W)=0。

维数检查与执行规模 ​

设 c0=∑idim⁡Vidim⁡Wi、c1=∑a:i→jdim⁡Vidim⁡Wj。选基后,δ 是一个 c1×c0 矩阵;逐顶点未知矩阵代入式 (1) 即可组装。对组装后的矩阵做稠密 Gaussian 消元,其域算术成本可界为 O(c0c1min(c0,c1)),存储为 O(c0c1);稀疏实现可能更省。

若秩为 r,秩–零化度定理给

dim⁡Hom=c0−r,dim⁡Ext1=c1−r.

两者相减不再含 r,这就是箭图 Euler 型的来源。可靠的计算应保留 δ 的矩阵及核/余核证书,而不仅报告一个维数。

参考资料
关系图谱21 个相邻概念 · 2 类关系

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