形式陈述
标量本身随位置变化时,线性代数应怎样局部化?设 上给定交换含幺环层公理库层与函数芽Sheaf · Presheaf · Stalk · 层 · 预层 · 茎用限制映射与唯一粘合定义层,区分函数芽和点值,证明截面与层同构可由茎检验,并从拓扑基上的数据构造整空间的层。 。一个 -模层 是Abel群层,并且对每个开集 , 是 -模公理库模Module以含幺环元素作标量、以阿贝尔群作加法结构的代数对象。,限制映射满足
因此各茎 自然成为 -模。模层态射在每个开集上须对相应截面环线性,并与全部限制交换。
若环层不交换,同样可要求每个开集上的截面为左模、限制与左作用相容,从而定义左模层。下面的张量层公式仍采用交换环层;非交换时应将右模层与左模层作平衡张量,结果首先是 Abel 群层,不能自动当成同一环层上的左模层。
对两个模层,张量积层定义为预层
的层化公理库层化Sheafification · Associated sheaf由局部可表示芽族构造层化,证明茎保持与泛性质,并用圆周角度商和两点预层展示新增与识别截面的两种作用。,记作 。其茎为
局部标量环、茎上的模以及剩余域上的纤维是三个不同层次,不能一律当作同一个向量空间。
直觉
在开集 中,可用的标量是 上的函数;缩小开集时,函数和被它乘的截面一起限制。模层要求这两种限制相容,因此能把局部方程及其解组织到同一个空间上。
光滑向量场构成光滑函数层上的模层;概形上的理想层也构成结构层上的模层。前者局部像固定秩自由模,后者可以在某些位置出现挠元、消失或失去自由性。模层这个概念允许这些不同局部行为。
例子与边界
只在原点留下内容的模层
取仿射概形公理库概形与结构层Scheme · Structure sheaf · 概形在主开集上清分母证明结构层的粘合与茎公式,用双数区分拓扑点和局部环,再把两条仿射线粘成射影直线并计算全部全局正则函数。 ,结构层记为 。令
商在层范畴中形成。为核验其全局截面,考虑在含原点的开集上取值为 、在不含原点的开集上取值为0的层 。正则函数在原点取值给出 ;常数函数使它局部满射,其核逐茎等于 。因此 ,特别地 。这里没有将一般商层的全局截面擅自等同于全局截面的商。
在主开集 上, 已是单位,所以 。在原点对应的极大理想 处,
在其他素理想处, 不属于该素理想,局部化后可逆,所以茎为0。这份层把一个代数约束集中在原点。
对比结构层本身: 仍包含在原点附近合法的分式,绝不等于 。只有再商掉极大理想,得到剩余域 ,才是函数在该点的值。茎保留邻域内的代数关系,纤维只保留将局部标量压成点值后的结果。
张量层同样会失去左正合性
乘以 给层短正合列
各局部环都是整环中的局部化,因此首映射确实单射。与 作张量积公理库张量积Tensor product把双线性映射统一因子化为线性映射,并可在交换环上的模中以平衡关系构造的张量积。后,得到
并有 。第一条箭变成零,因为 。在原点茎上,它就是 ,所以不再单射。
层化没有修复张量积固有的非左正合性;它修复的是局部粘合。两种问题不可混同。
推论与应用
张量公式为什么可以逐茎计算
茎中的纯张量由两份芽组成,先选在同一个小邻域上的代表,就能得到截面张量的一个芽。有限和也可在有限个邻域的交上同时表示,因此式 (1) 满射。
张量积中的关系只涉及有限个元素和有限次加法、平衡变换。若一个代表在茎张量积中为零,将这些有限关系全部缩到共同小邻域后,原截面张量的芽也已为零。这给单射。最后,层化不改变茎,所以得到式 (1)。
由逐茎正合判据公理库层的正合列Exact sequence of sheaves · Stalkwise exactness区分层的局部满射与截面满射,用圆周一形式的两个接缝差解释逐茎正合及全局提升障碍。,张量层的右正合性可还原为普通模张量积的右正合性。若每个 都是平坦公理库平坦模Flat module · Flatness张量后保留所有单射的模;以整数短正合列和局部化证明有理数模平坦但不投射。 -模,则与 张量保持短正合列;上一例的原点茎不满足这一条件。
局部Hom也组成层
正确的内部Hom层为
右边是整个 上两份限制层之间的态射,而不只是截面模之间的任意同态。若局部态射在交集一致,就对每个截面逐片作用,再用 的层条件粘合,得到全局态射。
如果仅写 ,则尚未规定该同态怎样对更小开集作用,也没有自动的限制映射;不能直接把它当作内部Hom的定义。
自检:在 上计算 的原点茎与 截面。答案分别为 和0。再把 换为 ,原点茎成为局部环本身;这一步应能保持“局部模”与“点上向量空间”的区别。
参考资料