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定义Definition

短正合列

Short exact sequence · Short exact extension

以单态射、满态射和中间正合性把子对象、扩张对象与商对象连接起来的三项正合列。

形式陈述 ​

在Abel 范畴 A 中,短正合列是形如

0⟶A→iB→pC⟶0

的正合列。端点正合说明 i 为单态射、p 为满态射;在 B 处正合说明

imi=ker⁡p.

等价地,i 连同其源对象给出 p 的核,而 p 连同其靶对象给出 i 的余核。于是 A 可识别为 B 的子对象,C 可识别为相应商对象;箭头 i,p 指定了这两个识别。

两个端点同为 A,C 的短正合列称为等价扩张,如果存在中间对象同构 ϕ:B→B′ 使下图交换并在两端为恒等:

0⟶A→iB→pC⟶0‖ϕ↓≅‖0⟶A→i′B′→p′C⟶0

若存在截面 s:C→B 使 ps=1C,等价地存在回缩 r:B→A 使 ri=1A,则短正合列分裂。此时 B≅A⊕C,且同构必须与 i,p 相容。

直觉

短正合列把 B 描述为 C 被 A 扩张的结果。在模的例子中,每个 c∈C 都有原像;选定其中一个原像后,其余原像恰好相差 i(A) 中的元素。因此每个商元素都对应 B 中的一整类元素,而 A 控制同一类内部的差异。

分裂要求能为所有 c 同时选取原像,并让这种选择保持模运算。这样的截面给出 C 在 B 中的一份副本,与 i(A) 一起构成直和。固定 A,C 后,不同的扩张未必都能这样拆开;Ext1 分类的正是这些扩张的等价类。

例子与边界

对 n>1,整数模给出短正合列

0⟶Z→×nZ→qZ/nZ⟶0.

乘 n 单射,q 满射,且 ker⁡q=nZ 恰为前一映射的像。它不分裂:若有群同态截面 s,则 s([1]) 应满足 ns([1])=s([n])=0;但 Z 无非零 n-挠元,同时 q(s([1]))=[1] 又迫使它非零。

与此相对,向量空间的每个短正合列都分裂。选取 i(A) 的一组基并扩充为 B 的基,新增基向量张成补空间 W。限制映射 p|W:W→C 是同构,将它的逆与包含 W↪B 复合,就得到截面。

可以分别检查端点与中间位置。例如

0→Z→×2Z→0Z→0

中,从中间 Z 到右侧 Z 的零映射并非满射,且它的核是整个 Z,大于前一映射的像 2Z。因此这条列在两个位置失去正合性,虽然相邻复合仍为零。

端点也不能单独决定中间对象。0→Z/2→Z/4→Z/2→0 中,嵌入把 [1]2 送到 [2]4,投影按模 2 取值;这条列不分裂,因为 [1]2 的两个原像 [1]4,[3]4 都有阶 4。而用 Z/2⊕Z/2 作中间项、配上自然嵌入与投影,就得到相同端点间的分裂扩张。

推论与应用

若链映射 A∙→B∙→C∙ 在每个次数组成短正合列,就会诱导同调长正合列。将 C 中的循环提升到 B 后,它的边界来自 A;这一步给出降低一次数的连接态射,其良定义性与正合性由蛇引理建立。

投射模 P 的特征之一是每个以 P 为商的短正合列分裂;内射模 I 对偶地使每个以 I 为子模的短正合列分裂。

短正合列也用来检验函子的正合性。对于有足够多内射对象的 Abel 范畴,左正合协变加性函子保留左端的单射与中间的核像关系,右端失去的满射性则由右导出函子的连接态射记录。

参考资料
  • Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994,§§1.3–1.4。
  • Joseph J. Rotman, An Introduction to Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 2009,Ch. 1, §§1.2–1.3。
  • Peter J. Hilton and Urs Stammbach, A Course in Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 1997,Ch. II, §§2–3。
关系图谱29 个相邻概念 · 3 类关系

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