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定义Definition

分裂正合列

施工中 · 内容逐步修订

Split exact sequence · Splitting lemma

短正合列通过同态截面或回缩与子对象和商对象相容地分解。

形式陈述 ​

设 R-模的短正合列为

0⟶A→uB→vC⟶0.

若存在 R-模同态 s:C→B 使 v∘s=idC,则称它分裂,s 称为 v 的截面。以下条件等价:存在这样的截面;存在回缩 r:B→A 使 r∘u=idA;存在与原列箭头相容的同构

Φ:A⊕C⟶∼B,Φ(a,c)=u(a)+s(c).

这里“相容”意味着 Φ(a,0)=u(a) 且 vΦ(a,c)=c,不只是抽象地知道 B 与某个直和同构。由截面构造回缩时,每个 b∈B 都有唯一分解

b=(b−s(v(b)))+s(v(b)),

第一项落在 ker⁡v=imu,所以可以定义 r(b)=u−1(b−s(v(b))),得到 ru=1A。反过来,给定这样的 r,对 c∈C 选任意 b∈B 满足 v(b)=c,令 s(c)=b−u(r(b))。若改变 b,差值属于 u(A),恰好被 ur 扣除,因此 s 与选择无关,并满足 vs=1C。

直觉

短正合列说 A 正好占据 B 中被 v 压成零的部分,而 C 记录余下的商信息。分裂要求能在 B 内选择一份保持代数运算的 C:先从 C 提回 B,再投影出去必须原样返回。有了这份副本,B 的每个元素都能唯一拆成“核方向”和“商方向”,扩张中不再有把两者缠在一起的额外信息。

截面选择了哪一份 C 的副本,决定了具体的补模。如果 s,t 是两个截面,则 v(s−t)=0,所以它们的差落在 u(A) 中,可以唯一写成 s−t=u∘h,其中 h:C→A 是模同态。不同截面之间的自由度因此由 HomR(C,A) 描述。

例子与边界

向量空间的每个短正合列都分裂。给 u(A)⊆B 选一组基并扩充为 B 的基,剩余基向量张成补空间 W;限制 v|W:W→C 是同构,其逆与包含映射复合便给出截面。

例如在 0→R→uR2→vR→0 中,令 u(a)=(a,0)、v(x,y)=y。对任意 λ∈R,sλ(y)=(λy,y) 都是截面,给出的补空间为直线 x=λy。这些直线都与水平轴直和为整个平面;单凭正合列没有选定其中哪一条。

相反,对 n>1,

0⟶Z→×nZ→qZ/nZ⟶0

作为 Z-模不分裂。若有同态截面 s,则 s([1]) 应是 Z 中被 n 消去的非零元素,但 Z 无挠,矛盾。集合意义下可以为每个剩余类挑代表元,却不能让这种选择同时保持加法;因此集合截面不足以证明分裂。

群扩张还展示另一条边界:1→C3→S3→C2→1 分裂,因为一个换位给出 C2 的同态截面,但 S3 非阿贝尔,所以它是 C3⋊C2,不是 C3×C2。

推论与应用

分裂引理把截面、回缩与直和三种语言互相转换。若商对象 C 投射,就可将恒等映射 1C 沿满射 v 提升,得到截面;若子对象 A 内射,就可将 1A 沿单射 u 延拓,得到回缩。两种情形都把原短正合列拆成直和。

Abel 范畴之间的加性函子都保持分裂短正合列,因为它保持直和以及截面、回缩的复合恒等式。分裂扩张也正是 ExtR1(C,A) 中的零类;非零类则描述无法按这两个端点拆成直和的扩张。 组成列与 Jordan–Hölder 定理说明,不分裂扩张仍可与对应直和拥有完全相同的单模因子;单模清单没有记录截面是否存在。

参考资料
  • Joseph J. Rotman, An Introduction to Homological Algebra, 2nd ed., Springer, 2009, Chapter 1, split exact sequences and the splitting lemma.
  • Charles A. Weibel, An Introduction to Homological Algebra, Cambridge University Press, 1994, §1.3, split sequences and additive categories.
关系图谱16 个相邻概念 · 3 类关系

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