形式陈述
计算层上同调时,何时可以换掉难以显式写出的内射分解?称Abel群层 A 对 Γ ( X , − ) 无上同调 ,如果
H q ( X , A ) = 0 ( q > 0 ) . 这里并不要求 H 0 为零。“无上同调”总要说明相对于哪个函子或哪个空间。
无上同调分解定理。 若层序列
(1) 0 → F → A 0 → d 0 A 1 → d 1 ⋯ 在层的意义下正合 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。 ,且每个 A j 对 Γ ( X , − ) 无上同调,则
(2) H n ( X , F ) ≅ H n ( Γ ( X , A ∙ ) ) . 左边是层上同调 公理库 层上同调 Sheaf cohomology 定义全局截面的右导出群,构造足够内射层,并算出圆周变号整数层中含2阶挠元的一次上同调。 ;右边是已知截面群复形的上同调 公理库 链复形的同调 Homology of a chain complex · Homology object 以每次边界算子的核模去前一次边界算子的像所得的正合缺陷。 ,即核模像。分解项不必内射。
两个重要的充分条件是:
flasque(松弛层) :对任意开集 V ⊆ U ,限制 A ( U ) → A ( V ) 满射。任意拓扑空间上的flasque层都无高阶上同调。
fine(细层) :对任意局部有限开覆盖 ( U i ) ,存在层自同态 η i ,其支撑闭包包含于 U i ,且局部有限和 ∑ i η i = id 。在仿紧Hausdorff空间上,fine层无高阶上同调。
自同态的支撑是其非零茎所在点集的闭包。局部有限与支撑条件保证下面出现的求和和零延拓有意义。
直觉
内射分解 公理库 内射分解 Injective resolution 从给定模嵌入并向高次数延伸、由内射模组成且正次数无上同调的增广复形。 保证任何相关提升问题都能处理,条件很强。式 (2) 实际只需要分解项对“取全局截面”这一个操作没有高阶障碍。
flasque层把任意局部截面直接延拓出去;fine层则把各片贡献乘上只在该片起作用的权重,再相加。两者的机制不同。光滑函数层是fine,却通常不是flasque:( 0 , 1 ) 上的函数 1 / x 不能延拓成 R 上的光滑函数。
例子与边界
单位分解如何消去Čech余循环
设 X 是仿紧Hausdorff光滑流形,A 是光滑函数层 C X ∞ 上的模层。对局部有限覆盖 ( U i ) ,取从属的单位分解 公理库 单位分解 Partition of unity 用局部有限、非负且和为一的光滑函数族从属于开覆盖并粘合局部构造。 ( ρ i ) ,满足 supp ρ i ⊂ U i 及 ∑ i ρ i = 1 。乘 ρ i 就给出fine定义中的自同态。
把Čech余链 公理库 Čech 上同调 Čech cohomology · Cech cohomology 以圆周两弧的两个接缝算出整数粘合障碍,定义固定覆盖的Čech复形并说明比较定理的条件。 延拓为交替指标记号,重复指标时置零。对 p ≥ 1 ,定义
(3) ( h c ) i 0 ⋯ i p − 1 = ∑ j ρ j c j i 0 ⋯ i p − 1 . 每个乘积最初只在 U j ∩ U i 0 ∩ ⋯ ∩ U i p − 1 上定义。由于 ρ j 的闭支撑留在 U j 内,它可以零延拓到整个 U i 0 ∩ ⋯ ∩ U i p − 1 。局部有限性保证和仍是截面。
展开差分可得
( h δ c ) i 0 ⋯ i p = ∑ j ρ j ( c i 0 ⋯ i p + ∑ r = 0 p ( − 1 ) r + 1 c j i 0 ⋯ i r ^ ⋯ i p ) = c i 0 ⋯ i p − ( δ h c ) i 0 ⋯ i p . 所以 δ h + h δ = id 。若 δ c = 0 ,则 c = δ ( h c ) :接缝障碍被权重明确地消掉,而不仅是抽象知道某个群为零。
圆周上的积分成为余核坐标
圆周上有正合分解
0 → R ― → C ∞ → d Ω 1 → 0. 它逐茎正合,因为一形式在小区间上可积分。两项 C ∞ , Ω 1 都是fine层,故式 (2) 给
H 1 ( S 1 , R ― ) = Ω 1 ( S 1 ) / d C ∞ ( S 1 ) . 用 S 1 = R / Z 的坐标,一形式写成 a ( t ) d t ,其中 a 为1周期光滑函数。积分
[ a ( t ) d t ] ⟼ ∫ 0 1 a ( t ) d t 给出该商与 R 的同构:恰当形式积分为零;若积分为零,微积分基本定理 公理库 微积分基本定理 Fundamental theorem of calculus 积分与求导在适当连续性条件下互为逆过程。 给出的原函数 f ( t ) = ∫ 0 t a ( s ) d s 为1周期,能够下降到圆周。常数形式 c d t 则实现任意实数 c 。
为什么整数扭曲不会被光滑权重抹掉
圆周变号整数层 L 不是 C ∞ -模层。把一个整数乘上 ρ j ( x ) 通常不再是整数,式 (3) 不能用于它。事实上它的 H 1 = Z / 2 非零,已经证明它不可能是fine层。
同样,代数正则函数或全纯函数一般没有这样的紧支撑单位分解。光滑范畴中成立的收缩,不能直接搬到代数或全纯层。
推论与应用
分解定理的维数移动证明
令 Z 0 = F ,Z j = ker d j ,其中把 F 与 ker d 0 识别。式 (1) 拆成短正合列
0 → Z j → A j → Z j + 1 → 0. 因为 A j 无高阶上同调,长正合列把下述截面映射的余核 公理库 余核 Cokernel · 余核对象 将目标模中已被同态像命中的部分商去,留下映射未覆盖方向的泛性质对象。 识别为一次上同调,并给出
coker ( Γ A j → Γ Z j + 1 ) ≅ H 1 ( X , Z j ) , 以及 H q ( X , Z j + 1 ) ≅ H q + 1 ( X , Z j ) ,q ≥ 1 。而截面函子保持核,所以对 n ≥ 1 ,右侧复形的第 n 次上同调是
Γ Z n / im ( Γ A n − 1 ) ≅ H 1 ( X , Z n − 1 ) ≅ H n ( X , F ) . n = 0 由左正合性直接得到。这证明式 (2),也指出每项无上同调的假设究竟用在哪里。
flasque为什么足够
若短正合列 0 → A → B → C → 0 的核 A flasque,那么 C 的局部提升可以逐片扩张。已在开集 V 上选好提升,又在 W 上选到一份时,两者在交上相差 A 的截面;把这个差延拓到 W ,从新提升中减去,便能与旧提升粘合。把兼容的局部提升按延拓排序,链的上界由层粘合给出;Zorn 引理 公理库 佐恩引理 Zorn's lemma 若偏序集中每条链都有上界,则该偏序集存在极大元。 的极大性论证使提升覆盖全部目标开集。
因此截面序列满射。若 B 也flasque,先提升到 B 再延拓,还证明 C flasque。把 A 嵌入内射层;内射层flasque,余核仍flasque。对长正合列反复作维数移动,即得所有正次群为零。
fine无上同调的另一种核验
在光滑模层范畴中,给定满层态射与一个全局目标截面,先选局部提升 s i ,再取 ∑ i ρ i s i ,就得到全局提升。故 Γ 在这个模层范畴中其实正合。取模层内射分解时,每项flasque;忘记标量后,它仍是计算底层Abel群层上同调的无上同调分解。于是正次群确实为零。这一步把Čech收缩与导出函子的定义接起来。
一般fine层 A 可作同样处理:令环层 R = H o m ( A , A ) ,乘法为复合。fine定义中的 η i 是 R 的全局截面,构成该环层的单位分解。R 可能不交换;A 是其左模层 公理库 模层 Sheaf of modules · O-module sheaf 将局部函数作为标量定义模层,计算原点支撑的商层及张量失败,并区分茎、纤维和内部Hom。 ,以上加权提升论证照样成立。仿紧Hausdorff条件保证任意局部提升覆盖可细化为所需的局部有限覆盖。
检验一份候选计算分解时,应分别给出逐茎正合的理由、每一项无上同调的理由,以及取全局截面后的实际差分。仅把一个正合列画得像内射分解,不能保证式 (2)。
参考资料