形式陈述
设 C ∙ 是非负的自由整数链复形,A 为任意 Abel 群。对它的逐次张量积 理路 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。 取链复形同调 理路 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。 ,记
H n ( C ; A ) = H n ( C ∙ ⊗ Z A ) , H − 1 ( C ) = 0. 同调泛系数定理给出自然短正合列
0 ⟶ H n ( C ) ⊗ A → ι H n ( C ; A ) → ρ Tor 1 Z ( H n − 1 ( C ) , A ) ⟶ 0. 左箭头在简单张量上为 [ z ] ⊗ a ↦ [ z ⊗ a ] 。短正合列可以分裂,但通常不能选出对所有链映射都自然的分裂。因此中间群与两端群的直和非典范同构,不能把一份任选的直和坐标当成自然结构。
这里的整数一次 Tor 理路 Tor 函子 Tor functor · Tor groups 张量积的左导出函子;以双数环的周期自由分解算出每阶 Tor,并证明分解无关性与无限投射维数。 可由长度一自由分解直接算:若 0 → B → i Z → H → 0 中 B , Z 自由,则
Tor 1 Z ( H , A ) = ker ( i ⊗ 1 : B ⊗ A → Z ⊗ A ) . 例如 Tor 1 Z ( Z / m , A ) = A [ m ] = { a : m a = 0 } 。主陈述用于奇异链或胞腔链时,就得到空间的换系数公式;它不需要各链群有限生成。
直觉
先取整数同调再张量,只能看到原来已经闭合的整数循环。换系数还可能使原本非零的边界变成零,令一个原来不闭合的高维链突然成为循环。这一部分由前一次数整数同调中的挠和系数群相遇产生,故右端使用 H n − 1 ,不是 H n 。
实射影平面的二胞腔 e 满足 ∂ e = 2 a 。模二后它成为循环,但整数 H 2 原本为零,所以无法靠 H 2 ⊗ F 2 找到它。Tor 项记下的正是这次边界失效。
从循环和边界导出短正合列
令 Z n = ker ∂ n 、B n = im ∂ n + 1 。整数自由群的子群仍自由,所以 Z n , B n 自由。序列
0 → Z n → C n → ∂ n B n − 1 → 0 因右端自由而分裂 理路 分裂正合列 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。 。选择截面,将 C n 写成 Z n ⊕ B n − 1 ;在这些坐标中,边界为
∂ n ( z , b ) = ( i n − 1 b , 0 ) , 其中 i n − 1 : B n − 1 ↪ Z n − 1 。分裂后取张量仍正合,且微分变成 ( z , b ) ↦ ( ( i n − 1 ⊗ 1 ) b , 0 ) 。
所以换系数后的 n 次循环由任意 z ∈ Z n ⊗ A 与满足 ( i n − 1 ⊗ 1 ) b = 0 的 b ∈ B n − 1 ⊗ A 组成;边界只出现在第一坐标,恰为 im ( i n ⊗ 1 ) 。因此
H n ( C ; A ) ≅ coker ( i n ⊗ 1 ) ⊕ ker ( i n − 1 ⊗ 1 ) . 张量的右正合性把第一项识别为 H n ( C ) ⊗ A ;自由分解 0 → B n − 1 → Z n − 1 → H n − 1 ( C ) → 0 把第二项识别为所述 Tor。这也证明存在分裂,而不是仅有一条未经计算的正合列。
哪些映射是自然的
虽然上述坐标用了截面,短正合列的箭头没有。ι 已由循环代表定义;ρ 由 C n ↠ B n − 1 在张量后的映射诱导,把一个新循环送到 ker ( i n − 1 ⊗ 1 ) 。边界在此投影下为零,所以 ρ 在同调上良好定义。
链映射把 Z n 送入 Z n ′ 、B n 送入 B n ′ ,并与包含和边界交换,因而与这两个箭头交换。系数同态 A → A ′ 同样逐张量相容。这就是短正合列的自然性;选定截面并无这种保证。
例子与边界
任意系数下的实射影平面
标准胞腔链是 Z → 2 Z → 0 Z ,故整数群为 H 0 = Z , H 1 = Z / 2 , H 2 = 0 。于是
H 0 ( RP 2 ; A ) = A , H 1 ( RP 2 ; A ) = A / 2 A , H 2 ( RP 2 ; A ) = A [ 2 ] . 最后一项就是 Tor 1 Z ( H 1 , A ) 。取 A = F 2 ,三项全为 F 2 ;取 A = Q ,只剩 H 0 = Q ;取 A = Z / 4 ,H 2 由二胞腔系数 2 生成,因为 2 ⋅ 2 = 0 ( mod 4 ) ,而系数 1 还不是循环。
不能自然选择的新循环
取 C 2 = Z x ⊕ Z y 、C 1 = Z b 、C 0 = Z ,唯一非零微分为 ∂ y = 2 b 。整数同调 H 2 = Z [ x ] 、H 1 = Z / 2 [ b ] 。模二 UCT 是
0 → F 2 [ x ] → F 2 [ x , y ] → F 2 → 0. 链自同构 T ( x ) = x , T ( y ) = y + x , T ( b ) = b 在两端的整数同调及相应 Tor 上均为恒等,但在中间将 [ y ] 变为 [ y + x ] 。右端生成元的任何提升只能是 [ y ] + c [ x ] ,c ∈ F 2 ,经 T 后都改变。因此不存在同时与所有链映射交换的分裂。这里反驳的是自然选择,不是否认每条序列分别可以分裂。
自由假设不能删除
若把 C 0 = Z / 2 、其余链群为零,再取 A = F 2 ,则实际 H 1 ( C ⊗ A ) = 0 ,但 Tor 1 ( H 0 ( C ) , A ) = F 2 。主公式会错误地要求向非零群满射。问题在于原复形不是自由链复形;不能把任意群列直接当成适用输入。
推论与应用
若 H n − 1 ( C ) 无挠,作为整数模它平坦,右端 Tor 为零,左箭头就成为自然同构。对有限生成同调,最常用的充分条件是 H n − 1 自由。若系数群平坦,例如 Q ,所有右端项同样消失。
实际换系数可走两条独立道路:先把整数边界矩阵逐项换系数再算核像,或先算整数同调并用本定理。两条路应相符。模二时新出现的顶维类,不能解释为“把整数同调群里所有数字改成模二”。
参考资料
Allen Hatcher,Algebraic Topology ,§3.A,pp. 261–265,特别是 Theorem 3A.3:自然 UCT、循环—边界分裂证明与非自然分裂。
原Tor 函子 理路 Tor 函子 Tor functor · Tor groups 张量积的左导出函子;以双数环的周期自由分解算出每阶 Tor,并证明分解无关性与无限投射维数。 页保留一般底环、分解无关性与双数环计算;本页把其中已有的 UCT 陈述发展为证明、自然性边界和空间换系数任务。