形式陈述
若 ,其中 为开子空间,则存在自然长正合列
这里 是交集到 的包含, 是两部分到 的包含。后续箭头按同一规律继续为
约化同调版本把低维末端也写成统一的长正合形状。
链级来源需要先定义小链子复形
对开覆盖,重心细分与切除定理公理库切除定理Excision theorem在适当内部包含条件下,从空间对中同时删去一块不会改变相对同调。的论证说明其包含映射诱导同调同构。随后有真正的短正合链复形
它诱导上述长正合列。更一般地,只要 ,同一 excisive triad 论证仍可使用,并不要求两者本身都开。
直觉
交集中的一条链可以分别看成 和 中的链,但若要把“两份相同内容”作为冗余消掉,它们必须带相反符号。因此第一张链映射把 送到 ;下一张映射再把两分量放回 并相加,得到 。负号不是排版习惯,而是保证复合为零、使短正合列成立的代数结构。
与 中的类若在交集处相差一个类,差映射会把这份重复或不兼容信息记录下来;能够协调的两边链则通过和映射拼成 中的链。长正合列逐维描述这个拼接过程:有些全局循环可以分别来自两边,有些却只能把两边的链拼起来形成,它们的接缝会被连接同态降一维送回 。
连接同态可以直接从链读取。给定 中的 -循环 ,先充分细分并写成
因为 ,有 ;这条共同边界同时属于 与 ,所以代表 中的类。按当前符号约定,
换一种分解只会改变一个来自前项的边界类,因此结果良定义。
圆周覆盖的 Mayer–Vietoris 接缝
例子与边界
用两个稍大的开弧带覆盖 ,使 、 都可缩,而 恰有两个可缩连通分支 。约化同调中
后一个群由两个分支的差 生成。相关正合片段化为
所以 。
链上可以看见这个同构。把有向圆周分成位于 的弧链 与位于 的弧链 ,使 绕圆周一周。 的边界是一端减另一端,两个端点分别落在 ;连接同态便把圆周基本类送到 。一维洞不是藏在任一可缩开弧里,而是由交集有两个分支这一粘接信息产生。
同样把 覆盖为两个可缩的加厚半球,交集形变收缩到 ,可递推得到
最终得到顶维 、其余约化同调为零。该递推依赖两边可缩和交集的准确同伦型;只画一条“上半球—下半球”示意图而不核实覆盖条件并不足够。
若只取两个闭子集且其内部不覆盖 ,大奇异单形未必能通过允许的细分落进其中一边,短正合链复形便没有依据。特征为 时 ,负号在数值上不可见;在整数或一般系数下不能省略它。连接同态的整体正负号可能随教材约定改变,但一旦固定第一张差映射,整条序列必须保持一致。
推论与应用
同调正合列公理库同调正合列Exact sequence in homology空间对或链复形短正合列诱导的长正合群列。提供从短正合链复形到长正合列的代数机制,切除负责证明小链与全部奇异链计算同一同调。开覆盖公理库开集Open set拓扑中被指定为开放的子集,是邻域、连续性与局部构造的基本单位。和奇异单形公理库奇异单形Singular simplex标准单形到拓扑空间的连续映射。只在这一步承担几何职责;得到序列后,实际计算转化为已知群之间的核、像与连接映射。
Mayer–Vietoris 可递归计算球面、楔和与曲面的同调,也可比较空间在附加一块后哪些类被创造或消灭。它与 Seifert–van Kampen 定理都体现局部到整体,但前者处理各维阿贝尔同调群,后者处理基本群的推出结构;两者不能仅凭“都是粘接定理”而互换。上同调还有兼容的序列,并可进一步追踪杯积等乘法结构。
参考资料
- Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, §2.2.
- Glen E. Bredon, Topology and Geometry, Springer, 1993, Ch. IV.