萬有係數定理(universal coefficient theorem)
一旦你算出了整係數同調,你會想得到任何其他係數的同調或上同調——有理數、有限域,或任何阿貝爾群 G——而不必重做整個計算。萬有係數定理就是這座橋:它把係數在 G 中的同調與上同調純粹用整係數同調群表達,這正是為何整係數同調是「萬有」的起點。
有兩半。對帶係數的同調:H_n(X; G) 落在短正合序列 0 -> H_n(X; Z) tensor G -> H_n(X; G) -> Tor(H_{n-1}(X; Z), G) -> 0 中,其中 Tor 是撓積,度量 G 如何與 H_{n-1} 中的撓相互作用。對上同調:H^n(X; G) 落在 0 -> Ext(H_{n-1}(X; Z), G) -> H^n(X; G) -> Hom(H_n(X; Z), G) -> 0 中,其中 Hom 是對偶,Ext 記錄移了一個次數的撓貢獻。兩個序列都(非典範地)分裂,故中間群作為抽象群是兩端的直和——但分裂並不自然,這在你追蹤映射時很重要。
實用之處時時可見。為得有理上同調,與 Q 張量殺死 Tor 與 Ext(它們對域 Q 消失),故 H^n(X; Q) 就是 Hom(H_n(X; Z), Q)——對偶向量空間,維數等於貝蒂數 b_n。為得模 2 上同調用 G = Z/2,Tor 與 Ext 項可非零,這正是整係數同調中的撓如何作為額外的模 2 類重新浮現。
誠實的微妙處:其一,分裂非自然,故雖然 H^n(X; G) 抽象上是 Hom 加 Ext,連續映射未必尊重該分解——切勿用分裂去追交換圖。其二,定理這個乾淨形式需要係數環是主理想整環(Z、域或 Z/p);在一般環上 Tor 與 Ext 項被一個譜序列取代。而上同調確實是對偶卻不單純是同調的對偶——Ext 項才是精確的修正。
取 RP^2,其整係數同調為 H_0 = Z、H_1 = Z/2、H_2 = 0。以 Z/2 係數,萬有係數定理給出 H_n(RP^2; Z/2) = Z/2 對 n = 0, 1, 2——H_1 中的撓透過 Tor 項在 H_2 中產生一個類。相對地在 Q 上,H_n(RP^2; Q) = Q 僅當 n = 0;撓消失,更高的有理同調為零。
RP^2 在 Z/2 與 Q 上的對比:撓造出額外的模 2 類,卻無有理類。
萬有係數序列的分裂非自然,故勿用它追蹤誘導映射;而乾淨的 Tor/Ext 形式要求係數位於主理想整環中。上同調僅在差一個 Ext 修正項的意義下是同調的對偶。