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複形與同調:度量正合性的失敗

鏈複形是相鄰映射複合為零的一列。同調度量「死去之處」與「誕生之處」之間的差距。整個學科都建立在這一個想法之上。

d 的平方等於零

環 R 上鏈複形是一列複合後歸零的映射。寫成 ... → C_2 → C_1 → C_0 → 0,邊緣映射 d_n: C_n → C_{n-1},服從唯一的神聖法則 d_{n-1} ∘ d_n = 0。這一條件說每個映射的像落在下一個映射的核裡面:im d_{n+1} ⊆ ker d_n。整個學科都源於追問像比核小多少。

ker d_n 的元素稱為閉鏈(記作 Z_n)——被送到零的東西。im d_{n+1} 的元素稱為邊緣(記作 B_n)——從高一維來的東西。因為 d² = 0,每個邊緣都是閉鏈:B_n ⊆ Z_n。第 n 個同調就是把邊緣遺忘掉的商:

H_n(C) = ker d_n / im d_{n+1} = Z_n / B_n

Intuition:
  cycles    = things that COULD be boundaries
  boundaries= things that ALREADY are boundaries
  homology  = cycles that are NOT boundaries  (the leftover)

If H_n = 0 for all n, the complex is EXACT: image = kernel everywhere.
Homology is precisely the obstruction to exactness.
同調 = 閉鏈模去邊緣。零同調意味著完美的正合。

一個可以手算的複形

取 R = ℤ。考慮兩項複形 0 → ℤ →(×2) ℤ → 0,唯一非平凡的映射是乘以 2,置於第 1 與第 0 度。顯然 d² = 0(沒有東西可複合)。現在計算。在第 1 度,ker(×2) = 0,又沒有進入的映射,所以 H_1 = 0。在第 0 度,閉鏈是整個 ℤ(外出映射為零),邊緣是 im(×2) = 2ℤ。所以 H_0 = ℤ / 2ℤ。

Complex:        0 -> Z --(x2)--> Z -> 0   (degrees 1, 0)

Degree 1:  Z_1 = ker(x2) = 0
           B_1 = im(of map into degree 1) = 0
           H_1 = 0/0 = 0

Degree 0:  Z_0 = ker(0 map out) = Z
           B_0 = im(x2) = 2Z
           H_0 = Z / 2Z  =  Z/2Z

Reading: the map x2 is injective (H_1=0) but NOT surjective;
H_0 = Z/2Z is exactly the cokernel, the 'how-far-from-onto' group.
H_1 看到單射的失敗;H_0 是餘核,看到滿射的失敗。

複形的映射與擬同構

鏈映射 f: C → D 是一族映射 f_n: C_n → D_n,與邊緣映射交換:f_{n-1} ∘ d_n = d_n ∘ f_n。與 d 交換意味著 f 把閉鏈送到閉鏈、邊緣送到邊緣,於是它下降為同調上的同態 H_n(f): H_n(C) → H_n(D)。這正是同調作為函子的含義——這一主題在範疇論的那一軌展開。

當每個 H_n(f) 都是同構時,鏈映射稱為擬同構——儘管兩個複形外表毫不相像,它們卻有相同的同調。這是同調代數中「相同」的正確概念:我們關心同調,而非複形本身。同一個模的兩個天差地別的分解將是擬同構的,這恰恰是我們提取的不變量良定的原因。