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图表追逐:蛇形引理与五引理

学习这门学问的手艺:在交换图中追逐元素。我们干净地证明五引理,并手算蛇形引理,凭空造出连接同态。

如何追逐一个元素

当任意两点之间的每条路径都给出相同的复合映射时,图表交换短正合列 0 → A → B → C → 0 打包了三个事实:A → B 是单射,B → C 是满射,且 A → B 的像等于 B → C 的核。图表追逐就是从某处的一个元素出发,沿箭头推动它,利用正合与交换来确定它必然去往何处或来自何处的技术。

五引理的完整追逐

五引理说:在两行各五项、行均正合的交换图中,若外侧四个竖直映射是同构,则中间那个也是。实践中你只需更弱的假设,而追逐它是入门礼。这里是满射那一半,写成你能跟上每一次拉动的样子。

Two exact rows, vertical maps f1..f5:

  A1 --a--> A2 --b--> A3 --c--> A4 --d--> A5
  |f1       |f2       |f3       |f4       |f5
  v         v         v         v         v
  B1 --p--> B2 --q--> B3 --r--> B4 --s--> B5

Claim (surjectivity of f3): assume f2, f4 surjective, f5 injective.
Goal: every y in B3 has a preimage in A3.

1.  Push y down-stream: let z = r(y) in B4.
2.  f4 onto => pick x4 in A4 with f4(x4) = z.
3.  Check x4 dies under d: f5(d x4) = s(f4 x4) = s(r y) = 0
    (rows exact: s . r = 0). f5 injective => d(x4) = 0.
4.  Row exact at A4 => x4 = c(x3) for some x3 in A3.
5.  Compare f3(x3) with y: r(f3 x3) = f4(c x3) = f4(x4) = r(y),
    so r(y - f3 x3) = 0.  Exact at B3 => y - f3(x3) = q(w), w in B2.
6.  f2 onto => w = f2(x2), x2 in A2.  Then
    f3( x3 + b(x2) ) = f3(x3) + q(f2 x2) = f3(x3) + (y - f3 x3) = y.

Done: x3 + b(x2) is the preimage.  f3 is surjective.
每一步只用单个方块的正合性或交换性。这就是全部把戏。

单射那一半是镜像,使用 f2、f4 单射与 f1 满射。两半合起来给出:若 f1、f2、f4、f5 是同构,则 f3 也是。记住招式,而非结论——这门学问里的每一次追逐都正由这些拉动拼装而成。

蛇形引理与连接映射

现在是明珠。蛇形引理接受一个行均正合的交换图,其中两条短正合列通过竖直映射 f、g、h 叠起。它产出一条把核与余核编织在一起的长正合列——关键是一个全新的映射 δ,即连接同态,原始资料中并不存在它。δ 诞生于一次图表追逐,它是这门学问中每条长正合列背后的引擎。

Rows exact, columns f, g, h:

     0 -> A --i--> B --p--> C -> 0
          |f       |g       |h
     0 -> A'--j--> B'--q--> C'-> 0

Snake lemma output (one long exact sequence):

  0 -> ker f -> ker g -> ker h --d--> coker f -> coker g -> coker h -> 0

Building the connecting map d: ker h -> coker f, by chasing c in ker h:
  - p is onto: pick b in B with p(b) = c.
  - g(b) maps to 0 in C':  q(g b) = h(p b) = h(c) = 0.
  - exact at B': g(b) = j(a') for a UNIQUE a' in A'  (j injective).
  - define d(c) = a' + im f  in coker f.

Well-defined: a different lift b -> b + i(a) changes g(b) by g(i a)
  = j(f a), shifting a' by f(a) -- which is 0 in coker f.  So d is honest.
连接同态 δ: ker h → coker f,由“先抬升再下降”召唤而出。这就是蛇的一咬。