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1. 图表和正合序列
1. 图表
对于例,A,B,C,D,E 为 5 个集合,并令 f 为映射,从 A 到 B,g 映射,从 B 到 C,h 映射从D到E,u映射从B到D以及v映射从C到E。为了总结这种情况,我们经常使用图表;对于例,上述情况总结如下
(*) 除§ 4外,章的结果仅取决于书籍I至VI。
图表(集合理论,章II, § 3, no. 4)
AfB↓uD↓vEh
(1)
在这样的符号AfB的图表群中,示意性地表达了从A到Bf是映射的事实。如果f没有歧义,我们会隐藏字母f并简单地写为A→B。
当 A,B,C,D,E 为群(或可交换的群)且 f,g,h,u,v 群同态时,图表 (1) 被缩写为图表或群(或可交换的群)。
在原理中,图表不是一个数学对象,而只是一个为了方便阅读论证而设计的图形。在实践中,图表经常被用作缩写符号,以避免命名所有正在考虑的集合和映射;因此,我们说“考虑图表(1)”而不是说“让A,B,C,D,E为五个集合...以及从C到E的v映射”;请参阅 no. 4 中命题 2 的例叙述。
2. 可交换图表
对于例,考虑以下图表:
Aa↓A′ff′Bb↓B′gg′Cc↓C′hh′Dd↓D′
(2)
对于每条由段、图表的某个数、第一个线段的开头所代表的对应、映射、集合的箭头所示方向遍历到最后一个线段的结尾所代表的集合所组成的路径,即映射的合成由遍历的各个段表示。对于图表的每个顶点,对于例 B,按照约定,有一条简化为 B 的路径,其中对应恒等映射 1,
(2) 例有 3 条从 A 开始到 C′ 结束的路径; 相应的映射是c∘g∘f,g′∘b∘f和g′∘f′∘a。如果对于图表中具有相同起点和终点的每条对路径,相应的映射相等,则图表是可交换的;特别是如果路径重合相应的映射的开头和结尾必须是同一元。
对于图表 (2) 是可交换的,关系是充分必要的
f′∘a=b∘f,g′∘b=c∘g,h′∘f=d∘h; 持有;在其他字中,(2)中包含的三个平方图表可交换是充分必要的。对于关系 (3) 意味着从 c∘g=g′∘b 开始为 c∘g∘f=g′∘b∘f,从 b∘f=f′∘a 开始为 g′∘b∘f=g′∘f′∘a;因此,从A开始到C′结束的三个路径给出相同的映射。可以类似地验证从A开始到D′结束的4条路径(分别从B开始到D′结束的3条路径)给出相同的映射。 关系 (3) 表示从A(分别为B、C)开始到B′(分别为C'、D')结束的两条路径给出相同的映射。 (2) 的其他对顶点都不能由多条路径连接,因此图表 (2) 是可交换的。
下面我们将让读者验证图表的其他型的类似结果。
3. 正合序列
回忆一下以下定义(代数、章II, § 1, no. 4):
令A为环、F,G,H三个右(左)A模块、F至G的f同态以及g同态 G 至 H。如果g−1(0)=f(F),有序对 (f,g) 称为正合序列,即g 的核等于f 的像。
图表
FfGgH 也称为正合序列。
类似地考虑四个模和三个同态中的图表由……组成:
EfFgGhH. 如果图表 EfFgG 是正合序列,则该图表被认为精确于F;如果 FgGhH 是正合序列,则据说精确于 G。如果 (5) 在 F 和 G 处精确,则称它是精确的,或者也是正合序列。 正合序列与项中的任意数的定义类似。
回想一下以下结果(前述),其中 E,F,G 表示右(左)
A-模,箭头代表同态,0表示模减少到单位元素:
(a) 说 0→EfF 是正合序列等价于说 f 是单射的。
(b) 说 EfF→0 是正合序列等价于说 f 是满射。
(c) 说0→EfF→0是正合序列等价于说,f是双射,即f是E到F的同构。
(d) 如果F是E的子模并且i表示F的典范嵌入进入E并且p典范满射进入E进入E/F, 图表
0⟶FiEpE/F⟶0 是正合序列。
(e) 如果:E→F 是同态,图表
0⟶f−1(0)iEfFpF/f(E)⟶0 (其中i是(0)的典范嵌入进入E和p,F/f(E)的规范投影)是正合序列。
(f) 图表
EfFgG 为正合序列,存在模、S、T和同态、a:E→S、b:S→F、c:F→T和d:T→G是充分必要的,使得f=b∘a, g=d∘c 和三个序列 E00a⟶⟶SST⟶bd0FGcT⟶0 准确地说。
最后回想一下当且仅当:E→F是A-模同态,我们集合Ker(f)=f−1(0)、Im(f)=f(E)、Coim(f)=E/f−1(0)和Coker(f)=F/f(E)。有了这个记号,就可以在(9)中取S=Im(f)=Ker(g)和T=Im(g)(与Coker(f)自然同构)。
4. 蛇图表
考虑交换性群的交换性图表:
Aa↓A′uu′Bb↓B′vv′Cc↓C′
被以下引用 3
被以下引用 命题 2, 引理 7, I § 2, 命题 7, I § 2
假设 (10) 的两行是精确的。然后:
(i) 如果 c 是单射的,我们有
(11) Im(b)∩Im(u′)=Im(u′∘a)=Im(b∘u).
(ii) 如果 a 是满射,我们有
(12) Ker(b)+Im(u)=Ker(v′∘b)=Ker(c∘v).
让我们证明(i)。显然
Im(u′∘a)=Im(b∘u)⊂Im(b)∩Im(u′).
相反,设x∈Im(b)∩Im(u′)。存在y∈B使得x=b(y)。作为 v′∘u′=0,我们有 0=v′(x)=v′(b(y))=c(v(y))、从而 v(y)=0,因为 c 是单射的。由于(u,v)是正合序列,因此存在z∈A使得y=u(z),从而x=b(u(z))。
让我们证明(ii)。由v∘u=0和v′∘u′=0可知
Ker(b)+Im(u)⊂Ker(v′∘b)=Ker(c∘v).
相反,令x∈Ker(v′∘b)。那么 b(x)∈Ker(v′) 并且存在 y′∈A′ 这样 u′(y′)=b(x),因为序列 (u′,v′) 是精确的。由于 a 是满射,因此存在 y∈A 使得 a(y)=y′, 从而 b(x)=u′(a(y))=b(u(y));接下来是x−u(y)∈Ker(b),从而完成证明。
考虑交换性群的交换性图表:
Aa↓A′uu′Bb↓B′
那么存在且仅有一个同态u1:Ker(a)→Ker(b)和且仅有一个同态u2:Coker(a)→Coker(b)使得图表
Ker(a)i↓Au1Ker(b)j↓B
和
A′p↓Coker(a)u′u2B′q↓Coker(b)
是可交换的,i 和 j 表示典范嵌入,p 和 q 典范满射。
如果x∈Ker(a),则a(x)=0和b(u(x))=u′(a(x))=0,因此u(x)∈Ker(b),并且u1的存在性和唯一性则为直接的。类似地,我们有 u′(a(A))=b(u(A))⊂b(B),然后通过商 u′ 得到同态 u2:Coker(a)+Coker(b),这是 (15) 唯一可交换的同态。
现在让我们从交换群的*交换*图表(10)开始; 对应到引理 1 图表
Ker(a)i↓Aa↓A′⋮⋯→Coker(a)u1u⟶u2Ker(b)j↓Bb↓B′⋮Coker(b)v1v⟶v2Ker(c)k↓Cc↓C′⋮Coker(c)
其中 i,j,k 是典范嵌入、p,q,r 典范满射和 u1,u2(分别为 v1,v2)同态与 u,u′(分别为 v,u′)通过引理规范关联 1. 立即验证这个图表是可交换的。
假设在交换律中图表 (10) 序列 (u,v) 和 (u′,u′) 是精确的。然后:
引用了 1 · 被以下引用 10
引用了 命题 1
被以下引用 § 1. 图表和正合序列, 习题 7, § 1, 注, 推论 1, 推论 2, 命题 4, I § 2, 命题 5, II § 3, 定理 1, VI § 8, 引理 3, VII § 4, 命题 16, VII § 4
(一)v1∘u1=0;如果 u′ 是单射的,则序列 (u1,v1) 是精确的。 (ii) v2∘u2=0;如果 v 是满射,则序列 (u2,v2) 是精确的。 (iii) 假设 u′ 是单射,v 是满射。那么存在且仅有一个同态 d:Ker(c)→Coker(a) 和以下性质:如果x∈Ker(c)、y∈B 和t′∈A′ 满足关系 v(y)=k(x) 和u′(t′)=b(y),则d(x)=p(t′)。而且序列
(*)
Ker(a)Coker(a)u1u2Ker(b)Coker(b)v1v2Ker(c)Coker(c)d
是准确的。
让我们证明(i)。由于u1和v1分别与u和v到Ker(a)和Ker(b)的限制具有相同的图,因此我们有v1∘u1=0。然后
Ker(v1)=Ker(b)∩Ker(v)=Ker(b)∩Im(u)=Im(j)∩Im(u). 但是,通过命题 1,(i),如果
u′ 是单射的,则
Ker(v1)=Im(j∘u1)=Im(u1)。
让我们证明(ii)。由于u2和v2是由u和v取商得到的,所以显然v2∘u2=0。假设 v 是满射;由于 q 和 p 是满射的,因此根据假设和命题 1,(ii)
Ker(v2)=q(Ker(v2∘q))=q(Ker(v′)+Im(b))=q(Ker(v′))=q(Im(u′))=Im(q∘u′)=Im(u2∘p)=Im(u2).
最后让我们证明(iii)。对于x∈Ker(c),存在y∈B,使得v(y)=k(x),因为v是满射;此外,v′(b(y))=c(k(x))=0,因此存在一个*唯一*t′∈A′,使得u′(t′)=b(y),因为u′是单射的。我们现在证明元素p(t′)∈Coker(a)是元素y∈B*独立*,使得v(y)=k(x)。因为如果y′∈B是另一个元素,使得v(y′)=k(x),则y′=y+u(z),其中z∈A;我们证明,如果 t′′∈A′ 使得 u′(t′′)=b(y′) 那么 t′′=t′+a(z);为了
u′(t′+a(z))=u′(t′)+u′(a(z))=b(y)+b(u(z))=b(y+u(z))=b(y′). 最后得出
p(t′′)=p(t′)+p(a(z))=p(t′)。那么就可以定义集合
d(x)=p(t′)和映射
d:Ker(c)→Coker(a)。
如果现在x1,x2是Ker(c)和x=x1+x2的元素,我们取B的元素y1,y2,这样v(y1)=k(x1)和v(y2)=k(x2)以及选择对于y∈B 元素y1+y2;那么直接的就是d(x)=d(x1)+d(x2),因而d是*同态*。
假设x=v1(x′)对于某些x′∈Ker(b);然后取y∈B为元素j(x′)。作为b(j(x′))=0,可以得出d(x)=0,因而d∘v1=0。相反,假设d(x)=0。在上面的记号中,我们有t′=a(s),其中s∈A。在这种情况下,我们有b(y)=u′(t′)=u′(a(s))=b(u(s)),或b(y−u(s))=0。因而,元素y−u(s)等于形式j(n),其中n∈Ker(b),我们有k(x)=v(y)=v(u(s)+j(n))=v(j(n))=k(v1(n));由于 k 是单射,x=v1(n),这证明序列 (*) 在 Ker(c) 处精确。
最后,我们有(总是在同一个记号)
u2(d(x))=u2(p(t′))=q(u′(t′))=q(b(y))=0 因而
u2∘d=0。相反,假设
Coker(a)的元素
w=p(t′)使得
u2(w)=u2(p(t′))=0(其中
t′∈A)。然后
q(u′(t′))=0,因而
u′(t′)=b(y)对于一些
y∈B;作为
v′(u′(t′))=0,我们有
v′(b(y))=0,因而
c(v(y))=0,在其他字
v(y)=k(x)对于一些
x∈Ker(c),以及定义
w=d(x),这表明序列(*)精确于
焦炭(一)。从 (i) 中可以看出,它在 Ker(b) 处精确,在 (ii) 中它在 Coker(b) 处精确,从而完成了 (iii) 的证明。
(i) 如果 u′,a 和 c 是单射的,b 是单射的。 (ii) 如果 v、a 和 c 是满射,则 b 是满射。
断言 (i) 是命题 2 的断言 (i) 的推论:对于Ker(a)=0 和Ker(c)=0,因而Ker(b)=0。
断言 (ii) 是命题 2 的断言 (ii) 的推论:对于Coker(a)=0 和Coker(c)=0,因而Coker(b)=0。
(i) 如果 b 是单射且 a 和 v 是满射,则 c 是单射。 (ii) 如果 b 是满射且 c 和 u′ 是单射,则 a 是满射。
为了证明 (i) 考虑图表
u(A)a′↓u′(A′)ww′Bb↓B′vv′Cc↓C′
其中a′是映射,与b到u(A)的限制相同的图,w和w′是典范嵌入;显然这个图表是可交换的并且它的行是精确的。此外 w′ 是单射的,并且假设 v 是满射的;那么到命题 2 时,(iii) 我们有正合序列
0=Ker(b)⟶Ker(c)dCoker(a′)=0
因为 b 是单射且 a′ 是满射; 从而Ker(c)=0。
为了证明 (ii) 考虑图表
Aa′↓A′uw′Bb↓B′wσ′v(B)c′↓v′(B′)
其中,此时c′是映射,与c到v(B)的限制具有相同的图,并且w和w'分别与v和v'具有相同的图;这个图表是可交换的并且它的行是精确的。此外,w 是满射的,并且通过假设 u' 是单射的;那么到命题 2 时,(iii) 我们有正合序列
0=Ker(c′)dCoker(a)⟶Coker(b)=0
因为 b 是满射而 c' 是单射; 从而焦化器 (a) = 0。
习题
参见习题为 § 1。