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基础衔接 03 · 链复形:先区分闭合与边界

为什么一个闭合回路有时能缩掉,有时会留下信息?先修:核、像与商模、同调入口。本讲用完整矩阵计算,把已有拓扑直觉接到同调代数;所有三角形计算的系数域固定为 \(\mathbb R\)。

1. 只有三条边,和填满内部,不是同一个对象

设三个顶点为 \(v_0,v_1,v_2\),三条有向边为 \(e_{01},e_{12},e_{02}\),都从小编号指向大编号。一维链是边的实线性组合,零维链是顶点的实线性组合。边界取“终点减起点”,所以

\[\partial_1=\begin{pmatrix}-1&0&-1\\1&-1&0\\0&1&1\end{pmatrix}.\]

列依次对应三条边,行依次对应三个顶点。例如第一列就是 \(v_1-v_0\)。解 \(\partial_1(a,b,c)^T=0\),得到 \(-a-c=0,a-b=0,b+c=0\),故

\[\ker\partial_1=\operatorname{span}\{(1,1,-1)^T\}.\]

向量 \((1,1,-1)\) 是沿 \(0\to1\to2\to0\) 走一圈:最后一段与 \(e_{02}\) 的规定方向相反,必须带负号。这是闭链,并不自动等于某个二维对象的边界。

2. 填入一个面,究竟改了什么

若有向三角面 \(f=[012]\) 存在,则

\[\partial_2f=e_{12}-e_{02}+e_{01},\qquad \partial_2=\begin{pmatrix}1\\1\\-1\end{pmatrix}.\]

直接相乘得到 \(\partial_1\partial_2=0\):沿整个面的边界再取端点,每个顶点恰好抵消。这是“边界的边界为零”,让 \(\operatorname{im}\partial_2\subseteq\ker\partial_1\) 成立。于是可以取商

\[H_1=\ker\partial_1/\operatorname{im}\partial_2.\]

只有边框时 \(C_2=0\),所以 \(H_1\cong\mathbb R\);填面后像等于整个闭链空间,所以 \(H_1=0\)。边框上的循环没有消失,它仍是非零链;变化在于它现在被视为一个面的边界,在同调商中等于零。

同一个有向三角回路,左边只有边框,右边有填充面;两边闭链空间相同,右边多了面的边界。

有无填面改变的是“允许哪些边界”,并未改变三条边的端点矩阵。

这也解释了为什么仅数边和顶点不够。此例 \(\operatorname{rank}\partial_1=2\),\(\dim H_0=3-2=1\),表示一个连通分量。边框的 Euler 特征为 \(3-3=0=1-1\);填面后为 \(3-3+1=1=1-0\)。交替维数可以核对计算,却不能单独恢复所有同调群。

3. 让一次错误真实地暴露出来

若误把面的边界写成 \((1,1,1)^T\),相乘得到 \((-2,0,2)^T\ne0\)。这时像不包含在核中,不能继续写出上面的商。它不是另一种合法的三角形取向;改变取向必须同步改变相关矩阵。

先预测:填面会改变闭链空间维数吗?默认有填面、正确取向。可故意切换最后一项的符号,检查链条件是否仍成立。

默认结果:\(\operatorname{rank}\partial_1=2\),闭链空间维数 1,边界空间维数 1,\(\dim H_1=0\)。错误取向时实验显示链条件失败,并撤下同调维数,绝不把错误矩阵包装成一个拓扑结论。

改错一个符号,与合法换基有什么不同?

若真的把第三条基边改成 \(e_{20}=-e_{02}\),令 \(S=\operatorname{diag}(1,1,-1)\),应同时使用

\[\begin{gathered}\partial'_1=\partial_1S,\\ \partial'_2=S^{-1}\partial_2=(1,1,1)^T.\end{gathered}\]

于是 \(\partial'_1\partial'_2=\partial_1\partial_2=0\),完全合法。实验的“错误”模式却固定原来的端点矩阵 \(\partial_1\),只把 \(\partial_2\) 最后一项改号,所以得到非零结果。同一个列向量 (1,1,1),在不同的基约定下含义不同;需要核验的是两个相邻映射的配合。

4. 从三角形走到一般链复形

链复形是一串模及同态 \(\cdots\to C_{n+1}\xrightarrow{d_{n+1}}C_n\xrightarrow{d_n}C_{n-1}\to\cdots\),要求 \(d_nd_{n+1}=0\)。定义 \(H_n=\ker d_n/\operatorname{im}d_{n+1}\)。链次数向下走;上链复形次数向上走,写作 \(d^n:C^n\to C^{n+1}\)。计算前先固定约定,不要只看上下标外形。

同调测量正合性失败的程度:在 \(C_n\) 处正合恰好等价于 \(H_n=0\)。但“所有同调为零”不等于每个空间为零。例如 \(0\to\mathbb R\xrightarrow{1}\mathbb R\to0\) 有非零项却同调全零。

再看以次数 1、0 放置的整数复形 \(C_1=\mathbb Z\xrightarrow{\times2}C_0=\mathbb Z\)。\(H_1=0\),\(H_0=\mathbb Z/2\)。若把系数换成实数,乘二可逆,两个同调都为零。维数直觉看不到整数挠信息;这正是上一讲保留系数环的重要性。

把一阶同调的三个步骤对应到本页例子:

对象 先问的问题 只有边框 填入三角面
\(C_1\) 可以写哪些链? 三条边的所有实组合 相同
\(Z_1=\ker\partial_1\) 哪些链没有端点? 回路的一维空间 相同
\(B_1=\operatorname{im}\partial_2\) 哪些闭链来自面的边界? 零空间 整个回路空间
\(H_1=Z_1/B_1\) 把边界认成零后还剩什么? 一维 零空间

填面以后,(1,1,−1) 在 \(C_1\) 中仍非零;它的同调类却为零。说“这个回路为零”时,必须注明是在链空间还是在同调商中。

5. 为什么需要分解,而不仅是最终答案

把模 \(\mathbb Z/2\) 看成只在次数零非零的复形 \(D\),从 \(C\) 到 \(D\) 的映射在次数零取模二、次数一取零。它与微分相容,因为 \(2n\) 模二为零;而且诱导 \(H_0\) 的同构,其他次数也同构。这叫拟同构。两组复形的项明显不同,但同调信息相同。

导出范畴会把拟同构形式地变成可逆映射。继续在链同伦与映射锥中计算链映射、收缩同伦,并用整数自由分解检查为什么拟同构未必有链同伦逆。理解这句话还需要范畴、链映射与链同伦;本讲没有构造整个导出范畴。这里先学会辨认一个实际拟同构,避免把“导出”误当成任意增加高阶修正项。

一个有用的预告是张量积的导出信息。先写出增广的正合列

\[0\longrightarrow\mathbb Z\xrightarrow{\times2}\mathbb Z\xrightarrow{q}\mathbb Z/2\longrightarrow0.\]

其中 \(q\) 是模二映射。自由分解的自由项就是上面的 \(C_1,C_0\);增广列正合,而去掉增广目标后的 \(C\) 在次数零保留 \(\mathbb Z/2\) 同调。现在只对两个自由项及其微分与 \(\mathbb Z/2\) 作张量,再取同调。乘二变为零,得到

\[\mathbb Z/2\xrightarrow{0}\mathbb Z/2.\]

次数一的同调变成 \(\mathbb Z/2\),记为 \(\operatorname{Tor}^{\mathbb Z}_1(\mathbb Z/2,\mathbb Z/2)\)。本讲仅演算该例;张量积的通用定义、分解独立性和一般 Tor 理论尚需后续课程。不能因为学会三角形矩阵,就宣称已经掌握导出运算。

6. 验收题

题一。 只有四条边的正方形边框,用实系数时 \(\dim H_0,\dim H_1\) 为何?添加一条对角线但不添加面呢?

核对边数与秩

连通图的端点矩阵秩为顶点数减一,此处为 3。原边框 \(\dim H_0=1\),\(\dim H_1=4-3=1\)。加对角线后仍连通、仍无二维面,所以 \(\dim H_1=5-3=2\)。对角线没有“填洞”;若再加入两个三角面才会改变边界空间。

题二。 \(0\to\mathbb Z\xrightarrow{\times3}\mathbb Z\to0\) 与 \(0\to\mathbb Z\xrightarrow{\times2}\mathbb Z\to0\) 是否可能拟同构?

核对同调障碍

次数零同调分别为 \(\mathbb Z/3\) 与 \(\mathbb Z/2\),不同构,所以不可能拟同构。两者都有两个整数模、微分都单射,并不足以说明等价。

速查与继续学习

先验条件 \(d^2=0\) → 求核得到闭链 → 求像得到边界 → 取商得到同调。下一讲:层、限制与粘合。定义和进一步阅读见 Stacks Project:Complexes 与 Tensor products;三角形矩阵和整数复形是本讲明确展开的计算。资料核查:2026-09-13。

后续计算:张量积、平坦性与 Tor从自由分解继续,解释为什么换系数要保留整个复形。

路线验收:连续作业:从整数分解到导出观点。先独立提交中间计算,再用题解定位需要回补的步骤。

下一步可用导出范畴与roofs把拟同构真正形式求逆,借同伦拉回或射影提升计算复合,并追踪Ext类的代表元与同伦见证。