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基础衔接 12 · 映射锥:把一个映射的失败装进复形
先修:链复形:先区分闭合与边界。本讲统一使用上链约定:微分 \(d^n:C^n\to C^{n+1}\) 提高次数。目标是分清三件常被混在一起的事:链映射诱导同调映射、链同伦忽略可收缩的往返、拟同构只要求同调上可逆。我们不会在这里完整构造导出范畴。
两个复形同调相同,是否一定能逐项互相还原?
1. 先看真正的问题:地图可能看起来不同,却留下同样的洞
上一讲把一个复形压缩成上同调
现在给两个上链复形 \(A^\bullet,B^\bullet\) 和一族同次数线性映射 \(f^n:A^n\to B^n\)。仅有逐项映射还不够;它必须与微分交换:
这样的 \(f\) 才叫上链映射。若 \(x\) 是闭元,即 \(d_Ax=0\),那么 \(d_Bf(x)=f(d_Ax)=0\);若 \(x=d_Ay\) 是边界,那么 \(f(x)=d_Bf(y)\) 仍是边界。因此 \(f\) 诱导
若每个 \(H^n(f)\) 都是同构,就称 \(f\) 为拟同构。注意定义只承诺“所有洞的信息相同”,并没有承诺每个 \(f^n\) 可逆,也没有自动给出一个反向链映射。
2. 链同伦:把一次“先走微分再退回”的误差视为可消去
设 \(f,g:A^\bullet\to B^\bullet\) 都是上链映射。一条从 \(f\) 到 \(g\) 的上链同伦是一族降一次数的映射
满足
也就是逐次写成
为何这类误差不会改变上同调?若 \(d_Ax=0\),则
它在 \(B\) 中只是一个边界。因此链同伦的映射诱导相同的上同调映射。
若存在链映射 \(u:B^\bullet\to A^\bullet\),使
就称 \(f\) 为链同伦等价。它必然是拟同构,因为 \(H(u)H(f)\) 与 \(H(f)H(u)\) 都是恒等映射。反过来在一般系数环上并不成立,第 7 节会给出一个无法逃避的整数反例。
3. 第一个完整收缩:非零项不等于非零信息
取域 \(k\) 上的两项上链复形
其他次数为零。它的上同调全为零,但两个链群都非零。更强的是,它可以收缩到零:令
其余 \(h^n=0\)。在次数 \(0\),有 \(h^1d^0=\operatorname{id}_{C^0}\);在次数 \(1\),有 \(d^0h^1=\operatorname{id}_{C^1}\)。所以
即 \(\operatorname{id}_C\simeq0\)。称这样的复形为可缩复形。可缩一定推出上同调全零,因为恒等映射与零映射在上同调上相同;但“上同调全零是否一定可缩”取决于系数环境,不能在所有环上直接反推。
4. 主模型:标量映射的锥把可逆性变成一次秩跳变
令 \(A=B=k[0]\),即两个复形都只在次数 \(0\) 放一个域 \(k\)。取
它的映射锥在本例中就是
因此
若 \(a\ne0\),域中的非零数可逆,微分的秩为 \(1\),两个上同调都为零。此时还能写出显式收缩:
其余 \(s^n=0\)。对次数 \(-1\) 的 \(x\),\(s^0d^{-1}(x)=x\);对次数 \(0\) 的 \(y\),\(d^{-1}s^0(y)=y\),所以
若 \(a=0\),微分秩为 \(0\),于是
这时 \(1/a\) 根本不存在,锥也不可能可缩。若它可缩,恒等映射会在非零上同调上同时等于恒等与零,矛盾。
5. 一般映射锥:负号不是装饰,而是让两条路径抵消
对任意上链映射 \(f:A^\bullet\to B^\bullet\),定义
这里 \(x\in A^{n+1}\),所以第一分量中的 \(f\) 实际是 \(f^{n+1}\)。把微分再做一次:
第一分量为零用到了链映射条件 \(d_Bf=fd_A\);第二分量为零用到了 \(d_A^2=0\)。若把第二分量草率写成 \(+d_Ax\),第一分量一般会变成
不再自动为零。其他教材可以把符号移到等价的约定里,但同一套约定内部必须协调。
更概念化地,移位复形 \(A[1]\) 定义为
于是映射锥进入逐项分裂的短正合列
负号正是让最后的投影成为链映射所需要的移位符号。
6. 为什么锥恰好检测拟同构
上面的短正合列给出标准长正合上同调列。把指标排到能看见 \(f\) 的位置:
这立刻给出判据
理由可以逐项读出。若 \(H^n(f)\) 对所有 \(n\) 都是同构,正合性迫使夹在相邻同构之间的 \(H^n(\operatorname{Cone}(f))\) 为零。反过来,若所有锥上同调都为零,那么正合列同时给出 \(H^n(f)\) 的单射性与满射性。
因此三种强度应按下面的方向记忆:
映射锥上同调全零只说明最后一层。若还知道锥可缩,才对应更强的链同伦等价。下一节说明“全零”和“可缩”为什么不能随意互换。
7. 整数反例:拟同构没有链同伦逆
固定整数 \(n\ge2\)。取自由两项复形
以及只在次数 \(0\) 非零的复形
定义链映射 \(q:P^\bullet\to M^\bullet\):次数 \(0\) 取模 \(n\),次数 \(-1\) 取零。它确实与微分相容,因为 \(q^0(nx)=0\)。又有
所以 \(q\) 是拟同构。
现在假设它有链同伦逆 \(s:M^\bullet\to P^\bullet\)。次数 \(0\) 的分量必须是群同态
但这样的同态只能是零:若 \(z=s^0([1])\),则 \(nz=s^0([n])=s^0(0)=0\);而 \(\mathbb Z\) 没有非零挠元,所以 \(z=0\)。因此 \(s=0\),从而 \(qs=0\)。
另一方面,\(M\) 只在次数 \(0\) 非零且微分为零,任意同伦算子都无处可去,所以 \(M\to M\) 的两个链映射同伦当且仅当它们严格相等。于是
矛盾说明 \(q\) 没有链同伦逆。它在上同调上完全正确,却不能在链复形层面逐项倒过来。导出范畴的一个核心动作正是形式地把这类拟同构变成可逆箭头;本讲到此为止,不把这个口号冒充为完整构造。
把这个整数反例的锥真正列出来
对刚才的 \(q:P\to M\),按本讲 \(B^n\oplus A^{n+1}\) 的约定,锥有三个非零项:
第一个箭头的负号来自移位。它单射,像为 \(n\mathbb Z=\ker q\),最后的 q 满射,所以三个次数的上同调全部为零。
但如果存在收缩 h,在次数 0 就必须有 \(q h^0=\operatorname{id}_{\mathbb Z/n}\)。这要求一个同态 \(h^0:\mathbb Z/n\to\mathbb Z\) 把取模映射分裂,而正文已经证明这样的同态只能为零。于是这就是一个可逐项验算的“无环但不可缩”复形;失败点是无法选择整数模意义下的分裂。
8. 为什么有限维向量空间看起来更友好
若 \(C^\bullet\) 是域 \(k\) 上的有界无环复形,每个子空间都能选补空间。记
并选 \(C^n=B^n\oplus L^n\)。微分限制为同构
在 \(B^{n+1}\) 上用这个同构的逆定义降次映射,在 \(L^{n+1}\) 上令它为零,就得到 \(ds+sd=\operatorname{id}_C\)。因此域上的有界无环复形可缩。
这也意味着:域上的有界复形之间,拟同构的锥是有界无环复形,因而可缩;标准锥判据进一步给出该拟同构是链同伦等价。整数反例没有矛盾,因为 \(\mathbb Z/n\) 在 \(\mathbb Z\)-模中不能像向量子空间那样总能找到线性补空间。不要把“向量空间可分裂”的舒适经验无条件搬到一般环的模上。
先预测,再拖动:实验固定 \(k=\mathbb R\),滑块控制 \(a\in[-2,2]\),步长 \(0.25\),默认 \(a=1\)。页面应实时显示两项微分 \(\mathbb R\xrightarrow{\times a}\mathbb R\)、微分秩、\(\dim H^{-1}\)、\(\dim H^0\),以及收缩公式 \(s(y)=y/a\) 是否存在。
完整静态后备:
| \(a\) | \(\operatorname{rank}(\times a)\) | \(\dim H^{-1}\) | \(\dim H^0\) | 可缩? |
|---|---|---|---|---|
| \(-2\) | 1 | 0 | 0 | 是,\(s(y)=-y/2\) |
| \(-0.25\) | 1 | 0 | 0 | 是,\(s(y)=-4y\) |
| \(0\) | 0 | 1 | 1 | 否,\(1/a\) 不存在 |
| \(0.25\) | 1 | 0 | 0 | 是,\(s(y)=4y\) |
| \(1\)(默认) | 1 | 0 | 0 | 是,\(s(y)=y\) |
| \(2\) | 1 | 0 | 0 | 是,\(s(y)=y/2\) |
图表横轴是两个离散次数 \(-1,0\),不是参数 \(a\);它显示当前 \(a\) 下两处上同调的维数。连接这两个点的线只帮助眼睛比较,既不创造“分数次数”,也不表示中间还有连续取值。拖动滑块时,秩与维数在每个非零 \(a\) 处保持不变,只在精确的 \(a=0\) 跳变;不能把这种跳变误读成 \(a\) 接近零时维数连续增大。
9. 两道迁移题
题一。 对任意上链复形 \(A^\bullet\),证明 \(\operatorname{Cone}(\operatorname{id}_A)\) 可缩。请给出收缩,而不只说它的上同调为零。
把锥的两个分量交换到正确次数
这里
定义
则
而
相加得到 \((ds+sd)(b,x)=(b,x)\)。因此 \(s\) 是显式收缩。这也直接展示了锥微分中负号如何参与抵消。
题二。 把 \(f:\mathbb Z[0]\to\mathbb Z[0]\) 取为乘 \(6\)。计算映射锥的上同调。再把整个复形与 \(\mathbb Q\) 张量,结论怎样变化?能否由有理数上的结果反推整数上的锥可缩?
分别检查核、余核与系数变化
整数上的锥是
放在次数 \(-1,0\)。乘 \(6\) 在 \(\mathbb Z\) 上单射,所以 \(H^{-1}=0\);其像为 \(6\mathbb Z\),余核为 \(\mathbb Z/6\mathbb Z\),故
因此该锥既不无环也不可缩,\(f\) 不是拟同构。与 \(\mathbb Q\) 张量后得到 \(\mathbb Q\xrightarrow{\times6}\mathbb Q\),乘 \(6\) 可逆,锥可用 \(s(y)=y/6\) 收缩。不能反推原整数复形可缩:换系数会抹掉 \(\mathbb Z/6\) 挠信息。有理化后看不见的东西,在整数上仍可能真实存在。
速查与资料
| 概念 | 要求 | 保证 |
|---|---|---|
| 上链映射 | \(d_Bf=fd_A\) | 诱导上同调映射 |
| 上链同伦 | \(f-g=d_Bh+hd_A\),\(h\) 降一次数 | \(H(f)=H(g)\) |
| 链同伦等价 | 有反向链映射,复合分别同伦于恒等 | 一定是拟同构 |
| 拟同构 | 每个 \(H^n(f)\) 都是同构 | 锥无环,但一般未必可缩 |
| 映射锥 | \(B^n\oplus A^{n+1}\),微分含 \(-d_A\) | 把映射的核余核型失败组织成一个复形 |
复形的定义见 Stacks Project:Complexes,上链同伦、移位与符号约定见 Homotopy and the shift functor,映射锥的短正合列见 Cones and distinguished triangles。锥与拟同构的关系由其长正合上同调列给出,可对照 Derived categories。资料核查:2026-09-13。
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。