五引理

在同调代数中,五引理是关于交换图的一个重要引理。五引理可以被视为两个相对偶的四引理之组合。此结果不只对阿贝尔范畴成立,也对群范畴成立。

陈述

在任一阿贝尔范畴(例如阿贝尔群或模的范畴)或群范畴中,考虑以下的交换图:

 

五引理的叙述是:如果横列正合,  是同构,  是满射而   是单射,则   是同构。

两个四引理的叙述是:

(1) 考虑交换图  

若其横行正合,  是满射而   是单射,则   是满射。

(2) 考虑交换图  

若其横行正合,  是单射而   是满射,则   是单射。

证明

以下采用的证法俗称“图追踪”,它看似繁复,其实习惯后只是例行程序罢了。

为进行图追踪,以下假设所论范畴为某个环上的模范畴,因此可以谈论对象的元素,并将态射视为模的同态。此时单射、满射等等性质相应于集合论意义上的性质。根据Mitchell嵌入定理,可导出一般范畴上的情形。

对于群范畴,仅须注意到证明内容未用到群的交换性。

 

  1. 设  。
  2. 由于   是满射,存在   使得  。
  3. 根据图的交换性, 。
  4. 根据正合性,  ,故  。
  5. 因为   是单射, ,故  。
  6. 于是存在   使得  。
  7. 遂有  。因为   是同态,有  。
  8. 根据正合性, ,故存在   使得  。
  9. 因为   是满射,存在   使得  。
  10. 根据图的交换性  。
  11. 因为   是同态, 。
  12. 由此可知   是满射。证毕。

为证明 (2),在下图中假设   与   是单射,而   是满射。

 

  1. 设   使得  。
  2. 于是  。
  3. 根据图的交换性, 
  4. 因为   是单射, 。
  5. 根据正合性,存在   使得  。
  6. 根据图的交换性, 。
  7. 根据正合性,存在   使得  。
  8. 因为   是满射,存在   使得  。
  9. 根据图的交换性, 。
  10. 因为   是单射, 。
  11. 故  。
  12. 由此可知   是单射。证毕。

结合两个四引理,便可证得五引理。

应用

五引理通常用于长正合序列:在计算一个对象的同调或上同调群时,我们通常利用一个较简单的子对象,其同调或上同调已知,再配合长正合序列进行计算。长正合序列本身不一定能确定所求的同调或上同调,此时可以试着以态射比较原对象与一个已知的对象,此态射导出长正合序列的链映射,此时五引理有助于决定未知的同调或上同调群。

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