Lecture notes in homological algebra (in russian).
git clone https://tilde.club/~simplicialcomplex/git/homalg_lecnotes.git
Log | Files | Refs

commit d150c439617ab49cf71de3ed300791a184893309
parent e4092b77cbe33c2e7aba738bc252b421b7fbad49
Author: simplicialcomplex <simplicialcomplex@tilde.club>
Date:   Wed, 22 Sep 2021 22:29:56 +0300

added .gitignore; fixed proof of theorems; added problems; improved typesetting

Diffstat:
A.gitignore | 367+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
Mnotes.pdf | 0
Mnotes.tex | 78+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++-----------------------
3 files changed, 422 insertions(+), 23 deletions(-)

diff --git a/.gitignore b/.gitignore @@ -0,0 +1,367 @@ +# Created by https://www.toptal.com/developers/gitignore/api/emacs,latex,git +# Edit at https://www.toptal.com/developers/gitignore?templates=emacs,latex,git + +### Emacs ### +# -*- mode: gitignore; -*- +*~ +\#*\# +/.emacs.desktop +/.emacs.desktop.lock +*.elc +auto-save-list +tramp +.\#* + +# Org-mode +.org-id-locations +*_archive + +# flymake-mode +*_flymake.* + +# eshell files +/eshell/history +/eshell/lastdir + +# elpa packages +/elpa/ + +# reftex files +*.rel + +# AUCTeX auto folder +/auto/ + +# cask packages +.cask/ +dist/ + +# Flycheck +flycheck_*.el + +# server auth directory +/server/ + +# projectiles files +.projectile + +# directory configuration +.dir-locals.el + +# network security +/network-security.data + + +### Git ### +# Created by git for backups. To disable backups in Git: +# $ git config --global mergetool.keepBackup false +*.orig + +# Created by git when using merge tools for conflicts +*.BACKUP.* +*.BASE.* +*.LOCAL.* +*.REMOTE.* +*_BACKUP_*.txt +*_BASE_*.txt +*_LOCAL_*.txt +*_REMOTE_*.txt + +### LaTeX ### +## Core latex/pdflatex auxiliary files: +*.aux +*.lof +*.log +*.lot +*.fls +*.out +*.toc +*.fmt +*.fot +*.cb +*.cb2 +.*.lb + +## Intermediate documents: +*.dvi +*.xdv +*-converted-to.* +# these rules might exclude image files for figures etc. +# *.ps +# *.eps +# *.pdf + +## Generated if empty string is given at "Please type another file name for output:" +.pdf + +## Bibliography auxiliary files (bibtex/biblatex/biber): +*.bbl +*.bcf +*.blg +*-blx.aux +*-blx.bib +*.run.xml + +## Build tool auxiliary files: +*.fdb_latexmk +*.synctex +*.synctex(busy) +*.synctex.gz +*.synctex.gz(busy) +*.pdfsync + +## Build tool directories for auxiliary files +# latexrun +latex.out/ + +## Auxiliary and intermediate files from other packages: +# algorithms +*.alg +*.loa + +# achemso +acs-*.bib + +# amsthm +*.thm + +# beamer +*.nav +*.pre +*.snm +*.vrb + +# changes +*.soc + +# comment +*.cut + +# cprotect +*.cpt + +# elsarticle (documentclass of Elsevier journals) +*.spl + +# endnotes +*.ent + +# fixme +*.lox + +# feynmf/feynmp +*.mf +*.mp +*.t[1-9] +*.t[1-9][0-9] +*.tfm + +#(r)(e)ledmac/(r)(e)ledpar +*.end +*.?end +*.[1-9] +*.[1-9][0-9] +*.[1-9][0-9][0-9] +*.[1-9]R +*.[1-9][0-9]R +*.[1-9][0-9][0-9]R +*.eledsec[1-9] +*.eledsec[1-9]R +*.eledsec[1-9][0-9] +*.eledsec[1-9][0-9]R +*.eledsec[1-9][0-9][0-9] +*.eledsec[1-9][0-9][0-9]R + +# glossaries +*.acn +*.acr +*.glg +*.glo +*.gls +*.glsdefs +*.lzo +*.lzs + +# uncomment this for glossaries-extra (will ignore makeindex's style files!) +# *.ist + +# gnuplottex +*-gnuplottex-* + +# gregoriotex +*.gaux +*.glog +*.gtex + +# htlatex +*.4ct +*.4tc +*.idv +*.lg +*.trc +*.xref + +# hyperref +*.brf + +# knitr +*-concordance.tex +# TODO Uncomment the next line if you use knitr and want to ignore its generated tikz files +# *.tikz +*-tikzDictionary + +# listings +*.lol + +# luatexja-ruby +*.ltjruby + +# makeidx +*.idx +*.ilg +*.ind + +# minitoc +*.maf +*.mlf +*.mlt +*.mtc[0-9]* +*.slf[0-9]* +*.slt[0-9]* +*.stc[0-9]* + +# minted +_minted* +*.pyg + +# morewrites +*.mw + +# newpax +*.newpax + +# nomencl +*.nlg +*.nlo +*.nls + +# pax +*.pax + +# pdfpcnotes +*.pdfpc + +# sagetex +*.sagetex.sage +*.sagetex.py +*.sagetex.scmd + +# scrwfile +*.wrt + +# sympy +*.sout +*.sympy +sympy-plots-for-*.tex/ + +# pdfcomment +*.upa +*.upb + +# pythontex +*.pytxcode +pythontex-files-*/ + +# tcolorbox +*.listing + +# thmtools +*.loe + +# TikZ & PGF +*.dpth +*.md5 +*.auxlock + +# todonotes +*.tdo + +# vhistory +*.hst +*.ver + +# easy-todo +*.lod + +# xcolor +*.xcp + +# xmpincl +*.xmpi + +# xindy +*.xdy + +# xypic precompiled matrices and outlines +*.xyc +*.xyd + +# endfloat +*.ttt +*.fff + +# Latexian +TSWLatexianTemp* + +## Editors: +# WinEdt +*.bak +*.sav + +# Texpad +.texpadtmp + +# LyX +*.lyx~ + +# Kile +*.backup + +# gummi +.*.swp + +# KBibTeX +*~[0-9]* + +# TeXnicCenter +*.tps + +# auto folder when using emacs and auctex +./auto/* +*.el + +# expex forward references with \gathertags +*-tags.tex + +# standalone packages +*.sta + +# Makeindex log files +*.lpz + +# xwatermark package +*.xwm + +# REVTeX puts footnotes in the bibliography by default, unless the nofootinbib +# option is specified. Footnotes are the stored in a file with suffix Notes.bib. +# Uncomment the next line to have this generated file ignored. +#*Notes.bib + +### LaTeX Patch ### +# LIPIcs / OASIcs +*.vtc + +# glossaries +*.glstex + +# End of https://www.toptal.com/developers/gitignore/api/emacs,latex,git diff --git a/notes.pdf b/notes.pdf Binary files differ. diff --git a/notes.tex b/notes.tex @@ -26,7 +26,8 @@ \hypersetup{ %use colored text instead of ugly boxes colorlinks, linkcolor={cadmiumgreen}, - urlcolor={pigmentblue} + urlcolor={pigmentblue}, + linktoc=all } % reverse column, to typeset adjoint functors or bijections like "f: F<=>G :g" @@ -54,7 +55,7 @@ \DeclareMathOperator{\Tot}{Tot} \DeclareMathOperator{\Ob}{Ob} \DeclareMathOperator{\pd}{pd} -\DeclareMathOperator{\fd}{id} +\DeclareMathOperator{\fd}{fd} \DeclareMathOperator{\gldim}{gldim} \DeclareMathOperator{\Tordim}{Tordim} \newcommand\Z{\mathbb{Z}} @@ -78,12 +79,14 @@ \fancyhf{} \fancyhead[R]{\thepage} \fancyhead[L]{\leftmark} - +\renewcommand{\headrulewidth}{2pt} \makeindex[title=Индекс]{} \begin{document} +\tableofcontents\newpage \section*{\marginpar{Лекция 1\\2 сентября}Введение} +\addcontentsline{toc}{section}{Введение} %\epigraph{Мы как бы не в школе, поэтому -3 от 6 не отличаем.}{Безумно можно быть первым} Зачем нужна гомологическая алгебра: \begin{enumerate} @@ -103,7 +106,7 @@ \end{enumerate} \end{enumerate} \section{Основные определения} -\subsection{Компл\'{е}ксы} +%\subsection{Компл\'{е}ксы} \begin{Def}\index{Комплекс} Компл\'{е}кс $R$-модулей~-- (бесконечная в обе стороны) последовательность модулей $X_i$ $(i\in\Z)$ с гомоморфизмами $d_i\colon X_{i+1}\to X_i$, что $d_{i}\circ d_{i+1}=0\,\forall i\in\Z$. $$ @@ -289,10 +292,11 @@ Cтрелка по построению получается единствен Далее нужно найти $s_2\colon P_1\to P_2$, что $h_1-\id_{P_1}=s_1d_0+d_1s_2$. Заметим, что $d_0(h_1-\id_{P_1}-s_1d_0)=d_0h_1-d_0-d_0s_1d_0=h_0d_0-d_0-(h_0-\id_{P_0})d_0=0$ (первое слагаемое из того, что $h$~-- это морфизм комплексов). Аналогично случаю для $\varepsilon$ $\im(h_1-\id_{P_1}-s_1d_0)\subseteq\ker d_0$. Поэтому есть стрелка $P_1\to\ker d_0$, поэтому из проективности $P_1$ существует $s_2\colon P_1\to P_2$. Далее аналогично. \setlength{\multicolsep}{\mcsepold} \end{proof} -\section{Практика 1} +\section*{Практика 1: функтор $\Tor$} +\addcontentsline{toc}{section}{Практика 1: функтор $\Tor$} {\itshape Волчара решил, что давать на праках часть определений из будущего~-- это очень хорошая идея, поэтому тут в начале будут ссылки на будущие лекции, наверное.} -На этой практике нужно знать, что такое функтор $\Tor$ (c.~\pageref{torfunctor}) и что такое плоские модули. +На этой практике нужно знать, что такое функтор $\Tor$ (c.~\pageref{torfunctor}) и что такое плоские модули (с.~\pageref{def_flatmodule}). Во всех задачах $R,S$~-- кольца. Все модули левые, если не указано противоположное. Если не указано, над какой алгеброй модуль, то он над $R$. @@ -561,7 +565,8 @@ Cтрелка по построению получается единствен По пункту~\ref{derfunct_prop_middle} $T_1P=0$, поэтому $T_1X=\ker(FK_X\to FP)=(L_1F)X$. Далее из куска последовательности $\overset{=0}{T_nP}\to T_{n}X\to T_{n-1}K_X\to\overset{=0}{T_{n-1}P}$ по индукции получаем, что $T_{n}X\cong T_{n-1}K_X\cong(L_{n-1}F)K_X\cong(L_nF)X$. Из конструкции длинной точной последовательности (теоремы~\ref{LESforleftderivedfunctors}) изоморфизм получается естественный. \end{proof} -\section{Практика 2} +\section*{Практика 2: плоские конечно представимые модули} +\addcontentsline{toc}{section}{Практика 2: плоские конечно представимые модули} Для решения задач из этой практики нужно знать, что такое инъективный модуль и следующий \paragraph*{\hypertarget{homologyincomplex}{Увлекательный факт~-- комплекс распадается в набор коротких точных последовательностей.}}\label{page_homologyincomplex} Рассмотрим кусок комплекса @@ -601,7 +606,7 @@ $\ker((1)\colon C_i\to\im d_{i-1})=\ker d_{i-1}$. Так как $\im d_i\subsete \] $L_1FT_0=0$, так что $L_1FX=\ker(FK_X\to FT_0)=H_1FT_*$. Дальше строим для $T_2\to T_1\twoheadrightarrow K_X$ и пользуемся тем, что $(L_{i+1}F)X=(L_iF)K_X\,i\ge1$. \end{proof} -\begin{Def} +\begin{Def}\label{def_flatmodule} $R$-модуль $X$ называется {\bfseries плоским}, если $-\otimes_RX$ точный (что то же самое, он сохраняет мономорфизмы). \end{Def} \begin{Def} @@ -627,15 +632,23 @@ $\ker((1)\colon C_i\to\im d_{i-1})=\ker d_{i-1}$. Так как $\im d_i\subsete \begin{lemma}\label{acycliciffqis} $f\colon U_*\to V_*$~-- цепное отображение. Тогда $f$~-- квазиизоморфизм $\iff\Cone(f)$ ацикличен\marginpar{\scriptsize вспомните определение~\ref{acycliccomplex}}. \end{lemma} -Заметим, что существует короткая точная последовательность комплексов $V_*\hookrightarrow\Cone(f)\twoheadrightarrow U_*$. Эту лемму можно доказать применением два раза леммы о змее к этой короткой точной последовательности. Но возникает сложность~-- нужно доказать, что связующий гомоморфизм это в точности $f$. На лекции рассказывали другое доказательство. -\begin{proof}[Доказательство (рабоче-крестьянское).] - Запишем условие ацикличности: $\ker d_{i-1}\subseteq\im d_{i}$, то есть пусть $U_{i-1}\oplus V_i\ni(u,v)\in \ker d_{i-1}\iff d^U(u)=0$ и $f(u)+d^V(v)=0$. $(u,v)$ также лежит в образе, значит, $\exists(u',v')\colon u=-d^U(u')$ и $v=f(u')+d^V(v')$. +Заметим, что существует короткая точная последовательность комплексов $V_*\hookrightarrow\Cone(f)\twoheadrightarrow U_*$. Эту лемму можно доказать применением два раза леммы о змее к этой короткой точной последовательности, но нужно понять, что связующий гомоморфизм это в точности $f$. На лекции рассказывали другое доказательство. +\begin{proof}[Доказательство (рабоче-крестьянское).] Обозначим дифференциал в $\Cone(f)$ как $d$. + $$d_{n}=\begin{pmatrix} + -d^{U}_{n-1} & 0\\ + f_n & d^{V}_n + \end{pmatrix}$$ + Запишем условие ацикличности: $\ker d_{n-1}\subseteq\im d_n$, то есть пусть $U_{n-1}\oplus V_n\ni(u,v)\in \ker d_{n-1}\iff d^U_{n-2}(u)=0$ и $f_{n-1}(u)+d^V_{n-1}(v)=0$. $(u,v)$ также лежит в образе, значит, $\exists(u',v')\in U_n\oplus V_{n+1}\colon u=-d^U_{n-1}(u')$ и $v=f_n(u')+d^V_n(v')$. + + $f$~-- квазиизоморфизм, то есть $H_n(f)$~-- мономорфизм и эпиморфизм. + + $H_{n-1}(f)$~-- мономорфизм, значит (см. диаграмму к доказательству утв.~\ref{homologyisafunctor}), ядро отображения $\ker d^U_{n-2}\to\ker d^V_{n-2}\twoheadrightarrow H_nV_*$ это в точности $\im d^U_{n-1}$. То есть, если $u\in\ker d_{n-2}^U$ такой, что $\exists v\in V_{n-1}\colon f_{n-1}(u)=d^V_{n-1}(v)$ (то есть ушел в 0 на стрелке $\ker d^U_{n-2}\to H_{n-1}V_*$), то $\exists u'\in U_{n}$, что $u=d^U_{n-1}(u')$ (то есть он граница). - $H_n(f)$~-- мономорфизм, значит (см. диаграмму к доказательству утв.~\ref{homologyisafunctor}), ядро отображения $\ker d^U_{n-1}\to\ker d^V_{n-1}\twoheadrightarrow H_nV_*$ изоморфно $\im d^U_{n}$. Это значит, что $\im d^U_n\cong\im d^V_n$, а $\ker(\ker d^U_{n-1}\to\ker d^V_{n-1})=0$. + $H_n(f)$~-- эпиморфизм, значит, $\ker d^U_{n-1}\to\ker d^V_{n-1}\twoheadrightarrow H_nV_*$ эпиморфизм, значит, отображение $\ker d^U_{n-1}\twoheadrightarrow\ker d^V_{n-1}$ эпиморфизм, то есть если $v\in\ker d_{n-1}^V$, то $\exists u\in\ker d_{n-1}^U\colon f_n(u)=v$. - $H_n(f)$~-- эпиморфизм, значит, $\ker d^U_{n-1}\to\ker d^V_{n-1}\twoheadrightarrow H_nV_*$, значит, отображение $\ker d^U_{n-1}\twoheadrightarrow\ker d^V_{n-1}$ эпиморфизм $\iff d_{n-1}^V(v)=0\text{, что }\exists u\colon d^U_{n-1}(u)=0\text{ и }v=f(u)$. + Видно, что условие про $u$~-- это (c точностью до знака) условие на мономорфность, а условие на $v$~-- это условие на эпиморфность с точностью до границы. \end{proof} -\begin{Def}\index{Функтор $\Tor$} +\begin{Def}\index{Функтор $\Tor$}\index{$\Tor$} Пусть $A$~-- правый $R$-модуль, $B$~-- левый $R$-модуль. Функтор $\Tor$~-- это $\Tor_n^R(A,B)\overset{\text{def}}{=}L_n(-\otimes_R B)(A)$. \end{Def} Для доказательства фактов про $\Tor$ нужно еще несколько определений. @@ -697,14 +710,16 @@ $\ker((1)\colon C_i\to\im d_{i-1})=\ker d_{i-1}$. Так как $\im d_i\subsete $L_n(-\otimes_RB)(A)\cong L_n(A\otimes_R-)(B)\overset{\text{def}}{=}\Tor_n^R(A,B)$. \end{corollary*} Можно вычислять $\Tor$, используя плоские резольвенты. -\begin{stmt} +\begin{stmt}\index{Плоский модуль} Левый модуль плоский тогда и только тогда, когда для любого правого модуля $Y$ он $(Y\otimes_R-)$-ациклический. \end{stmt} + $\Q$ над $\Z$ плоский, но не проективный. -\section{Практика 3} +\section*{Практика 3: гомологические размерности} +\addcontentsline{toc}{section}{Практика 3: гомологические размерности} Во всех задачах $R$~-- кольцо. Все модули левые; если не указано, над какой алгеброй модуль, то он над $R$. -Пусть $M$~-- модуль. {\itshape Проективной размерностью}\index{Проективная размерность} $M$ называется минимальная длина проективной резольвенты $M$ (то есть такое минимальное $n$, что существует проективная резольвента $P_*$ модуля $M$, для которой выполнено $P_i=0$ для $i>n$). {\itshape Инъективной размерностью}\index{Инъективная размерность} $M$ называется минимальная длина инъективной резольвенты $M$, а {\itshape плоской размерностью}\index{Плоская размерность} $M$ называется минимальная длина плоской резольвенты $M$. Например, проективная (инъективная, плоская) размерность $M$ равна нулю тогда и только тогда, когда $M$~-- проективный (инъективный, плоский) модуль. Проективная, инъективная и плоская размерности $M$ обозначаются соответственно $pd_R(M)$, $id_R(M)$ и $fd_R(M)$. +Пусть $M$~-- модуль. {\bfseries\itshape Проективной размерностью}\index{Проективная размерность} $M$ называется минимальная длина проективной резольвенты $M$ (то есть такое минимальное $n$, что существует проективная резольвента $P_*$ модуля $M$, для которой выполнено $P_i=0$ для $i>n$). {\bfseries\itshape Инъективной размерностью}\index{Инъективная размерность} $M$ называется минимальная длина инъективной резольвенты $M$, а {\bfseries\itshape плоской размерностью}\index{Плоская размерность} $M$ называется минимальная длина плоской резольвенты $M$. Например, проективная (инъективная, плоская) размерность $M$ равна нулю тогда и только тогда, когда $M$~-- проективный (инъективный, плоский) модуль. Проективная, инъективная и плоская размерности $M$ обозначаются соответственно $\pd_R(M)$, $\id_R(M)$ и $\fd_R(M)$. \begin{enumerate}[start=0] \item Пусть $M$~-- модуль. Докажите, что следующие условия эквивалентны: \begin{itemize} @@ -716,12 +731,29 @@ $\Q$ над $\Z$ плоский, но не проективный. \item Пользуясь критерием Баера, покажите, что $M$ инъективен тогда и только тогда, когда $\Ext_R^1(R/I,M)=0$ для любого левого идеала $I$ кольца $R$. \item Докажите, что \begin{align*} - pd_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Ext_R^n(M,X)\ne 0\}\text{;}\\ - id_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Ext_R^n(X,M)\ne 0\}\text{;}\\ - fd_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Tor^R_n(M,X)\ne 0\}\text{.} + \pd_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Ext_R^n(M,X)\ne 0\}\text{;}\\ + \id_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Ext_R^n(X,M)\ne 0\}\text{;}\\ + \fd_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Tor^R_n(X,M)\ne 0\}\text{.} \end{align*} - \item Докажите, что $id_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Ext_R^n(R/I,M)\ne 0\}$. - \item + \item Докажите, что $\id_R(M)=\sup\{n\,|\,\exists X\text{ такой, что }\Ext_R^n(R/I,M)\ne 0\}$. + \item Докажите, что следующие числа равны: + \begin{itemize} + \item $\sup\{\pd_R(M)\,|\,M\text{~-- }R\text{-модуль}\}$; + \item $\sup\{\id_R(M)\,|\,M\text{~-- }R\text{-модуль}\}$; + \item $\sup\{n\,|\,\exists X,Y\text{ такие, что }\Ext_R^n(X,Y)\ne0\}$. + \end{itemize} + Это число называется (левой) {\bfseries\itshape глобальной размерностью $R$}\index{Глобальная размерность} и обозначается $\gldim(R)$. + \item Докажите, что следующие числа равны: + \begin{itemize} + \item $\sup\{\fd_R(M)\,|\,M\text{~-- левый }R\text{-модуль}\}$; + \item $\sup\{\fd_R(M)\,|\,M\text{~-- правый }R\text{-модуль}\}$; + \item $\sup\{n\,|\,\exists X,Y\text{ такие, что }\Tor_n^R(X,Y)\ne0\}$. + \end{itemize} + Это число называется {\bfseries\itshape $\Tor$-размерностью $R$}\index{$\Tor$-размерность} и обозначается $\Tordim(R)$. Из задачи следует, что $\Tor$-размерности $R$ и $R^{\op}$ совпадают\marginpar{\vspace{-1em}\tinyя не понимаю, что значит это обозначение. Левые и правые $\Tor$-размерности?}. + \item* Докажите, что $$\Tordim(R)=\sup\{\fd_R(M)\,|\,M\text{~-- {\itshapeконечно порождённый} левый }R\text{-модуль}\}\text{.}$$ + \item Докажите, что $$\gldim(R)=\sup\{\pd_R(M)\,|\,M\text{~-- {\itshapeконечно порождённый} левый }R\text{-модуль}\}\text{.}$$ + \item Пусть $R$~-- нётерово слева кольцо, а $M$~-- конечно порождённый $R$-модуль. Докажите, что $\pd_R(M)=\fd_M(R)$. Выведите отсюда, что для нётерова (слева и справа) кольца $R$ выполнено $\gldim(R)=\Tordim(R)=\gldim(R^{\op})$. В частности, для нётерова кольца левая и правая глобальные размерности совпадаюют. + \item Пусть $0\to L\to M\to N\to 0$~-- короткая точная последовательность. Докажите, что $\pd_R(M)\le\max(\pd_R(L),\pd_R(N))$,$\pd_R(N)\le\max(\pd_R(L)+1,\pd_R(M))$ и $\pd_R(L)\le\max(\pd_R(M),\pd_R(N)-1)$. Сформулируйте и докажите аналогичные неравенства для инъективной и плоской размерностей. \end{enumerate} \section{ашьхаъоьоа} \begin{Def}\index{Фильтрованная категория} @@ -738,5 +770,5 @@ $\Q$ над $\Z$ плоский, но не проективный. \end{Def} kerkerkercokerkerkerkercokerker~--\marginpar{Лекция 4\\23 сентября} Леди Гага научилась применять лемму о змее -\printindex +\printindex\thispagestyle{fancyplain}\addcontentsline{toc}{section}{Индекс} \end{document} \ No newline at end of file