En mathématiques, et plus spécifiquement en algèbre homologique, un module injectif est un module Q (à gauche par exemple) sur un anneau A tel que pour tout morphisme injectif f : X → Y entre deux A-modules (à gauche) et pour tout morphisme g : X → Q, il existe un morphisme h : Y → Q tel que hf = g, c'est-à-dire tel que le diagramme suivant commute :
Autrement dit : Q est injectif si pour tout module Y, tout morphisme d'un sous-module de Y vers Q s'étend à Y.
Les A-modules injectifs sont les objets injectifs (en) de la catégorie abélienne des A-modules (lesquels sont les objets projectifs de la catégorie opposée). Par conséquent, on a le
Théorème — Le module Q est injectif si et seulement si le foncteur H o m A ( − , Q ) {\displaystyle {\rm {Hom}}_{A}(-,Q)} (contravariant, exact à gauche) est exact.
On en déduit qu'un produit de modules est injectif si, et seulement si chaque facteur du produit est injectif.
Une autre caractérisation est :
Théorème — Un module est injectif si et seulement s'il est facteur direct dans tout module dont il est un sous-module.
En effet, si Q est un sous-module injectif d'un module Y alors le morphisme identité de Q sur lui-même peut se prolonger en un morphisme de Y sur Q, ce qui équivaut à dire que Q est facteur direct dans Y. La réciproque vient du fait que pour tout sous-module X d'un module Y, un morphisme de X dans Q s'étend toujours en un morphisme de Y dans la somme amalgamée Z de Q et Y sur X donc aussi, si le sous-module Q de Z est facteur direct, en un morphisme de Y dans Q.
ℚ est un ℤ-module injectif, autrement dit un groupe abélien divisible.
Plus généralement, si A est un anneau intègre :
Le critère de Baer est l'un des principaux moyens pour établir qu'un module est injectif :
Théorème — Le A-module à gauche Q est injectif si, et seulement si tout homomorphisme f : a → Q {\displaystyle f:{\mathfrak {a}}\rightarrow Q} , où a {\displaystyle {\mathfrak {a}}} est un idéal à gauche, s'étend à A A {\displaystyle _{A}A} .
La condition nécessaire est évidente, la condition suffisante s'établit grâce au lemme de Zorn.
On montre à partir du critère de Baer le résultat suivant : si l'anneau A est noethérien à gauche, tout module somme directe de A-modules injectifs est injectif. Réciproquement, si tout module somme directe de A-modules à gauche injectifs est injectif, alors A est noethérien à gauche.
Soit M un A-module à gauche.
Théorème et définition —
(1) Il existe un A-module à gauche E ( M ) {\displaystyle E\left(M\right)} vérifiant les propriétés suivantes :
(2) Un tel module E ( M ) {\displaystyle E\left(M\right)} est unique à un isomorphisme près laissant inchangés les éléments de M, et est appelé l'enveloppe injective de M.
Exemple : Soit A un anneau principal, p un élément extrémal de A et A ( p i ) = A / A p i ( i ≥ 1 ) {\displaystyle A(p^{i})=A/Ap^{i}(i\geq 1)} . Soit alors A ( p ∞ ) = lim ⟶ A ( p i ) = ⋃ i ≥ 1 A ( p i ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)=\lim \limits _{\longrightarrow }A\left(p^{i}\right)=\bigcup \nolimits _{i\geq 1}A\left(p^{i}\right)} . Le module A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)} est enveloppe injective de A ( p i ) {\displaystyle A(p^{i})} pour tout i ≥ 1 {\displaystyle i\geq 1} .
(1) Par définition de A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)} , A ( p i ) ⊂ A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{i}\right)\subset A\left(p^{\infty }\right)} pour tout i ≥ 1 {\displaystyle i\geq 1} .
(2) Montrons que A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)} est divisible : soit 0 ≠ x ∈ A ( p ∞ ) {\displaystyle 0\neq x\in A\left(p^{\infty }\right)} et 0 ≠ r ∈ A {\displaystyle 0\neq r\in A} ; soit i le plus petit entier positif pour lequel x ∈ A ( p i ) {\displaystyle x\in A\left(p^{i}\right)} et écrivons r = p k q {\displaystyle r=p^{k}q} où k est un entier naturel et q ∈ A {\displaystyle q\in A} n'est pas divisible par p. Il existe y ∈ A ( p i + k ) {\displaystyle y\in A\left(p^{i+k}\right)} tel que x = p k y {\displaystyle x=p^{k}y} , et alors p m y = 0 {\displaystyle p^{m}y=0} si m = i + k {\displaystyle m=i+k} . Puisque p m {\displaystyle p^{m}} et q sont premiers entre eux, il existe des éléments u , v ∈ A {\displaystyle u,v\in A} tels que u p m + v q = 1 {\displaystyle u\,p^{m}+v\,q=1} (identité de Bézout). Donc x = v q x {\displaystyle x=v\,q\,x} , par conséquent x = p k v q y = r z {\displaystyle x=p^{k}v\,q\,y=r\,z} avec z = v y {\displaystyle z=v\,y} , et donc A ( p ∞ ) ⊂ r A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)\subset rA\left(p^{\infty }\right)} , ce qui signifie bien que A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)} est divisible.
(3) Par conséquent, A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)} est injectif, puisqu'un anneau principal est un anneau de Dedekind.
(4) La classe 1 + ( p i ) ∈ A ( p i ) {\displaystyle 1+\left(p^{i}\right)\in A\left(p^{i}\right)} s'identifie à p + ( p i + 1 ) ∈ A ( p i + 1 ) {\displaystyle p+\left(p^{i+1}\right)\in A\left(p^{i+1}\right)} pour tout i ≥ 1 {\displaystyle i\geq 1} (par la multiplication par p), donc un module divisible contenant 1 + ( p i ) {\displaystyle 1+\left(p^{i}\right)} contient nécessairement 1 + ( p i + 1 ) {\displaystyle 1+\left(p^{i+1}\right)} . Par conséquent, E ( A ( p i ) ) ⊃ A ( p i + 1 ) {\displaystyle E\left(A\left(p^{i}\right)\right)\supset A\left(p^{i+1}\right)} , et par suite E ( A ( p i ) ) = A ( p ∞ ) {\displaystyle E\left(A\left(p^{i}\right)\right)=A\left(p^{\infty }\right)} .
Définition — Soit A un anneau et Q un A-module à gauche. Le module Q est appelé un cogénérateur si le foncteur H o m A ( − , Q ) {\displaystyle {\rm {Hom}}_{A}(-,Q)} est fidèle. Cette définition reste valide dans une catégorie C quelconque.
Soit C une catégorie admettant des produits quelconques (ce qui est le cas des A-modules à gauche). Un objet Q est cogénérateur dans C si, et seulement si pour tout objet M de C il existe un ensemble I et un monomorphisme M → Q I {\displaystyle M\rightarrow Q^{I}} .
Théorème —
(1) Pour un A-module à gauche Q, les propriétés suivantes sont équivalentes :
(2) Soit Q un A-module à gauche injectif. Les propriétés suivantes sont équivalentes :
Soit ( S i ) i ∈ I {\displaystyle (S_{i})_{i\in I}} un système représentatif de A-modules à gauche simples (c'est-à-dire une famille non vide de modules simples tels que S i ≠ S j {\displaystyle S_{i}\neq S_{j}} si i ≠ j {\displaystyle i\neq j} et pour tout module simple S il existe un indice i ∈ I {\displaystyle i\in I} est un isomorphisme S → S i {\displaystyle S\rightarrow S_{i}} ). Il découle de ce qui précède que le A-module à gauche Q 0 = ⨁ i ∈ I E ( S i ) {\displaystyle Q_{0}=\bigoplus \nolimits _{i\in I}E\left(S_{i}\right)} est un cogénérateur, appelé cogénérateur canonique, et il est injectif si A est noethérien à gauche. Un A-module à gauche Q est cogénérateur si, et seulement si, il existe un monomorphisme Q 0 → Q {\displaystyle Q_{0}\rightarrow Q} . Ceci implique qu'il existe dans la catégorie des A-modules à gauche un cogénérateur, dont l'enveloppe injective est un cogénérateur injectif.
Exemple[2] : Soit A un anneau principal. Tout module simple S est de la forme A ( p ) {\displaystyle A(p)} où p est un élément extrémal. Puisque l'enveloppe injective de A ( p ) {\displaystyle A(p)} est A ( p ∞ ) {\displaystyle A\left(p^{\infty }\right)} (voir supra), Q 0 = ⨁ p ∈ P A ( p ∞ ) {\displaystyle Q_{0}=\bigoplus \nolimits _{p\in P}A\left(p^{\infty }\right)} , où P est un système représentatif d'éléments extrémaux de A, est le cogénérateur canonique (unique à un isomorphisme près), et il est injectif.
En particulier, supposons que A soit l'anneau des opérateurs différentiels C [ ∂ ] {\displaystyle \mathbb {C} \left[\partial \right]} où ∂ = d / d x {\displaystyle \partial =d/dx} . Un système représentatif d'éléments extrémaux de A est formé des p ζ ( ∂ ) = ∂ − ζ , ζ ∈ C {\displaystyle p_{\zeta }(\partial )=\partial -\zeta ,\zeta \in \mathbb {C} } . Soit C n , ζ {\displaystyle C_{n,\zeta }} le C {\displaystyle \mathbb {C} } -espace vectoriel engendré par les n fonctions x ↦ x k − 1 e x ζ ( 1 ≤ k ≤ n ) {\displaystyle x\mapsto x^{k-1}e^{x\zeta }(1\leq k\leq n)} et ψ : A → C n , ζ : r ( ∂ ) ↦ r ( ∂ ) x k − 1 e x ζ {\displaystyle \psi :A\rightarrow C_{n,\zeta }:r(\partial )\mapsto r(\partial )x^{k-1}e^{x\zeta }} . Alors ψ {\displaystyle \psi } est un épimorphisme de noyau ( p ζ n ) {\displaystyle (p_{\zeta }^{n})} , qui induit donc un isomorphisme A ( p ζ n ) → C n , ζ {\displaystyle A(p_{\zeta }^{n})\rightarrow C_{n,\zeta }} . Par suite, il existe un isomorphisme
autrement dit le cogénérateur canonique est, à un isomorphisme près, l'espace des combinaisons linéaires d'exponentielles-polynômes (pour une généralisation, voir l'article Principe fondamental d'Ehrenpreis).
Il résulte des définitions qu'un A-module à gauche Q est cogénérateur injectif si, et seulement si le foncteur H o m A ( − , Q ) {\displaystyle {\rm {Hom}}_{A}\left(-,Q\right)} (de la catégorie des Q-modules à gauche dans celle des groupes abéliens) est fidèle et exact (ceci reste valide si l'on remplace la catégorie des A-modules à gauche par une catégorie abélienne admettant des produits quelconques). Explicitons ce résultat :
Corollaire — Soit A un anneau, M i ( i = 1 , . . . , 3 ) {\displaystyle M_{i}(i=1,...,3)} des A-modules à gauche, et Q un A-module à gauche cogénérateur injectif. Alors la suite
est exacte (dans la catégorie des A-modules à gauche) si, et seulement si la suite
est exacte (dans la catégorie des groupes abéliens).
Les résultats de cette section, essentiellement dus à Oberst[3], ont fait récemment l'objet d'une présentation systématique un peu plus générale[2], reprise ci-dessous dans les grandes lignes.
Soit A un anneau et R ∈ A n × m {\displaystyle R\in A^{n\times m}} . Soit ∙ R : A 1 × n → A 1 × m {\displaystyle \bullet R:A^{1\times n}\rightarrow A^{1\times m}} la multiplication à droite par R, c o k e r A ( ∙ R ) = A 1 × m / i m A ( ∙ R ) {\displaystyle {\rm {coker}}_{A}(\bullet R)=A^{1\times m}/{\rm {im}}_{A}(\bullet R)} son conoyau et Q un A-module à gauche.
(a) Le groupe abélien H o m A ( A 1 × n , Q ) {\displaystyle {\rm {Hom}}_{A}\left(A^{1\times n},Q\right)} s'identifie à Q n {\displaystyle Q^{n}} de la manière suivante : soit ( ϵ i ) 1 ≤ i ≤ n {\displaystyle (\epsilon _{i})_{1\leq i\leq n}} la base canonique de A 1 × n {\displaystyle A^{1\times n}} , et pour tout q ∈ Q n {\displaystyle q\in Q^{n}} soit I q ∈ H o m A ( A 1 × n , Q ) : ϵ i ↦ q i ( 1 ≤ i ≤ n ) {\displaystyle {\mathcal {I}}_{q}\in {\rm {Hom}}_{A}\left(A^{1\times n},Q\right):\epsilon _{i}\mapsto q_{i}(1\leq i\leq n)} . Alors I : q ↦ I q {\displaystyle {\mathcal {I}}:q\mapsto {\mathcal {I}}_{q}} est un isomorphisme canonique de Q n {\displaystyle Q^{n}} sur H o m A ( A 1 × n , Q ) {\displaystyle {\rm {Hom}}_{A}\left(A^{1\times n},Q\right)} .
(b) Par suite, H o m A ( c o k e r A ( ∙ R ) , Q ) {\displaystyle {\rm {Hom}}_{A}\left({\rm {coker}}_{A}(\bullet R),Q\right)} s'identifie aux éléments de Q m {\displaystyle Q^{m}} qui s'annulent sur i m A ( ∙ R ) {\displaystyle {\rm {im}}_{A}(\bullet R)} , donc à
Supposons A noethérien à gauche et soit R 1 ∈ A n 1 × m 1 {\displaystyle R_{1}\in A^{n_{1}\times m_{1}}} . Puisque k e r A ( ∙ R 1 ) {\displaystyle {\rm {ker}}_{A}(\bullet R_{1})} est de type fini, il existe un entier n 2 {\displaystyle n_{2}} et une matrice R 2 ∈ A n 2 × n 1 {\displaystyle R_{2}\in A^{n_{2}\times n_{1}}} , dont les lignes en forment un ensemble générateur, et pour lesquels la suite ci-dessous est donc exacte :
Théorème — Compte tenu des identifications ci-dessus, les deux propriétés suivantes sont équivalentes :
(i) Pour toute suite exacte telle que ci-dessus, la suite ci-dessous est exacte :
(ii) Le module Q est injectif.
(ii) implique évidemment (i). Montrons la réciproque : soit a {\displaystyle {\mathfrak {a}}} un idéal à gauche. D'après le critère de Baer, Q est injectif si, et seulement si le morphisme de restriction Q ≅ H o m A ( A , Q ) → H o m A ( a , Q ) : q → ( a ↦ a q ) {\displaystyle Q\cong {\rm {Hom}}_{A}\left(A,Q\right)\rightarrow {\rm {Hom}}{A}\left({\mathfrak {a}},Q\right):q\rightarrow \left(a\mapsto aq\right)} est surjectif. Soit ( a i ) 1 ≤ i ≤ n 1 {\displaystyle (a_{i})_{1\leq i\leq n_{1}}} une famille finie génératrice de a {\displaystyle {\mathfrak {a}}} , R 1 ∈ A n 1 {\displaystyle R_{1}\in A^{n_{1}}} la colonne formée des éléments a i {\displaystyle a_{i}} et R 2 ∈ A n 2 × n 1 {\displaystyle R_{2}\in A^{n_{2}\times n_{1}}} une matrice construite comme il est indiqué. Puisque i m A ( ∙ R 1 ) = a {\displaystyle {\rm {im}}_{A}(\bullet R_{1})={\mathfrak {a}}} , la suite
est exacte, où ( ∙ R 1 ) i n d : A 1 × n 1 → a {\displaystyle \left({\bullet R_{1}}\right)_{ind}:A^{1\times n_{1}}\rightarrow {\mathfrak {a}}} est l'épimorphisme induit par ∙ R 1 {\displaystyle \bullet R_{1}} . (i) entraîne que la suite
est exacte ; or c o k e r A ( ∙ R 1 ) = a {\displaystyle {\rm {coker}}_{A}\left(\bullet R_{1}\right)={\mathfrak {a}}} , donc k e r Q ( R 1 ∙ ) = H o m A ( a , Q ) {\displaystyle {\rm {ker}}_{Q}\left(R_{1}\bullet \right)={\rm {Hom}}_{A}\left({\mathfrak {a}},Q\right)} . Par suite, i m Q ( R 2 ∙ ) = H o m A ( a , Q ) {\displaystyle {\rm {im}}_{Q}\left(R_{2}\bullet \right)={\rm {Hom}}_{A}\left({\mathfrak {a}},Q\right)} et ( R 1 ∙ ) i n d : Q → H o m A ( a , Q ) {\displaystyle ({R_{1}}\bullet )_{ind}:Q\rightarrow {\rm {Hom}}_{A}\left({\mathfrak {a}},Q\right)} est l'épimorphisme cherché.
Considérons maintenant le système d'inconnue q ∈ Q m 1 {\displaystyle q\in Q^{m_{1}}} :
Puisque R 2 R 1 = 0 {\displaystyle R_{2}R_{1}=0} , ce système linéaire ne peut avoir de solution que si la condition de compatibilité R 2 f = 0 {\displaystyle R_{2}f=0} est satisfaite. Or, l'exactitude de la seconde suite exacte ci-dessus signifie que i m Q ( R 1 ∙ ) = k e r Q ( R 2 ∙ ) {\displaystyle {\rm {im}}_{Q}(R_{1}\bullet )={\rm {ker}}_{Q}(R_{2}\bullet )} , donc que si R 2 f = 0 {\displaystyle R_{2}f=0} , alors il existe q ∈ Q m 1 {\displaystyle q\in Q^{m_{1}}} tel que R 1 q = f {\displaystyle R_{1}q=f} . Par conséquent, si le module Q est injectif, la condition de compatibilité (qui est toujours nécessaire) est suffisante pour que le système linéaire non homogène ait une solution. De plus, pour que cela ait lieu pour tout système linéaire non homogène vérifiant la condition de compatibilité, il faut et il suffit que Q soit injectif.
Soit M un A-module à gauche de présentation finie et Q un A-module à gauche. Posons
Posons d'autre part
En désignant par S m {\displaystyle {\mathcal {S}}_{m}} l'ensemble des sous-modules de type fini de A 1 × m {\displaystyle A^{1\times m}} , la correspondance
est une connexion de Galois, à savoir que
Théorème — Supposons Q cogénérateur. Alors :
(i) Pour tout N ∈ S m , N = N ⊥⊥ {\displaystyle N\in {\mathcal {S}}_{m},N=N^{\perp \perp }} , autrement dit la connexion de Galois ci-dessus est bijective.
(ii) Soit R i ∈ A n i × m i ( i = 1 , 2 ) {\displaystyle R_{i}\in A^{n_{i}\times m_{i}}(i=1,2)} . Alors k e r Q ( R 1 ∙ ) ⊂ k e r Q ( R 2 ∙ ) {\displaystyle {\rm {ker}}_{Q}(R_{1}\bullet )\subset {\rm {ker}}_{Q}(R_{2}\bullet )} si, et seulement si, il existe une matrice X ∈ A q 1 × q 2 {\displaystyle X\in A^{q_{1}\times q_{2}}} telle que R 2 = X R 1 {\displaystyle R_{2}=XR_{1}} . En particulier, k e r Q ( R 1 ∙ ) = k e r Q ( R 2 ∙ ) {\displaystyle {\rm {ker}}_{Q}(R_{1}\bullet )={\rm {ker}}_{Q}(R_{2}\bullet )} si, et seulement si n 1 = n 2 = n {\displaystyle n_{1}=n_{2}=n} et il existe une matrice inversible X ∈ G L n ( A ) {\displaystyle X\in {\rm {GL}}_{n}\left(A\right)} telle que R 2 = X R 1 {\displaystyle R_{2}=XR_{1}} (« quasi-unicité de la matrice de définition »).
(i): On sait que N ⊂ N ⊥⊥ {\displaystyle N\subset N^{\perp \perp }} . Démontrons l'inclusion inverse en raisonnant par l'absurde. Si x ∈ A 1 × m {\displaystyle x\in A^{1\times m}} n'appartient pas à N, soit x ¯ = x + N ∈ A 1 × m / N {\displaystyle {\bar {x}}=x+N\in A^{1\times m}/N} . Alors x ¯ ≠ 0 {\displaystyle {\bar {x}}\neq 0} et, puisque Q est cogénérateur, il existe η ¯ : A 1 × m / N → Q {\displaystyle {\bar {\eta }}:A^{1\times m}/N\rightarrow Q} tel que η ¯ ( x ) ≠ 0 {\displaystyle {\bar {\eta }}\left(x\right)\neq 0} . Or η ¯ {\displaystyle {\bar {\eta }}} est induit par un homomorphisme η : A 1 × m → Q {\displaystyle \eta :A^{1\times m}\rightarrow Q} tel que η ( N ) = 0 {\displaystyle \eta \left(N\right)=0} , i.e. η ∈ N ⊥ {\displaystyle \eta \in N^{\perp }} . Puisque η ( x ) ≠ 0 , x ∉ N ⊥⊥ {\displaystyle \eta \left(x\right)\neq 0,x\notin N^{\perp \perp }} .
(ii): Soit N i = i m A ( ∙ R i ) ( i = 1 , 2 ) {\displaystyle N_{i}={\rm {{im}_{A}\left(\bullet R_{i}\right)(i=1,2)}}} . Si N 1 ⊥ ⊂ N 2 ⊥ {\displaystyle N_{1}^{\perp }\subset N_{2}^{\perp }} , alors N 2 ⊥⊥ ⊂ N 1 ⊥⊥ {\displaystyle N_{2}^{\perp \perp }\subset N_{1}^{\perp \perp }} . D'après (i), N 2 ⊂ N 1 {\displaystyle N_{2}\subset N_{1}} , i.e. i m A ( ∙ R 2 ) ⊂ i m A ( ∙ R 1 ) {\displaystyle {\rm {{im}_{A}\left(\bullet R_{2}\right)\subset {\rm {{im}_{A}\left(\bullet R_{1}\right)}}}}} . Or, ∙ R 1 {\displaystyle \bullet R_{1}} est un épimorphisme A 1 × n 1 → i m A ( ∙ R 1 ) {\displaystyle A^{1\times n_{1}}\rightarrow {\rm {{im}_{A}\left(\bullet R_{1}\right)}}} et le module libre A 1 × n 1 {\displaystyle A^{1\times n_{1}}} est projectif, donc il existe un A-homomorphisme ∙ X : A 1 × n 1 → A 1 × n 2 {\displaystyle \bullet X:A^{1\times n_{1}}\rightarrow A^{1\times n_{2}}} tel que R 2 = X R 1 {\displaystyle R_{2}=X\,R_{1}} .