Soient G1,G2 deux Z-modules; on dit qu’une application u de l’ensemble G=G1×G2 dans un Z-module est biadditive (ou Z-bilinéaire) si u(x1,x2) est « additive par rapport à x1 et par rapport à x2 »; de façon précise, cela signifie que, pour x1,y1 dans G1, x2,y2 dans G2, on a
On notera que cela entraîne en particulier u(0,x2)=u(x1,0)=0 quels que soient x1∈G1,x2∈G2.
Soient A un anneau, E un A-module à droite, F un A-module à gauche. Nous allons considérer le problème d’application universelle (E, IV, p. 22) où Σ est l’espèce de structure de Z-module (les morphismes étant donc les applications Z-linéaires, autrement dit les homomorphismes de groupes additifs) et où les α-applications sont les applications f de E×F dans un Z-module G qui sont Z-bilinéaires et sont telles en outre que, pour tout x∈E, tout y∈F et tout λ∈A, on ait
f(xλ,y)=f(x,λy).
Montrons que ce problème admet une solution. Pour cela, considérons le Z-module C=Z(E×F) des combinaisons linéaires formelles des éléments de E×F à coefficients dans Z (II, p. 25), dont on peut considérer qu’une base est formée des couples (x,y), où x∈E et y∈F. Soit D le sous-Z-module de C engendré par les éléments de l’un des types suivants:
où x,x1,x2 sont dans E, y,y1,y2 dans F et λ dans A.
INITION 1. — On appelle produit tensoriel du A-module à droite E et du A-module à gauche F, et on note E⊗AF ou E⊗AF (ou simplement E⊗F si aucune confusion n’est à craindre) le Z-module quotient C/D (quotient du Z-module C des combinaisons linéaires formelles d’éléments de E×F à coefficients dans Z, par le sous-module D engendré par les éléments de l’un des types (2)). Pour x∈E et y∈F, on note x⊗y et on appelle produit tensoriel de x et de y l’élément de E⊗AF image canonique de l’élément (x,y) de C=Z(E×F).
L’application (x,y)↦x⊗y de E×F dans E⊗AF est dite canonique. C’est une application Z-bilinéaire qui vérifie les conditions (1).
Montrons que le produit tensoriel E⊗AF et l’application canonique précédente forment une solution du problème d’application universelle posé plus haut. De façon précise:
Proposition 1
a) Soit g une application Z-linéaire de E⊗AF dans un Z-module G. L’application (x,y)↦f(x,y)=g(x⊗y) de E×F dans G est Z-bilinéaire et vérifie les conditions (1).
b) Réciproquement, soit f une application Z-bilinéaire de E×F dans un Z-module G, vérifiant les conditions (1). Il existe alors une application Z-linéaire g de E⊗AF dans G et une seule telle que f(x,y)=g(x⊗y) pour x∈E,y∈F.
Si φ désigne l’application canonique de E×F dans E⊗AF, on a f=g∘φ; d’où a). Pour démontrer b), remarquons qu’avec les notations de la déf. 1, f se prolonge en une application Z-linéaire fˉ de C dans G (II, p. 24, prop. 17). En vertu des relations (1), fˉ s’annule pour tous les éléments de C de l’un des types (2), donc dans D. Il existe par suite une application Z-linéaire g de C/D=E⊗AF dans G telle que fˉ=g∘ψ, où ψ:C→C/D est l’homomorphisme canonique (II, p. 16, Remarque). L’unicité de g est immédiate, puisque E⊗AF est engendré, en tant que Z-module, par les éléments de la forme x⊗y.
La prop. 1 définit un isomorphisme canonique du Z-module des applications Z-bilinéaires f de E×F dans G, vérifiant les conditions (1), sur le Z-module HomZ(E⊗AF,G).
Lorsque A=Z, les conditions (1) sont automatiquement vérifiées pour toute application Z-bilinéaire f, et le sous-module D de C est déjà engendré par les éléments des deux premiers types (2).
Si maintenant on revient au cas général, et si E′ et F′ désignent les Z-modules sous-jacents à E et F respectivement, la remarque précédente et la déf. 1 montrent aussitôt que le Z-module E⊗AF peut s’identifier canoniquement au quotient du Z-module E′⊗ZF′ par le sous-Z-module engendré par les éléments de la forme (xλ)⊗y−x⊗(λy), où x parcourt E, y parcourt F et λ parcourt A.
Corollaire 1
Soient H un Z-module, h:E×F→H une application Z-bilinéaire vérifiant les conditions (1) et telle que H soit engendré par h(E×F). Supposons que pour tout Z-module G et toute application Z-bilinéaire f de E×F dans G vérifiant (1), il existe une application Z-linéaire g:H→G telle que f=g∘h. Alors, si φ désigne l’application canonique de E×F dans E⊗AF, il existe un isomorphisme et un seul θ de E⊗AF sur H tel que h=θ∘φ.
L’hypothèse que h(E×F) engendre H entraîne en effet l’unicité de g; le corollaire n’est autre alors que la propriété générale d’unicité d’une solution d’un problème d’application universelle (E, IV, p. 23).
Corollaire 2
Désignons par E0 (resp. F0) le module E (resp. F) considéré comme module à gauche (resp. à droite) sur l’anneau opposé A0; il existe alors un isomorphisme σ:E⊗AF→F0⊗A0E0 de Z-modules et un seul tel que l’on ait σ(x⊗y)=y⊗x pour x∈E et y∈F (« commutativité » du produit tensoriel).
En effet, par définition des structures de A0-module sur E0 et F0, l’application (x,y)↦y⊗x de E×F dans F0⊗A0E0 est Z-bilinéaire et vérifie les conditions (1), d’où l’existence et l’unicité de l’application Z-linéaire σ. On définit de même une application Z-linéaire τ:F0⊗A0E0→E⊗AF telle que τ(y⊗x)=x⊗y, et il est clair que σ et τ sont des isomorphismes réciproques.
Remarque
Le produit tensoriel de modules non réduits à 0 peut se réduire à 0 : par exemple, si l’on considère les deux Z-modules E=Z/2Z et F=Z/3Z, on a 2x=0 et 3y=0 quels que soient x∈E, y∈F; par suite, dans E⊗FF, on a x⊗y=3(x⊗y)−2(x⊗y)=x⊗(3y)−(2x)⊗y=0 quels que soient x et y (cf. II, p. 60, cor. 4).
2. Produit tensoriel de deux applications linéaires
Soient A un anneau, E,E′ deux A-modules à droite, F,F′ deux A-modules à gauche, u:E→E′ et v:F→F′ deux applications A-linéaires. On vérifie immédiatement que l’application
(x,y)↦u(x)⊗v(y)
de E×F dans E′⊗AF′ est Z-bilinéaire et satisfait aux conditions (1) de II, p. 50. En vertu de la prop. 1 de II, p. 51, il existe donc une application Z-linéaire et une seule w:E⊗AF→E′⊗AF′ telle que
w(x⊗y)=u(x)⊗v(y)
pour x∈E,y∈F. Cette application se note u⊗v (lorsqu’il n’en résulte pas de confusion) et s’appelle le produit tensoriel des applications linéaires u et v.
On déduit aussitôt de (3) que (u,v)↦u⊗v est une application Z-bilinéaire dite canonique :
HomA(E,E′)×HomA(F,F′)→HomZ(E⊗AF,E′⊗AF′)
Il lui correspond d’après la prop. 1 de II, p. 51 une application Z-linéaire dite canonique :
HomA(E,E′)⊗ZHomA(F,F′)→HomZ(E⊗AF,E′⊗AF′)
qui, à tout élément u⊗v du produit tensoriel, fait correspondre l’application linéaire u⊗v:E⊗AF→E′⊗AF′. On notera que l’application canonique (4) n’est pas nécessairement injective ni surjective. La notation u⊗v pourra donc prêter à confusion et il sera nécessaire que le contexte indique s’il s’agit d’un élément d’un produit tensoriel ou d’une application linéaire.
En outre, soient E′′ un A-module à droite, F′′ un A-module à gauche, u′:E′→E′′, v′:F′→F′′ des applications A-linéaires; il résulte de (3) que l’on a
(u′∘u)⊗(v′∘v)=(u′⊗v′)∘(u⊗v).
3. Changement d’anneau
Proposition 2
Soient A,B deux anneaux, ρ:B→A un homomorphisme d’anneaux, E (resp. F) un A-module à droite (resp. à gauche). Il existe alors une application Z-linéaire et une seule
φ:ρ∗(E)⊗Bρ∗(F)→E⊗AF
telle que pour tout x∈E et tout y∈F, l’image par φ de l’élément x⊗y de ρ∗(E)⊗Bρ∗(F) soit l’élément x⊗y de E⊗AF; cette application Z-linéaire est surjective.
Considérons en effet l’application (x,y)↦x⊗y de ρ∗(E)×ρ∗(F) dans E⊗AF; elle est Z-bilinéaire et pour tout β∈B, on a par définition (xρ(β))⊗y=x⊗(ρ(β)y), donc les conditions (1) de II, p. 50 sont vérifiées, d’où l’existence et l’unicité de φ (II, p. 51, prop. 1). La dernière assertion résulte de ce que les éléments x⊗y engendrent le Z-module E⊗AF.
L’application (6) est dite canonique.
Corollaire
Soient J un idéal bilatère de A, tel que J soit contenu dans l’annulateur de E et dans l’annulateur de F, de sorte que E (resp. F) est canoniquement muni d’une structure de (A/J)-module à droite (resp. à gauche) (II, p. 28). Alors l’homomorphisme canonique (6)
φ:E⊗AF→E⊗A/JF
correspondant à l’homomorphisme canonique ρ:A→A/J, est l’identité.
En effet, pour tout α∈A/J, tout x∈E et tout y∈F, on a xα=xα (resp. αy=αy) pour tout α tel que ρ(α)=α. Si C=Z(E×F), le sous-module de C engendré par les éléments (xα,y)−(x,αy) est donc égal au sous-module engendré par les éléments (xα,y)−(x,αy).
Les hypothèses et notations étant celles de la prop. 2, soient E′ un B-module à droite, F′ un B-module à gauche, et considérons deux applications u:E′→E, v:F′→F semi-linéaires relativement à l’homomorphisme ρ:B→A; u (resp. v) peut être considéré comme une application B-linéaire E′→ρ∗(E) (resp. F′→ρ∗(F)), d’où une application Z-linéaire w:E′⊗BF′→ρ∗(E)⊗Bρ∗(F) telle que w(x′⊗y′)=u(x′)⊗v(y′) pour x′∈E′,y′∈F′; en composant avec cette application l’application canonique (6), on obtient donc une application Z-linéaire w′:E′⊗BF′→E⊗AF telle que w′(x′⊗y′)=u(x′)⊗v(y′) pour x' \in E', y' \in F'; c'est cette application que l'on notera d'ordinaire u⊗v s'il n'en résulte pas de confusion. Il est clair que (u,v)↦u⊗v est une application Z-bilinéaire
En outre, si C est un troisième anneau, σ:C→B un homomorphisme, E′′ un C-module à droite, F′′ un C-module à gauche, u′:E′′→E′, v′:F′′→F′ des applications semi-linéaires relatives à σ, on a
(u∘u′)⊗(v∘v′)=(u⊗v)∘(u′⊗v′).
4. Opérateurs sur un produit tensoriel; produits tensoriels comme multimodules
Les hypothèses et notations étant celles du n° 1, pour tout endomorphisme u (resp. v) du A-module E (resp. F), u⊗1F (resp. 1E⊗v) est un endomorphisme du Z-module E⊗AF; il résulte aussitôt de (5) (II, p. 53) que l’application u↦u⊗1F (resp. v↦1E⊗v) est un homomorphisme d’anneauxEndA(E)→EndZ(E⊗AF) (resp. EndA(F)→EndZ(E⊗AF)); en outre, on a
(u⊗1F)∘(1E⊗v)=(1E⊗v)∘(u⊗1F)=u⊗v
et par suite (II, p. 33) E⊗AF est canoniquement muni d’une structure de bimodule à gauche par rapport aux anneaux EndA(E) et EndA(F).
Cela étant, supposons données sur E une structure de ((Bi′);A,(Cj′))−multimodule, et sur F une structure de (A,(Bh′′);(Ck′′))−multimodule (II, p. 33); il revient au même de dire que l’on s’est donné des homomorphismes d’anneaux Bi′→EndA(E), Cj′0→EndA(E) d’images deux à deux permutables, et des homomorphismes d’anneaux Bh′′→EndA(F), Ck′′0→EndA(F) d’images deux à deux permutables. Si l’on compose respectivement avec ces homomorphismes les homomorphismes canoniques EndA(E)→EndZ(E⊗AF) et EndA(F)→EndZ(E⊗AF) définis plus haut, on voit (compte tenu de (7)) que l’on définit ainsi des homomorphismes d’anneaux
d’images deux à deux permutables; autrement dit, on a défini sur E⊗AF une structure de ((Bi′),(Bh′′);(Cj′),(Ck′′))−multimodule; c’est ce multimodule qu’on appelle encore produit tensoriel (relatif à A) du((Bi′);A,(Cj′))−multimodule∗E∗etdu∗(A, (B''_h); (C''_k))-multimodule* F. Ce multimodule est solution d’un problème d’application universelle analogue à celui considéré au n° 1; de façon précise:
Proposition 3
Soit G un* ((Bi′),(Bh′′);(Cj′),(Ck′′))−multimodule.
a) Soit g une application linéaire du multimoduleE⊗AFdans G. L’applicationf:(x,y)↦g(x⊗y)deE×Fdans G estZ*-bilinéaire*, vérifie les relations (1) de II, p. 50, ainsi que les conditions* (8)
pour x∈E,y∈F,μi′∈Bi′,νj′∈Cj′,μh′′∈Bh′′,νk′′∈Ck′′,i,j,h,k quelconques.
b) Réciproquement, soit f une application Z-bilinéaire de E×F dans G, vérifiant les conditions (1) (II, p. 50) et (8). Il existe alors une application linéaire et une seule g du multimodule E⊗AF dans le multimodule G telle que l’on ait f(x,y)=g(x⊗y) pour x∈E,y∈F.
L’assertion a) résulte aussitôt de la définition de la structure de multimodule de E⊗AF, car on a par exemple (x⊗y)νj′=(xνj′)⊗y. Pour prouver b), remarquons d’abord que la prop. 1 de II, p. 51 donne l’existence et l’unicité d’une application Z-linéaire g telle que g(x⊗y)=f(x,y) pour x∈E,y∈F; tout revient à voir que g est linéaire pour les structures de multimodule. Comme les éléments x⊗y engendrent le Z-module E⊗AF, il suffit de vérifier les relations g(μi′(x⊗y))=μi′g(x⊗y) et les analogues; mais cela résulte aussitôt de la formule g(x⊗y)=f(x,y) et des relations (8).
Scholie
Un élément de E⊗AF s’écrit en général de plusieurs manières sous la forme ∑i(xi⊗yi), où xi∈E et yi∈F; mais pour définir une application linéaire g du multimodule E⊗AF dans un multimodule G, il est inutile de vérifier que pour ∑i(xi⊗yi)=∑j(xj′⊗yj′), on a ∑ig(xi⊗yi)=∑jg(xj′⊗yj′); il suffit de se donner g(x⊗y) pour x∈E et y∈F et de s’assurer que (x,y)↦g(x⊗y) est Z-bilinéaire et vérifie les conditions (1) (II, p. 50) et (8).
Soient E′ un ((Bi′);A,(Cj′))-multimodule, F′ un (A,(Bh′′);(Ck′′))-multimodule, u:E→E′, v:F→F′ des applications linéaires de multimodules; il résulte aussitôt des définitions (II, p. 52) que u⊗v est une application linéaire du multimodule E⊗AF dans le multimodule E′⊗AF′.
Désignant toujours par E un A-module à droite, notons sAd l’anneau A considéré comme (A,A)-bimodule (II, p. 34, Exemple 1); d’après ce qui précède, le produit tensoriel E⊗A(sAd) est muni canoniquement d’une structure de A-module à droite telle que (x⊗λ)μ=x⊗(λμ) pour x∈E,λ∈A,μ∈A. L’application (x,λ)↦xλ de E×(sAd) dans E est Z-bilinéaire et vérifie les conditions (1) (II, p. 50) et (8) (où, dans ces dernières, les Bi′,Cj′ et Bh′′ sont absents, la famille (Ck′′) réduite à A); donc (II, p. 54, prop. 3), il existe une application A-linéaireg (dite canonique) de E⊗A(sAd) dans E telle que g(x⊗λ)=xλ pour x∈E,λ∈A.
Proposition 4
Si E est un A-module à droite, l’application h:x↦x⊗1 de E dans E⊗A(sAd) est un isomorphisme de A-modules à droite, dont l’isomorphisme réciproque g est tel que g(x⊗λ)=xλ pour x∈E,λ∈A.
En effet, si g est l’application canonique, g∘h est l’application identique 1E et h∘g coïncide avec l’application identique de E⊗A(sAd) sur lui-même pour les éléments de la forme x⊗λ, qui engendrent ce dernier Z-module; d’où la conclusion.
On écrira d’ordinaire E⊗AA au lieu de E⊗A(sAd) et on identifiera souvent E⊗AA et E au moyen des isomorphismes canoniques précédents. On observera que si E est en outre muni d’une structure de B-module (à gauche ou à droite) compatible avec sa structure de A-module à droite, g et h sont aussi des isomorphismes pour les structures de B-module de E et de E⊗AA (donc des isomorphismes de multimodules).
Soit maintenant F un A-module à gauche; (sAd)⊗AF (aussi noté A⊗AF) est alors canoniquement muni d’une structure de A-module à gauche, et on définit comme dans la prop. 4 (II, p. 55) un isomorphisme canonique de A⊗AF sur F transformant λ⊗x en λx, et son isomorphisme réciproque x↦1⊗x.
En particulier il existe un isomorphisme canonique du (A, A)-bimodule (sAd)⊗A(sAd) sur sAd, qui transforme λ⊗μ en λμ.
5. Produit tensoriel de deux modules sur un anneau commutatif
Soit C un anneau commutatif; pour tout C-module E, la structure de module sur E est compatible avec elle-même (II, p. 33). Si E et F sont deux C-modules, les considérations de II, p. 54 permettent donc de définir sur le produit tensoriel E⊗CFdeux structures de C-module, respectivement telles que γ(x⊗y)=(γx)⊗y et γ(x⊗y)=x⊗(γy); mais comme en vertu de II, p. 51, déf. 1 on a ici (γx)⊗y=x⊗(γy), ces deux structures sont les mêmes. Quand on parlera désormais de E⊗CF comme d’un C-*module*, c’est de la structure ainsi définie qu’il sera question, sauf mention expresse du contraire. L’isomorphisme canonique σ:F⊗CE→E⊗CF (II, p. 52, cor. 2) est alors un isomorphisme de C-modules.
Il résulte de cette définition que si (aλ)λ∈L (resp. (bμ)μ∈M) est un système générateur du C-module E (resp. F), (aλ⊗bμ) est un système générateur du C-module E⊗CF; en particulier, si E et F sont des C-modules de type fini, il en est de même de E⊗CF.
Pour tout C-module G, les applications Z-bilinéaires f de E×F dans G pour lesquelles on a
f(γx,y)=f(x,γy)=γf(x,y)pour x∈E,y∈F,γ∈C
sont alors appelées C-*bilinéaires*, et forment un C-*module* que l’on note L2(E,F;G); la prop. 3 (II, p. 54) définit un isomorphisme canonique de C-modules (cf. II, p. 35, Remarque 1)
L2(E,F;G)→HomC(E⊗CF,G).
Soient E′,F′ deux C-modules, u:E→E′, v:F→F′ deux applications C-linéaires; alors (II, p. 55) u⊗v est une application C-*linéaire* de E⊗CF dans E′⊗CF′. En outre, il est immédiat que (u,v)↦u⊗v est une application C-bilinéaire de HomC(E,E′)×HomC(F,F′) dans HomC(E⊗CF,E′⊗CF′); il lui correspond donc canoniquement une application C-linéaire, dite canonique:
(11)
HomC(E,E′)⊗CHomC(F,F′)→HomC(E⊗CF,E′⊗CF′)
qui, à tout élément u⊗v du produit tensoriel
HomC(E,E′)⊗CHomC(F,F′)
fait correspondre l’application linéaire u⊗v. On notera que l’application canonique (11) n’est pas nécessairement injective ni surjective (II, p. 190, exerc. 2).
Remarque 1
Soient A, B deux anneaux commutatifs, ρ:B→A un homomorphisme d’anneaux, E et F deux A-modules; alors l’application canonique (6) de II, p. 53 est une application B-linéaire
(12)
ρ∗(E)⊗Bρ∗(F)→ρ∗(E⊗AF).
Remarque 2
Les considérations de ce n° peuvent se généraliser au cas suivant: soient E un A-module à droite, F un A-module à gauche, C un anneau commutatif, ρ:C→A un homomorphisme de C dans A tel que ρ(C) soit contenu dans le centre de A (cf. III, p. 6). On peut alors considérer les C-modules ρ∗(E) et ρ∗(F) et l’hypothèse sur ρ entraîne que les structures de ces C-modules sont respectivement compatibles avec les structures de A-module de E et F (II, p. 33). Le produit tensoriel E⊗AF est donc (en vertu de II, p. 54) muni de deux structures de C-modules telles que γ(x⊗y)=(xρ(γ))⊗y et γ(x⊗y)=x⊗(ρ(γ)y) respectivement pour γ∈C,x∈E,y∈F, et la déf. 1 (II, p. 51) montre encore que ces deux structures sont identiques. Si E′ (resp. F′) est un A-module à droite (resp. à gauche), u:E→E′,v:F→F′ deux applications A-linéaires, alors u⊗v:E⊗AF→E′⊗AF′ est C-linéaire pour les structures de C-modules qu’on vient de définir; l’application (u,v)↦u⊗v:
HomA(E,E′)×HomA(F,F′)→HomC(E⊗AF,E′⊗AF′)
est C-*bilinéaire* (pour les structures de C-module sur HomA(E,E′) et HomA(F,F′) définies dans II, p. 35, Remarque 1) d’où l’on déduit encore une application C-linéaire, dite *canonique
(13)
HomA(E,E′)⊗CHomA(F,F′)→HomC(E⊗AF,E′⊗AF′).
Remarque 3
Soient A un anneau intègre, K son corps des fractions. Si E et F sont deux K-espaces vectoriels, l’application canonique
(E[A])⊗A(F[A])→E⊗KF
(II, p. 53 et p. 30) est bijective. Il suffit en effet (II, p. 55) de prouver que si f est une application A-*bilinéaire* de E×F dans un K-espace vectoriel G, f est aussi K-*bilinéaire*. Or, pour tout α=0 dans A, on a alors d’où
αf(α−1x,y)=f(x,y)=αf(x,α−1y),
puisque G est un K-espace vectoriel.
6. Propriétés de E⊗AF relatives aux suites exactes
Proposition 5
Soient E,E′,E′′ des A-modules à droite, F un A-module à gauche,
(14)
E′uEvE′′⟶0
une suite exacte d’applications linéaires. Si l’on pose uˉ=u⊗1F,vˉ=v⊗1F, la suite
(15)
E′⊗AFuˉE⊗AFvˉE′′⊗AF⟶0
de Z-homomorphismes est exacte.
En vertu de II, p. 53, formule (5), on a vˉ∘uˉ=(v∘u)⊗1F=0; l’image H=uˉ(E′⊗F) est contenue dans le noyau L=Ker(vˉ); par passage au quotient, on déduit donc de vˉ une application Z-linéaire f du conoyau M=(E⊗F)/H de uˉ dans E′′⊗F; il s’agit de prouver que f est bijective, et il suffira donc de définir une application Z-linéaire g:E′′⊗F→M telle que g∘f et f∘g soient les applications identiques.
Soient x′′∈E′′,y∈F; par hypothèse il existe x∈E tel que v(x)=x′′. Montrons que si x1,x2 sont deux éléments de E tels que v(x1)=v(x2)=x′′ et si φ:E⊗F→M est l’application canonique, on a φ(x1⊗y)=φ(x2⊗y). Il suffit de prouver que si v(x)=0, on a φ(x⊗y)=0; cela résulte de ce que x=u(x′), avec x′∈E′, d’où x⊗y=u(x′)⊗y=uˉ(x′⊗y)∈H. Si à (x′′,y) on fait correspondre la valeur unique de φ(x⊗y) pour tous les x∈E tels que v(x)=x′′, on définit une application de E′′×F dans M; cette application est Z-bilinéaire et vérifie les conditions (1) (II, p. 50), puisque v(xλ)=x′′λ et (xλ)⊗y=x⊗(λy) pour x∈E; il existe donc une application Z-linéaire g de E′′⊗F dans M telle que g(x′′⊗y)=φ(x⊗y), pour y∈F,x∈E et x′′=v(x). Cette définition prouve en outre que f∘g coïncide avec l’application identique pour les éléments de E′′⊗F de la forme x′′⊗y, donc f∘g est l’application identique de E′′⊗F; d’autre part, pour x∈E et y∈F, on a f(φ(x⊗y))=v(x)⊗y par définition, donc g(f(φ(x⊗y)))=φ(x⊗y), et comme les éléments de la forme φ(x⊗y) engendrent M, g∘f est l’application identique de M.
Corollaire
Soient F,F′,F′′ des A-modules à gauche, E un A-module à droite,
(16)
F′sFtF′′⟶0
une suite exacte d’applications linéaires. Si on pose sˉ=1E⊗s,tˉ=1E⊗t, la suite de Z-homomorphismes
(17) E⊗AF′sˉE⊗AFiE⊗AF′′⟶0
est exacte.
En effet, quand on considère E (resp. F) comme un A0-module à gauche (resp. à droite), F⊗A0E s’identifie à E⊗AF, et on a des identifications analogues pour F′⊗A0E et F′′⊗A0E (II, p. 52, cor. 2); le corollaire résulte donc aussitôt de la prop. 5.
Remarque
On notera qu’en général, si E′ est un sous-module d’un A-module à droite E, j:E′→E l’injection canonique, l’application j⊗1F:E′⊗F→E⊗F n’est pas nécessairement injective. Autrement dit, d’une suite exacte
(18) 0⟶E′uEvE′′⟶0
on ne peut pas conclure en général que la suite
(19) 0⟶E′⊗FuˉE⊗FvˉE′′⊗F⟶0
soit exacte.
Prenons par exemple A=Z, E=Z, E′=2Z, F=Z/2Z. Comme E′ est isomorphe à E, E′⊗F est isomorphe à E⊗F, lui-même isomorphe à F (II, p. 55, prop. 4). Mais pour tout x′=2x∈E′ (où x∈E), et tout y∈F, on a j(x′)⊗y=(2x)⊗y=x⊗(2y)=0 puisque 2y=0, et l’image canonique de E′⊗F dans E⊗F est réduite à 0.
En d’autres termes, il faut soigneusement distinguer, pour un sous-module E′ de E et un élément x∈E′, entre l’élément x⊗y « calculé dans E′⊗F » et l’élément x⊗y « calculé dans E⊗F » (autrement dit, l’élément j(x)⊗y).
Nous étudierons plus tard, sous le nom de modules plats, les modules F tels que la suite (19) soit exacte pour toute suite exacte (18) (AC, I, § 2).
Proposition 6
Si on a les deux suites exactes (14) et (16) (II, p. 58), l’homomorphisme v⊗t:E⊗AF→E′′⊗AF′′ est surjectif et son noyau est égal à
Im(u⊗1F)+Im(1E⊗s).
En effet, on a v⊗t=(v⊗1F′′)∘(1E⊗t) (II, p. 53, formule (5)), et v⊗t est donc surjectif, étant composé de deux homomorphismes surjectifs en vertu de la prop. 5 (II, p. 58) et de son corollaire (II, p. 58). D’autre part, pour que z∈E⊗F soit dans le noyau de v⊗t, il faut et il suffit que (1E⊗t)(z) appartienne au noyau de v⊗1F′′, c’est-à-dire, en vertu de (15) (II, p. 58), à l’image de u⊗1F′′:E′⊗F′′→E⊗F′′. Mais comme l’homomorphisme t:F→F′′ est surjectif, il en est de même de 1E′⊗t:E′⊗F→E′⊗F′′, en vertu de II, p. 58, corollaire, donc la condition pour z se réduit à l’existence d’un a∈E′⊗F tel que
(1E⊗t)(z)=(u⊗t)(a).
Posons b=z−(u⊗1F)(a); on aura alors (1E⊗t)(b)=0, et en vertu de (17), b appartient à l’image de 1E⊗s, ce qui démontre la proposition.
Autrement dit: COROLLAIRE 1. — Soient E' un sous-module d’un A-module à droite E, F' un sous-module d’un A-module à gauche F, Im(E' \otimes_A F) et Im(E \otimes_A F') les sous-\mathbf{Z}-modules de E \otimes_A F, images respectives des applications canoniques E' \otimes_A F \to E \otimes_A F, E \otimes_A F' \to E \otimes_A F. On a alors un isomorphisme canonique de \mathbf{Z}-modules (20) π:(E/E′)⊗A(F/F′)→(E⊗AF)/(Im(E′⊗AF)+Im(E⊗AF′)) tel que pour ξ∈E/E′,η∈F/F′,π(ξ⊗η) soit la classe de tout élément x⊗y∈E⊗AF tel que x∈ξ et y∈η.
On notera que lorsque E est un ((B'_i); A, (C'_j))-multimodule, F un (A, (B''_h); (C''_k))-multimodule, E' et F' des sous-multimodules de E et F respectivement, l’isomorphisme (20) est un isomorphisme pour les structures de ((B'_i), (B''_h); (C'_j), (C''_k))-multimodules des deux membres (II, p. 54).
Corollaire 2
Soient a un idéal à droite de A, F un A-module à gauche, aF le sous-\mathbf{Z}-module de F engendré par les éléments de la forme λx, où λ∈a et x∈F. On a alors un isomorphisme canonique de \mathbf{Z}-modules (21) π:(A/a)⊗AF→F/aF tel que pour tout λˉ∈A/a et tout x∈F, π(λˉ⊗x) soit la classe mod. aF de λx, ou λ∈λˉ.
En particulier, pour A = \mathbf{Z}, on voit que pour tout entier n et tout \mathbf{Z}-module F, (\mathbf{Z}/n\mathbf{Z}) \otimes_{\mathbf{Z}} F s’identifie canoniquement au \mathbf{Z}-module quotient F/nF.
Corollaire 3
Soient A un anneau commutatif, a un idéal de A, E et F deux A-modules, tels que a soit contenu dans l’annulateur de F. Alors les (A/a)-modules E \otimes_A F et (E/aE) \otimes_{A/a} F sont canoniquement isomorphes.
En effet, F et E \otimes_A F étant annulés par a, sont canoniquement munis de structures de (A/a)-modules (II, p. 28), et si on pose E' = aE, on a Im(E' \otimes_A F) = 0; on a donc un isomorphisme canonique (20) de E \otimes_A F sur (E/aE) \otimes_A F, et ce dernier est lui-même identique à (E/aE) \otimes_{A/a} F (II, p. 35, corollaire).
Corollaire 4
Soient a, b deux idéaux dans un anneau commutatif C; le C-module (C/a) \otimes_C (C/b) est alors canoniquement isomorphe à C/(a + b).
7. Produits tensoriels de produits et de sommes directes
Soient (E_\lambda)_{\lambda \in L} une famille de A-modules à droite, (F_\mu)_{\mu \in M} une famille de A-modules à gauche, et considérons les modules produits C = \prod_{\lambda \in L} E_\lambda, D = \prod_{\mu \in M} F_\mu. L’application ((x_\lambda), (y_\mu)) \mapsto (x_\lambda \otimes y_\mu) de C \times D dans le \mathbf{Z}-module produit \prod_{(\lambda, \mu) \in L \times M} (E_\lambda \otimes_A F_\mu) est \mathbf{Z}-bilinéaire et satisfait aux conditions (1) (II, p. 50) de façon évidente. Il existe donc (II, p. 51, prop. 1) une application Z-linéaire, dite canonique
f:(λ∈L∏Eλ)⊗A(μ∈M∏Fμ)→(λ,μ)∈L×M∏(Eλ⊗AFμ)
telle que l’on ait f((xλ)⊗(yμ))=(xλ⊗yμ).
Lorsque C=RL,D=SM,R (resp. S) étant un A-module à droite (resp. à gauche), l’application canonique (22) fait correspondre à tout produit tensoriel u⊗v, où u est une application de L dans R et v une application de M dans S, l’application (λ,μ)↦u(λ)⊗v(μ) de L×M dans R⊗AS; même dans ce cas l’application canonique (22) n’est en général ni injective ni surjective (II, p. 189, exerc. 3; cf. II, p. 63, cor. 3).
Lorsque les Eλ sont des ((Bi′);A,(Cj′))-multimodules et les Fμ des (A,(Bh′′);(Ck′′))-multimodules, l’homomorphisme (22) est aussi un homomorphisme pour les structures de ((Bi′),(Bh′′);(Cj′),(Ck′′))-multimodules des deux membres.
Considérons maintenant le sous-module E=⨁λ∈LEλ (resp. F=⨁μ∈MFμ) de C (resp. D); les injections canoniques E→C,F→D définissent canoniquement une application Z-linéaire E⊗AF→C⊗AD qui, composée avec l’application (22), donne une application Z-linéaire g de E⊗AF dans ∏λ,μ(Eλ⊗AFμ) telle que g((xλ)⊗(yμ))=(xλ⊗yμ); en outre, comme les familles (xλ) et (yμ) ont un support fini, il en est de même de (xλ⊗yμ), donc g est finalement un homomorphisme canonique
g:(λ∈L⨁Eλ)⊗A(μ∈M⨁Fμ)→(λ,μ)∈L×M⨁(Eλ⊗AFμ),
qui est un homomorphisme de multimodules sous les mêmes conditions que (22).
Proposition 7
L’application canonique (23) est bijective.
Il suffit pour cela de définir une application Z-linéaire h de la somme directe G=⨁(λ,μ)∈L×M(Eλ⊗AFμ) dans E⊗AF telle que g∘h et h∘g soient les applications identiques. Or, pour définir une application Z-linéaire de G dans E⊗AF, il suffit (II, p. 12, prop. 6), de définir une application Z-linéaire
hλμ:Eλ⊗AFμ→E⊗AF
pour tout couple (λ,μ), et on prendra hλμ=iλ⊗jμ, où iλ:Eλ→E et jμ:Fμ→F sont les injections canoniques. Il est clair alors que h∘g coïncide avec l’application identique pour les éléments de la forme (∑xλ)⊗(∑yμ), qui engendrent le Z-module E⊗AF; de même g∘h coïncide avec l’application identique pour les éléments de la forme ∑λ,μ(xλ⊗yμ), qui engendrent le Z-module G, puisque pour chaque couple (λ,μ) les produits xλ⊗yμ (xλ∈Eλ,yμ∈Fμ) engendrent le Z-module Eλ⊗AFμ. D’où la proposition.
Soient uλ:Eλ→Eλ′,vμ:Fμ→Fμ′ des A-homomorphismes; il est clair que le diagramme
Si le A-module à gauche F admet une base (bμ)μ∈M, tout élément de E⊗AF s’écrit d’une seule manière sous la forme ∑μ(xμ⊗bμ), où xμ∈E et la famille (xμ) a un support fini. Le Z-module E⊗AF est isomorphe à E(M) considéré comme Z-module.
En effet, la base (bμ) définit un isomorphisme de F sur ⨁μ∈MAbμ, d’où un isomorphisme E⊗AF→⨁μ∈M(E⊗AAbμ) en vertu de la prop. 7; comme ξ↦ξbμ est un isomorphisme de As sur Abμ, x↦x⊗bμ est un isomorphisme de E sur E⊗A(Abμ) en vertu de la prop. 4 de II, p. 55, d’où le corollaire.
Si E est un ((Bi′);A,(Cj′))-multimodule, l’isomorphisme canonique E⊗AF→E(M) est un isomorphisme de ((Bi′);(Cj′))-multimodules.
En particulier, si en outre E admet aussi une base (aλ)λ∈L, tout z∈E⊗AF s’écrit d’une manière et d’une seule sous la forme ∑λ,μ(aλξλμ)⊗bμ, où les ξλμ appartiennent à A (et forment une famille à support fini); l’application z↦(ξλμ)(λ,μ)∈L×M est un isomorphisme de E⊗AF sur A(L×M) pour les structures de Z-module (et même les structures de module sur le centre de A). Plus particulièrement:
Corollaire 2
Si E et F sont deux modules libres sur un anneau commutatif C, et si (aλ) (resp. (bμ)) est une base du C-module E (resp. F), alors (aλ⊗bμ) est une base du C-module E⊗CF.
Par abus de langage, on dit parfois que la base (aλ⊗bμ) est le produit tensoriel des bases (aλ) et (bμ).
Remarque 1). — Soient E un A-module à droite libre, F un A-module à gauche libre, (aλ)λ∈L une base de E, (bμ)μ∈M une base de F. Tout élément z∈E⊗AF s’écrit d’une seule manière ∑λaλ⊗yλ, où yλ∈F, et aussi d’une seule manière ∑μxμ⊗bμ, où xμ∈E. Si on pose yλ=∑μηλμbμ, xμ=∑λaλξλμ, où les ξλμ et ηλμ appartiennent à A, on a ξλμ=ηλμ pour tout (λ,μ), car ∑λ(aλ⊗(∑μηλμbμ))=∑λ,μ((aληλμ)⊗bμ)=∑μ((∑λaληλμ)⊗bμ).
Corollaire 3
Soient (Eλ)λ∈L une famille de A-modules à droite, F un A-module à gauche libre (resp. libre et de type fini). Alors l’application canonique (22)
(λ∈L∏Eλ)⊗AF→λ∈L∏(Eλ⊗AF)
est injective (resp. bijective).
En effet, si (bμ) est une base de F, tout élément de (∏λ∈LEλ)⊗AF peut s’écrire d’une seule manière z=∑μ((xλ(μ))⊗bμ) (II, p. 62, cor. 1); dire que son image canonique est nulle signifie que pour tout λ∈L, on a ∑μ(xλ(μ)⊗bμ)=0, donc xλ(μ)=0 pour tout λ∈L et tout μ (II, p. 62, cor. 1), et par suite z=0.
Pour démontrer que l’application canonique est bijective lorsque F admet une base finie, on est aussitôt ramené, en vertu de la prop. 7, au cas où F=As; mais alors les deux membres s’identifient canoniquement à ∏λ∈LEλ (II, p. 55, prop. 4) et après ces identifications, l’application canonique (22) devient l’identité.
Corollaire 4
Soient A un anneau sans diviseur de zéro, E un A-module à droite libre, F un A-module à gauche libre. Alors la relation x⊗y=0 dans E⊗AF entraîne x=0 ou y=0.
En effet, soient (aλ) une base de E, (bμ) une base de F, et soient x=∑λaλξλ, y=∑μημbμ; on a x⊗y=∑λ,μ((aλξλημ)⊗bμ) et la relation x⊗y=0 entraîne ξλημ=0 pour tout couple d’indices (λ,μ) (II, p. 62, cor. 1). Donc, si l’on a x=0, c’est-à-dire ξλ=0 pour un λ au moins, on en conclut ημ=0 pour tout μ, d’où y=0.
Corollaire 5
Soient E un A-module à droite, F un A-module à gauche, M un sous-module de E, N un sous-module de F. Si M est facteur direct de E et N facteur direct de F, l’homomorphisme canonique M⊗AN→E⊗AF est injectif, et l’image de M⊗AN par cet homomorphisme est facteur direct du Z-module E⊗AF.
Cela résulte aussitôt de la prop. 7.
On notera que si E est un ((Bi′);A,(Cj′))-multimodule et F un (A,(Bh′′);(Ck′′))-multimodule, M et N des facteurs directs dans ces multimodules, M⊗N est facteur direct du ((Bi′),(Bh′′);(Cj′),(Ck′′))-multimodule E⊗F.
Corollaire 6
Soient P un A-module à gauche projectif, E,F deux A-modules à droite. Pour tout homomorphisme injectif u:E→F, l’homomorphisme
u⊗1P:E⊗AP→F⊗AP
est injectif.
En effet, il existe un A-module à gauche Q tel que L=P⊕Q soit libre (II, p. 39, prop. 4), et u⊗1L s’identifie (prop. 7) à (u⊗1P)⊕(u⊗1Q);
il suffit donc de prouver le corollaire lorsque P est libre (II, p. 14, cor. 1). Le même raisonnement ramène au cas où P=As, qui découle aussitôt de II, p. 55, prop. 4.
Corollaire 7
Soit C un anneau commutatif. Si E et F sont deux C-modules projectifs, E⊗CF est un C-module projectif.
Cela résulte aussitôt de II, p. 63, cor. 5 et du fait que le produit tensoriel de deux C-modules libres est un C-module libre (II, p. 61, cor. 2).
Remarque 2). — Sous les hypothèses de la prop. 7 (II, p. 61), soient Eλ′ un sous-module de Eλ, Fμ′ un sous-module de Fμ, et posons E′=⨁λ∈LEλ′, F′=⨁μ∈MFμ′. Désignons par Im(E′⊗AF′) (resp. Im(Eλ′⊗AFμ′)) l’image de E′⊗AF′ (resp. Eλ′⊗AFμ′) dans E⊗AF (resp. Eλ⊗AFμ) par l’application canonique; alors l’isomorphisme (23) identifie les sous-Z-modules
Im(E′⊗AF′)et(λ,μ)∈L×M⨁Im(Eλ′⊗AFμ′);
cela résulte aussitôt de la commutativité du diagramme
où les flèches verticales sont les isomorphismes canoniques.
8. Associativité du produit tensoriel.
Proposition 8
Soient A, B deux anneaux, E un A-module à droite, F un (A, B)-bimodule, G un B-module à gauche. Alors E⊗AF est un B-module à droite, F⊗BG un A-module à gauche, et il existe une application Z-linéaire et une seule
φ:(E⊗AF)⊗BG→E⊗A(F⊗BG)
telle queφ((x⊗y)⊗z)=x⊗(y⊗z)pourx∈E,y∈F,z∈G; en outre cette applicationZ-*linéaire est bijective* (« associativité » du produit tensoriel).
Les structures de B-module à droite sur E⊗AF et de A-module à gauche sur F⊗BG ont été définies dans II, p. 54. L’unicité de φ est évidente puisque les éléments (x⊗y)⊗z engendrent le Z-module (E⊗AF)⊗BG. Pour démontrer l’existence de φ, remarquons que pour tout z∈G, hz:y↦y⊗z est une application A-linéaire du A-module à gauche F dans le A-module à gauche F⊗BG. Posons gz=1E⊗hz, qui est donc une application Z-linéaire de E⊗AF dans E⊗A(F⊗BG), et considérons l’application (t,z)↦gz(t) de (E⊗AF)×G dans E⊗A(F⊗BG); comme hz+z′=hz+hz′ pour z∈G,z′∈G, il est immédiat que l’application précédente est Z-bilinéaire. En outre, montrons que pour tout μ∈B, on a gμz(t)=gz(tμ); il suffit évidemment de le faire pour t=x⊗y, où x∈E et y∈F; or on a gμz(x⊗y)=x⊗(y⊗μz) et gz((x⊗y)μ)=gz(x⊗yμ)=x⊗(yμ⊗z). La prop. 1 (II, p. 51) prouve donc l’existence d’une application Z-linéaire
φ:(E⊗AF)⊗BG→E⊗A(F⊗BG)
telle que φ(t⊗z)=gz(t), donc φ((x⊗y)⊗z)=x⊗(y⊗z). On définit de la même façon une application Z-linéaire
ψ:E⊗A(F⊗BG)→(E⊗AF)⊗BG
telle que ψ(x⊗(y⊗z))=(x⊗y)⊗z, et il est clair que ψ∘φ et φ∘ψ sont les applications identiques de (E⊗AF)⊗BG et E⊗A(F⊗BG) respectivement, puisqu’elles se réduisent à l’identité sur des systèmes générateurs de ces Z-modules.
Il est immédiat que si E est un ((Ci′);A,(Dj′))-multimodule, F un (A,(Ch′′));B,(Dk′′))-multimodule, G un (B,(Cl′′′));(Dm′′′))-multimodule, l’isomorphisme canonique défini dans la prop. 8 (II, p. 64) est un isomorphisme de ((Ci′),(Ch′′),(Cl′′′));(Dj′),(Dk′′),(Dm′′′))-multimodules. En particulier, si C est un anneau commutatif, E,F,G trois C-modules, on a un isomorphisme canonique de C-modules
(E⊗CF)⊗CG→E⊗C(F⊗CG).
Nous allons voir ci-dessous que l’on peut, sous certaines conditions, généraliser la définition du produit tensoriel à une famille de multimodules, ce qui en particulier nous fournira, sous les hypothèses de la prop. 8 (II, p. 64), un Z-module E⊗AF⊗BG, canoniquement isomorphe à chacun des Z-modules (E⊗AF)⊗BG et E⊗A(F⊗BG), et auquel on identifiera ces derniers.
9. Produit tensoriel de familles de multimodules
Soit (Gλ)λ∈L une famille de Z-modules; on dit qu’une application u de l’ensemble G=∏λ∈LGλ dans un Z-module est multiadditive (ou Z-*multilinéaire*) si (xλ)↦u((xλ)) est additive par rapport à chacune des variables xλ: de façon précise, cela signifie que pour tout μ∈L et tout élément (aλ)∈∏λ=μGλ, on a, en identifiant canoniquement G à Gμ×∏λ=μGλ
u(xμ+yμ,(aλ))=u(xμ,(aλ))+u(yμ,(aλ))pour xμ,yμ dans Gμ.
(24)
Cela entraîne en particulier u((xλ))=0 si un des xλ est nul.
Considérons encore le problème d’application universelle où Σ est l’espèce de structure de Z-module, et les α-applications les applications multiadditives de G dans un Z-module. On en obtient encore une solution en considérant le Z-module C=Z(G) des combinaisons linéaires formelles d’éléments de G à coefficients dans Z, et le sous-Z-module D de C engendré par les éléments de la forme
où μ∈L, xμ∈Gμ, yμ∈Gμ et les zλ∈Gλ (λ=μ) sont arbitraires. On appelle produit tensoriel (sur Z) de la famille(Gλ)λ∈Lde Z-modules et on note ⨂λ∈LGλ le Z-module quotient C/D; pour tout élément (xλ)λ∈L de G qui est un élément de la base canonique de C, on note ⨂λ∈Lxλ l’image canonique de cet élément dans C/D. Il résulte des définitions précédentes que l’application φ:(xλ)↦⨂λ∈Lxλ de G dans ⨂λ∈LGλ est Z-multilinéaire, et que pour toute application Z-multilinéaire f de G dans un Z-module H, il existe une application Z-linéaire et une seule g:⨂λ∈LGλ→H telle que f=g∘φ; le couple (⨂λ∈LGλ,φ) résout donc le problème d’application universelle considéré.
Soit (Gλ′)λ∈L une seconde famille de Z-modules, et pour tout λ∈L, soit vλ:Gλ→Gλ′ une application Z-linéaire (autrement dit un homomorphisme de groupes commutatifs). Alors l’application
(xλ)↦λ∈L⨂vλ(xλ)
de G dans ⨂λ∈LGλ est Z-multilinéaire, et définit donc canoniquement une application Z-linéaire de ⨂λ∈LGλ dans ⨂λ∈LGλ′, qu’on note ⨂λ∈Lvλ et qui est telle que
(λ∈L⨂vλ)(λ∈L⨂xλ)=λ∈L⨂vλ(xλ).
En particulier, considérons, pour un μ∈L, un endomorphisme θ de Gμ; nous désignerons par θ~ l’endomorphisme de ⨂λ∈LGλ égal à ⨂λ∈Lvλ, où l’on prend vμ=θ et vλ=1Gλ pour λ=μ.
Cela étant, supposons donnés un ensemble Ω, une application
c:ω↦(ρ(ω),σ(ω))
de Ω dans L×L, et pour tout ω∈Ω, un endomorphisme pω de Gρ(ω), et un endomorphisme qω de Gσ(ω); il leur correspond deux endomorphismes p~ω et q~ω de P=⨂λ∈LGλ. Soit R le sous-Z-module de Pengendré par la réunion des images des endomorphismesp~ω−q~ω lorsque ω parcourt Ω. Le Z-module quotient P/R s’appelle le produit tensoriel de la famille (Gλ)λ∈L relativement à c,p,q et se note ⨂(c,p,q)Gλ; en composant l’homomorphisme canonique P→P/R avec l’application φ:G→⨂λ∈LGλ définie ci-dessus, on obtient une application Z-multilinéaire φ(c,p,q):G→⨂(c,p,q)Gλ et on pose φ(c,p,q)((xλ))=⨂(c,p,q)xλ ou simplement ⨂(c)xλ. Le couple formé de ⨂(c,p,q)Gλ et de φ(c,p,q) résout le problème d’application universelle suivant: désignons par pˉω (resp. qˉω) l’application
(resp. (xσ(ω),(xλ)λ=σ(ω))↦(qˉω(xσ(ω)),(xλ)λ=σ(ω))) de G dans lui-même. On prend alors pour Σ l’espèce de structure de Z-module, et pour α-applications les applications Z-multilinéaires u de G dans un Z-module vérifiant en outre les conditions
(26)
u∘pˉω=u∘qˉω
pour tout ω∈Ω. La démonstration est évidente à partir des définitions précédentes.
Cette construction redonne en particulier celle de E⊗AF décrite dans II, p. 51: il faut ici prendre L={1,2}, G1=E, G2=F, Ω=A; en outre, pour tout ω∈A, on doit poser ρ(ω)=1, σ(ω)=2, pˉω est l’endomorphisme x↦xω du Z-module E et qˉω l’endomorphisme y↦ωy du Z-module F.
Soit (Gλ′)λ∈L une seconde famille de Z-modules; l’application c restant la même, supposons donnés, pour tout ω∈Ω, un endomorphisme pω′ de Gρ(ω)′ et un endomorphisme qω′ de Gσ(ω)′. Pour tout λ∈L, soit alors vλ:Gλ→Gλ′ une application Z-linéaire telle que, pour tout ω∈Ω, on ait
(27)
vρ(ω)∘pω=pω′∘vρ(ω)etvσ(ω)∘qω=qω′∘vσ(ω)
(en d’autres termes, pour tout λ∈L, vλ est un morphisme pour les lois d’action sur Gλ (resp. Gμ′) définies par les pξ et qη (resp. pξ′ et qη′), avec ξ et η tels que ρ(ξ)=λ et σ(η)=λ). Alors l’application
u:(xλ)↦(c,p′,q′)⨂vλ(xλ)
de G dans ⨂(c,p′,q′)Gλ′ est Z-multilinéaire et vérifie les conditions (26), donc définit une application Z-linéaire de ⨂(c,p′,q)Gλ dans ⨂(c,p′,q′)Gλ′, que nous noterons simplement ⨂(c)vλ s’il n’en résulte pas de confusion.
Nous allons maintenant donner une propriété d’« associativité » pour les produits tensoriels généraux ainsi définis. Soit (Li)1≤i≤n une partition finie de L; pour tout indice i, désignons par Ωi la partie de Ω formée des éléments tels que l’on ait ρ(ω)∈Li et σ(ω)∈Li; il est clair que les Ωi sont deux à deux disjoints; nous poserons Ω′=Ω−(⋃iΩi). Pour chaque indice i, nous désignerons par c(i) l’application ω↦(ρ(ω),σ(ω)) de Ωi dans Li×Li; pour ω∈Ωi, nous écrirons pω(i) et qω(i) au lieu de pω et qω. On a donc pour chaque i un produit tensoriel « partiel »
Fi=(c(i),p(i),q(i))⨂Gλ.
Nous ferons en outre l’hypothèse de « permutabilité » suivante:
(P) Siω∈Ω′, pω (resp. qω) permute avec chacun des endomorphismespξetqηdeGρ(ω) (resp. Gσ(ω)) tels queξ∈/Ω′,η∈/Ω′etρ(ω)=ρ(ξ)=σ(η) (resp. σ(ω)=ρ(ξ)=σ(η)).
Pour chaque ω∈Ω′, soit i l’indice tel que ρ(ω)∈Li; considérons alors la famille (vλ)λ∈Li où vρ(ω)=pω et vλ=1Gλ pour λ=ρ(ω); l’hypothèse (P) entraîne que la famille (vλ) vérifie les conditions (27) de II, p. 67 (où on doit remplacer p′ et p par p(i), q′ et q par q(i), ω par un élément ξ parcourant Ωi); on en déduit donc un endomorphisme ⨂(c(i))vλ=rω du Z-module Fi. De la même manière, on définit un endomorphisme sω du Z-module Fj à partir de qω, j étant l’indice tel que σ(ω)∈Lj; posons enfin d(ω)=(i,j). On peut alors définir le produit tensoriel⨂(d,r,s)Fi, et l’application canonique correspondante
φ(d,r,s):i=1∏nFi→(d,r,s)⨂Fi.
On a d’autre part, pour chaque i, l’application canonique ψi=φ(c(i),p(i),q(i)):∏λ∈LiGλ→Fi; utilisant l’associativité du produit d’ensembles, on en déduit une application Z-multilinéaire ψ=φ(d,r,s)∘(ψi) de G dans ⨂(d,r,s)Fi. Nous allons montrer que le couple(⨂(d,r,s)Fi,ψ)est solution du même problème universel que(⨂(c,p,q)Gλ,φ(c,p,q)), d’où résultera l’existence d’un unique isomorphisme deZ*-modules*
θ:(c,p,q)⨂Gλ→(d,r,s)⨂Fi
tel que ψ=θ∘φ(c,p,q) (E, IV, p. 23).
Par récurrence sur n, on se ramène au cas n=2; nous écrirons pour simplifier F1⊗(d)F2 et y1⊗(d)y2 au lieu de ⨂(d,r,s)Fi et ⨂(d,r,s)yi. Considérons l’application de G dans F1⊗(d)F2
h:(xλ)↦(c(1))⨂xλ⊗(d)(c(2))⨂xλ.
Elle est évidemment Z-multilinéaire; montrons qu’elle satisfait aux conditions (26) de II, p. 67 pour tout ω∈Ω. C’est évident si ω∈Ω1 ou ω∈Ω2; dans le cas contraire, en supposant pour fixer les idées que l’on ait ρ(ω)∈L1 et σ(ω)∈L2, les valeurs de h∘pˉω et h∘qˉω pour (xλ) sont respectivement
qui sont encore égales par définition de F1⊗(d)F2.
Cela étant, soit u une application Z-multilinéaire de G dans un Z-module H, vérifiant les conditions (26) de II, p. 67; nous allons définir une application Z-linéaire v:F1⊗(d)F2→H telle que u=v∘h, et cela prouvera notre assertion (en répétant le raisonnement de II, p. 51, cor. 1). Pour tout z2=(xλ)λ∈L2, considérons l’application « partielle » de ∏λ∈L1Gλ dans H
Il est clair qu’elle est Z-multilinéaire et vérifie les conditions (26) de II, p. 67 pour ω∈Ω1; par définition, il existe donc une application Z-linéaire y1↦w1(y1,z2) de F1 dans H telle que
w1((c(1))⨂xλ,z2)=u((xλ)λ∈L1,z2).
Considérons ensuite l’application
u2:(xλ)λ∈L2↦w1(.,(xλ)λ∈L2)
de ∏λ∈L2Gλ dans HomZ(F1,H); elle est évidemment Z-multilinéaire et vérifie les conditions (26) de II, p. 67 pour ω∈Ω2, en vertu de l’hypothèse sur u et des relations (28) et (29), et compte tenu de ce que les éléments de la forme ⨂(c(1))xλ engendrent le Z-module F1. Il existe donc une application Z-linéaire
w2:F2→HomZ(F1,H)
telle que
w2((c(2))⨂xλ)=u2((xλ)λ∈L2)
ou encore
(w2((c(2))⨂xλ))((c(1))⨂xλ)=u((xλ)λ∈L).
Considérons alors, pour y1∈F1,y2∈F2, l’élément de H
w(y1,y2)=(w2(y2))(y1).
Il est clair que w est une application Z-bilinéaire de F1×F2 dans H. Montrons en outre que pour tout ω∈Ω′, on a (en supposant pour fixer les idées, que ρ(ω)∈L1 et σ(ω)∈L2)
w(rω(y1),y2)=w(y1,sω(y2)).
Il suffit de vérifier cette relation lorsque y1 (resp. y2) est de la forme ⨂(c(1))xλ (resp. ⨂(c(2))xλ), ces éléments engendrant le Z-module F1 (resp. F2). Mais par définition,
rω(c(1))⨂xλ=(c(1))⨂xλ′, ouˋxρ(ω)′=pω(xρ(ω)) et xλ′=xλ pour λ=ρ(ω) dans L1;
même sω(⨂(c(2))xλ)=⨂(c(2))xλ′′, où xσ(ω)′′=qω(xσ(ω)) et xλ′′=xλ pour λ=σ(ω) dans L2; compte tenu de (30) et (31), la relation (32) se déduit alors de (26) (II, p. 67). Il existe donc une application Z-lineˊairev de F1⊗(a)F2 dans H telle que v(y1⊗(a)y2)=w(y1,y2), et il résulte alors de (30) et (31) (II. p. 69) que l’on a bien v∘h=u.
Le cas particulier le plus important du produit tensoriel général défini ci-dessus est le suivant: on part d’une famille (Ai)1≤i≤n−1 d’anneaux, et d’une famille (Ei)1≤i≤n, où E1 est un A1-module à droite, En un An−1-module à gauche et pour 2≤i≤n−1, Ei est un (Ai−1,Ai)-bimodule. On applique alors la définition ci-dessus comme suit: L est l’ensemble {1,n}, Gi=Ei, Ω est l’ensemble somme des Ai (1≤i≤n−1). Pour ω∈Ai (1≤i≤n−1), on prend ρ(ω)=i, σ(ω)=i+1, pω est l’endomorphisme x↦xω du Z-module Ei et qω l’endomorphisme y↦ωy du Z-module Ei+1; on note le produit tensoriel correspondant
E1⊗A1E2⊗A2E3⊗⋯⊗An−2En−1⊗An−1En
(notation où l’on se permet parfois de supprimer les Ai), et l’élément ⨂(c,p,q)xi de ce produit tensoriel, pour une famille (xi) telle que xi∈Ei pour 1≤i≤n, s’écrit x1⊗x2⊗⋯⊗xn si aucune confusion n’en résulte; on emploie une notation analogue pour une application Z-lineˊaire⨂(c)vi. L’hypothèse (P) est vérifiée pour toute partition de {1,n}, en raison de l’hypothèse que les Ei sont des bimodules pour 2≤i≤n−1. Lorsque n=3, on a ainsi défini le Z-module E⊗AF⊗BG auquel il a été fait allusion dans II, p. 65, et retrouvé la prop. 8 (II, p. 64).
Lorsque chacun des Ei est un multimodule (dont, pour 2≤i≤n−1, Ai−1 est un des anneaux opérant à gauche et Ai un des anneaux opérant à droite, avec des conditions analogues pour i=1 et i=n) on définit comme dans II, p. 54, sur E1⊗A1E2⊗⋯⊗An−1En une structure de multimodule par rapport à tous les anneaux autres que les Ai qui opèrent sur les Ei (1≤i≤n).
En particulier, soient C un anneau commutatif, (Ei)1≤i≤n une famille de C-modules. En munissant E1 et En de deux structures de C-module identiques à la structure donnée, Ei pour 2≤i≤n−1 de trois structures de C-modules identiques à la structure donnée, on définit sur le produit tensoriel
E1⊗CE2⊗CE3⊗⋯⊗CEn−1⊗CEn
n structures de C-module deux à deux compatibles, et qui sont en fait identiques, car pour γ∈C et (xi)∈∏i=1nEi, on a par définition (γx1)⊗x2⊗⋯⊗xn=x1⊗(γx2)⊗⋯⊗xn=⋯=x1⊗x2⊗⋯⊗(γxn).
Lorsqu’on parle du produit tensoriel (34) (II, p. 70) comme d’un C-module, c’est toujours de cette structure qu’il est question, sauf mention expresse du contraire, et le produit tensoriel (34) se note aussi ⨂1≤i≤nEi s’il n’en résulte pas de confusion. Pour tout C-module G, les applications Z-multilinéaires de ∏i=1nEi dans G qui, pour tout indice i, vérifient la relation
f(x1,…,xi−1,γxi,xi+1,…,xn)=γf(x1,…,xn)
pour γ∈C et (xi)∈∏iEi sont alors dites C-multilinéaires et forment un C-module que l’on note Ln(E1,…,En;G); la propriété universelle du produit tensoriel (34) (II, p.70) permet donc de définir un isomorphisme canonique de C-modules
Ln(E1,…,En;G)→HomC(E1⊗CE2⊗⋯⊗CEn,G)
qui à toute application C-multilinéaire f, fait correspondre l’application C-linéaire g telle que
f(x1,…,xn)=g(x1⊗x2⊗⋯⊗xn).
Une application C-multilinéaire de E1×⋯×En dans C est encore appelée forme n-linéaire.
Soit (Fi)1≤i≤n une seconde famille de C-modules; pour tout système de n applications C-linéaires ui:Ei→Fi, u1⊗u2⊗⋯⊗un (aussi notée ⨂1≤i≤nui) est une application C-linéaire de
E1⊗CE2⊗⋯⊗CEn dans F1⊗CF2⊗⋯⊗CFn.
En outre, (u1,…,un)↦u1⊗u2⊗⋯⊗un est une application C-multilinéaire de ∏iHomC(Ei,Fi) dans
HomC(E1⊗CE2⊗⋯⊗CEn,F1⊗CF2⊗⋯⊗CFn).
Il correspond donc canoniquement à cette dernière application une application C-linéaire dite canonique
généralisant celle définie dans II, p. 57 pour n=2.
La propriété générale d’associativité vue plus haut se particularise ici comme suit. Étant donnée une partition (Jk)1≤k≤m de l’intervalle [1,n] de N, soit, pour chaque k, Fk le produit tensoriel Ei1⊗CEi2⊗⋯⊗CEir, où (i1,…,ir) est la suite strictement croissante des éléments de Jk. Alors on a un isomorphisme canonique (dit « isomorphisme d’associativité ») de C-modules
F1⊗CF2⊗⋯⊗CFm→E1⊗CE2⊗⋯⊗CEn
qui, avec les notations précédentes, fait correspondre le produit tensoriel x1⊗x2⊗⋯⊗xn (où xi∈Ei pour tout i) au produit tensoriel
y1⊗y2⊗⋯⊗ym,ouˋyk=xi1⊗xi2⊗⋯⊗xir.
En particulier, si π est une permutation de {1,n}, en posant Jk={π(k)} pour 1≤k≤n, on obtient un isomorphisme canonique (dit « de commutativité »)
Eπ(1)⊗CEπ(2)⊗⋯⊗CEπ(n)→E1⊗CE2⊗⋯⊗CEn
qui fait correspondre x1⊗x2⊗⋯⊗xn à xπ(1)⊗xπ(2)⊗⋯⊗xπ(n). Nous identifierons souvent les divers produits tensoriels qui se correspondent par ces isomorphismes canoniques.
Pour 1≤i≤n, supposons que Ei admette une base (bλi(i))λi∈Li; par récurrence sur n, il résulte de II, p. 62, cor. 2, que la famille (bλ1(1)⊗bλ2(2)⊗⋯⊗bλn(n)), où (λ1,...,λn) parcourt ∏1≤i≤nLi, est une base de ⨂1≤i≤nEi, qu’on appelle parfois le produit tensoriel des bases (bλi(i)) considérées.
Remarque 1
Les considérations précédentes relatives au cas des modules sur un anneau commutatif se généralisent comme dans II, p. 57, Remarque 2 lorsqu’il s’agit d’un produit tensoriel E1⊗A1E2⊗⋯⊗An−1En où les anneaux Ai ne sont pas nécessairement commutatifs, et où l’on a pour chaque i un homomorphisme ρi:C→Ai d’un même anneau commutatifC tel que: 1° ρi(C) est contenu dans le centre de Ai; 2° pour 2≤i≤n−1, les structures de C-module sur Ei obtenues à l’aide des homomorphismes ρi−1 et ρicoïncident. On obtient alors sur E1⊗A1E2⊗⋯⊗An−1En une structure de C*-module*, et des applications canoniques analogues à (13) (II, p. 57), que nous laissons au lecteur le soin d’expliciter.
Remarque 2
Soient A,B deux anneaux, E un A-module à droite, E′ un A-module à gauche, F un B-module à droite, F′ un B-module à gauche. Les applications Z-*bilinéaires* de (E⊗AE′)×(F⊗BF′) dans un Z-module G sont alors en correspondance biunivoque avec les applications Z-*multilinéaires* f de E×E′×F×F′ dans G, satisfaisant aux conditions
pour λ∈A,μ∈B,x∈E,x′∈E′,y∈F,y′∈F′. En effet, les constructions générales données dans ce n° ramènent à définir un isomorphisme canonique de Z-modules entre (E⊗AE′)⊗Z(F⊗BF′) et E⊗AE′⊗ZF⊗BF′, qui résulte de la propriété d’associativité des produits tensoriels de la forme (33).