Bourbaki

§ 6. Limites projectives et limites inductives de modules

Dans tout ce paragraphe, on désigne par II un ensemble préordonné non vide, par α≤β\alpha \leq \beta la relation de préordre dans II. Sauf mention expresse du contraire, les systèmes projectifs et inductifs considérés ont pour ensemble d’indices II.

1. Limites projectives de modules

Soient (Aα,φαβ)(A_\alpha, \varphi_{\alpha\beta}) un système projectif d’anneaux (I, p. 133), (Eα,fαβ)(E_\alpha, f_{\alpha\beta}) un système projectif de groupes commutatifs (notés additivement) (I, p. 113), et supposons chaque EαE_\alpha muni d’une structure de AαA_\alpha-module à gauche; en outre supposons que pour α≤β\alpha \leq \beta, (fαβ,φαβ)(f_{\alpha \beta}, \varphi_{\alpha \beta}) soit un dimorphisme de EβE_\beta dans EαE_\alpha (II, p. 32), autrement dit que l’on ait

(1)

fαβ(λβxβ)=φαβ(λβ)fαβ(xβ), f_{\alpha \beta}(\lambda_\beta x_\beta) = \varphi_{\alpha \beta}(\lambda_\beta) f_{\alpha \beta}(x_\beta),
pour xβ∈Eβ,λβ∈Aβx_\beta \in E_\beta, \lambda_\beta \in A_\beta; alors il résulte de I, p. 114 que E=lim⁡←EαE = \lim_{\leftarrow} E_\alpha est muni d’une structure de module à gauche sur A=lim⁡←AαA = \lim_{\leftarrow} A_\alpha. Pour tout α∈I\alpha \in I, soient fα:E→Eαf_\alpha : E \to E_\alpha, φα:A→Aα\varphi_\alpha : A \to A_\alpha les applications canoniques; alors (fα,φα)(f_\alpha, \varphi_\alpha) est un dimorphisme de EE dans EαE_\alpha. Nous dirons que (Eα,fαβ)(E_\alpha, f_{\alpha \beta}) est un système projectif de AαA_\alpha-modules à gauche, et que le AA-module EE est sa limite projective.

Soit (Eα′,fαβ′)(E'_\alpha, f'_{\alpha \beta}) un second système projectif de AαA_\alpha-modules à gauche, et pour tout α\alpha, soit uα:Eα′→Eαu_\alpha : E'_\alpha \to E_\alpha une application AαA_\alpha-linéaire, ces applications formant un système projectif; alors u=lim⁡←uαu = \lim_{\leftarrow} u_\alpha est une application AA-linéaire de lim⁡←Eα′\lim_{\leftarrow} E'_\alpha dans lim⁡←Eα\lim_{\leftarrow} E_\alpha.

En outre:

Proposition 1

Soient* (Eα,fαβ),(Eα′,fαβ′),(Eα′′,fαβ′′)(E_\alpha, f_{\alpha \beta}), (E'_\alpha, f'_{\alpha \beta}), (E''_\alpha, f''_{\alpha \beta}) trois systèmes projectifs de AαA_\alpha*-modules*, (uα),(vα)(u_\alpha), (v_\alpha) deux systèmes projectifs d’applications AαA_\alpha*-linéaires tels que les suites*

0⟶Eα′→uαEα→vαEα′′ 0 \longrightarrow E'_\alpha \xrightarrow{u_\alpha} E_\alpha \xrightarrow{v_\alpha} E''_\alpha
soient exactes pour tout α\alpha. Alors, si on pose u=lim⁡←uα,v=lim⁡←vαu = \lim_{\leftarrow} u_\alpha, v = \lim_{\leftarrow} v_\alpha, la suite
0⟶lim⁡←Eα′→ulim⁡←Eα→vlim⁡←Eα′′ 0 \longrightarrow \lim_{\leftarrow} E'_\alpha \xrightarrow{u} \lim_{\leftarrow} E_\alpha \xrightarrow{v} \lim_{\leftarrow} E''_\alpha
est exacte.

Cite 1 · Cité par 1

Cite Proposition 2, E III § 7

Cité par Remarque 1

En effet, comme u‾α1(0)={0}\overline{u}_\alpha^1(0) = \{0\} pour tout α\alpha, il résulte de E, III, p. 54, prop. 2 que u‾α1(0)={0}\overline{u}_\alpha^1(0) = \{0\}, donc uu est injectif; en outre, les uα(Eα′)u_\alpha(E'_\alpha) forment un système projectif de parties des EαE_\alpha et l’on a u(lim⁡←Eα′)=lim⁡←uα(Eα′)u(\lim_{\leftarrow} E'_\alpha) = \lim_{\leftarrow} u_\alpha(E'_\alpha). Comme uα(Eα′)=v‾α1(0)u_\alpha(E'_\alpha) = \overline{v}_\alpha^1(0) par hypothèse, on a v‾α1(0)=lim⁡←uα(Eα′)=u(lim⁡←Eα′)\overline{v}_\alpha^1(0) = \lim_{\leftarrow} u_\alpha(E'_\alpha) = u(\lim_{\leftarrow} E'_\alpha) (E, III, p. 54, prop. 2), ce qui achève la démonstration.

Remarque 1

La prop. 1 et sa démonstration sont valables pour des groupes quelconques, au changement de notation près.

Cite 2 · Cité par 1

Cite Proposition 1, Exercice 1, § 6

Cité par Proposition 2, LIE IX Appendix 1

Remarque 2

On notera que si l’on a des suites exactes

0⟶Eα′→uαEα→vαEα′′⟶0 0 \longrightarrow E'_\alpha \xrightarrow{u_\alpha} E_\alpha \xrightarrow{v_\alpha} E''_\alpha \longrightarrow 0
il n’en résulte pas nécessairement que la suite
0⟶lim⁡←Eα′→ulim⁡←Eα→vlim⁡←Eα′′⟶0 0 \longrightarrow \lim_{\leftarrow} E'_\alpha \xrightarrow{u} \lim_{\leftarrow} E_\alpha \xrightarrow{v} \lim_{\leftarrow} E''_\alpha \longrightarrow 0
soit exacte; autrement dit, la limite projective d’un système projectif d’applications linéaires surjectives n’est pas nécessairement surjective (cf. II, p. 192, exerc. 1).

Supposons maintenant que tous les AαA_\alpha soient égaux à un même anneau AA et les φαβ\varphi_{\alpha \beta} à 1A1_A; alors pour tout système projectif (Eα,fαβ)(E_\alpha, f_{\alpha \beta}) de AA-modules, E=lim⁡←EαE = \lim_{\leftarrow} E_\alpha est un AA-module. Soit FF un AA-module, et pour tout α\alpha, soit uα:F→Eαu_\alpha : F \to E_\alpha une applica-

tion A-linéaire telle que (uα)(u_\alpha) soit un système projectif d’applications; alors u=lim⁡←uαu = \lim_{\leftarrow} u_\alpha est une application A-linéaire de F dans lim⁡←Eα\lim_{\leftarrow} E_\alpha. Inversement, pour toute application A-linéaire v:F→lim⁡←Eαv : F \to \lim_{\leftarrow} E_\alpha, la famille des vα=fα∘vv_\alpha = f_\alpha \circ v est un système projectif d’applications A-linéaires tel que v=lim⁡←vαv = \lim_{\leftarrow} v_\alpha. Notons d’autre part que pour α≤β\alpha \leq \beta, l’application

Hom⁡(1F,fαβ)=fˉαβ:Hom⁡A(F,Eβ)→Hom⁡A(F,Eα) \operatorname{Hom}(1_F, f_{\alpha \beta}) = \bar{f}_{\alpha \beta} : \operatorname{Hom}_A(F, E_\beta) \to \operatorname{Hom}_A(F, E_\alpha)
est un homomorphisme de Z\mathbf{Z}-modules tel que (Hom⁡A(F,Eα),fˉαβ)(\operatorname{Hom}_A(F, E_\alpha), \bar{f}_{\alpha \beta}) soit un système projectif de Z\mathbf{Z}-modules; comme fˉαβ(vβ)=fαβ∘vβ\bar{f}_{\alpha \beta}(v_\beta) = f_{\alpha \beta} \circ v_\beta, les remarques précédentes peuvent donc s’exprimer de la façon suivante: Proposition 2. — Pour tout système projectif (Eα,fαβ)(E_\alpha, f_{\alpha \beta}) de A-modules et tout A-module F, l’application canonique u↦(fα∘u)u \mapsto (f_\alpha \circ u) est un isomorphisme de Z\mathbf{Z}*-modules* (2)
lF:Hom⁡A(F,lim⁡←Eα)→lim⁡←Hom⁡A(F,Eα). l_F : \operatorname{Hom}_A(F, \lim_{\leftarrow} E_\alpha) \to \lim_{\leftarrow} \operatorname{Hom}_A(F, E_\alpha).

Corollaire

Pour tout homomorphisme* v:F→F′v : F \to F' de A-modules, les vˉα=Hom⁡(v,1Eα):Hom⁡(F′,Eα)→Hom⁡(F,Eα)\bar{v}_\alpha = \operatorname{Hom}(v, 1_{E_\alpha}) : \operatorname{Hom}(F', E_\alpha) \to \operatorname{Hom}(F, E_\alpha) forment un système projectif d’applications Z\mathbf{Z}*-linéaires, et le diagramme* (3)

Hom⁡(F′,lim⁡←Eα)→lF′lim⁡←Hom⁡(F′,Eα)Hom⁡(v,1E)↓↓lim⁡←vˉαHom⁡(F,lim⁡←Eα)→lFlim⁡←Hom⁡(F,Eα) \begin{array}{ccc} \operatorname{Hom}(F', \lim_{\leftarrow} E_\alpha) & \xrightarrow{l_{F'}} & \lim_{\leftarrow} \operatorname{Hom}(F', E_\alpha) \\ \operatorname{Hom}(v, 1_E) \downarrow & & \downarrow \lim_{\leftarrow} \bar{v}_\alpha \\ \operatorname{Hom}(F, \lim_{\leftarrow} E_\alpha) & \xrightarrow{l_F} & \lim_{\leftarrow} \operatorname{Hom}(F, E_\alpha) \end{array}
est commutatif. Pour tout u∈Hom⁡(F′,lim⁡←Eα)u \in \operatorname{Hom}(F', \lim_{\leftarrow} E_\alpha), on a en effet lF(u∘v)=(fα∘u∘v)l_F(u \circ v) = (f_\alpha \circ u \circ v) et la commutativité du diagramme (3) résulte alors aussitôt des définitions.

2. Limites inductives de modules

On suppose désormais I filtrant à droite.

Soient (Aα,φβα)(A_\alpha, \varphi_{\beta \alpha}) un système inductif d’anneaux (I, p. 116), (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) un système inductif de groupes commutatifs (notés additivement) (I, p. 116), et supposons chaque EαE_\alpha muni d’une structure de AαA_\alpha-module à gauche; en outre, supposons que pour α≤β\alpha \leq \beta, (fβα,φβα)(f_{\beta \alpha}, \varphi_{\beta \alpha}) soit un dimorphisme de EαE_\alpha dans EβE_\beta (II, p. 32), autrement dit que l’on ait (4)

fβα(λαxα)=φβα(λα)fβα(xα) f_{\beta \alpha}(\lambda_\alpha x_\alpha) = \varphi_{\beta \alpha}(\lambda_\alpha) f_{\beta \alpha}(x_\alpha)
pour xα∈Eα,λα∈Aαx_\alpha \in E_\alpha, \lambda_\alpha \in A_\alpha; alors E=lim⁡⟶EαE = \lim_{\longrightarrow} E_\alpha est muni d’une structure de module à gauche sur A=lim⁡⟶AαA = \lim_{\longrightarrow} A_\alpha (I, p. 117). Pour tout α∈I\alpha \in I, soient fα:Eα→E,φα:Aα→Af_\alpha : E_\alpha \to E, \varphi_\alpha : A_\alpha \to A les applications canoniques; alors (fα,φα)(f_\alpha, \varphi_\alpha) est un dimorphisme de EαE_\alpha dans EE. Nous dirons que (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) est un système inductif de AαA_\alpha*-modules à gauche*, et que le A-module EE est sa limite inductive. Soit (Eα′,fβα′)(E'_\alpha, f'_{\beta \alpha}) un second système inductif de AαA_\alpha-modules à gauche, et pour tout α\alpha, soit uα:Eα′→Eαu_\alpha : E'_\alpha \to E_\alpha une application AαA_\alpha-linéaire, ces applications formant un système inductif; alors u=lim⁡uαu = \lim u_\alpha est une application AA-linéaire de lim⁡Eα′\lim E'_\alpha dans lim⁡Eα\lim E_\alpha. En outre:

Proposition 3

Soient* (Eα,fβα),(Eα′,fβα′),(Eα′′,fβα′′)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}), (E'_\alpha, f'_{\beta \alpha}), (E''_\alpha, f''_{\beta \alpha}) trois systèmes inductifs de AαA_\alpha*-modules*, (uα),(vα)(u_\alpha), (v_\alpha) deux systèmes inductifs d’applications AαA_\alpha*-linéaires tels que les suites

Cite 2

Cite E III § 7. Limites projectives et limites inductives, Corollaire, E III § 7

Eα′→uαEα→vαEα′′ E'_\alpha \xrightarrow{u_\alpha} E_\alpha \xrightarrow{v_\alpha} E''_\alpha

soient exactes pour tout α\alpha. Alors, si on pose u=lim⁡uα,v=lim⁡vαu = \lim u_\alpha, v = \lim v_\alpha, la suite

lim⁡Eα′→ulim⁡Eα→vlim⁡Eα′′ \lim E'_\alpha \xrightarrow{u} \lim E_\alpha \xrightarrow{v} \lim E''_\alpha

est exacte.

En effet, on a u(lim⁡Eα′)=lim⁡uα(Eα′)u(\lim E'_\alpha) = \lim u_\alpha(E'_\alpha) et v‾1(0)=lim⁡v‾α1(0)\overline{v}^1(0) = \lim \overline{v}_\alpha^1(0) (E, III, p. 64, corollaire).

De façon imagée, on exprime encore la prop. 3 en disant que le passage à la limite inductive préserve l’exactitude.

Proposition 4

Soient* (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) un système inductif de AαA_\alpha*-modules*, E=lim⁡EαE = \lim E_\alpha sa limite inductive, φα:Aα→A\varphi_\alpha : A_\alpha \to A et fα:Eα→Ef_\alpha : E_\alpha \to E les applications canoniques pour tout α∈I\alpha \in I. Si, pour tout α∈I\alpha \in I, SαS_\alpha est un système générateur de EαE_\alpha, alors S=⋃α∈Ifα(Sα)S = \bigcup_{\alpha \in I} f_\alpha(S_\alpha) est un système générateur de EE.

Cité par 2

Cité par Corollaire, Proposition 5

En effet, tout x∈Ex \in E est de la forme fα(xα)f_\alpha(x_\alpha) pour un α∈I\alpha \in I et un xα∈Eαx_\alpha \in E_\alpha, et par hypothèse xα=∑iλα(i)yα(i)x_\alpha = \sum_i \lambda^{(i)}_\alpha y^{(i)}_\alpha, où λα(i)∈Aα\lambda^{(i)}_\alpha \in A_\alpha et yα(i)∈Sαy^{(i)}_\alpha \in S_\alpha; si on pose λ(i)=φα(λα(i))\lambda^{(i)} = \varphi_\alpha(\lambda^{(i)}_\alpha), y(i)=fα(yα(i))y^{(i)} = f_\alpha(y^{(i)}_\alpha), on a x=∑iλ(i)y(i)x = \sum_i \lambda^{(i)} y^{(i)}.

Proposition 5

Les hypothèses et notations étant celles de la prop. 4, on suppose que pour tout* α∈I\alpha \in I, EαE_\alpha soit somme directe d’une famille (Mαλ)λ∈L(M^\lambda_\alpha)_{\lambda \in L} de sous-modules (l’ensemble d’indices LL étant indépendant de α\alpha) et que l’on ait fβα(Mαλ)⊂Mβλf_{\beta \alpha}(M^\lambda_\alpha) \subset M^\lambda_\beta pour α≤β\alpha \leq \beta et pour tout λ∈L\lambda \in L. Alors EE est somme directe de la famille des sous-modules Mλ=lim⁡MαλM^\lambda = \lim M^\lambda_\alpha (λ∈L\lambda \in L).

Cite 2 · Cité par 3

Cite Proposition 4, Lemme 1, E III § 7

Cité par Corollaire, II § 11, Proposition 9, III § 6, Remarque, III § 7

Il résulte de la prop. 4 que EE est somme des MλM^\lambda. Soit (yλ)λ∈L(y^\lambda)_{\lambda \in L} une famille telle que yλ∈Mλy^\lambda \in M^\lambda pour tout λ∈L\lambda \in L, dont le support est fini, et supposons que ∑λyλ=0\sum_\lambda y^\lambda = 0. En vertu de E, III, p. 62, lemme 1, il existe un α∈I\alpha \in I et une famille (xαλ)λ∈L(x^\lambda_\alpha)_{\lambda \in L}, de support fini, formée d’éléments de EαE_\alpha tels que xαλ∈Mαλx^\lambda_\alpha \in M^\lambda_\alpha et yλ=fα(xαλ)y^\lambda = f_\alpha(x^\lambda_\alpha) pour tout λ∈L\lambda \in L. La relation fα(∑λ∈Lxαλ)=0f_\alpha \left( \sum_{\lambda \in L} x^\lambda_\alpha \right) = 0 entraîne l’existence d’un β≥α\beta \geq \alpha tel que fβα(∑λ∈Lxαλ)=0f_{\beta \alpha} \left( \sum_{\lambda \in L} x^\lambda_\alpha \right) = 0 (E, III, p. 62, lemme 1) ce qui s’écrit ∑λ∈Lxβλ=0\sum_{\lambda \in L} x^\lambda_\beta = 0, où xβλ=fβα(xαλ)∈Mβλx^\lambda_\beta = f_{\beta \alpha}(x^\lambda_\alpha) \in M^\lambda_\beta par hypothèse; on a donc xβλ=0x^\lambda_\beta = 0 pour tout λ∈L\lambda \in L, et par suite yλ=fβ(xβλ)=0y^\lambda = f_\beta(x^\lambda_\beta) = 0 pour tout λ∈L\lambda \in L, ce qui prouve que la somme des MλM^\lambda est directe.

Corollaire

Soit (Pα)(P_\alpha) un système inductif de parties des EαE_\alpha, et soit P=lim⁡PαP = \lim P_\alpha. Si pour tout α∈I\alpha \in I, PαP_\alpha est une partie libre (resp. une base) de EαE_\alpha, alors PP est une partie libre (resp. une base) de EE.

Cite 2 · Cité par 1

Cite Proposition 4, Lemme 1, E III § 7

Cité par Proposition 9, III § 4

La seconde assertion résulte aussitôt de la première et de la prop. 4. Il suffit donc de prouver que si les PαP_\alpha sont libres, toute partie {y(i)}1≤i≤n\{y^{(i)}\}_{1 \leq i \leq n} formée d’éléments de PP deux à deux distincts, est libre. Il existe un α∈I\alpha \in I et des éléments xα(i)∈Pαx_\alpha^{(i)} \in P_\alpha tels que y(i)=fα(xα(i))y^{(i)} = f_\alpha(x_\alpha^{(i)}) pour 1≤i≤n1 \leq i \leq n (E, III, p. 62, lemme 1); si ∑iλ(i)y(i)=0\sum_i \lambda^{(i)} y^{(i)} = 0, on peut supposer que λ(i)=φα(λα(i))\lambda^{(i)} = \varphi_\alpha(\lambda_\alpha^{(i)}) pour 1≤i≤n1 \leq i \leq n, donc on a fα(∑iλα(i)xα(i))=0f_\alpha(\sum_i \lambda_\alpha^{(i)} x_\alpha^{(i)}) = 0; cela entraîne ∑iλβ(i)xβ(i)=0\sum_i \lambda_\beta^{(i)} x_\beta^{(i)} = 0 pour un β≥α\beta \geq \alpha, avec λβ(i)=φβα(λα(i))\lambda_\beta^{(i)} = \varphi_{\beta \alpha}(\lambda_\alpha^{(i)}), xβ(i)=fβα(xα(i))x_\beta^{(i)} = f_{\beta \alpha}(x_\alpha^{(i)}), et les xβ(i)x_\beta^{(i)} appartiennent à PβP_\beta et sont deux à deux distincts, puisque y(i)=fβ(xβ(i))y^{(i)} = f_\beta(x_\beta^{(i)}); on a donc λβ(i)=0\lambda_\beta^{(i)} = 0 pour 1≤i≤n1 \leq i \leq n, d’où λ(i)=φβ(λβ(i))=0\lambda^{(i)} = \varphi_\beta(\lambda_\beta^{(i)}) = 0 pour 1≤i≤n1 \leq i \leq n.

Supposons maintenant que tous les anneaux AαA_\alpha soient égaux à un même anneau AA et les φβα\varphi_{\beta \alpha} à 1A1_A; alors, pour tout système inductif (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) de AA-modules, E=lim⁡EαE = \lim E_\alpha est un AA-module. Soit FF un AA-module et pour tout α\alpha, soit uα:Eα→Fu_\alpha : E_\alpha \to F une application AA-linéaire telle que (uα)(u_\alpha) soit un système inductif d’applications; alors u=lim⁡uαu = \lim u_\alpha est une application AA-linéaire de EE dans FF. Inversement, pour toute application AA-linéaire v:lim⁡Eα→Fv : \lim E_\alpha \to F, la famille des vα=v∘fαv_\alpha = v \circ f_\alpha est un système inductif d’applications AA-linéaires tel que v=lim⁡vαv = \lim v_\alpha. Notons d’autre part que pour α≤β\alpha \leq \beta, l’application

Hom⁡(fβα,1F)=fˉαβ:Hom⁡A(Eβ,F)→Hom⁡A(Eα,F) \operatorname{Hom}(f_{\beta \alpha}, 1_F) = \bar{f}_{\alpha \beta} : \operatorname{Hom}_A(E_\beta, F) \to \operatorname{Hom}_A(E_\alpha, F)

est un homomorphisme de Z\mathbf{Z}-modules tel que (Hom⁡A(Eα,F),fˉαβ)(\operatorname{Hom}_A(E_\alpha, F), \bar{f}_{\alpha \beta}) soit un système projectif de Z\mathbf{Z}-modules; comme fˉαβ(vβ)=vβ∘fβα\bar{f}_{\alpha \beta}(v_\beta) = v_\beta \circ f_{\beta \alpha}, les remarques précédentes peuvent s’exprimer comme suit:

Proposition 6

Pour tout système inductif (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) de AA-modules et tout AA-module FF, l’application canonique u↦(u∘fα)u \mapsto (u \circ f_\alpha) est un isomorphisme de Z\mathbf{Z}-modules

(5)(5)
dF:Hom⁡A(lim⁡Eα,F)→lim⁡Hom⁡A(Eα,F). d_F : \operatorname{Hom}_A(\lim E_\alpha, F) \to \lim \operatorname{Hom}_A(E_\alpha, F).

Corollaire 1

Pour tout homomorphisme v:F→F′v : F \to F' de AA-modules, les vˉα=Hom⁡(1Eα,v):Hom⁡(Eα,F)→Hom⁡(Eα,F′)\bar{v}_\alpha = \operatorname{Hom}(1_{E_\alpha}, v) : \operatorname{Hom}(E_\alpha, F) \to \operatorname{Hom}(E_\alpha, F') forment un système projectif d’applications Z\mathbf{Z}-linéaires, et le diagramme

(6)(6)
Hom⁡(lim⁡Eα,F)→dFlim⁡Hom⁡(Eα,F)Hom⁡(1Eα,v)↓↓lim⁡vˉαHom⁡(lim⁡Eα,F′)→dF′lim⁡Hom⁡(Eα,F′) \begin{array}{ccc} \operatorname{Hom}(\lim E_\alpha, F) & \xrightarrow{d_F} & \lim \operatorname{Hom}(E_\alpha, F) \\ \operatorname{Hom}(1_{E_\alpha}, v) \downarrow & & \downarrow \lim \bar{v}_\alpha \\ \operatorname{Hom}(\lim E_\alpha, F') & \xrightarrow{d_{F'}} & \lim \operatorname{Hom}(E_\alpha, F') \end{array}

est commutatif.

Pour tout u∈Hom(lim⁡⟶Eα,F)u \in \mathrm{Hom}(\lim_{\longrightarrow} E_\alpha, F), on a en effet dF(v∘u)=(v∘u∘fα)d_F(v \circ u) = (v \circ u \circ f_\alpha), et la commutativité du diagramme (6) résulte alors aussitôt des définitions.

Corollaire 2

Si (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) est un système inductif de AA-modules à gauche et E=lim⁡⟶EαE = \lim_{\longrightarrow} E_\alpha, (Eα∗,tfβα)(E^*_\alpha, t f_{\beta \alpha}) est un système projectif de AA-modules à droite, et lim⁡⟵Eα∗\lim_{\longleftarrow} E^*_\alpha est canoniquement isomorphe à E∗E^*.

Remarque

Soient EE un AA-module, (Mα)α∈I(M_\alpha)_{\alpha \in I} une famille croissante de sous-modules de EE telle que EE soit réunion des MαM_\alpha; si jβα:Mα→Mβj_{\beta \alpha} : M_\alpha \to M_\beta (pour α≤β\alpha \leq \beta) et jα:Mα→Ej_\alpha : M_\alpha \to E sont les injections canoniques, il est immédiat que j=lim⁡⟶jαj = \lim_{\longrightarrow} j_\alpha est un isomorphisme de lim⁡⟶Mα\lim_{\longrightarrow} M_\alpha sur EE (E, III, p. 63, Remarque 1). En particulier, tout AA-module est limite inductive de la famille filtrante croissante de ses sous-modules de type fini.

Cite 1

Cite Remark, E III § 7

3. Produit tensoriel de limites inductives

Soient (Aα,ρβα)(A_\alpha, \rho_{\beta \alpha}) un système inductif d’anneaux, (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) (resp. (Fα,gβα)(F_\alpha, g_{\beta \alpha})) un système inductif de AαA_\alpha-modules à droite (resp. à gauche). Pour α≤β\alpha \leq \beta, on a un homomorphisme de Z\mathbf{Z}-modules

fβα⊗gβα:Eα⊗AαFα→(Eβ)[Aα]⊗Aα(Fβ)[Aα] f_{\beta \alpha} \otimes g_{\beta \alpha} : E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha \to (E_\beta)_{[A_\alpha]} \otimes_{A_\alpha} (F_\beta)_{[A_\alpha]}

et d’autre part, on a un homomorphisme canonique de Z\mathbf{Z}-modules

(Eβ)[Aα]⊗Aα(Fβ)[Aα]→Eβ⊗AβFβ (E_\beta)_{[A_\alpha]} \otimes_{A_\alpha} (F_\beta)_{[A_\alpha]} \to E_\beta \otimes_{A_\beta} F_\beta

correspondant à l’homomorphisme d’anneaux ρβα\rho_{\beta \alpha} (II, p. 53, prop. 2); d’où, par composition, un homomorphisme de Z\mathbf{Z}-modules

hβα:Eα⊗AαFα→Eβ⊗AβFβ h_{\beta \alpha} : E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha \to E_\beta \otimes_{A_\beta} F_\beta

qui, à tout produit tensoriel xα⊗yαx_\alpha \otimes y_\alpha, fait correspondre fβα(xα)⊗gβα(yα)f_{\beta \alpha}(x_\alpha) \otimes g_{\beta \alpha}(y_\alpha). Il est clair que (Eα⊗AαFα,hβα)(E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha, h_{\beta \alpha}) est un système inductif de Z\mathbf{Z}-modules. Soient A=lim⁡⟶AαA = \lim_{\longrightarrow} A_\alpha, E=lim⁡⟶EαE = \lim_{\longrightarrow} E_\alpha, F=lim⁡⟶FαF = \lim_{\longrightarrow} F_\alpha, et soient ρα:Aα→A\rho_\alpha : A_\alpha \to A, fα:Eα→Ef_\alpha : E_\alpha \to E, gα:Fα→Fg_\alpha : F_\alpha \to F les applications canoniques. On définit comme ci-dessus une application Z\mathbf{Z}-linéaire πα:Eα⊗AαFα→E⊗AF\pi_\alpha : E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha \to E \otimes_A F qui, à tout produit tensoriel xα⊗yαx_\alpha \otimes y_\alpha, fait correspondre fα(xα)⊗gα(yα)f_\alpha(x_\alpha) \otimes g_\alpha(y_\alpha), et il est immédiat que ces applications forment un système inductif. On en déduit une application Z\mathbf{Z}-linéaire

(7)

π=lim⁡⟶πα:lim⁡⟶(Eα⊗AαFα)→E⊗AF. \pi = \lim_{\longrightarrow} \pi_\alpha : \lim_{\longrightarrow} (E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha) \to E \otimes_A F.

Posons P=lim⁡⟶(Eα⊗AαFα)P = \lim_{\longrightarrow} (E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha) et, pour tout α∈I\alpha \in I, soit hα:Eα⊗AαFα→Ph_\alpha : E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha \to P l’application canonique. Soit d’autre part, pour tout α∈I\alpha \in I,

tα:Eα×Fα→Eα⊗AαFα t_\alpha : E_\alpha \times F_\alpha \to E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha

l’application Z\mathbf{Z}-bilinéaire canonique; pour α≤β\alpha \leq \beta, on a tβ(fβα(xα),gβα(yα))=t_\beta(f_{\beta \alpha}(x_\alpha), g_{\beta \alpha}(y_\alpha)) = f_{\beta \alpha}(x_\alpha) \otimes g_{\beta \alpha}(y_\alpha) = h_{\beta \alpha}(t_\alpha(x_\alpha, y_\alpha)), donc (tα)(t_\alpha) est un système inductif d’applications. Identifiant canoniquement lim⁡→(Eα×Fα)\lim \rightarrow (E_\alpha \times F_\alpha) à E×FE \times F (E, III, p. 67, prop. 10), on en déduit une application t=lim⁡→tα:E×F→Pt = \lim \rightarrow t_\alpha : E \times F \to P, telle que t(fα(xα),gα(yα))=hα(tα(xα,yα))=hα(xα⊗yα)t(f_\alpha(x_\alpha), g_\alpha(y_\alpha)) = h_\alpha(t_\alpha(x_\alpha, y_\alpha)) = h_\alpha(x_\alpha \otimes y_\alpha). Tenant compte du lemme 1 de E, III, p. 62, on voit aussitôt que tt est Z\mathbf{Z}-bilinéaire; en outre, pour x∈E,y∈F,λ∈Ax \in E, y \in F, \lambda \in A, il existe α∈I\alpha \in I tel que x=fα(xα),y=gα(yα),λ=ρα(λα)x = f_\alpha(x_\alpha), y = g_\alpha(y_\alpha), \lambda = \rho_\alpha(\lambda_\alpha) avec λα∈Aα,xα∈Eα,yα∈Fα\lambda_\alpha \in A_\alpha, x_\alpha \in E_\alpha, y_\alpha \in F_\alpha (E, III, p. 62, lemme 1); d’où t(xλ,y)=hα((xαλα)⊗yα)=hα(xα⊗(λαyα))=t(x,λy)t(x\lambda, y) = h_\alpha((x_\alpha \lambda_\alpha) \otimes y_\alpha) = h_\alpha(x_\alpha \otimes (\lambda_\alpha y_\alpha)) = t(x, \lambda y). Il existe donc une application Z\mathbf{Z}-linéaire et une seule π′:E⊗AF→P\pi' : E \otimes_A F \to P telle que π′(x⊗y)=t(x,y)\pi'(x \otimes y) = t(x, y) (II, p. 51, prop. 1). En outre, on a par définition

π′(π(hα(xα⊗yα)))=π′(fα(xα)⊗gα(yα))=hα(xα⊗yα) \pi'(\pi(h_\alpha(x_\alpha \otimes y_\alpha))) = \pi'(f_\alpha(x_\alpha) \otimes g_\alpha(y_\alpha)) = h_\alpha(x_\alpha \otimes y_\alpha)
π(π′(fα(xα)⊗gα(yα)))=π(hα(xα⊗yα))=fα(xα)⊗gα(yα) \pi(\pi'(f_\alpha(x_\alpha) \otimes g_\alpha(y_\alpha))) = \pi(h_\alpha(x_\alpha \otimes y_\alpha)) = f_\alpha(x_\alpha) \otimes g_\alpha(y_\alpha)

et comme les éléments de la forme fα(xα)⊗gα(yα)f_\alpha(x_\alpha) \otimes g_\alpha(y_\alpha) (resp. hα(xα⊗yα)h_\alpha(x_\alpha \otimes y_\alpha)) engendrent le Z\mathbf{Z}-module E⊗AFE \otimes_A F (resp. PP), π′∘π\pi' \circ \pi et π∘π′\pi \circ \pi' sont les applications identiques.

C. Q. F. D.

De façon imagée, on exprime la prop. 7 en disant que le produit tensoriel commute avec les limites inductives, et l’on identifie d’ordinaire les deux membres de (7) au moyen de l’isomorphisme π\pi.

Corollaire 1

Soit (Eα′,fβα′)(E'_\alpha, f'_{\beta \alpha}) (resp. (Fα′,gβα′)(F'_\alpha, g'_{\beta \alpha})) un second système inductif de AαA_\alpha-modules à droite (resp. à gauche); pour tout α∈I\alpha \in I, soit uα:Eα→Eα′u_\alpha : E_\alpha \to E'_\alpha (resp. vα:Fα→Fα′v_\alpha : F_\alpha \to F'_\alpha) une application AαA_\alpha-linéaire, telle que (uα)(u_\alpha) (resp. (vα)(v_\alpha)) soit un système inductif. Alors (uα⊗vα)(u_\alpha \otimes v_\alpha) est un système inductif d’applications Z\mathbf{Z}-linéaires, et le diagramme

lim⁡→(Eα⊗AαFα)⟶(lim⁡→Eα)⊗A(lim⁡→Fα)↓↓lim⁡→(Eα′⊗AαFα′)⟶(lim⁡→Eα′)⊗A(lim⁡→Fα′) \begin{array}{ccc} \lim \rightarrow (E_\alpha \otimes_{A_\alpha} F_\alpha) & \longrightarrow & (\lim \rightarrow E_\alpha) \otimes_A (\lim \rightarrow F_\alpha) \\ \downarrow & & \downarrow \\ \lim \rightarrow (E'_\alpha \otimes_{A_\alpha} F'_\alpha) & \longrightarrow & (\lim \rightarrow E'_\alpha) \otimes_A (\lim \rightarrow F'_\alpha) \end{array}

est commutatif.

La vérification est immédiate.

Soit (Aα′,ρβα′)(A'_\alpha, \rho'_{\beta \alpha}) un second système inductif d’anneaux, et supposons que chaque EαE_\alpha soit un (Aα′,Aα)(A'_\alpha, A_\alpha)-bimodule, les fβαf_{\beta \alpha} étant (Aα′,Aα)(A'_\alpha, A_\alpha)-linéaires pour α≤β\alpha \leq \beta. Alors, si on pose A′=lim⁡→Aα′A' = \lim \rightarrow A'_\alpha, l’isomorphisme (7) (II, p. 93) est linéaire pour les structures de A′A'-modules à gauche des deux membres en vertu du cor. 1. On généralise immédiatement à des multimodules quelconques.

En particulier, si les AαA_\alpha sont commutatifs, A=lim⁡→AαA = \lim \rightarrow A_\alpha est commutatif et l’isomorphisme (7) est un isomorphisme de AA-modules.

Corollaire 2

Soit (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta \alpha}) un système inductif de AαA_\alpha-modules à droite et soit Eα′=Eα⊗AαAE'_\alpha = E_\alpha \otimes_{A_\alpha} A le AA-module obtenu par extension à A=lim⁡→AαA = \lim \rightarrow A_\alpha de l’anneau des scalaires au moyen de l’homomorphisme canonique ρα:Aα→A\rho_\alpha : A_\alpha \to A. Alors (Eα′,fβα⊗1A)(E'_\alpha, f_{\beta\alpha} \otimes 1_A) est un système inductif de AA-modules à droite, dont la limite inductive est canoniquement isomorphe à lim←⁡Eα\varprojlim E_\alpha.

Cite 1

Cite Proposition 7

Il suffit d’appliquer la prop. 7 (II, p. 93) en prenant pour FαF_\alpha l’anneau AA considéré comme (Aα,A)(A_\alpha, A)-bimodule au moyen de ρα\rho_\alpha.

Corollaire 3

Soient AA un anneau, (Eα,fβα)(E_\alpha, f_{\beta\alpha}) un système inductif de AA-modules à droite, FF un AA-module à gauche. Alors les Z\mathbf{Z}-modules lim←⁡(Eα⊗AF)\varprojlim (E_\alpha \otimes_A F) et (lim←⁡Eα)⊗AF(\varprojlim E_\alpha) \otimes_A F sont canoniquement isomorphes.

Cite 1

Cite Proposition 7

Il suffit de faire Aα=AA_\alpha = A et Fα=FF_\alpha = F pour tout α∈I\alpha \in I dans la prop. 7 (II, p. 93).

En particulier, si ρ:A→B\rho : A \to B est un homomorphisme d’anneaux, lim←⁡ρ∗(Eα)\varprojlim \rho^*(E_\alpha) et ρ∗(lim←⁡Eα)\rho^*(\varprojlim E_\alpha) sont canoniquement isomorphes.

Corollaire 4

Soient MM un AA-module à droite, NN un AA module à gauche, (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n} une famille d’éléments de MM, (yi)1≤i≤n(y_i)_{1 \leq i \leq n} une famille d’éléments de NN, telles que ∑i(xi⊗yi)=0\sum_i (x_i \otimes y_i) = 0 dans M⊗ANM \otimes_A N. Il existe alors un sous-module de type fini M1M_1 (resp. N1N_1) de MM (resp. NN), contenant les xix_i (resp. les yiy_i), et tel que l’on ait ∑i(xi⊗yi)=0\sum_i (x_i \otimes y_i) = 0 dans M1⊗AN1M_1 \otimes_A N_1.

Cite 1 · Cité par 1

Cite Lemme 1, E III § 7

Cité par Proposition 4, AC II § 2

En effet, MM (resp. NN) s’identifie canoniquement à la limite inductive de la famille filtrante de ses sous-modules de type fini contenant les xix_i (resp. les yiy_i), et il suffit d’appliquer E, III, p. 62, lemme 1.

Exercices

See the exercises for § 6.

Transcrit du volume imprimé. Non traduit.