Bourbaki

§ 1. Algèbres

1. Définition d’une algèbre

Définition 1

Soit A un anneau commutatif. On appelle algèbre sur A (ou A-algèbre, ou simplement algèbre lorsqu’aucune confusion n’est à craindre), un ensemble E muni d’une structure définie par les données suivantes: 1) une structure de A-module sur E; 2) une application A-bilinéaire (II, p. 56) de E × E dans E.

Cite 3

Cite II § 3. Produits tensoriels, I § 2. Élément neutre ; éléments simplifiables ; éléments inversibles, I § 3. Actions

L’application A-bilinéaire de E × E dans E qui intervient dans cette définition est appelée la multiplication dans l’algèbre E; on la note d’ordinaire (x, y) ↦ x . y, ou simplement (x, y) ↦ xy.

Soient (α_i)_{i \in I} et (β_j)_{j \in J} deux familles d’éléments de A, à support fini (I, p. 13). Alors, quelles que soient les familles (x_i)_{i \in I} et (y_j)_{j \in J} d’éléments de E, on a la formule générale de distributivité (I, p. 27)

(∑i∈Iαixi)(∑j∈Jβjyj)=∑(i,j)∈I×J(αiβj)(xiyj); (\sum_{i \in I} \alpha_i x_i)(\sum_{j \in J} \beta_j y_j) = \sum_{(i, j) \in I \times J} (\alpha_i \beta_j)(x_i y_j);

en particulier

(αx)y=x(αy)=α(xy)(\alpha x)y = x(\alpha y) = \alpha(xy)
pour α∈A,x∈E\alpha \in A, x \in E et y∈Ey \in E.

L’application bilinéaire (x, y) ↦ yx de E × E dans E et la structure de A-module de E définissent sur E une structure de A-algèbre, dite opposée à la structure d’algèbre donnée. L’ensemble E muni de cette nouvelle structure s’appelle l’algèbre opposée à l’algèbre E; on la note souvent E^0. On dit que la A-algèbre E est commutative si elle est identique à son opposée, autrement dit si la multiplication dans E est commutative. Un isomorphisme de E sur E^0 est encore appelé un antiautomorphisme de l’algèbre E.

Lorsque la multiplication dans l’algèbre E est associative, on dit que E est une A-algèbre associative. Lorsque la multiplication dans E admet un élément neutre (nécessairement unique (I, p. 12)), on dit que cet élément est l’élément unité de E et que E est une algèbre unifière.

Exemple 1

Tout anneau commutatif A peut être considéré comme une A-algèbre (associative et commutative).

Cite 2

Cite I § 8. Anneaux, II § 1. Modules

Exemple 2

Soit E un pseudo-anneau (I, p. 93). La multiplication dans E et l’unique structure de \mathbf{Z}-module de E définissent sur E une structure de \mathbf{Z}-algèbre associative.

Exemple 3

Soient F un ensemble, A un anneau commutatif. L’ensemble A^F de toutes les applications de F dans A, muni de la structure d’anneau produit (I, p. 103) et de la structure de A-module produit (II, p. 11), est une A-algèbre associative et commutative.

Exemple 4

Soit E une A-algèbre ; les lois internes (x,y)↦xy+yx(x, y) \mapsto xy + yx et (x,y)↦xy−yx(x, y) \mapsto xy - yx définissent (avec la structure de A-module de E) deux structures de A-algèbres sur E, qui ne sont pas en général associatives ; la première loi (x,y)↦xy+yx(x, y) \mapsto xy + yx est toujours commutative.

Définition 2

Etant données deux algèbres* E, E′ sur un anneau commutatif A, on appelle homomorphisme de E dans E′ une application f:E→E′f : E \to E' telle que: 1) ff soit un homomorphisme de A-*modules* ; 2) f(xy)=f(x)f(y)f(xy) = f(x)f(y) quels que soient x∈Ex \in E et y∈Ey \in E.

Cité par 1

Cité par III, §1, No. 3, Def. 2

Il est clair que le composé de deux homomorphismes de A-algèbres est un homomorphisme de A-algèbres. Tout homomorphisme bijectif d’algèbres est un isomorphisme. On peut donc prendre pour morphismes de l’espèce de structure de A-algèbre les homomorphismes de A-algèbres (E, IV, p. 11). Nous supposerons toujours par la suite qu’on a fait ce choix de morphismes. Si E, E′ sont deux A-algèbres, on note HomA−alg(E,E′)\mathrm{Hom}_{\mathrm{A}-\mathrm{alg}}(E, E') l’ensemble des homomorphismes de A-algèbres de E dans E′.

Soient E, E′ deux algèbres ayant chacune un élément unité. Un homomorphisme de E dans E′ transformant l’élément unité de E en l’élément unité de E′ est appelé homomorphisme unifère (ou morphisme unifère d’algèbres).

2. Sous-algèbres. Idéaux. Algèbres quotients

Soient A un anneau commutatif, E une A-algèbre. Si F est un sous-A-module de E, stable pour la multiplication dans E, la restriction à F × F de la multiplication dans E définit (avec la structure de A-module de F) une structure de A-algèbre sur F. On dit que F, muni de cette structure, est une sous-algèbre de la A-algèbre E. Toute intersection de sous-algèbres de E est une sous-algèbre de E. Pour toute famille (xi)i∈I(x_i)_{i \in I} d’éléments de E, l’intersection des sous-algèbres de E contenant tous les xix_i s’appelle la sous-algèbre de E engendrée par la famille (xi)i∈I(x_i)_{i \in I} et on dit que (xi)i∈I(x_i)_{i \in I} est un système générateur (ou une famille génératrice) de cette sous-algèbre. Si u:E→E′u : E \to E' est un homomorphisme de A-algèbres, l’image u(F)u(F) de toute sous-algèbre F de E est une sous-algèbre de E′.

Soit E une algèbre associative. Pour toute partie M de E, l’ensemble M′ des éléments de M permutables avec tous les éléments de M est une sous-algèbre de E, dite sous-algèbre commutante (ou centralisatrice) de M dans E (I, p. 8). La commutante M″ de M′ dans E est aussi appelée la bicommunatante de M ; il est clair que M⊂M′′M \subset M''. On en conclut que M′ est contenu dans sa bicommunatante M″, qui n’est autre que la commutante de M″ ; mais la relation M⊂M′′M \subset M'' entraîne M′′⊂M′M'' \subset M', de sorte que M′=M′′M' = M'' (cf. E, III, p. 7, prop. 2). Si F est une sous-algèbre de E, le centre de F est l’intersection F ∩ F′ de F et de sa commutante F′ dans E. On notera que si F est commutative, on a F⊂F′F \subset F', donc F′⊃F′′F' \supset F''; la bi-commutante F′′F'' de F est dans ce cas le centre de F′F'.

Pour certaines algèbres non associatives (par exemple les algèbres de Lie), on définit autrement les notions de commutante d’une sous-algèbre et de centre (LIE, I, § 1, n°6).

On dit qu’une partie aa d’une A-algèbre E est un idéal à gauche (resp. idéal à droite) de E lorsque aa est un sous-A-module de E et que les relations x∈a,y∈Ex \in a, y \in E entraînent yx∈ayx \in a (resp. xy∈axy \in a). Il revient au même de dire que aa est un idéal à gauche de E, ou un idéal à droite de l’algèbre opposée E0E^0. Un idéal bilatère de E est un sous-ensemble aa de E qui est à la fois idéal à gauche et idéal à droite. Lorsque E est associative et admet un élément unité ee, on a, pour α∈A\alpha \in A et x∈Ex \in E, αx=(αe)x=x(αe)\alpha x = (\alpha e)x = x(\alpha e) en vertu de (2) (III, p. 2), donc les idéaux (à droite, à gauche, bilatères) de l’anneau E (I, p. 98) sont identiques aux idéaux (à droite, à gauche, bilatères) de l’algèbre E. Toute somme et toute intersection d’idéaux à gauche (resp. à droite, resp. bilatères) de l’algèbre E est un idéal à gauche (resp. à droite, resp. bilatère). L’intersection des idéaux à gauche (resp. à droite, resp. bilatères) contenant une partie X de E est appelée l’idéal à gauche (resp. à droite, resp. bilatère) de E engendré par X.

Soit bb un idéal bilatère d’une A-algèbre E. Si x≡x′x \equiv x' (mod. bb) et y≡y′y \equiv y' (mod. bb), on a

x(y−y′)∈bet(x−x′)y′∈b x(y - y') \in b \quad \text{et} \quad (x - x')y' \in b
donc xy≡x′y′xy \equiv x'y' (mod. bb). On peut donc définir sur le A-module quotient E/bE/b une loi de composition quotient de la loi de multiplication (x,y)↦xy(x, y) \mapsto xy de E par la relation d’équivalence x≡x′x \equiv x' (mod. bb) (I, p. 10). On vérifie aussitôt que cette loi quotient est une application A-bilinéaire de (E/b)×(E/b)(E/b) \times (E/b) dans E/bE/b; elle définit donc avec la structure de A-module de E/bE/b une structure de A-algèbre sur E/bE/b. On dit que E/bE/b, muni de cette structure d’algèbre, est l’algèbre quotient de l’algèbre E par l’idéal bilatère bb. L’application canonique p:E→E/bp : E \to E/b est un homomorphisme d’algèbres.

Soient E, E' deux A-algèbres, et u:E→E′u : E \to E' un homomorphisme d’algèbres. L’image u(E)u(E) est une sous-algèbre de E' et le noyau b=u‾1(0)b = \overline{u}^1(0) est un idéal bilatère de E; de plus, dans la décomposition canonique de uu:

E→pE/b→vu(E)→jE′ E \xrightarrow{p} E/b \xrightarrow{v} u(E) \xrightarrow{j} E'
vv est un isomorphisme d’algèbres. Plus généralement, tous les résultats de I, p. 100–102 sont encore valables (ainsi que leurs démonstrations) lorsqu’on remplace partout le mot « anneau » par « algèbre ».

Soient A un anneau commutatif, E une A-algèbre. Sur l’ensemble E~=A×E\tilde{E} = A \times E, définissons les lois de composition suivantes:

(λ,x)+(μ,y)=(λ+μ,x+y)(\lambda, x) + (\mu, y) = (\lambda + \mu, x + y)
(λ,x)(μ,y)=(λμ,xy+μx+λy)(\lambda, x)(\mu, y) = (\lambda \mu, xy + \mu x + \lambda y)
λ(μ,x)=(λμ,λx).\lambda(\mu, x) = (\lambda \mu, \lambda x).

On vérifie aussitôt que E~\tilde{E}, muni de ces lois de composition, est une algèbre sur AA, et que (1,0)(1, 0) est élément unité de cette algèbre. L’ensemble {0}×E\{0\} \times E est un idéal bilatère de E~\tilde{E}, et x↦(0,x)x \mapsto (0, x) est un isomorphisme de l’algèbre EE sur la sous-algèbre {0}×E\{0\} \times E, au moyen duquel on identifie EE et {0}×E\{0\} \times E. On dit que E~\tilde{E} est l’algèbre déduite de EE par adjonction d’un élément unité; elle est associative (resp. commutative) si et seulement si EE l’est.

3. Diagrammes exprimant l’associativité et la commutativité

Soient AA un anneau commutatif, EE un AA-module; la donnée d’une application bilinéaire de E×EE \times E dans EE équivaut à celle d’une application AA-linéaire:

m:E⊗AE→E m : E \otimes_A E \to E

(II, p. 56). Une structure de AA-algèbre sur EE est donc définie par la donnée d’une structure de AA-module sur EE et d’une application AA-linéaire de E⊗AEE \otimes_A E dans EE.

Soit E′E' une seconde AA-algèbre, et soit m′:E′⊗AE′→E′m' : E' \otimes_A E' \to E' l’application AA-linéaire définissant la multiplication de E′E'. Une application f:E→E′f : E \to E' est un homomorphisme de AA-algèbres si et seulement si ff est une application AA-linéaire qui rend commutatif le diagramme

E⊗AE→f⊗fE′⊗AE′m↓↓m′E→fE′ \begin{array}{ccc} E \otimes_A E & \xrightarrow{f \otimes f} & E' \otimes_A E' \\ m \downarrow & & \downarrow m' \\ E & \xrightarrow{f} & E' \end{array}

Pour qu’une AA-algèbre EE soit associative, il faut et il suffit (compte tenu de l’associativité du produit tensoriel, cf. II, p. 64) que le diagramme d’applications AA-linéaires

E⊗AE⊗AE→m⊗1EE⊗AE1E⊗m↓↓mE⊗AE→mE \begin{array}{ccc} E \otimes_A E \otimes_A E & \xrightarrow{m \otimes 1_E} & E \otimes_A E \\ 1_E \otimes m \downarrow & & \downarrow m \\ E \otimes_A E & \xrightarrow{m} & E \end{array}

soit commutatif. De même, pour que l’algèbre EE soit commutative, il faut et il suffit que le diagramme d’applications AA-linéaires

E⊗AE→σE⊗AEm↓↓mEE \begin{array}{ccc} E \otimes_A E & \xrightarrow{\sigma} & E \otimes_A E \\ m \downarrow & & \downarrow m \\ E & & E \end{array}

soit commutatif, en notant σ\sigma l’application A-linéaire canonique définie par σ(x⊗y)=y⊗x\sigma(x \otimes y) = y \otimes x pour x∈E,y∈Ex \in E, y \in E (II, p. 52, cor. 2).

Pour tout c∈Ec \in E, notons ηc\eta_c l’application A-linéaire de A dans E définie par la condition ηc(1)=c\eta_c(1) = c. Pour que cc soit élément unité de E, il faut et il suffit que les deux diagrammes

A⊗AE→ηc⊗1EE⊗AEi↓m↓EE \begin{array}{ccc} A \otimes_A E & \xrightarrow{\eta_c \otimes 1_E} & E \otimes_A E \\ i \downarrow & & m \downarrow \\ E & & E \end{array}
E⊗AA→1E⊗ηcE⊗AEi′↓m↓EE \begin{array}{ccc} E \otimes_A A & \xrightarrow{1_E \otimes \eta_c} & E \otimes_A E \\ i' \downarrow & & m \downarrow \\ E & & E \end{array}

soient commutatifs (ii et i′i' désignant les isomorphismes canoniques (II, p. 55, prop. 4)).

Soit E une A-algèbre ayant un élément unité ee, et posons η=ηe\eta = \eta_e (qu’on note aussi ηE\eta_E); on a η(αβ)=η(α)η(β)=αη(β)\eta(\alpha \beta) = \eta(\alpha) \eta(\beta) = \alpha \eta(\beta) car, d’après (2) (III, p. 2), on a (αe)(βe)=(αβ)e=α(βe)(\alpha e)(\beta e) = (\alpha \beta)e = \alpha(\beta e); donc η\eta est un homomorphisme de A-algèbres. On observera que la structure de A-module de E peut se définir à l’aide de η\eta, car on a

αx=η(α)⋅xpour α∈A,x∈E \alpha x = \eta(\alpha) \cdot x \quad \text{pour } \alpha \in A, x \in E
(où, dans le second membre, il s’agit de la multiplication dans E). L’image de l’homomorphisme η\eta est une sous-algèbre de E, dont les éléments commutent à tous ceux de E. Le noyau de l’homomorphisme η\eta est l’annulateur de l’élément ee du A-module E; d’après (3), c’est aussi l’annulateur du A-module E (II, p. 28).

Lorsque l’algèbre E est unifière et est associative, η\eta est un homomorphisme d’anneaux. Réciproquement, soit ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme d’anneaux, tel que l’image ρ(A)\rho(A) soit contenue dans le centre de B, l’anneau A étant en outre supposé commutatif; alors on définit sur B une structure de A-algèbre, associative et unifière, en posant (cf. (3))

λx=ρ(λ)⋅xpour λ∈A,x∈E. \lambda x = \rho(\lambda) \cdot x \quad \text{pour } \lambda \in A, x \in E.

4. Produits d’algèbres

Soit (Ei)i∈I(E_i)_{i \in I} une famille d’algèbres sur un même anneau commutatif A. On vérifie immédiatement que sur l’ensemble produit E=∏i∈IEiE = \prod_{i \in I} E_i, la structure de A-module produit (II, p. 10) et la multiplication

((xi),(yi))↦(xiyi) ((x_i), (y_i)) \mapsto (x_i y_i)
définissent une structure de A-algèbre; muni de cette structure, l’ensemble E est appelé l’algèbre produit de la famille d’algèbres (Ei)i∈I(E_i)_{i \in I}.

Lorsque toutes les algèbres EiE_i sont associatives (resp. commutatives, resp.

unifères) il en est de même de leur produit. En outre, toutes les propriétés énoncées dans I, p. 103–104 s’étendent sans modification aux produits d’algèbres quelconques.

5. Restriction et extension des scalaires

Soient A0A_0 et AA deux anneaux commutatifs, et ρ:A0→A\rho : A_0 \to A un homomorphisme d’anneaux. Si EE est une AA-algèbre, on notera (conformément à II, p. 30) ρ∗(E)\rho_*(E) le A0A_0-module défini par l’addition de EE et la loi externe

λ.x=ρ(λ)xpour tout λ∈A0 et tout x∈E. \lambda . x = \rho(\lambda)x \quad \text{pour tout } \lambda \in A_0 \text{ et tout } x \in E.

La multiplication de EE et la structure de A0A_0-module de ρ∗(E)\rho_*(E) définissent sur ρ∗(E)\rho_*(E) une structure de A0A_0-algèbre. Lorsque A0A_0 est un sous-anneau de AA et que ρ\rho est l’injection canonique, on dit que l’algèbre ρ∗(E)\rho_*(E) est obtenue à partir de EE par restriction à A0A_0 de l’anneau AA des scalaires. Par abus de langage, on le dit parfois encore lorsque l’homomorphisme ρ\rho est quelconque.

Soit FF une A0A_0-algèbre. On appelle semi-homomorphisme (relatif à ρ\rho) ou ρ\rho-homomorphisme de FF dans la AA-algèbre EE, un homomorphisme F→ρ∗(E)F \to \rho_*(E) de A0A_0-algèbres; on dit aussi A0A_0-homomorphisme si aucune confusion n’en résulte. Si E,E′E, E' sont deux AA-algèbres, tout homomorphisme de AA-algèbres E→E′E \to E' est aussi un homomorphisme de A0A_0-algèbres ρ∗(E)→ρ∗(E′)\rho_*(E) \to \rho_*(E').

Considérons maintenant deux anneaux commutatifs AA et BB, et un homomorphisme d’anneaux ρ:A→B\rho : A \to B. Pour tout AA-module EE, on a défini (II, p. 82) le BB-module ρ∗(E)=E⊗AB\rho^*(E) = E \otimes_A B obtenu à partir de EE par extension à BB de l’anneau AA des scalaires. Si EE est en outre une AA-algèbre, on va définir sur ρ∗(E)\rho^*(E) une structure de BB-algèbre. Pour cela, on observe que (E⊗AB)⊗B(E⊗AB)(E \otimes_A B) \otimes_B (E \otimes_A B) est canoniquement isomorphe à (E⊗AE)⊗AB(E \otimes_A E) \otimes_A B (II, p. 83, prop. 3). Si m:E⊗AE→Em : E \otimes_A E \to E définit la multiplication dans EE, l’application m⊗1B:(E⊗AE)⊗AB→E⊗ABm \otimes 1_B : (E \otimes_A E) \otimes_A B \to E \otimes_A B s’identifie donc canoniquement à une application BB-linéaire

m′:ρ∗(E)⊗Bρ∗(E)→ρ∗(E) m' : \rho^*(E) \otimes_B \rho^*(E) \to \rho^*(E)

qui définit sur ρ∗(E)\rho^*(E) la structure de BB-algèbre voulue. On a donc

(x⊗β)(x′⊗β′)=(xx′)⊗(ββ′)(x \otimes \beta)(x' \otimes \beta') = (xx') \otimes (\beta \beta')

pour x,x′x, x' dans EE, β\beta et β′\beta' dans BB. On dit que la BB-algèbre ρ∗(E)\rho^*(E) est déduite de la AA-algèbre EE par extension à BB de l’anneau AA des scalaires (au moyen de ρ\rho). On la note aussi E(B)E_{(B)} ou E⊗ABE \otimes_A B. Lorsque EE est associative (resp. commutative, resp. unifière), il en est de même de l’algèbre ρ∗(E)\rho^*(E).

Proposition 1

Pour toute AA-algèbre EE, l’application canonique φE:x↦x⊗1\varphi_E : x \mapsto x \otimes 1 de EE dans E(B)E_{(B)} est un AA-homomorphisme d’algèbres. En outre, pour toute BB-algèbre FF, et tout AA-homomorphisme f:E→Ff : E \to F, il existe un BB-homomorphisme fˉ:E(B)→F\bar{f} : E_{(B)} \to F et un seul tel que fˉ(x⊗1)=f(x)\bar{f}(x \otimes 1) = f(x) pour tout x∈Ex \in E.

Cite 2 · Cité par 1

Cite Proposition 1, II § 5, E IV § 3. Applications universelles

Cité par § 1. Algèbres

La première assertion résulte aussitôt de la définition de la multiplication dans E(B)E_{(B)}, qui donne (x⊗1)(x′⊗1)=(xx′)⊗1(x \otimes 1)(x' \otimes 1) = (xx') \otimes 1 pour x∈Ex \in E et x′∈Ex' \in E. L’existence et l’unicité de l’application B-linéaire fˉ\bar{f} de E(B)E_{(B)} dans FF vérifiant la relation fˉ(x⊗1)=f(x)\bar{f}(x \otimes 1) = f(x) pour tout x∈Ex \in E résultent de II, p. 82, prop. 1 ; tout revient à voir ici que fˉ(yy′)=fˉ(y)fˉ(y′)\bar{f}(yy') = \bar{f}(y)\bar{f}(y') pour yy et y′y' dans E(B)E_{(B)}; comme les éléments de la forme x⊗1x \otimes 1 (avec x∈Ex \in E) engendrent le B-module E(B)E_{(B)}, on peut se limiter au cas où y=x⊗1y = x \otimes 1, y′=x′⊗1y' = x' \otimes 1, avec x∈E,x′∈Ex \in E, x' \in E; comme yy′=(xx′)⊗1yy' = (xx') \otimes 1, la relation fˉ(yy′)=fˉ(y)fˉ(y′)\bar{f}(yy') = \bar{f}(y)\bar{f}(y') résulte alors de la relation f(xx′)=f(x)f(x′)f(xx') = f(x)f(x').

On peut encore dire que f↦fˉf \mapsto \bar{f} est une bijection canonique

Hom⁡A−alg.(E,ρ∗(F))→Hom⁡B−alg.(ρ∗(E),F). \operatorname{Hom}_{A-\mathrm{alg.}}(E, \rho_*(F)) \to \operatorname{Hom}_{B-\mathrm{alg.}}(\rho^*(E), F).

Le couple formé de E(B)E_{(B)} et de φE\varphi_E est donc solution du problème d’application universelle (E, IV, p. 23) où Σ\Sigma est l’espèce de structure de B-algèbre et les α\alpha-applications les A-homomorphismes de EE dans une B-algèbre.

Corollaire

Soient E,E′E, E' deux A-algèbres; pour tout A-homomorphisme d’algèbres u:E→E′u : E \to E', u⊗1Bu \otimes 1_B est l’unique B-homomorphisme d’algèbres v:E⊗AB→E′⊗ABv : E \otimes_A B \to E' \otimes_A B rendant commutatif le diagramme

E→φEE⊗ABu↓↓vE′→φE′E′⊗AB \begin{array}{ccc} E & \xrightarrow{\varphi_E} & E \otimes_A B \\ u \downarrow & & \downarrow v \\ E' & \xrightarrow{\varphi_{E'}} & E' \otimes_A B \end{array}
Cite 1

Cite Proposition 2, II § 5

Soient C un troisième anneau commutatif, σ:B→C\sigma : B \to C un homomorphisme d’anneaux; il est immédiat que le C-homomorphisme canonique

σ∗(ρ∗(E))→(σ∘ρ)∗(E) \sigma^*(\rho^*(E)) \to (\sigma \circ \rho)^*(E)

transformant (x⊗1)⊗1(x \otimes 1) \otimes 1 en x⊗1x \otimes 1 pour tout x∈Ex \in E (II, p. 83, prop. 2) est un isomorphisme d’algèbres.

6. Limites projectives et limites inductives d’algèbres

Soient I un ensemble préordonné, (Ai,φij)(A_i, \varphi_{ij}) un système projectif d’anneaux commutatifs, ayant I pour ensemble d’indices. Soit (Ei,fij)(E_i, f_{ij}) un système projectif de AiA_i-modules ayant I pour ensemble d’indices (II, p. 89), et supposons en outre que chaque EiE_i soit muni d’une structure de AiA_i-algèbre, et que, pour i≤ji \leq j, fijf_{ij} soit un AjA_j-homomorphisme d’algèbres (relatif à φij\varphi_{ij}) (III, p. 7). Soient A=lim⁡←AiA = \lim \leftarrow A_i et E=lim⁡←EiE = \lim \leftarrow E_i, qui est muni d’une structure de A-module, limite projective des structures des AiA_i-modules EiE_i (II, p. 89); on vérifie aussitôt que sur EE, considéré comme limite projective des EiE_i considérés comme magmas pour la multiplication (I, p. 113), la loi de composition, avec la structure de A-module de EE, définit sur EE une structure de A-algèbre; on dit que (Ei,fij)(E_i, f_{ij}) est un système projectif de AiA_i-algèbres et que la A-algèbre EE est sa limite projective. Si fi:E→Ei,φi:A→Aif_i : E \to E_i, \varphi_i : A \to A_i sont les applications canoniques, fif_i est un AA-homomorphisme d’algèbres (relatif à φi\varphi_i). Si les EiE_i sont associatives (rcsp. commutatives), il en est de même de EE; si chaque EiE_i admet un élément unité eie_i, et si fij(ej)=eif_{ij}(e_j) = e_i pour i≤ji \leq j, e=(ei)e = (e_i) est élément unité de l’algèbre EE.

Soit (Ei′,fij′)(E'_i, f'_{ij}) un second système projectif de AiA_i-algèbres, et pour tout ii, soit ui:Ei→Ei′u_i : E_i \to E'_i un homomorphisme de AiA_i-algèbres, ces applications formant un système projectif; alors u=lim⁡←uiu = \lim_{\leftarrow} u_i est un homomorphisme de AA-algèbres.

Supposons maintenant que tous les AiA_i soient égaux à un même anneau commutatif AA, et les φij\varphi_{ij} à IdA\mathrm{Id}_A, de sorte que E=lim⁡←EiE = \lim_{\leftarrow} E_i est une AA-algèbre. Soit FF une AA-algèbre, et pour tout i∈Ii \in I, soit ui:F→Eiu_i : F \to E_i un homomorphisme de AA-algèbres tel que (ui)(u_i) soit un système projectif d’applications; alors u=lim⁡←uiu = \lim_{\leftarrow} u_i est un homomorphisme de l’algèbre FF dans l’algèbre EE. Inversement, pour tout homomorphisme de AA-algèbres v:F→Ev : F \to E, la famille des vi=fi∘vv_i = f_i \circ v est un système projectif d’homomorphismes de AA-algèbres tel que v=lim⁡←viv = \lim_{\leftarrow} v_i. Comme d’ailleurs, en posant fˉij=Hom(1F,fij)\bar{f}_{ij} = \mathrm{Hom}(1_F, f_{ij}), il est clair que (HomA-alg.(F,Ei),fˉij)(\mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F, E_i), \bar{f}_{ij}) est un système projectif d’ensembles, on voit que les remarques précédentes s’expriment encore en disant que l’application canonique v↦(fi∘v)v \mapsto (f_i \circ v) est une bijection

lF:HomA-alg.(F,lim⁡←Ei)→lim⁡←HomA-alg.(F,Ei). l_F : \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F, \lim_{\leftarrow} E_i) \to \lim_{\leftarrow} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F, E_i).

En outre, pour tout homomorphisme w:F→F′w : F \to F' de AA-algèbres, les w‾i=Hom(w,1Ei):HomA-alg.(F′,Ei)→HomA-alg.(F,Ei)\overline{w}_i = \mathrm{Hom}(w, 1_{E_i}) : \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F', E_i) \to \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F, E_i) forment un système projectif d’applications, et le diagramme

HomA-alg.(F′,lim⁡←Ei)→lF′lim⁡←HomA-alg.(F′,Ei)↓Hom(w,1E)↓lim⁡←w‾iHomA-alg.(F,lim⁡←Ei)→lFlim⁡←HomA-alg.(F,Ei) \begin{array}{ccc} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F', \lim_{\leftarrow} E_i) & \xrightarrow{l_{F'}} & \lim_{\leftarrow} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F', E_i) \\ \downarrow \mathrm{Hom}(w, 1_E) & & \downarrow \lim_{\leftarrow} \overline{w}_i \\ \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F, \lim_{\leftarrow} E_i) & \xrightarrow{l_F} & \lim_{\leftarrow} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(F, E_i) \end{array}

est commutatif.

Supposons maintenant II filtrant croissant. Considérons un système inductif d’anneaux commutatifs (Ai,φji)(A_i, \varphi_{ji}) et un système inductif (Ei,fji)(E_i, f_{ji}) de AiA_i-modules, ayant II pour ensemble d’indices; supposons que chaque EiE_i soit muni d’une structure de AiA_i-algèbre et que, pour i≤ji \leq j, fjif_{ji} soit un AiA_i-homomorphisme d’algèbres (relatif à φji\varphi_{ji}) (III, p. 7). Soient A=lim⁡⟶AiA = \lim_{\longrightarrow} A_i, E=lim⁡⟶EiE = \lim_{\longrightarrow} E_i; EE est muni d’une structure de AA-module, limite inductive des structures des AiA_i-modules EiE_i (II, p. 90); en outre, sur EE, considéré comme limite inductive des EiE_i, considérés comme magmas pour la multiplication (I, p. 115), la loi de composition, avec la structure de AA-module de EE, définit sur EE une structure de AA-algèbre; on dit que (Ei,fji)(E_i, f_{ji}) est un système inductif de AiA_i-algèbres et que la AA-algèbre EE est sa limite inductive. Si fi:Ei→Ef_i : E_i \to E, φi:Ai→A\varphi_i : A_i \to A sont les applications canoniques, fif_i est un AiA_i-homomorphisme d’algèbres (relatif à φi\varphi_i). Si les EiE_i sont associatives (resp. commutatives), il en est de même de EE; si chaque EiE_i admet un élément unité eie_i, et si fji(ei)=ejf_{ji}(e_i) = e_j pour i≤ji \leq j, EE admet un élément unité ee tel que fi(ei)=ef_i(e_i) = e pour tout i∈Ii \in I.

Soit (Ei′,fij′)(E'_i, f'_{ij}) un second système inductif de AiA_i-algèbres, et pour tout ii, soit ui:Ei→Ei′u_i : E_i \to E'_i un homomorphisme de AiA_i-algèbres, ces applications formant un système inductif; alors u=lim⁡⟶uiu = \lim \limits_{\longrightarrow} u_i est un homomorphisme de AA-algèbres.

Supposons maintenant que tous les anneaux AiA_i soient égaux à un même anneau AA et les φji\varphi_{ji} à IdA\mathrm{Id}_A, de sorte que E=lim⁡⟶EiE = \lim \limits_{\longrightarrow} E_i est une AA-algèbre. Soit FF une AA-algèbre, et, pour tout ii, soit ui:Ei→Fu_i : E_i \to F un homomorphisme de AA-algèbres tel que (ui)(u_i) soit un système inductif d’applications; alors u=lim⁡⟶uiu = \lim \limits_{\longrightarrow} u_i est un homomorphisme de l’algèbre EE dans l’algèbre FF. Inversement, pour tout homomorphisme de AA-algèbres v:E→Fv : E \to F, la famille des vi=v∘fiv_i = v \circ f_i est un système inductif d’homomorphismes de AA-algèbres tel que v=lim⁡⟶viv = \lim \limits_{\longrightarrow} v_i. Comme d’ailleurs, en posant fˉij=Hom(fji,1F)\bar{f}_{ij} = \mathrm{Hom}(f_{ji}, 1_F), il est clair que (HomA-alg.(Ei,F),fˉij)(\mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(E_i, F), \bar{f}_{ij}) est un système projectif d’ensembles, on voit que les remarques précédentes s’expriment encore en disant que l’application canonique v↦(v∘fi)v \mapsto (v \circ f_i) est une bijection

dF:HomA-alg.(lim⁡⟶Ei,F)→lim⁡⟵HomA-alg.(Ei,F). d_F : \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(\lim \limits_{\longrightarrow} E_i, F) \to \lim \limits_{\longleftarrow} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(E_i, F).

En outre, pour tout homomorphisme w:F→F′w : F \to F' de AA-algèbres, les w‾i=Hom(1Ei,w):HomA-alg.(Ei,F)→HomA-alg.(Ei,F′)\overline{w}_i = \mathrm{Hom}(1_{E_i}, w) : \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(E_i, F) \to \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(E_i, F') forment un système projectif d’applications, et le diagramme

HomA-alg.(lim⁡⟶Ei,F)→dFlim⁡⟵HomA-alg.(Ei,F)↓Hom(1Ei,w)↓lim⁡w‾iHomA-alg.(lim⁡⟶Ei,F′)→dF′lim⁡⟵HomA-alg.(Ei,F′) \begin{array}{ccc} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(\lim \limits_{\longrightarrow} E_i, F) & \xrightarrow{d_F} & \lim \limits_{\longleftarrow} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(E_i, F) \\ \downarrow \mathrm{Hom}(1_{E_i}, w) & & \downarrow \lim \overline{w}_i \\ \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(\lim \limits_{\longrightarrow} E_i, F') & \xrightarrow{d_{F'}} & \lim \limits_{\longleftarrow} \mathrm{Hom}_{A\text{-alg.}}(E_i, F') \end{array}

est commutatif.

7. Bases d’une algèbre. Table de multiplication

Par définition, une base d’une AA-algèbre EE est une base de EE pour sa structure de AA-module. Soit (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} une base de EE; il existe une famille unique (γijk)(i,j,k)∈I×I×I(\gamma_{ij}^k)_{(i, j, k) \in I \times I \times I} d’éléments de l’anneau AA telle que pour tout couple (i,j)∈I×I(i, j) \in I \times I, l’ensemble des k∈Ik \in I tels que γijk≠0\gamma_{ij}^k \neq 0 soit fini, et que

aiaj=∑k∈Lγijkak. a_i a_j = \sum_{k \in L} \gamma_{ij}^k a_k.

On dit que les γijk\gamma_{ij}^k sont les constantes de structure de l’algèbre EE par rapport à la base (ai)(a_i), et que les relations (7) constituent la table de multiplication de l’algèbre EE (relativement à la base (ai)(a_i)).

On peut imaginer les relations (7) écrites en disposant les seconds membres de ces relations en un tableau carré

⋯aj⋯⋮ai∑kγijkak⋮ \begin{array}{c|c|c|c} & \cdots & a_j & \cdots \\ \hline & & & \\ \vdots & & & \\ a_i & & \sum_k \gamma_{ij}^k a_k & \\ \vdots & & & \end{array}

étant entendu que l’élément qui figure dans la ligne d’indice ii et la colonne d’indice jj est égal au produit aiaja_i a_j.

Réciproquement, donnons-nous un AA-module EE et une base (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} de EE, ainsi qu’une famille (γijk)(\gamma_{ij}^k) d’éléments de AA telle que, pour tout couple (i,j)∈I×I(i, j) \in I \times I, l’ensemble des k∈Ik \in I tels que γijk≠0\gamma_{ij}^k \neq 0 soit fini. Alors il y a sur EE une structure de AA-algèbre et une seule pour laquelle les relations (7) sont satisfaites, puisque le AA-module E⊗AEE \otimes_A E est libre et admet pour base (ai⊗aj)(i,j)∈I×I(a_i \otimes a_j)_{(i, j) \in I \times I} (cf. II, p. 62, cor. 2).

Soient EE une AA-algèbre, (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} un système générateur du AA-module EE (par exemple une base). Pour que EE soit associative, il faut et il suffit que les aia_i vérifient les relations d’associativité

(aiaj)ak=ai(ajak)quels que soient i,j,k. (a_i a_j) a_k = a_i (a_j a_k) \quad \text{quels que soient } i, j, k.

En effet l’application (x,y,z)↦(xy)z−x(yz)(x, y, z) \mapsto (xy)z - x(yz) est une application AA-trilinéaire E×E×E→EE \times E \times E \to E, donc définit une application AA-linéaire E⊗AE⊗AE→EE \otimes_A E \otimes_A E \to E; si cette dernière application s’annule pour les éléments ai⊗aj⊗aka_i \otimes a_j \otimes a_k, qui forment un système générateur du AA-module E⊗AE⊗AEE \otimes_A E \otimes_A E, elle est identiquement nulle.

De même, pour que EE soit commutative, il faut et il suffit que les aia_i vérifient les relations de commutativité

aiaj=ajaiquels que soient i,j. a_i a_j = a_j a_i \quad \text{quels que soient } i, j.

La démonstration est analogue en considérant cette fois l’application AA-bilinéaire (x,y)↦xy−yx(x, y) \mapsto xy - yx. Enfin, pour qu’un élément e∈Ee \in E soit élément unité, il faut et il suffit que les aia_i vérifient les relations

ai=eai=aiequel que soit i, a_i = ea_i = a_i e \quad \text{quel que soit } i,

comme on le voit cette fois en considérant les applications AA-linéaires x↦x−xex \mapsto x - xe et x↦x−exx \mapsto x - ex.

Lorsque (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} est une base de EE et (γijk)(\gamma_{ij}^k) la famille des constantes de structure correspondante, les relations (8) équivalent aux relations ∑rγijrγrks=∑rγirsγjkr\sum_r \gamma_{ij}^r \gamma_{rk}^s = \sum_r \gamma_{ir}^s \gamma_{jk}^r quels que soient i,j,k,si, j, k, s. De même les relations (9) équivalent à γijk=γjik\gamma_{ij}^k = \gamma_{ji}^k quels que soient i,j,ki, j, k.

Soit (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} une base de la AA-algèbre EE; si ρ:A→B\rho : A \to B est un homomorphisme d’anneaux, (ai⊗1)(a_i \otimes 1) est une base de la B-algèbre ρ∗(E)=E⊗AB\rho^*(E) = E \otimes_A B (II, p. 84, prop. 4). Si (γijk)(\gamma_{ij}^k) est la famille des constantes de structure de E relativement à la base (ai)(a_i), la famille (ρ(γijk))(\rho(\gamma_{ij}^k)) est la famille des constantes de structure de ρ∗(E)\rho^*(E) relativement à la base (ai⊗1)(a_i \otimes 1).

Exercices

See the exercises for § 1.

Transcrit du volume imprimé. Non traduit.