On conserve les conventions du paragraphe précédent.
1. Prolongement de morphismes de complexes
Lemme 1
Considérons un diagramme de A-modules et d’homomorphismes
M′f′↓N′α′β′Mf↓NMf↓NαβM′′k′′↓N′′
tel que f∘α′=β∘f′,α∘α′=0,Kerβ=Imβ′,et f=k′′∘α+β∘k et ouˋM′ est projectif. Il existe un A-homomorphisme k′:M′→N′ tel que f′=k∘α′+β′∘k′.
En effet, posons g=f′−k∘α′; on a
β∘g=β∘f′−β∘k∘α′=f∘α′−β∘k∘α′=k′′∘α∘α′=0.
Cela implique Im(g)⊂Ker(β)=Im(β′). Comme M′ est projectif, il existe donc un A-homomorphisme k′:M′→N′ tel que β′∘k′=g, d’où le lemme.
Lemme 2
Si dans le diagramme commutatif de A-modules et d’homomorphismes
M′N′α′↓uβ′M↓u′′NMNα↓βM′′↓N′′
on a α∘α′=0,Kerβ=Imβ′ et si M′ est projectif, il existe un A-homomorphisme u′:M′→N′ tel que β′∘u′=u∘α′.
Il suffit de poser k′′=u′′,k=−u,f=0,f′=0 et u′=k′ dans le lemme 1.
Lemme 1 bis. — Considérons un diagramme de A-modules et d’homomorphismes
M′k′↓N′α′β′Mk↓NMf′↓NαβM′′f↓N′′
tel que f∘α′=β∘f′, Kerα=Imα′, β∘β′=0, et f′=k∘α′+β′∘k′ et où N′′ est injectif. Il existe un A-homomorphisme k′′:M′′→N′′ tel que f=k′′∘α+β∘k.
En effet, posons g=f−β∘k, on a
g∘α′=f∘α′−β∘k∘α′=β∘f′−β∘k∘α′=β∘β′∘k′=0.
Cela implique Kerg⊃Imα′=Kerα. Comme N′′ est injectif, il existe donc (X, p. 16, remarque) un A-homomorphisme k′:M′′→N′′ tel que g=k′′∘α, d’où le lemme.
Lemme 2 bis. — Si, dans le diagramme commutatif de A-modules et d’homomorphismes
M′u′↓N′α′β′MαM′′u↓NβN′′
on a Kerα=Imα′,β∘β′=0 et si N′′ est injectif, il existe un A-homomorphisme u′′:M′′→N′′ tel que u′′∘α=β∘u. Il suffit de poser u′=k′,u=−k,f=0,f′=0 et k′′=u′′ dans le lemme 1 bis.
Proposition 1
Soient (P,dP) et (E,dE) deux complexes de A-modules et r un entier.
a) Soit (ui:Pi→Ei)i≤r une famille d’homomorphismes telle que dE∘ui=ui−1∘dP pour i≤r. Supposons que Pi soit projectif pour i>r et que Hi(E)=0 pour i≥r. Alors la famille des ui se prolonge en un morphisme de complexes de P dans E; deux tels prolongements sont homotopes.
b) Soit (ui:Pi→Ei)i≤r une famille d’homomorphismes telle que ui∘dP=dE∘ui−1 pour i≤r. Supposons que Ei soit injectif pour i>r et que Hi(P)=0 pour i≥r. Alors la famille des ui se prolonge en un morphisme de complexes de P dans E; deux tels prolongements sont homotopes.
Démontrons a). L’existence d’un prolongement v de la famille (ui)i≤r résulte aussitôt du lemme 2 par récurrence. Soit v′ un autre prolongement ; posons f=v′−v, et construisons par récurrence sur l’entier n un homomorphisme kn:Pn→En+1 tel que fn=dE∘kn+kn−1∘dP. Pour i≤r, on prend ki=0. Soit n≥r et supposons les ki construits pour i≤n. Considérons alors le diagramme
Les hypothèses du lemme 1 sont satisfaites ; il existe donc un A-homomorphisme kn+1:Pn+1→En+2 tel que fn+1=dE∘kn+1+kn∘dP, d’où a).
La démonstration de b) est analogue, via les lemmes 1 bis et 2 bis.
2. Résolutions
Dans la suite, on identifie toujours un module au complexe dont il est la composante de degré zéro et dont toutes les autres composantes sont nulles.
Définition 1
Soit M un A-module. Une résolution gauche de M est un couple (P,p) où P est un complexe nul à droite et p:P→M est un homomorphisme. Une résolution droite de M est un couple (e,E) où E est un complexe nul à gauche et e:M→E un homomorphisme.
On appelle longueur de la résolution (P,p) (resp. (e,E)) la longueur du complexe P (resp. E). Si (P,p) et (P′,p′) (resp. (e,E) et (e′,E′)) sont deux résolutions gauches (resp. droites) de M, un morphisme de complexes f:P→P′ tel que p′∘f=p (resp. g:E→E′ tel que g∘e=e′) est appelé un morphisme de résolutions.
Proposition 2
Soient P un complexe nul à droite et p:P→M un morphisme. Pour que (P,p) soit une résolution gauche de M, il faut et il suffit que la suite
(1)
⋯⟶PndPPn−1⟶⋯⟶P1dPP0pM⟶0
soit exacte.
En effet, dire que p:P→M est un homomorphisme signifie que Hi(P)=0 pour i>0 et que p0 induit un isomorphisme de Coker(dP:P1→P0) sur M.
De même :
Proposition 2bis. — Soient E un complexe nul à gauche et e:M→E un morphisme. Pour que (e,E) soit une résolution droite de M, il faut et il suffit que la suite
(1 bis)
0⟶Me0E0dEE1⟶⋯⟶EndEEn+1⟶⋯
soit exacte.
Par abus de langage, on dit souvent que la suite (1) (resp. (1 bis)) est une résolution gauche (resp. droite) de M.
Définition 2
Une résolution projective (resp. libre, resp. plate) du A-module M est une résolution gauche (P,p) de M telle que le complexe P soit projectif (resp. libre, resp. plat) (X, p. 25). Une résolution injective de M est une résolution droite (e,E) de M telle que le complexe E soit injectif (loc. cit.).
Exemple 1
Supposons que l’anneau A soit principal ; soient M un A-module et (xi)i∈I une famille génératrice de M. Notons L0 le module libre A(I), (ei) sa base canonique et définissons p:L0→M par p(ei)=xi. Le morphisme p est surjectif et son noyau L1 est un A-module libre d’après VII, § 3, cor. 2 au th. 1, donc la suite exacte
0⟶L1⟶L0pM⟶0
est une résolution libre de M de longueur 1. Si I est fini, L0 et L1 sont de type fini.
Exemple 2
Supposons A commutatif ; soient E un A-module et u un endomorphisme de E. Notons Eu le A[X]-module obtenu en munissant E de la structure définie par
(p,x)↦p(u)(x)pourp∈A[X]etx∈E.
D’après III, p. 106, on a une suite exacte :
0→A[X]⊗AEψA[X]⊗AEφEu→0
où φ(p⊗x)=p.x et ψ(p⊗x)=Xp⊗x−p⊗u(x) pour p∈A[X] et x∈E. Cette suite exacte est une résolution de longueur 1 de Eu, libre (resp. projective, resp. de type fini) si E est un A-module libre (resp. projectif, resp. de type fini).
Exemple 3
Si A est principal, la suite exacte
0→A→K→K/A→0
est une résolution injective de longueur 1 du A-module As (X, p. 18, exemple 1).
Proposition 3
Soient f:M′→M un homomorphisme de A-modules, p′:P′→M′ un morphisme dans M′ d’un complexe nul à droite et projectif P′, et p:P→M une résolution gauche de M. Il existe un morphisme de complexes f~:P′→P, et un seul à homotopie près, tel que p∘f~=f∘p′.
Considérons le complexe P défini comme suit : Pn=Pn pour n=−1, P−1=M, dP,n=dP,n pour n=0,−1, dP,0=p0, dP,−1=0, et le complexe P′ défini de façon analogue. Appliquant aux complexes P et P′ la prop. 1 a) avec r=0, ui=0 pour i<−1 et u−1=f, on obtient la prop. 3.
Corollaire
Soient (P,p) et (P′,p′) deux résolutions projectives de M. Il existe un homotopisme et un seul à homotopie près α:P′→P tel que p∘α=p′.
En effet, il existe un morphisme α:P′→P (resp. β:P→P′) tel que p∘α=p′ (resp. p′∘β=p). Comme p∘α∘β=p (resp. p′∘β∘α=p′), α∘β est homotope à 1P (resp. β∘α est homotope à 1P′).
PROPOSITION 3 bis. — Soient g:N→N′ un homomorphisme de A-modules, e′:N′→E′ un morphisme de N′ dans un complexe nul à gauche et injectif E′, et e:N→E une résolution droite de N. Il existe un morphisme de complexes g~:E→E′, et un seul à homotopie près, tel que g~∘e=e′∘g.
Cela se démontre comme la prop. 3 à l’aide de la prop. 1 b).
Corollaire
Soient (e,E) et (e′,E′) deux résolutions injectives de N ; il existe un homotopisme α:E→E′ et un seul à homotopie près tel que α∘e=e′.
3. La résolution libre canonique
Pour tout A-module M, notons L_0(M) le A-module libre A^{(M)} de base M, (e_m)_{m \in M} sa base canonique et pM:L0(M)→M l’homomorphisme tel que
pM(em)=m,m∈M.
Posons Z0(M)=KerpM et soit iM:Z0(M)→L0(M) l’injection canonique. On a une suite exacte
(1)0⟶Z0(M)iML0(M)pMM⟶0.
On définit un module gradué L(M) en posant Ln(M)=0 pour n<0 et, par récurrence sur l’entier n>0
(2)Ln(M)=L0(Zn−1(M));Zn(M)=Z0(Zn−1(M)).
On définit des A-homomorphismes dnM:Ln(M)→Ln−1(M) par
de sorte que, si l’on étend pM en un morphisme de complexes
pM:(L(M),dM)→M,
on obtient une résolution libre de M, dite résolution libre canonique de M.
Soit f:M→N un homomorphisme de A-modules. Notons
L0(f):L0(M)→L0(N)
l’unique A-homomorphisme tel que L0(f)(em)=ef(m) pour tout m∈M. On a
(4)pN∘L0(f)=f∘pM.
Par suite, L0(f) induit un A-homomorphisme Z0(f):Z0(M)→Z0(N) et on a
(5)iN∘Z0(f)=L0(f)∘iM.
Posons Ln(f)=0, pour n<0 et définissons par récurrence sur l’entier n>0, des homomorphismes Ln(f):Ln(M)→Ln(N) et Zn(f):Zn(M)→Zn(N) par
(6){Ln(f)=L0(Zn−1(f))Zn(f)=Z0(Zn−1(f)).
Proposition 4
L(f):L(M)→L(N) est un morphisme de complexes de A-modules ; on a pM∘L(f)=f∘pN.
Il s’agit de prouver, pour tout entier n>0, la formule
dnN∘Ln(f)=Ln−1(f)∘dnM.
On a d’abord
d1N∘L1(f)=iN∘pZ0(N)∘L0(Z0(f))=iN∘Z0(f)∘pZ0(M)=L0(f)∘iM∘pZ0(M)=L0(f)∘d1M(d’apreˋs (3) et (6))(d’apreˋs (4))(d’apreˋs (5))(d’apreˋs (3)).
Lorsque n>1, on a successivement
dnN∘Ln(f)=iZn−2(N)∘pZn−1(N)∘L0(Zn−1(f))=iZn−2(N)∘Zn−1(f)∘pZn−1(M)=iZn−2(N)∘Z0(Zn−2(f))∘pZn−1(M)=L0(Zn−2(f))∘iZn−2(M)∘pZn−1(M)=Ln−1(f)∘dnM(d’apreˋs (3) et (6))(d’apreˋs (4))(d’apreˋs (6))(d’apreˋs (5))(d’apreˋs (3) et (6)).
On a aussitôt
(7)
L(1M)=1L(M).
D’autre part, si g:N→P est un homomorphisme de A-modules, on a
donc L0(g∘f)=L(g)∘L(f); par conséquent Z0(g∘f)=Z0(g)∘Z0(f); d’où aussitôt Ln(g∘f)=Ln(g)∘Ln(f), pour n⩾0, par récurrence sur n, d’où (8).
Remarque
Si f,g∈HomA(M,N), on n’a pas L(f+g)=L(f)+L(g). Cependant ces deux morphismes sont homotopes d’après X, p. 49, prop. 3.
Soit M un A-module à droite ; notons A∘ l’anneau opposé à A, M∘ le A∘-module sous-jacent à M, L(M∘) sa résolution libre canonique. On note L(M) et on appelle résolution libre canonique de M le A-complexe L(M∘)∘ sous-jacent à L(M∘). On a donc
L(M∘)=L(M)∘.
4. La résolution injective canonique
Soit F le A-module HomZ(A,Q/Z) ; pour tout A-module M, on pose I0(M)=FHomA(M,F) et on note eM:M⟶I0(M) l’homomorphisme qui à m∈M associe la famille (φ(m))φ∈HomA(M,F). D’après X, p. 19, cor. 2, I0(M) est un A-module injectif et eM est injectif. Posons K0(M)=CokereM et notons qM:I0(M)⟶K0(M) la projection canonique. On a donc une suite exacte
0⟶MeMI0(M)qMK0(M)⟶0.
On définit un A-module gradué I(M) en posant In(M)=0 pour n<0 et, par récurrence sur l’entier n>0,
(9)
In(M)=I0(Kn−1(M)),Kn(M)=K0(Kn+1(M)).
On définit des A-homomorphismes δMn:In(M)⟶In+1(M) par
de sorte que, si l’on étend eM en un morphisme de complexes
eM:M⟶(I(M),δM),
on obtient une résolution injective de M, dite résolution injective canonique de M.
Soit f:M⟶N un homomorphisme de A-modules. Notons I0(f) l’homomorphisme de I0(M)=FHomA(M,F) dans I0(N)=FHomA(N,F) qui applique la famille (xφ)φ∈HomA(M,F) sur la famille (xψ∘f)ψ∈HomA(N,F). On a :
(11)
I0(f)∘eM=eN∘f.
Par suite, I0(f) induit un homomorphisme K0(f):K0(M)⟶K0(N) et on a
(12)
K0(f)∘qM=qN∘K0(f).
Posons In(f)=0 pour n<0 et définissons, par récurrence sur l’entier n>0, des homomorphismes In(f):In(M)⟶In(N) et Kn(f):Kn(M)⟶Kn(N) par :
(13)
{In(f)Kn(f)=I0(Kn−1(f)),=K0(Kn−1(f)).
Proposition 5
I(f) : I(M) → I(N) est un morphisme de complexes de A-modules ; on a I(f) ◦ e_M = e_N ◦ f. Cela se démontre de manière analogue à la prop. 4.
On a (14)
I(1M)=1I(M)
et pour tout homomorphisme g:N→P de A-modules (15)
I(g∘f)=I(g)∘I(f).
Remarque
Si f,g∈HomA(M,N), on n’a pas I(f+g)=I(f)+I(g). Cependant, ces deux morphismes sont homotopes d’après X, p. 49, prop. 3 bis.
Si M est un A-module à droite, on pose I(M)=I(M∘)∘; on l’appelle la résolution injective canonique de M et on a
I(M∘)=I(M)∘.
5. Résolutions de type fini
Il résulte notamment des deux numéros précédents que tout A-module possède des résolutions injectives, des résolutions libres (donc aussi des résolutions projectives ou plates). Dans certains cas, on peut préciser davantage :
Supposons A noethérien à gauche et soit M un A-module. Construisons par récurrence des suites (Ln)n≥0, (Zn)n≥0, (dn)n≥1 où, pour tout n≥0, Ln est un A-module libre de type fini, Zn un sous-module de Ln et dn+1:Ln+1→Ln un homomorphisme. Pour cela, choisissons une famille génératrice finie (mi)i∈I0 de M, posons L0=A(I0), définissons p:L0→M par p(ei)=mi et posons Z0=Ker(p). Pour n≥0, les modules Ln et Zn étant construits, Zn est de type fini puisque contenu dans Ln; choisissons une famille génératrice finie (xn,i)i∈In+1 de Zn; posons Ln+1=A(In+1), définissons dn+1 par dn+1(ei)=xn,i et posons Zn+1=Ker(dn+1).
On a par construction une suite exacte
⋯⟶Ln+1dn+1Ln⟶⋯⟶L0pM⟶0,
d’où :
Proposition 6
Lorsque A est noethérien à gauche, tout A-module de type fini M possède une résolution libre p:L→M telle que Ln soit de type fini pour tout entier n. Plus généralement :
Proposition 7
Soit C un A-complexe et soit a∈Z tel que Hn(C)=0 pour n<a. a) Il existe un A-complexe libre L tel que Ln=0 pour n<a et un homologisme f:L→C.
b) Supposons A noethérien à gauche et les A-modules Hn(C), n∈Z, de type fini. Il existe un A-complexe libre L tel que Ln=0 pour n<a et que Ln soit un A-module de type fini pour tout n, et un homomorphisme f:L→C.
Soit C′ le sous-complexe de C tel que Cn′=Cn pour n>a, Ca′=Za(C), Cn′=0 pour n<a ; alors l’injection canonique de C′ dans C est un homomorphisme. Remplaçant C par C′, on peut donc supposer que Cn=0 pour n<a. L’énoncé résulte alors de l’application itérée du lemme suivant, pour r=a,a+1,… :
Lemme 3
Soient C un complexe et r∈Z. Il existe un complexe C′ et un homomorphisme f:C′→C tels que fn:Cn′→Cn soit un isomorphisme pour n<r et que Cr′ soit un A-module libre. Si A est noethérien et les A-modules Hr(C) et Cr−1 de type fini, on peut imposer que Cr′ soit de type fini.
a) Soit d’abord h:M→Cr un homomorphisme de A-modules ; notons d=(dn) la différentielle de C. Soit N le sous-module de M×Cr+1 formé des couples (m,x) tels que h(m)=dr+1(x) ; définissons un complexe (C′,d′) par Cn′=Cn pour n=r,r+1, Cr′=M, Cr+1′=N, dn′=dn pour n=r,r+1, dr′=h, dr+1′(m,x)=m pour (m,x)∈N et dr+2′(y)=(0,dr+2(y)) pour y∈Cr+2. Considérons aussi le morphisme de complexes f:C′→C tel que fn=1Cn pour n=r,r+1, fr=h, fr+1(m,x)=x.
b) Le complexe Kerf est nul en degré =r,r+1 et la différentielle dr+1′ induit un isomorphisme de Kerfr+1 sur Kerfr, donc H(Kerf)=0.
c) Lorsque l’application composée MhCr→Cr/Br(C) est surjective, on voit de même que H(Cokerf)=0, et f est alors un homomorphisme (X, p. 31, cor. 2).
d) Lorsque A est supposé noethérien et les A-modules Hr(C) et Cr−1 de type fini, alors Cr/Br(C) est de type fini, en vertu de la suite exacte (X, p. 25)
0→Hr(C)→Cr/Br(C)→Cr−1;
il existe alors un A-module libre de type fini M et un homomorphisme h:M→Cr tel que la condition de c) soit satisfaite ; dans le cas général, il existe un module libre M et un homomorphisme surjectif h:M→Cr. Cela achève la démonstration.
6. Résolutions projectives minimales
Soit M un A-module et soit
(P)⋯⟶FndnFn−1⟶⋯⟶F0d0M⟶0
une résolution de M. On dit que (P) est une résolution projective minimale si, pour tout n≥0, l’homomorphisme δn:Pn→Im(dn) induit par dn est une couverture projective (VIII, § 8, no 5).
Proposition 8
Soient M un A-module, P et P′ deux résolutions projectives minimales de M et f:P→P′ un morphisme de résolutions. Alors f est un isomorphisme. En particulier, deux résolutions projectives minimales de M sont isomorphes.
Posons Pn=Pn pour n=−1 et P−1=M ; définissons de même Pn′ et posons f−1=1M. Montrons par récurrence à partir de −1 que fn:Pn→Pn′ est un isomorphisme pour tout n. C’est évident pour n=−1 ; supposons que fn et fn−1 soient des isomorphismes. Il résulte de la commutativité du diagramme :
Pnfn↓Pn′dndn′Pn−1↓fn−1Pn−1′
que fn induit un isomorphisme gn de Kerdn sur Kerdn′. Il résulte alors de la commutativité du diagramme :
et de VIII, loc. cit., que fn+1 est un isomorphisme.
Corollaire
Soient M un A-module, P et P′ deux résolutions projectives de M ; on suppose que P est minimale. Soient f:P→P′ et g:P′→P deux morphismes de résolutions. Alors f est injectif, g est surjectif, et P′ est somme directe des sous-complexes Imf et Kerg. De plus Kerg est d’homologie nulle.
En effet, α=g∘f est un automorphisme de P (prop. 8). Posons f=f∘α−1.
On a
Imf=Imfetg∘f=1P,
ce qui montre que P′=Imf⊕Kerg. Comme la suite
0⟶Kerg⟶P′gP⟶0
est exacte et que g est un homomorphisme, Kerg est d’homologie nulle.
Proposition 9
Soient M un A-module et (P,p) une résolution projective de M. Notons r le radical de A. On suppose, ou bien que Pn est un A-module de type fini pour tout n, ou bien que r est nilpotent. Alors pour que (P,p) soit minimale, il faut et il suffit que le complexe (A/r)⊗AP soit à différentielle nulle, autrement dit que
dn+1(Pn+1)⊂rPnpour tout n≥0.
Supposons que (P,p) soit minimale. D’après VIII, loc. cit., l’homomorphisme
1⊗δn:(A/r)⊗APn⟶(A/r)⊗AImdn
est un isomorphisme. Il résulte alors de la suite exacte
0⟶Imdn+1jnPnδnImdn⟶0
que l’homomorphisme 1⊗jn:(A/r)⊗AImdn+1→(A/r)⊗APn est nul ; comme dn+1=jn∘δn+1, on en déduit que 1A/r⊗dn+1=0 pour n⩾0.
Inversement, supposons que pour tout n⩾1, 1⊗dn soit nul, autrement dit que Imdn=Kerdn−1 soit contenu dans rPn−1. Puisque δn−1 est surjectif, il résulte de VIII, loc. cit. que δn−1 est une couverture projective pour n⩾1, donc que (P,p) est minimale.
Proposition 10
Supposons que A soit un anneau local nœthérien à gauche, et soit M un A-module de type fini. Alors M possède une résolution minimale (P, p) ; pour tout n⩾0, Pn est un module libre de type fini.
En effet, dans la construction faite au n° 5 (p. 53), on peut en vertu de VIII, loc. cit. prendre pour (L0,p) une couverture projective de M, et pour Ln+1 une couverture projective de Kerdn. La résolution obtenue est alors minimale.
*Remarques. — 1) Notons m l’idéal maximal de A et posons k=A/m. Soit P une résolution projective minimale de M, et posons bn=dimk(k⊗APn). Alors Pn est un A-module libre de rang bn. Il résulte du corollaire de la prop. 8 que pour toute autre résolution projective P′ de M, on a dimk(k⊗APn′)⩾bn, et que l’égalité a lieu si et seulement si P′ est minimale.
2) D’après la prop. 9, bn est la dimension sur k de Hn(k⊗AP), autrement dit de TornA(k,M). C’est aussi la dimension sur k de ExtAn(M,k) (cf. X, p. 103, remarque 3).
7. Résolutions graduées
Dans ce numéro, on suppose que l’anneau A est muni d’une graduation (An)n∈Z, telle que An=0 pour n<0. On dit qu’un A-module gradué M est borné inférieurement si Mn=0 pour n assez petit ; tout A-module gradué de type fini est borné inférieurement.
Proposition 11
Si M est un A-module gradué borné inférieurement (resp. si M est un A-module gradué de type fini et si A est nœthérien à gauche), il existe une suite exacte illimitée à gauche de A-modules gradués
⋯⟶LndnLn−1⟶⋯⟶L1d1L0d0M⟶0
où les Li sont gradués libres et bornés inférieurement (resp. gradués libres et de type fini), et où les di sont des homomorphismes gradués de degré 0.
Si N est un A-module gradué et borné inférieurement (resp. et de type fini sur A nœthérien) il existe un A-module gradué libre et borné inférieurement (resp. et de type fini) L et un homomorphisme gradué surjectif L→N (II, p. 167, remarque 3).
Cela étant, supposons donnée une suite exacte de A-modules gradués et d’homomorphismes gradués de degré 0
LndnLn−1⟶⋯⟶L0d0M⟶0,
où les Li,i=0,…,n, sont gradués libres et bornés inférieurement (resp. gradués libres et de type fini). Alors N=Kerdn est borné inférieurement (resp. de type fini) ; il existe donc un A-module gradué libre et borné inférieurement (resp. gradué libre et de type fini) Ln+1 et un homomorphisme gradué dn+1:Ln+1→Ln de degré 0, tel que Imdn+1=N; la suite
Ln+1dn+1LndnLn−1⟶⋯⟶L0d0M⟶0
est alors exacte. La proposition résulte alors de ce qui précède par récurrence sur n.
8. La résolution standard
Dans ce numéro, on suppose que l’anneau A est une algèbre (associative et unifière) sur un anneau commutatif k. Pour n⩾0, on note Bn le produit tensoriel sur k de (n+2) modules égaux à A. On le considère comme un (A,A)-bimodule en le munissant de la structure de A-module à gauche (resp. à droite) déduite de la structure de A-module à gauche (resp. à droite) du premier (resp. du dernier) facteur du produit tensoriel.
Pour n⩾1, on définit des homomorphismes de bimodules dni (pour 0⩽i⩽n) et dn de Bn dans Bn−1, par les formules :
Par conséquent, si l’on pose Bn=0 pour n<0 et dn=0 pour n⩽0, la suite (Bn,dn) définit un complexe de (A,A)-bimodules (X, p. 43), qui sera noté B(A). Pour tout A-module à gauche M, on note B(A,M) le complexe formé des Bn⊗AM et des dn⊗1M, \* autrement dit le complexe produit tensoriel B(A)⊗AM∗; c’est un complexe de A-modules à gauche.
On définit une application A-linéaire εM de B0(A,M)=(A⊗kA)⊗AM dans M par la formule εM(a⊗b⊗m)=abm pour a,b∈A,m∈M. On a εM∘d1=0, de sorte que l’homomorphisme gradué εM:B(A,M)→M, qui coïncide avec εM en degré 0, est un morphisme de complexes de A-modules.
Proposition 12
L’application εM:B(A,M)→M est un homotopisme de complexes de k-modules. En particulier, le complexe B(A,M) est scindé sur k, et (B(A,M),εM) est une résolution gauche du A-module M.
Pour n⩾0, définissons une application k-linéaire sn:Bn→Bn+1 par la formule :
sn(x0⊗…⊗xn+1)=1⊗x0⊗…⊗xn+1pour x0,…,xn+1∈A.
C’est un homomorphisme de A-modules à droite, qui vérifie les identités :
dn+1i∘sn=sn−1∘dni−1pour n⩾1,1⩽i⩽n+1,
dn+10∘sn=1Bnpour n⩾1,
et on a par suite
(16)
dn+1∘sn+sn−1∘dn=1Bnpour n⩾1.
De plus, on a
(17)
d1∘s0(x0⊗x1)=x0⊗x1−1⊗x0x1pour x0,x1∈A.
Notons η:A→A⊗kA l’application définie par η(a)=1⊗a, et η:A→B(A) le morphisme de complexes qui coïncide avec η en degré 0. Il est clair que εA∘η=1A; les formules (16) et (17) montrent que d∘s+s∘d=1B(A)−η∘εA. Posant ηM=η⊗1M, dM=d⊗1M et sM=s⊗1M, on en déduit que εM∘ηM=1M et dM∘sM+sM∘dM=1B(A,M)−ηM∘εM. Autrement dit, (X, p. 33, déf. 5), εM est un homotopisme de complexes de k-modules. Les autres assertions de la proposition s’en déduisent aussitôt.
Définition 3
La résolution gauche (B(A,M),εM) de M s’appelle la résolution standard du A-module M.
Si A et M sont des k-modules projectifs (resp. libres, resp. plats), la résolution standard B(A,M) est une résolution projective (resp. libre, resp. plate) de M.
9. Résolutions et groupes de Grothendieck
Si C est un ensemble de classes de A-modules, on dira qu’une résolution gauche (P,p) est bornée de type C si le complexe P est borné de type C (X, p. 41).
Théorème 1
Soient C0 et C deux ensembles additifs et exacts à gauche de classe de A-modules tels que C0⊂C et que tout A-module de type C possède une résolution gauche bornée de type C0. Alors l’homomorphisme α:K(C0)→K(C) déduit de l’inclusion de C0 dans C est bijectif ; si M est un A-module de type C et P une résolution gauche de M bornée de type C0, on a α−1([M]C)=χC0(P) (X, p. 41, exemple 6).
Lemme 4
Soient f:M′→M un homomorphisme de A-modules de type C, et p:P→M une résolution gauche de P bornée de type C0. Il existe une résolution gauche p′:P′→M′ bornée de type C0 et un morphisme de complexes u:P′→P tel que p∘u=f∘p′.
Raisonnons par récurrence sur la longueur n de P, l’assertion étant triviale lorsque celle-ci est <0. Considérons l’application g:M′×P0→M telle que
g(x,r′)=f(x)−p0(r′)
pour x∈M′,r′∈P0,
et son noyau K; le A-module K est de type C puisque g est surjective et que M′×P0 et M sont de type C. Soit h:P0′→K un homomorphisme surjectif où P0′ est de type C0; notons p0′:P0′→M′ (resp. u0:P0′→P0) l’homomorphisme composé de h et de la projection K→M (resp. K→P0); l’homomorphisme p0′ est surjectif et on a un diagramme commutatif
P0′p0′↓M′u0fP0↓p0M.
Il suffit alors d’appliquer l’hypothèse de récurrence à l’homomorphisme
Kerp0′→Kerp0
déduit de u0.
Lemme 5
Considérons un diagramme commutatif
P′p′↓0ufP↓pM→M′′→0
où (P,p) (resp. (P′,p′)) est une résolution gauche de M (resp. M′), et où la ligne horizontale du bas est une suite exacte. Il existe un homologisme p′′:Con(u)→M′′.
En effet, la suite exacte (X, p. 37, prop. 7)
0→PπCon(u)δP′(−1)→0
donne une suite exacte d’homologie
→Hn(P)→Hn(Con(u))→Hn−1(P′)→⋯
⋯→H1(Con(u))→H0(P′)∂^H0(P)→H0(Con(u))→0.
D’après X, p. 38, lemme 3 a), on a ∂=−H0(u). Comme Hn(P)=0=Hn(P′) pour n>0 et que H0(u):H0(P′)→H0(P) s’identifie à f:M′→M, on en conclut que Hn(Con(u))=0 pour n>0 et que H0(Con(u)) est isomorphe à M′′, d’où le lemme.
Démontrons maintenant le théorème.
a) Soit M un A-module de type C. Pour toute résolution gauche (P,p) de M bornée de type C0, l’élément χC0(P) de K(C0) ne dépend que de M. En effet, soient (P1,p1) et (P2,p2) deux résolutions de ce type. Considérons la résolution
(P1×P2,p1×p2)
du A-module M×M et l’homomorphisme Δ:x↦(x,x) de M dans M×M. D’après le lemme 4, il existe une résolution (Q,q) de M bornée de type C0 et un diagramme commutatif
Qq↓MuΔP1×P2↓p1×p2M×M;
on en déduit un diagramme commutatif
Qq↓Mu∘pri1MPi↓piM,i=1,2.
D’après le lemme 5, Con (u∘pri) est d’homologie nulle, donc u∘pri est un homologisme et χC0(Q)=χC0(Pi) (X, p. 41, prop. 10); il s’ensuit que χC0(P1)=χC0(P2) comme annoncé.
b) Pour tout A-module M de type C, soit φ(M)∈K(C0) la valeur commune des χC0(P) pour toutes les résolutions gauches P de M bornées de type C0. Montrons que la fonction φ:C→K(C0) est additive. Soit donc
0→M′fM→M′′→0
une suite exacte de A-modules de type C. D’après le lemme 4, il existe un diagramme commutatif
P′p′↓0ufP↓pMgM′′→0
où (P,p) et (P′,p′) sont des résolutions gauches bornées de type C0. Alors on a
c) Soit alors β:K(C)→K(C0) l’homomorphisme tel que, avec les notations précédentes, on ait β([M]C)=χC0(P). Comme p est un homomolisme, on a χC(P)=[M]C, donc α∘β([M]C)=α(χC0(P))=χC(P)=[M]C et α∘β=1K(C). Si M est de type C0, alors (M,1M) est une résolution de M, donc φ(M)=[M]C0 et β∘α=1K(C0), ce qui achève la démonstration.
Nous appliquerons ce théorème aux modules de « dimension projective finie » au § 8 (X, p. 137).