В математике , особенно в области абстрактной алгебры , известной как теория модулей , инъективный модуль — это модуль Q , который разделяет определенные желательные свойства с Z -модулем Q всех рациональных чисел . В частности, если Q является подмодулем некоторого другого модуля, то он уже является прямым слагаемым этого модуля; также, если задан подмодуль модуля Y , любой гомоморфизм модулей из этого подмодуля в Q может быть расширен до гомоморфизма из всех Y в Q. Это понятие двойственно понятию проективных модулей . Инъективные модули были введены в (Baer 1940) и подробно обсуждаются в учебнике (Lam 1999, §3).
Инъективные модули были тщательно изучены, и в их терминах определены различные дополнительные понятия: Инъективные когенераторы являются инъективными модулями, которые точно представляют всю категорию модулей. Инъективные резолюции измеряют, насколько далек от инъективности модуль с точки зрения инъективной размерности, и представляют модули в производной категории . Инъективные оболочки являются максимальными существенными расширениями и оказываются минимальными инъективными расширениями. Над нётеровым кольцом каждый инъективный модуль однозначно является прямой суммой неразложимых модулей, и их структура хорошо понятна. Инъективный модуль над одним кольцом может не быть инъективным над другим, но существуют хорошо понятные методы изменения колец, которые обрабатывают особые случаи. Кольца, которые сами являются инъективными модулями, обладают рядом интересных свойств и включают кольца, такие как групповые кольца конечных групп над полями . Инъективные модули включают делимые группы и обобщаются понятием инъективных объектов в теории категорий .
Левый модуль Q над кольцом R называется инъективным, если он удовлетворяет одному (и, следовательно, всем) из следующих эквивалентных условий:
Инъективные правые R -модули определяются в полной аналогии.
Тривиально, нулевой модуль {0} инъективен.
При заданном поле k каждое k - векторное пространство Q является инъективным k -модулем. Причина: если Q является подпространством V , мы можем найти базис Q и расширить его до базиса V . Новые расширяющиеся базисные векторы охватывают подпространство K V , а V является внутренней прямой суммой Q и K . Обратите внимание, что прямое дополнение K Q не определяется однозначно Q , и аналогично расширяющееся отображение h в приведенном выше определении обычно не является уникальным.
Рациональные числа Q (со сложением) образуют инъективную абелеву группу (т.е. инъективный Z -модуль). Фактор-группа Q / Z и группа окружности также являются инъективными Z -модулями. Фактор-группа Z / n Z для n > 1 инъективна как Z / n Z -модуль, но не инъективна как абелева группа.
В более общем случае для любой области целостности R с полем дробей K R -модуль K является инъективным R -модулем и , в действительности, наименьшим инъективным R -модулем, содержащим R . Для любой области Дедекинда фактор -модуль K / R также инъективен, а его неразложимые слагаемые являются локализациями для ненулевых простых идеалов . Нулевой идеал также является простым и соответствует инъективному K . Таким образом, существует соответствие 1-1 между простыми идеалами и неразложимыми инъективными модулями.
Особенно богатая теория доступна для коммутативных нётеровых колец благодаря Эбену Матлису (Lam 1999, §3I). Каждый инъективный модуль однозначно является прямой суммой неразложимых инъективных модулей, а неразложимые инъективные модули однозначно идентифицируются как инъективные оболочки фактор-модулей R / P , где P варьируется по простому спектру кольца. Инъективная оболочка R / P как R -модуля канонически является R P -модулем и является R P -инъективной оболочкой R / P . Другими словами, достаточно рассмотреть локальные кольца . Кольцо эндоморфизмов инъективной оболочки R / P является пополнением R в P . [1]
Два примера — инъективная оболочка Z -модуля Z / p Z ( группа Прюфера ) и инъективная оболочка k [ x ]-модуля k (кольцо обратных многочленов). Последний легко описывается как k [ x , x −1 ]/ xk [ x ]. Этот модуль имеет базис, состоящий из «обратных мономов», то есть x − n для n = 0, 1, 2, …. Умножение на скаляры происходит так, как и ожидалось, а умножение на x ведет себя нормально, за исключением того, что x ·1 = 0. Кольцо эндоморфизмов — это просто кольцо формальных степенных рядов .
Если G — конечная группа , а k — поле с характеристикой 0, то в теории представлений групп показано , что любое подпредставление данного уже является прямым слагаемым данного. В переводе на модульный язык это означает, что все модули над групповой алгеброй kG инъективны. Если характеристика k не равна нулю, может помочь следующий пример.
Если A — унитальная ассоциативная алгебра над полем k с конечной размерностью над k , то Hom k (−, k ) — двойственность между конечно порождёнными левыми A -модулями и конечно порождёнными правыми A -модулями. Следовательно, конечно порождённые инъективные левые A -модули — это в точности модули вида Hom k ( P , k ), где P — конечно порождённый проективный правый A -модуль. Для симметричных алгебр двойственность ведёт себя особенно хорошо, а проективные модули и инъективные модули совпадают.
Для любого артинова кольца , как и для коммутативных колец , существует соответствие 1-1 между первичными идеалами и неразложимыми инъективными модулями. Соответствие в этом случае, возможно, даже проще: первичный идеал является аннулятором единственного простого модуля, а соответствующий неразложимый инъективный модуль является его инъективной оболочкой . Для конечномерных алгебр над полями эти инъективные оболочки являются конечно-порожденными модулями (Lam 1999, §3G, §3J).
Если — нётерово кольцо и — простой идеал, заданный как инъективная оболочка. Инъективная оболочка над артиновым кольцом может быть вычислена как модуль . Это модуль той же длины, что и . [2] В частности, для стандартного градуированного кольца и , — инъективный модуль, дающий инструменты для вычисления неразложимых инъективных модулей для артиновых колец над .
Локальное кольцо Артина инъективно над собой тогда и только тогда, когда — одномерное векторное пространство над . Это подразумевает, что каждое локальное кольцо Горенштейна, которое также является Артином, инъективно над собой, поскольку имеет одномерный цоколь. [3] Простым не-примером является кольцо , имеющее максимальный идеал и поле вычетов . Его цоколь — , которое двумерно. Поле вычетов имеет инъективную оболочку .
Для алгебры Ли над полем характеристики 0 категория модулей имеет относительно простое описание ее инъективных модулей. [4] Используя универсальную обертывающую алгебру, любой инъективный -модуль может быть построен из -модуля
для некоторого -векторного пространства . Обратите внимание, что это векторное пространство имеет -модульную структуру из инъекции
Фактически, каждый -модуль имеет инъекцию в некоторый , и каждый инъективный -модуль является прямым слагаемым некоторого .
Над коммутативным нётеровым кольцом каждый инъективный модуль является прямой суммой неразложимых инъективных модулей, а каждый неразложимый инъективный модуль является инъективной оболочкой поля вычетов в простом числе . То есть для инъективного существует изоморфизм
где — инъективные оболочки модулей . [5] Кроме того, если — инъективная оболочка некоторого модуля , то — соответствующие простые числа . [2]
Любое произведение (даже бесконечно многих) инъективных модулей инъективно; наоборот, если прямое произведение модулей инъективно, то каждый модуль инъективен (Lam 1999, стр. 61). Каждая прямая сумма конечного числа инъективных модулей инъективна. В общем случае подмодули, фактор-модули или бесконечные прямые суммы инъективных модулей не обязаны быть инъективными. Каждый подмодуль каждого инъективного модуля инъективен тогда и только тогда, когда кольцо артиново полупростое (Golan & Head 1991, стр. 152); каждый фактор-модуль каждого инъективного модуля инъективен тогда и только тогда, когда кольцо наследственное (Lam 1999, Th. 3.22).
Теорема Басса-Паппа утверждает, что каждая бесконечная прямая сумма правых (левых) инъективных модулей инъективна тогда и только тогда, когда кольцо является правым (левым) нётеровым (Lam 1999, стр. 80-81, Th 3.46). [6]
В оригинальной статье Бэра был доказан полезный результат, обычно известный как критерий Бэра, для проверки того, является ли модуль инъективным: левый R -модуль Q инъективен тогда и только тогда, когда любой гомоморфизм g : I → Q, определенный на левом идеале I из R, может быть продолжен на все R .
Используя этот критерий, можно показать, что Q является инъективной абелевой группой (т. е. инъективным модулем над Z ). В более общем смысле, абелева группа инъективна тогда и только тогда, когда она делима . Еще более обще: модуль над областью главных идеалов инъективен тогда и только тогда, когда он делим (случай векторных пространств является примером этой теоремы, поскольку каждое поле является областью главных идеалов, а каждое векторное пространство делимо). Над общей областью целостности у нас все еще есть одно следствие: каждый инъективный модуль над областью целостности делим.
Критерий Бэра был уточнен многими способами (Golan & Head 1991, стр. 119), включая результат (Smith 1981) и (Vámos 1983) о том, что для коммутативного нётерова кольца достаточно рассматривать только простые идеалы I. Двойственный критерию Бэра, который дал бы тест на проективность, в общем случае ложен. Например, Z -модуль Q удовлетворяет двойственному критерию Бэра, но не является проективным.
Возможно, самым важным инъективным модулем является абелева группа Q / Z . Это инъективный когенератор в категории абелевых групп , что означает, что он инъективен, и любой другой модуль содержится в достаточно большом произведении копий Q / Z . Так, в частности, каждая абелева группа является подгруппой инъективной. Весьма существенно, что это также верно над любым кольцом: каждый модуль является подмодулем инъективного, или «категория левых R -модулей имеет достаточно инъективных». Чтобы доказать это, можно использовать особые свойства абелевой группы Q / Z для построения инъективного когенератора в категории левых R -модулей.
Для левого R -модуля M так называемый "модуль характера" M + = Hom Z ( M , Q / Z ) является правым R -модулем, который демонстрирует интересную двойственность, не между инъективными модулями и проективными модулями , а между инъективными модулями и плоскими модулями (Enochs & Jenda 2000, стр. 78–80). Для любого кольца R левый R -модуль является плоским тогда и только тогда, когда его модуль характера инъективен. Если R является левым нётеровым, то левый R -модуль является инъективным тогда и только тогда, когда его модуль характера плоский.
Инъективная оболочка модуля — это наименьший инъективный модуль, содержащий данный модуль, и была описана в (Eckmann & Schopf 1953).
Можно использовать инъективные оболочки для определения минимальной инъективной резолюции (см. ниже). Если каждый член инъективной резолюции является инъективной оболочкой коядра предыдущего отображения, то инъективная резолюция имеет минимальную длину.
Каждый модуль M также имеет инъективную резольвенту : точную последовательность вида
где I j — инъективные модули. Инъективные резолюции могут использоваться для определения производных функторов, таких как функтор Ext .
Длина конечной инъективной резолюции — это первый индекс n такой , что I n не равен нулю и I i = 0 для i, большего n . Если модуль M допускает конечную инъективную резольвенту, минимальная длина среди всех конечных инъективных резольвент M называется его инъективной размерностью и обозначается id( M ). Если M не допускает конечной инъективной резолюции, то по соглашению инъективная размерность называется бесконечной. (Lam 1999, §5C) В качестве примера рассмотрим модуль M, такой, что id( M ) = 0. В этой ситуации точность последовательности 0 → M → I 0 → 0 указывает на то, что стрелка в центре является изоморфизмом, и, следовательно, сам M является инъективным. [7]
Эквивалентно, инъективная размерность M — это минимальное целое число (если таковое существует, в противном случае ∞) n такое, что ExtН
А(–, M ) = 0 для всех N > n .
Каждый инъективный подмодуль инъективного модуля является прямым слагаемым, поэтому важно понимать неразложимые инъективные модули (Lam 1999, §3F).
Каждый неразложимый инъективный модуль имеет локальное кольцо эндоморфизмов . Модуль называется равномерным, если каждые два ненулевых подмодуля имеют ненулевое пересечение. Для инъективного модуля M следующие условия эквивалентны:
Над нётеровым кольцом каждый инъективный модуль является прямой суммой (однозначно определённых) неразложимых инъективных модулей. Над коммутативным нётеровым кольцом это даёт особенно хорошее понимание всех инъективных модулей, описанных в (Matlis 1958). Неразложимые инъективные модули являются инъективными оболочками модулей R / p для p — простого идеала кольца R . Более того, инъективная оболочка M кольца R / p имеет возрастающую фильтрацию модулями M n , заданную аннуляторами идеалов p n , и M n +1 / M n изоморфно как конечномерное векторное пространство над полем частных k ( p ) кольца R / p Hom R / p ( p n / p n +1 , k ( p )).
Важно иметь возможность рассматривать модули над подкольцами или факторкольцами , особенно, например, над кольцами полиномов . В общем случае это сложно, но ряд результатов известен (Lam 1999, стр. 62).
Пусть S и R — кольца, а P — левый R , правый S -бимодуль , плоский как левый R- модуль. Для любого инъективного правого S -модуля M множество модульных гомоморфизмов Hom S ( P , M ) является инъективным правым R -модулем. Конечно, то же самое утверждение справедливо после перестановки левых и правых атрибутов.
Например, если R — подкольцо S , такое что S — плоский R -модуль, то каждый инъективный S -модуль является инъективным R -модулем. В частности, если R — область целостности, а S — ее поле дробей , то каждое векторное пространство над S является инъективным R -модулем. Аналогично, каждый инъективный R [ x ]-модуль является инъективным R -модулем.
В противоположном направлении гомоморфизм колец превращает R в левый R , правый S бимодуль левым и правым умножением. Будучи свободным над собой, R также является плоским как левый R -модуль. Специализируя приведенное выше утверждение для P = R , оно говорит, что когда M является инъективным правым S -модулем, коиндуцированный модуль является инъективным правым R -модулем. Таким образом, коиндукция по f производит инъективные R -модули из инъективных S -модулей.
Для факторколец R / I смена колец также очень очевидна. R -модуль является R / I -модулем в точности тогда, когда он аннулируется I. Подмодуль ann I ( M ) = { m в M : im = 0 для всех i в I } является левым подмодулем левого R -модуля M и является наибольшим подмодулем M , который является R / I -модулем. Если M является инъективным левым R -модулем, то ann I ( M ) является инъективным левым R / I -модулем. Применяя это к R = Z , I = n Z и M = Q / Z , получаем знакомый факт, что Z / n Z инъективен как модуль над собой. Хотя инъективные R -модули легко преобразовать в инъективные R / I -модули, этот процесс не преобразует инъективные R -резольвенты в инъективные R / I -резольвенты, а гомология полученного комплекса является одной из ранних и фундаментальных областей изучения относительной гомологической алгебры.
В учебнике (Ротман, 1979, стр. 103) приведено ошибочное доказательство того, что локализация сохраняет инъективы, но в (Дейд, 1981) был приведен контрпример.
Каждое кольцо с единицей является свободным модулем и, следовательно, проективно как модуль над собой, но реже кольцо бывает инъективным как модуль над собой (Lam 1999, §3B). Если кольцо инъективно над собой как правый модуль, то оно называется правым самоинъективным кольцом. Каждая алгебра Фробениуса самоинъективна, но никакая область целостности , не являющаяся полем , не является самоинъективной. Каждое собственное фактор-отношение области Дедекинда самоинъективно.
Нётерово справа , самоинъективное справа кольцо называется квазифробениусовым кольцом , и является двусторонне артиновым и двусторонне инъективным (Lam 1999, Th. 15.1). Важное модульно-теоретическое свойство квазифробениусовых колец состоит в том, что проективные модули являются в точности инъективными модулями.
Также говорят об инъективных объектах в категориях более общих, чем модульные категории, например, в категориях функторов или в категориях пучков O X -модулей над некоторым окольцованным пространством ( X ,O X ). Используется следующее общее определение: объект Q категории C является инъективным, если для любого мономорфизма f : X → Y в C и любого морфизма g : X → Q существует морфизм h : Y → Q с hf = g .
Понятие инъективного объекта в категории абелевых групп изучалось несколько независимо от инъективных модулей под термином делимая группа . Здесь Z -модуль M инъективен тогда и только тогда, когда n ⋅ M = M для каждого ненулевого целого числа n . Здесь отношения между плоскими модулями , чистыми подмодулями и инъективными модулями более ясны, поскольку они просто относятся к некоторым свойствам делимости элементов модуля на целые числа.
В относительной гомологической алгебре свойство расширения гомоморфизмов может потребоваться только для некоторых подмодулей, а не для всех. Например, чистый инъективный модуль — это модуль, в котором гомоморфизм из чистого подмодуля может быть расширен на весь модуль.