Alg`ebre tensorielle des complexes 1 Alg`ebre tensorielle classique

Alg`
ebre tensorielle des complexes
Soit Aun anneau commutatif unitaire, qui est anneau de base dans toute la suite de sorte
que nous l’omettons fr´
equemment des notations. Avant de commencer, une seule observation
qui sera tr`
es importante dans la suite. Dans la philosophie des cat´
egories d´
eriv´
ees, on consid`
ere
que, du point de vue (co)homologique, un module est mieux repr´
esent´
e par une quelconque
de ses r´
esolutions. Il se trouve que dans les cat´
egories de complexes, il est ´
egalement crucial
d’associer aux ensembles de morphismes Hom(M•, N•)(qui sont naturellement des modules)
des complexes qui les r´
esolvent. Par ailleurs, l’existence d’une structure naturelle de complexe
sur les Hom est plus ou moins ´
equivalente `
a l’existence de produits tensoriels, puisqu’une des
fac¸ons de d´
efinir · ⊗ Mest comme adjoint de Hom(M, ·)(1).
1 Alg`ebre tensorielle classique
Notons A-Mod, ou plus simplement Mod, la cat´
egorie des A-modules.
1.1 Sommes et produits dans Mod.Soit Iun ensemble et (Mi)une famille de A-modules.
Rappelons que dans la cat´
egorie Mod un produit direct QMiest compos´
e de vecteurs quel-
conques x= (xi)alors qu’une somme directe ⊕Miest compos´
ee de vecteurs avec un nombre
fini de composantes non nulles. Ainsi les sommes directes finies sont isomorphes aux produits
directs finis, alors qu’on n’a qu’une injection stricte ⊕Mi,→QMisi Iest infini.
1.2 Produits tensoriels. On consid`
ere la mˆ
eme famille (Mi)de A-modules. ´
Etant donn´
e un
autre A-module P, on dit qu’une fonction
f:Y
i∈I
Mi→P
est multilin´
eaire ssi `
a chaque fois qu’on fixe toutes les variables sauf la i0-`
eme, l’application
restreinte
f(xi)i6=i0:Mi0→P
est lin´
eaire. Le produit tensoriel des Miest source universelle des fonctions multilin´
eaires
QMi→P. Pour le construire on part de la somme directe S=⊕Aindex´
ee par l’ensemble
QMi. Un ´
el´
ement de cette somme est une combinaison lin´
eaire finie Paxδxo`
uδxest un
g´
en´
erateur du facteur direct d’indice x= (xi)dans S, ou encore, une fonction `
a support fini si
on voit δxcomme l’indicatrice de x. On quotiente ensuite Spar le sous-module Lengendr´
e par
les relations de lin´
earit´
e, i.e., pour tous x, y tels que xi=yisauf pour un indice i0:
(i) δx+y−δx−δy, et
(ii) δy−aδxsi de plus yi0=axi0pour un a∈A.
On d´
efinit le produit tensoriel et l’application multilin´
eaire universelle par
O
i∈I
Mi=S/L et ⊗:Y
i∈I
Mi→O
i∈I
Mi
1Si Aest un corps on peut aussi invoquer l’isomorphisme Hom(M, N) = M∗⊗Npour justifier ce point, mais
en g´
en´
eral la fl´
eche naturelle M∗⊗N→Hom(M, N)n’est ni injective ni surjective.
1
Celle-ci envoie xsur l’image de δxdans S/L, not´
ee ⊗
i∈I
xiou ⊗x.
V´
erifions rapidement la propri´
et´
e universelle (PU). Soit f:QMi→Pmultilin´
eaire, on
d´
efinit f:S→Ppar f(Paxδx) = Paxf(x). Par lin´
earit´
e de fcette fonction fest nulle sur les
relations de lin´
earit´
eLdonc se factorise en
˜
f:⊗Mi→P.
On observe que dans ⊗Miun tenseur irr´
eductible ⊗xest produit tensoriel d’´
el´
ements de
Mi, en nombre ´
eventuellement infini si Iest infini. A contrario, on sait que le produit tensoriel
d’une infinit´
e de A-alg`
ebres Mi, limite directe des produits tensoriels ⊗J⊂IMjsur les sous-
ensembles finis J⊂I, est constitu´
e de (sommes finies de) tenseurs d’un nombre fini d’´
el´
ements
des Mi. En particulier un produit tensoriel infini d’alg`
ebres n’a pas pour module sous-jacent
le produit tensoriel infini des modules sous-jacents.
Faire un petit r´ecapitulatif - cf Eisenbud - des conditions sous lesquelles une limite directe d’alg`ebres
est repr´esentable : ¸ca ne marche pas pour la somme directe infinie.
2 Alg`ebre tensorielle des modules gradu´es
2.1 Modules gradu´es. Soit Gr la cat´
egorie des A-modules Z-gradu´
es (2). Un module gradu´
e
est not´
eM•=⊕Miou parfois simplement M, comme son module non gradu´
e sous-jacent. Par
translation de la graduation, on d´
efinit un module M(n)•=⊕Mi+n. Un ´
el´
ement x∈Miest
dit homog`ene de degr´e iet on note |x|:= i.
Soient M•et N•deux modules gradu´
es. On dit qu’un morphisme de A-modules f:M→N
est de degr´e isi f(Mj)⊂Ni+jpour tout j∈Z. On d´
efinit le module Hom gradu´e par
Hom(M, N)•=M
dmorphismes f:M→Nhomog`
enes de degr´
ed
Par d´
efinition un morphisme de A-modules gradu´es est un ´
el´
ement de Hom(M, N)0:
Hom
Gr (M, N)d´
ef
=Hom(M, N)0
On remarque qu’un morphisme de A-modules homog`
ene de degr´
eid´
efinit donc un mor-
phisme de A-modules gradu´
es M→N(i). On peut donc retourner la notation et ´
ecrire
Hom(M, N)i=Hom
Gr (M, N(i)).
2.2 Sommes et produits dans Gr.La somme directe M⊕Nest le module ⊕(Mi⊕Ni)gradu´
e
comme indiqu´
e. Le produit direct ordinaire M×Nest isomorphe `
aM⊕N, il fait donc aussi
office de produit direct gradu´
e avec la graduation juste d´
ecrite.
Pour une somme directe infinie on a ⊕s∈S(Ms)•=⊕i∈Z⊕s∈S(Ms)icomme pour les
sommes finies. En revanche, pour un nombre quelconque de modules gradu´
es Ms,s∈S,
on n’a en g´
en´
eral qu’une injection
M
i∈ZY
s∈S
Ms,i ,→Y
s∈SM
i∈Z
Ms,i
2On peut s’interroger sur les raisons du choix de Zcomme groupe naturel de la graduation. Il se trouve
que les graduations par N(complexes positifs ou n´
egatifs), par Z2(complexes doubles auxquels correspond
l’hypercohomologie) voire Z3(...) apparaissent aussi.
2
et c’est le module de gauche (naturellement gradu´
e) qui incarne le produit direct gradu´
e. Une
autre fac¸on de le d´
ecrire, comme sous-ensemble du module de droite, est :
Y
s∈S
Ms•
:= x= (xs)∈Y
s∈S
Ms
∃I⊂Zfini,∀s∈S, xs∈Ms,I
(on a not´
eMs,I ⊂Msla somme des Ms,i pour i∈I). On peut d´
ecrire de la mˆ
eme fac¸on les
limites projectives arbitraires.
2.3 Modules bigradu´es. Il est souvent utile de faire intervenir des modules multigradu´es, par
exemple, d`
es qu’interviennent des produits tensoriels ou morphismes de modules gradu´
es.
Parlons pour simplifier de la cat´
egorie des modules bigradu´es not´
ee Bigr. Un tel module est
not´
eM•• =⊕Mi,j et un ´
el´
ement de Mi,j est dit homog`ene de bidegr´e (i, j). Comme ci-dessus on
d´
efinit ce que sont le module M(i, j), un morphisme de A-modules f:M→Nde bidegr´
e(i, j),
et un morphisme de A-modules gradu´
es (i, j) = (0, 0).
Un exemple est le produit bigradu´e (M×N)•• de deux modules gradu´
es M•et N•d´
efini par
(M×N)i,j =Mi×Nj. De mani`
ere analogue on d´
efinit le produit tensoriel bigradu´e (M⊗N)••
par (M⊗N)i,j =Mi⊗Nj. Cela donne lieu `
a deux foncteurs naturels Gr ×Gr →Bigr.
2.4 Produits tensoriels. On peut introduire le produit tensoriel `
a partir des applications bili-
n´
eaires. La notion d’application multilin´eaire gradu´ee n’a de sens que pour un nombre fini n
de variables, et on ne perd donc pas de g´
en´
eralit´
e`
a consid´
erer n=2. Soient M, N, P des
A-modules gradu´
es. On dit qu’une application bilin´
eaire
f:M×N→P
est gradu´ee ssi `
a chaque fois qu’on fixe un ´
el´
ement homog`
ene x∈Mde degr´
ei, l’application f
d´
efinit une application lin´
eaire de degr´
ei
f(x, ·): N→P
et sym´
etriquement en l’autre variable. Noter qu’une application bilin´
eaire envoie un cou-
ple (x, y)d’´
el´
ements homog`
enes de mˆ
eme degr´
eidans P2i, alors qu’une application lin´
eaire
l’enverrait dans Pi.
Faisons apparaˆ
ıtre le produit tensoriel. Soit f:M×N→Papplication bilin´
eaire gradu´
ee.
Elle induit un morphisme de modules bigradu´
es (M×N)•• →P]o`
uP]est le module bigradu´
e
antidiagonal ayant pour composant de bidegr´
e(i, j)
P]
i,j =Pi+j
Ce morphisme induit `
a son tour un morphisme (M⊗N)•• →P]. Le foncteur (·)]:Gr →Bigr
a un adjoint `
a gauche qui est le complexe total associ´e
Tot:Bigr →Gr
N7→Tot(N)
avec Tot(N)i=⊕j+k=iNj,k. Revenant `
af, par la propri´
et´
e d’adjonction on obtient une fl`
eche
Tot((M⊗N)••)→Pet donc le complexe total est le produit tensoriel gradu´
e recherch´
e. Ex-
plicitement,
(M⊗N)•=M
i∈ZM
j+k=i
Mj⊗Nk
3
2.5 Produit tensoriel et Hom gradu´e. On peut aussi introduire le produit tensoriel comme
adjoint de Hom gradu´
e, par la propri´
et´
e
Hom
Gr (M⊗N)•, P•=Hom
Gr M•, Hom(N, P)•
C’est ce point de vue que nous allons utiliser pour les complexes.
3 Alg`ebre tensorielle des complexes
Un complexe (cohomologique) est un module gradu´
eM•muni d’une diff´erentielle, c’est-`
a-dire
un morphisme de modules dde degr´
e1tel que d2=0(3)(4). Un bord est un ´
el´
ement de ker(d),
un cycle est un ´
el´
ement de im(d). On prolonge l’op´
erateur de translation aux complexes en
d´
efinissant la diff´
erentielle de M(i)•par dM(i):= (−1)idM. Enfin, on note que tout module
ordinaire Mpeut ˆ
etre vu comme un complexe concentr´
e en degr´
e0, avec diff´
erentielle nulle
(un complexe avec d=0est parfois qualifi´
e de cyclique).
3.1 Complexe Hom. Soient M•et N•deux complexes. Pour munir le module Hom gradu´
e
d’une diff´
erentielle naturelle, on s’inspire du cas de M=Hom(A, M)•pour lequel une bonne
candidate de diff´
erentielle serait d(f) = d◦f, et de celui de M∗=Hom(M, A)•avec candidate
d(f) = f◦d. Revenant `
aHom(M, N)•, il semble judicieux de d´
efinir d(f) = d◦f+f◦dmais
il se trouve que si on fait cela la relation d2=0n’est pas v´
erifi´
ee. Le coup de g´
enie est de faire
intervenir un signe et de d´
efinir dsur les morphismes homog`enes par
d(f) = d◦f− (−1)|f|f◦d
Ceci pos´
e corrigeons l’expression ci-dessus pour le dual M∗: on a dM∗(f) = −(−1)|f|f◦dM.
On r´
eserve un nom sp´
ecial, venu de la topologie, aux bords d’un complexe Hom : ce sont les
homotopies. (Le plus souvent, le terme n’est utilis´
e que pour les homotopies de degr´
e0i.e. les f
tels qu’il existe h∈Hom(M, N)−1tel que f=d◦h+h◦d.)
3.2 Cat´egories de complexes. On va d´
efinir la cat´egorie des complexes C=C(A)et la cat´egorie des
complexes `a homotopie pr`es K=K(A), qui diff`
erent seulement par les ensembles de morphismes.
Dans la cat´
egorie Cles morphismes entre M•et N•sont les cycles de degr´
e0de Hom(M, N)•
c’est-`
a-dire les f:M→Nde degr´
e0tels que d◦f=f◦d. Dit autrement ce sont les ´
el´
ements
du H0du complexe positif Hom(M, N)≥0. La cat´
egorie Cest ab´
elienne.
Dans la cat´
egorie Kles morphismes sont les ´
el´
ements de H0(Hom(M, N)•), le complexe
tout entier cette fois, c’est-`
a-dire les fde degr´
e0tels que d◦f=f◦dmodulo les homotopies.
La cat´
egorie Kest seulement une cat´
egorie additive.
Il y a un point `
a pr´
eciser pour justifier que la composition des morphismes passe au quotient
dans K. Soit I(M, N)•⊂Hom(M, N)•le sous-complexe form´
e des homoth´
eties de tous degr´
es.
Il n’est autre que im(d), et poss`
ede la propri´
et´
e importante d’ˆ
etre un id´eal dans ker(d). Ceci
veut dire que si
ϕ∈Hom(M, N)•∩ker(d)et ψ∈Hom(N, P)•∩ker(d)
3Le terme ´
equivalent de module diff´erentiel gradu´e est aussi utilis´
e, mˆ
eme si on pourrait lui pr´
ef´
erer celui de module
gradu´e diff´erentiel car il faut avoir un module gradu´
e pour pouvoir parler de diff´
erentielle.
4Un usage pratique est de noter toutes les diff´
erentielles par la mˆ
eme lettre d; on ´
ecrit dMlorsqu’il faut clarifier.
4
sont composables, alors d`
es que l’un est une homotopie, il en va de mˆ
eme du compos´
eψ◦ϕ. On
v´
erifie qu’alors, la composition des morphismes passe au quotient, ce qui au passage fournit
des complexes Hom dans K,`
a diff´
erentielle nulle :
Hom
K(M, N)•=HHom
C(M, N)•
3.3 Produits tensoriels. Le produit tensoriel des complexes M•et N•dans Cou dans Kest
solution du probl`
eme universel
Hom
Cou K(M⊗N)•, P•=Hom
Cou KM•, Hom(N, P)•
Il est imm´
ediat de calculer qu’on fait du module gradu´
e(M⊗N)•un produit tensoriel dans C
en d´
efinissant
d(x⊗y) = dx ⊗y+ (−1)|x|x⊗dy
En fait c’est ´
egalement un produit tensoriel dans K, ce que l’on voit en relevant aux complexes
Hom la correspondance Hom((M⊗N)•, P•)•=Hom(M•, Hom(N, P)•)•. Comme cette corre-
spondance est un isomorphisme de complexes, elle ´
echange les homotopies.
3.4 Applications bilin´eaires de complexes. On peut a posteriori d´
efinir la notion d’application
bilin´eaire de complexes : c’est une application bilin´
eaire gradu´
ee f:M×N→Ptelle que
d(f(x, y)) = f(dx, y) + (−1)|x|f(x, dy)
3.5 Sym et ∧.Il y a un isomorphisme de sym´
etrie σ:M⊗N→N⊗Mqui est d´
efini sur les
tenseurs d’´
el´
ements homog`
enes x, y par
σ(x⊗y) = (−1)|x|·|y|y⊗x
Consid´
erons le cas N=M. On dit qu’une application bilin´
eaire de complexes f:M×M→P
est sym´etrique resp. antisym´etrique, si l’application induite
˜
f:M⊗M→Pv´
erifie
˜
f◦σ=
˜
fresp.
˜
f◦σ= −
˜
f .
Elle se factorise dans ce cas automatiquement par le produit sym´etrique S2(M)resp. le produit
ext´erieur ∧2(M), quotient de M⊗Mpar le sous-complexe engendr´
e par les expressions
x⊗y− (−1)ij y⊗xresp. x⊗y+ (−1)ij y⊗x
avec x, y homog`
enes et i:= |x|,j:= |y|. Pour les puissances sym´
etriques et ext´
erieures d’ordre
sup´
erieur, on dit qu’une application bilin´
eaire est sym´
etrique ssi pour tout ion a
˜
f◦σi=
˜
fo`
u
σiest l’automorphisme du produit M⊗M⊗ · · · ⊗ Mcorrespondant `
aσsur les facteurs iet
i+1, et laissant les autres facteurs inchang´
es.
Explicitons Sn(M•)et ∧n(M•). On part du produit tensoriel M⊗M⊗ · · · ⊗ M, et plus
pr´
ecis´
ement de son composant de degr´
ei, somme de facteurs
Mj1⊗Mj2⊗ · · · ⊗ Mjn(j1+· · · +jn=i).
Utilisant les relations de sym´
etrie impos´
ees, on peut “permuter les facteurs d’indices distincts”
et ne conserver que les facteurs du type
M⊗n1
i1⊗M⊗n2
i2⊗ · · · ⊗ M⊗nk
ik(n1i1+· · · +nkik=i),
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