Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres G UY R ENAULT Étude des sous-modules compléments dans un A-module Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres, tome 16, no 2 (1962-1963), exp. no 16, p. 1-12 <http://www.numdam.org/item?id=SD_1962-1963__16_2_A5_0> © Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres (Secrétariat mathématique, Paris), 1962-1963, tous droits réservés. L’accès aux archives de la collection « Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ Séminaire DUBREIL-PISOT 16-01 (Algèbre e t théorie de s nombres) 16e année, n° 16 1962/63, 1~ avril 1963 ÉTUDE DES SOUS-MODULES COMPLÉMENTS DANS UN A-MODULE Guy RENAULT par 1. Rappels. Soit A unitaire ; un anneau considérera dans la suite des on A~.modules à gauche o Définition M ~~~ . » Soit N X N = (0) ? lequel pour appelé un module complément complément X est n sous-module un sous-module de étant maximal pour cette X complément relatif de sous-module un X pour N dans lequel module pour tout sous-module il existe M propre dans Soit P X n N = un sous-module de propriété ; et on un X sera appellera sous- sous-module P est extension essentielle d’un sous-module de la relation P n N = PROPOSITION lo - Pour M~ M, un N dont relatif. Rappelons qu’un ment dans X et soit M~ il faut qu’un sous-module X de M et il suffit qu’il n’admette ’ (0) s oit ~..-..~ un P = N si, (D) ~ sous-module c omplé-. pas dtextension essentielle M ~ une extension essentielle de (0) ~ P n N = sous-module de M (0) ~ X, eu et par suite X complément est P = X p relatif de Réciproquement, (0) , sans et par suite P est extension essentielle de X soit extension essentielle propre dans M , soit N un plément relatif de X 9 il existe un complément relatif P de N contenant soit Q un sous-module de P tel que Q n X = (0) , on a Q = N, com... X P = X . X, On sait que tout A-module M est male de M qui est un A-module plongé dans une extension essentielle maxiinjectif appelé enveloppe injective de M et qui sera noté E (M) ~ 2. Re lati ons entre le s sous-modules injectifs de alors la trace module dans M e t le s sous-modules E/ M o PROPOSITION 2. - N, compléments complément M Soit s ur dans N N é un A-module extension essentielle d’un sous-module d’un sous-module c omplément X dans M est un sous- X Soit un relatif à S complément X n N X ~ n N Xt; écarte le Soit sous-module complément et on a N est essentiel dans X suite X M~ est sous-module un N sont des sous-modules de (0) X = M ou relatif dans et X’t de N ), n non complément nuls (on on a contenant X N n N, on a la relation Soient de X = trivial où cas un et dans X M S’ sous-module un cela complément contenue dans E (M~ ~ E(X) E(X) (proposition 1) ; n M = X sont des sous-modules (S+X)nN= (0) implique injectifs, n et M dans M E(X) et une enve loppe injective est extension essentielle de les sous-modules compte S c X , et par suite compléments et par X~ dans tenu do la proposition 2, de un E(M) on a le résultat : THEOREME dans Pour qu’un M J il faut X sous-module e t il suffit que X M soit s oi t la trace d’un M sur c omplément sous-module mjeo- sous-module ’ ~ tif de E(M) . Exemple. - Un A-module M est quasi-injectif [4] ’ s ’il vérifie la condition " suivante : soient f se est N un prolonge sous-module de en un équivalente à M Donnons un exemple la M est alors f un endomorphisme de M ; propriété suivante : on homomorphisme endomorphisme général modules ; assez quasi-injectif en de tels l et A un particulier le de N dans montre que la condition est stable pour tout morphisme s d’un module injectif M et de E(M) . soient B l’anneau des endo- idéal bilatère de coeur [5] M ~ alors précédente B et soit d’un module est quasi- injectif. sous-modules directs, e t si quelconque M dans tout X . compléments dans module quasi-injectif X e s t un sous-module complément dans M et homomorphisme de N dans X se prolonge en un s ont de s facteurs N un un sous-module endomorphisme de précédent Nous allons utiliser le résultat (resp. maximaux) ments minimaux (ii) est X X ). le théorème aucun la condition 1, sous-module nombre fini équivalente au fait que E(X) ne suite E(x) est un injectif indécom- (i) est et par injectif voit aisément que si posable. Dn M E(M) soit indécomposables, est tel que de sous-modules injectifs et maximales de sous-modules compléments ont pour longueur n . tats répondent à une question posée dans [5]. (Cf. également n THÉORÈME 3 ° .. Soi t X est is omorphe à D ’après M ==> est un un un sous-module le théorème E (X ) , est sous-module X 1, un est sous-module injectif et alors les chaînes Ces derniers résul~ [2], h E de 202.) p. alors (M) E (M/X) est M a sous-module un directe d’un somme dans complément maximal in j e c tif e t indécomposable sous-module n-irréductible minimal de s ous-module un (0) complément co-irréductible ~i. e a ~ s ous-module un n-irréductible dans contient M , les propriétés sous-module de complément minimal, sous-module un est Dlaprès un équivalentes : suivantes sont (i) X complé- o A-module et X M un THEOREME 20 - Soit pour étudier les sous-modules injectif complément maximal de E maximal dans (M) indécomposable, d’autre part ~X ~ ~ E - on a la deuxième assertion résulte du lemme suivant : LEMME 1. M -Soient c on tenant N9 N alors La démonstration de sous-module de un ce X/N est un M et sous-module X un complément âe un M~ M un A-module ; aux dans allons montrer qu’il A-module existe un M , sous-module compléments dans r(M) r(M) soit complément, On considère l’ensemble f ais ant nous tel que l’intersection de deux sous-modules sous-module complément dans lemme est immédiate. 3 o Définition e t é tude d’ un sous-module particulier du Soit sous-module B’ des propriétés suivantes : endomorphismes essentiels c~ de E(M) satis- (i) il existe (ii) p(E(M)) A-module un K injectif tel que ker (p = I une K @ H~ cK . On pose S oient de N I~ ~ à cp’ un r(E) cr(l) . sous-module de E (M) , c ontenue dans Soit (ii) ; N alors N et Q c~ un endomorphisme essentiel de l satisfaisant aux conditions (i) et soit cp’ = c~ o p al p est la projection de E (M) sur I parallèlement K~ on est un supplémentaire de I dans E . endomorphisme de E(M) de noyau ker 03C6 ® morphisme essentiel qui satisfait de façon évidente à (i) ker 03C6 ~ N et N ~ T(I) . est n M alors lt et r (E ) ~ Soit c’est donc un IEMME 3. - S oient l enve loppe injective N E(N) thèse I M et de ux sous-modules injectifs et par suite E (M) de sont extensions essentielles différentes de complément relatif de rencontrerait M l’ (ii), te ls 1 n Ii que M ; n M ~ un sinon n n 1 et endo- un 1 M Il n M~ suivant un est extension essentielle de 1 On en déduit que I et n on a sous-module n l’ n I’ ont les marnes modules M, non nul, d’ou et par hypo- E (N) n I ~ n supplémentaires dans. M 0 . E(M) et on a Soit x n’eE(N) . un élément quelconque de On pose E(M) ; on a (p(x)= i - i’ = n’ - n ; il morphisme de noyau 1 n l’ par hypothèse on a (p(M) ~ (0) . Les lemmes 2 et 3 entraînent la il satisfait est clair que aux conditions +n’ , eu n et 03C6 est un endo- (i) et (ii), et propriété suivante : THÉORÈME un x=i+n=i’ 4. - L’intersection de deux sous-modules sous-module complément. compléments dans F(M) En particulier si E(M) = r(E) , alors l’intersection de deux sous-modules tifs de E(M) est un sous-module injectif. est ** injec- THÉORÈME 5. - S oit E A-module un injectif, suffit que l’intersection de de ux sous-modules module de enveloppe injective P Soit H, le résultat complément, alors Exemple. coeur [5] de , ce module, A-modules M est un 1 dési- P compléments façon suivante : étant quasi-injectif et tel que P dans soit un sous-module Z-module Q~Z ~ on a r ~~Z ~ : ~/Z~ ~ Soit on a M tels que toute intersection sous-module de sous-:modules complé- complément. , THEOREME 6, - S oit a o K E9 H r ~E ~ , c Considérons le 4 . E!-ude de s me nts dans P de la E ~M~ ~ module essentiel dans un = on a précédent l’intersection de deux sous-modules le un s ous~. = peut généraliser On soit que ker p r(E) , il existe un endomorphisme (p essentiel, x ~~x~ est une injection, si (p ~ E ~ posons ~;:’y ker une gne E de in j e c tif s il f aut e t il injectif. Si avec E = r (E ) pour que M un le s c onditions suivantes sont A-module, L’intersection de deux sous-modules compléments NI dans est équivalentes: sous-module un complémen1o bo Pour que X sous-module de M soit f aut e t il suf f it qu’il vérifie la proprié (I) x ~ e o X => il existe a E A avec Toute intersection de sous-modules un sous-module té suivante : ax ~ 0 compléments complément tel que dans Aax M n est dans X = un il (0) ~ sous-module compléments (a) ===> (b). - Soit X suivante : il existe existe un sous-module un sous-module x ~ X tel que, complément Xt complément pour tout dans M ayant la propriété Aax ~ X ~ (0) , extension essentielle de Ax ~ priété précédente entrafne que Xt est extension essentielle de Xt X’t n X est par hypothèse un sous-module complément dans et par suite mais par hypothèse x ~ X , d 1 cù l’assertion. il et la pro~ n X~ (b) M , et (c). - ~ n x. ; X = peut trouver ne (c) x f. X aeA (a },. ~ ===> (Xi)iEI Soient il existe => ax 1= avec 0 i ~ I x ~ Xi ’ tel que Aax n X . ~ (0) tel que dans. compléments famille de sous-modules une et a et par suite fortiori C’ es t évident. On vérifie aisément la propriété PROPOSITION 3. - Soit M un suivante : A-module, les conditions suivantes sont équiva- lentes: a. ’ Toute intersection de sous-modules b. Pour tout eous-module plément X dans X de contenant il exis te M~ X ; compléments et alors un est sous-module un complément~ plus pe tit sous-module X -~ X l’application est una appli.~ ca ti on de fermeture. Soit M A-module, condition (I) un vérifie la Soit est x un PROPOSITION 4. - Soit sous-module qu’un X de est fermé s fil M du théorème 6. élément de sous-module de un dira on M~ M~ on M Ann(x) notera on l’annulateur de x ~ et si X notera Un A-module, les conditions suivantes sont équiva’ lentes: Toute intersection de sous-modules a. compléments dans M est un sous-module complément~ b. Pour tout sous-module est un on ===> il existe notera.a (b) dans b E A a ===> M e t tout x f. X , (X ’ ~ x)/Ann(x) dans a X tel que avec ba ~ Ann x , => la classe de (b). - Soit Abax n X ~ avec X sous-module fermé de Soit (a) complément (o) => par suite ~:> . Aban d’où (a).-Soit Aba’nX *.x/Annx= (0) il existe => b AbanX *.x=Amix avec ba’~0 Aba xnX tel que = (0) X et par suite Soit M est sous-module un nous un LEMME 4. - N et N’ et N’ sont N sentielles de P Soit N ~==> un dan.s d’équivalence 03C1 compléments équivalents ~ N et N’ relatifs. sont extensions es- sous-module de un N’ , tel complément que P n (il relatif de n NI) = (0) N~ P n N = w~> (0) . et par suite donc de ~o~ ~ P = Réciproquement, S de conclure. deux sous-modules ensemble de ont permet n est donc contenu dans P le théorème 6 allons définir une relation Soient N vt ble des sous-modules de N p NIi fermée un N si sous-module de N sont extensions essentielles de et N’ un A-module, n N’ ~ soit M le résultat. THÉORÈME a. M 7. - Soit les L’intersection de deux sous-modules propriétés compléments suivantes sont dans NI est un équivalentes : sous-module compléments b. s oient N et N~t deux sous-modules de M 9 Considérons la condition (III) cette dernière condition entraine la condition pour tout sous-module ~IZ~ 9 en effet, prenons ona de m8me on a 1° Nous allons donc établir que la Soient N ~ N’ , P des propriété (a) entraine ~II z ~ , sous-modules de M, tels que l’on ait : P, 1 on a N .~ N l’application de fermeture, d’après d’autre part et soit N ~ Nf P~ sont des sous-modules essentiels de 2° Soit N un sous-module de complément ~ sous-module Soient et tielles de caractérisation qui les sous-modules M un baE X *. x LEMME 5 .a tels que un extensions seul essen- - pas faire ne x~ X X et quelconque un il existe donc ax ~ U ~ A E bax ~ 0 première que X ° e x M X ~ ~0~ , alors ax ~ X et bax ~ X , d’où n soit A, avec Aax dans tel que ba ~ 0 . X Soit b complément sous-module tel que , pour tout idéal à gauche essentiel dans x M ’ avec X. de précédemment étudia intervenir de façon explicite A-modules un sous-module de s oit essentiel dans de s éléments M , l’ensemble A est un sous-module relation prouve que, si essentiel dans A => et y x de x M X , ’ Cela résulte des relations suivantes g La existe qu’il est extension essentielle de l’avantage compléments ax ~ 0 , fortiori a dans aura il existe est x compléments caractérisation des une A-module un fermé 9 X . N ~ (lemme 3) X + X Nous allons établir non estension essentielle de deux sous-modules X~ P+N’1 et propriété . allons montrer nous P et par suite N et par suite Soient h! 9 d’ aû la précédent le lemme alors E (X ° a x) ° o ~ x + montre E y essentiel dans A ; soit ’ il existe 03B2 ~ A tel que 03B203B1a Soit maintenant X alors X’ relatif de d~ou est X un 03B203B1a ~ 0 eX un avec *.x sous-module complément dans sous-module contenant strictement dans M~ 0 . avec YnX’ ~ (0) si x =Y un A-module X . Soit nX’ , alors Y M un non fermé, complément (X ’. x)=Ann(x) PROPOS ITION ~ , .. S oient M fermé, non ment x non soit Y un A-module Ann(x) tel que X e t X soit un c omplément sous-module un relatif de complément un X’ nul de M dans il existe un dans élé- idéal à gauche essentiel dans A e Soit M A-module ; un des éléments M, x E COROLLAIRE. - Soit Ann(x) tels que M de deux sous-modules 6. - S oit X LEMME complément s ous-module un y ~ M ~ y~ ~ (0) avec AynX= (0) z~ 0~ z~ Il existe sous-module de un relatif de X~ il existe singulier J(M) dans M est sait un sous- fermé dans il existe M, élément A(x+y) tel que n X o tel que, pour tout contenant strictement az ~ 0 , X ; si Aaz X’ n est X ~ (0~ 9 un X +Az complément tels que y~ avec l’hypothèse Aa(x y) X ~ (0) , A(x+ y)nX . + un non X et y==- x+bz n 0 si faite ==> bzeX’ x=0 sur A(x et par suite z , pour tout + y) et a(x Abz n X = + (0) . y) ~ 0 , est extension essentielle de ~ THEOREME 8. - Soit pas As . on a x==x Contrairement à M et A(x+y) soit extension essentielle de M un A-module, les propriétés suivantes il existe deux sous-modules a. compléments l’ensemble complément. module ~ soit essentiel dans A-module tel que le sous-module un nul ; alors l’intersection est de appelle sous-module singulier on sous-module un compléments dans M sont équivalentes : dont l’intersection n’est complément ; b. il existe deux éléments et x y non nuls de M tels que (i) Ax n Ay = (0) (ii) (b) n => sous-module et on a Ann(y) est extension essentielle de (a).- Ax n Ay = (0) complément d’autre part dans M => Ann(x)/Ann(x) Ann(x+ y) = Ann(x) n Ann(y) ; extension essentielle de Ax n X n Ann(y) . soitX = (0) , un s’écrit : la relation A s ~Ann (x d’après et (a) 6, y) + la (b). - ..--~ il existe et x Ax n X y sous-module un éléments y (0) = X Soit n’est pas X proposition 4 ~ et par suite A(x extension essentielle de y) + n + y~~Ann (x + y) , sous-module fermé. un complément non fermée d’après le lemme propriétés suivantes 1 Ax n Ay == (0) ; d’autre part A(x + y) est X . On a les relations d’isomorphismes suinuls de non ’. (x X extension essentiellede M les ayant vantes : A(x + y) ~ A/Ann(x + A(x + y) X ~X’, (x n y) + y)( Ann(x + y) = Ann (x + y) = Ann(x)/Ann(x) Exemples. Soient As idéal à gauche essentiel dans vérifie les conditions du théorème précédent. A , Le £-module injectif Q/Z . Ax A As/ Soit le et un anneau A un (q , m/qq’ que ce m n’est pas (q , q’ ) b. = qui .contredit de est M un Ah un A est b. Soit tels que n Ay = c. m, de p~q~ et de pq’ . (0) , On vérifie appartient à Z(p/q)n Z(p’/q’). (0) et par suite et par suite l’intersection de deux sous-modules sous-module injectif. A un anneau les conditions suivantes sont un A-module quelconque : alors l’intersection dans M est (b).- C’est (b) => (a). - semi-simple. y (ii), => ASx et Zq~ ~ (a) module et injectifs équivalentes : semi-simple, M compléments le p, p, entier 1 , PROPOSITION 6. - Soit a. x et par suite et a. Soient A-module Soit un s ous-module de de ux aous--modules compléments trivial. A un contredisait idéal à gauche essentiel dans l’hypothèse, d’où A= As , et A~ on a vu par suite que le A est M PROPOSITION 7. - S oient compléments s ous-module s Xi est un complément : sous-module M A-modules dont le LEMME 7 et .. Soit M un A-module, les (i) Ann(x) un (ii) est (ii) => complément n singulier (i) (i). - ===-> X es t nul. bx ~ s, ,~ 0 . Soit b~ X e (0) pour tout sous-module de un M, 0 ue pour suffitque,pour tout ax ~ 0 , x 0 appartenant à un Ann (bx ) ~ Aax n b rj Ann (x) qui => Aab n est fermé, Ann (x) ~ (0) . := > Aab n X’, x soit essentiel dans X ~ (0) . Il est évident que la condition est suffisante. Montrons Soit x~0~ pour tout ~~ (ii).. Ann(bx) = (0) ~ .-.> il faut et il M de est nul propositions suivantes sont équivalentes : Soit relatif de IEMME 80 - Soit sous-module singulier idéal à gauche formé de le s ous-module Il est clair que et alors S est immédiate du théorème 8. conséquence une 5. Cas particulier des A dans l’intersection de deux ensemble inductif , C’est Aa la f ami lle de s sous-modules ayant la propriété suivante : pour tout i (Xi)ieI un A-module et 5 un qu’elle il existe est ab ~ 0 nécessaire. tel que Ann(x) = (0) on a Compte tenu de l’étude générale précédente, on en déduit le résultat suivant. PROPOSITION 8. - Pour que X sous-module de M s oit un sous-module dans M, il faut et il suffit qu’il vérifie la propriété : x f. X Du lemme 2, ture N de tiel dans X ° o x => est un idéal fermé de déduit le fait suivant : soit N est l’ensemble des éléments on A . 0n a plément maximal dans mal de A ~ N x E M et x ’1 X , alors X ’. A . un sous-module de M tels que d’autre part le résultat suivant: Soit x est un complément X N ’. un M x la ferme- soit essen- sous-module com- sous-module fermé maxi- 16-12 Cas particulier. - On suppose que le A-module à gauche As à gauche singulier est nul. On a les propriétés suivantes : PROPOSITION 9. - Soient X un idéal à gauche de A et X est tel que l’idéal sa fermeture, on a les relations suivantes; et par suite sation Inapplication et (b) sont vraies dans section de deux sous-modules X B e X B a c. z Aza n avec a est X compléments ===> za e X . Si za par suite il existe (X Ann(x))/Ann(x) , + Ann(x) + un fermé = X + M X B soit a . un Soit M tel que l’inter- sous-module complément. z~ 0, (0) b e A Xa ~ (X est extension essentielle de par suite A-module un dans est extension essentielle de X ~ (0) , bz ~ 0 . d. X peut être définie à partir d’une locali- [l], propriétés (a) les de fermeture Ann(x)/Ann(x) avec + bza ~ (0) , bz a Ann(x))/Ann(x) . X + Ann(x) .(théorème 7)~ Ann(x) est extension essentielle de Finalement + BIBLIOGRAPHIE [1] [2] [3] GABRIEL (Pierre). - La localisation dans les anneaux non commutatifs, Séminaire Dubreil-Pisot, t. 13, 1959/60, n° 2, 35 p. GOLDIE (A. W.). - Semi-prime rings with maximum condition, Proc. London math. Soc., t. 10, 1960, p. 201-220. (R. E.). - Structure theory of faithful rings, II., Trans. Amer., Soc., t. 84, 1957, p. 523-544. [4] JOHNSON (R. E.) and WONG (E. T.). - Quasi-injective modules and irreductible rings, J. London math. Soc., t. 36, 1961, p. 260-265. [5] LESIEUR (L.) et CROISOT (R.). - Coeur d’un module, Séminaire Dubreil-Pisot, t. 14, 1960/61, n° 1 et 17, 11 et 13 p. JOHNSON math.