- Das Tensorprodukt von Moduln
Es sei ein
kommutativer Ring und seien
-Moduln.
Eine
Abbildung
-
heißt
-multilinear,
wenn für jedes und jedes -Tupel
(mit )
die induzierte Abbildung
-
-linear
ist.
Bei spricht man von bilinear.
Es sei ein
kommutativer Ring und seien
-Moduln.
Es sei der von sämtlichen Symbolen
(mit )
erzeugte
freie
-Modul.
Es sei der von allen Elementen der Form
- ,
- ,
erzeugte
-Untermodul.
Dann nennt man den
Restklassenmodul
das Tensorprodukt der
, .
Es wird mit
-
bezeichnet.
Die Bilder von in bezeichnet man wieder mit . Jedes Element aus besitzt eine
(nicht eindeutige) Darstellung als
-
(mit und ). Insbesondere bilden die
(zerlegbaren Tensoren) ein
-Modulerzeugendensystem
des Tensorprodukts. Die definierenden Erzeuger des Untermoduls werden zu Gleichungen im Tensorprodukt, sie drücken die Multilinearität aus. Insbesondere gilt
-
für beliebige .
Wichtiger als die Konstruktion des Tensorprodukts ist die folgende universelle Eigenschaft.
Es sei ein
kommutativer Ring und seien
-Moduln.
- Die
Abbildung
-
ist
-multilinear.
- Es sei ein weiterer
-Modul und
-
eine multilineare Abbildung. Dann gibt es eine eindeutig bestimmte
-lineare Abbildung
-
mit .
(1) folgt unmittelbar aus der Definition des
Tensorprodukts.
(2). Da die ein
-Modulerzeugendensystem
von sind und
-
gelten muss, kann es maximal eine solche lineare Abbildung geben. Zur Existenz betrachten wir den
freien Modul
aus der Konstruktion des Tensorprodukts. Die Symbole bilden eine
Basis
von , daher legt die Vorschrift eine lineare Abbildung
-
fest. Wegen der
Multilinearität
von wird der Untermodul auf abgebildet. Daher induziert diese Abbildung nach dem Faktorisierungssatz einen
-Modulhomomorphismus
-
Das Tensorprodukt ist durch diese universelle Eigenschaft bis auf
(eindeutige) Isomorphie festgelegt. Wenn es also einen -Modul zusammen mit einer multilinearen Abbildung
derart gibt, dass jede multilineare Abbildung in einen -Modul eindeutig über mit einer linearer Abbildung von nach faktorisiert, so gibt es einen eindeutig bestimmten Isomorphismus zwischen und dem Tensorprodukt . Daher ist diese universelle Eigenschaft wichtiger als die oben durchgeführte Konstruktion des Tensorprodukts.
Beweis
Siehe
Aufgabe.
(1). Die Abbildung
-
ist
-bilinear
und induziert daher einen
-Modulhomomorphismus
-
(2). Die Surjektivität der Abbildung
-
ist klar, da die ein
-Modulerzeugendensystem
von bilden und diese im Bild der Abbildung liegen. Für die Exaktheit an der anderen Stelle müssen wir die Isomorphie
-
nachweisen. Dazu beweisen wir für diesen Restklassenmodul, dass er die universelle Eigenschaft des Tensorprodukts erfüllt. Es sei also
-
eine
-multilineare Abbildung
in einen -Modul . Somit liegt auch eine eindeutige multilineare Abbildung
-
und damit eine -lineare Abbildung
-
vor. Wegen
-
ist
-
und daher gibt es eine eindeutige Faktorisierung
-
- Ringwechsel
Wir betrachten jetzt den Fall des Tensorproduktes, wenn über ein -Modul und eine kommutative -Algebra vorliegt.
Zu einem
-Modul
und einem
Ringhomomorphismus
-
zwischen
kommutativen Ringen nennt man
den
durch Ringwechsel gewonnenen -
Modul.
(1). Die Multiplikation
-
ist
-bilinear
und führt nach
Fakt
zu einer
-linearen Abbildung
-
Dies induziert nach
Fakt (2)
und nach
Fakt
einen
-Modulhomomorphismus
-
Dies ergibt eine wohldefinierte Skalarmultiplikation
-
die explizit durch
-
gegeben ist. Aus dieser Beschreibung folgen direkt die Eigenschaften einer Skalarmultiplikation.
(2). Die -Homomorphie folgt direkt aus der Bilinearität des Tensorprodukts. Bei ist die Abbildung surjektiv. Die Skalarmultiplikation
induziert eine
-lineare Abbildung
-
Die Verknüpfung der kanonischen Abbildung
mit dieser Abbildung ist die Identität auf , sodass die erste Abbildung auch injektiv ist.
(3) folgt aus der expliziten Beschreibung in (1).
(4) folgt aus
Fakt (3).
(5). Nach Teil (2) haben wir einerseits eine -lineare Abbildung
.
Dies führt zu einer -multilinearen Abbildung
-
die eine
-lineare Abbildung
-
induziert. Andererseits haben wir eine -lineare Abbildung
-
Rechts steht ein -Modul, daher kann man die Skalarmultiplikation als eine -multilineare Abbildung
-
auffassen, die ihrerseits zu einer -linearen Abbildung
-
führt. Diese beiden Abbildungen sind invers zueinander, was man auf den zerlegbaren Tensoren überprüfen kann. Daran sieht man auch, dass sich die -Multiplikationen entsprechen.
Beweis
Siehe
Aufgabe.
Eine
-lineare Abbildung
-
induziert über
-
eine -lineare Abbildung von nach . Umgekehrt definiert eine -lineare Abbildung von nach eine
-bilineare Abbildung
-
was eine -lineare Abbildung von nach festlegt. Diese beiden Zuordnungen sind invers zueinander.