1 Tensorprodukt, äußeres Produkt <strong>und</strong> direkter Limes• Wir wer<strong>de</strong>n hauptsächlich innerhalb <strong>de</strong>r Kategorie Mod R <strong>de</strong>r R-Moduln arbeiten. Der Einfachheithalber wer<strong>de</strong>n wir <strong>von</strong> nun an voraussetzen, daß R stets ein kommutativer Ring mit 1 ist.Definition 1.1 (Universelle Bedingung) Seien L, M <strong>und</strong> N drei R-Moduln <strong>und</strong> Φ : L × M −→ Neine R-bilineare Abbildung. Das Paar (N,Φ) genügt <strong>de</strong>r universellen Bedingung, wenn es für je<strong>de</strong>sPaar (P, τ) bestehend aus einem R-Modul P <strong>und</strong> einer R-bilinearen Abbildung τ : L × M −→ P einenein<strong>de</strong>utig bestimmten R-Homomorphismus (R-lineare Abbildung) τ : N −→ P gibt, so daß das folgen<strong>de</strong>Diagramm kommutativ ist.L × MΦ−→τ &N↓ τP(Mit an<strong>de</strong>ren Worten: (N,Φ) “linearisiert” alle R-bilinearen Abbildungen τ : L × M −→ P ).Proposition 1.2 (Konstruktion <strong>de</strong>s Tensorprodukts) Seien L, M zwei R-Moduln. Dann gibt esimmer einen R-Modul N <strong>und</strong> eine R-bilineare Abbildung Φ : L × M −→ N, sodaßdasPaar(N,Φ) <strong>de</strong>runiversellen Bedingung genügt. Außer<strong>de</strong>m ist dieses Paar bis auf Isomorphismus ein<strong>de</strong>utig bestimmt.(Das heißt, daß es für je<strong>de</strong>s weitere Paar (N 0 , Φ 0 ), das <strong>de</strong>r universellen Bedingung genügt, einen Modulisomorphismusu : N −→ N 0 gibt mit u ◦ Φ = Φ 0 ). N wird das Tensorprodukt <strong>von</strong> L <strong>und</strong> M genannt<strong>und</strong> wird mit N = L ⊗ R M bezeichnet. (l ⊗ R m := Φ (l, m)).Beweisi<strong>de</strong>e. Sei FR(L × M) = L (l,m)∈L×M R (l,m), (R (l,m)∼ = R), <strong>de</strong>r <strong>von</strong> L × M erzeugte freie R-Modul<strong>und</strong> Q <strong>de</strong>r Untermodul <strong>von</strong> FR(L × M), <strong>de</strong>r <strong>von</strong> allen Elementen <strong>von</strong> FR(L × M) erzeugt wird, die dieForm⎧⎨ (l, m + m 0 ) − (l, m) − (l, m 0 ) o<strong>de</strong>r (l, rm) − r (l, m) ,r∈ R o<strong>de</strong>r⎩(l + l 0 ,m) − (l, m) − (l 0 ,m) o<strong>de</strong>r (rl, m) − r (l, m) ,r∈ R haben.Definiere N := FR(L × M) /Q <strong>und</strong> als Φ : L × M −→ FR(L × M) /Q die kanonische Projektion. <strong>Die</strong>universelle Bedingung <strong>und</strong> die Ein<strong>de</strong>utigkeit für das Paar (N,Φ) sind dann leicht nachzuweisen. ¤Proposition 1.3 (Wichtige Eigenschaften <strong>de</strong>s Tensorproduktes) Man hat folgen<strong>de</strong> Modulisomorphismen:(i) M ⊗ R R ∼ = M, M ⊗ R M 0 ∼ = M 0 ⊗ R M,(ii) (M ⊗ R M 0 ) ⊗ R M 00 ∼ = M ⊗ R (M 0 ⊗ R M 00 ) ,(iii) (M ⊕ M 0 ) ⊗ R N ∼ = (M ⊗ R N) ⊕ (M 0 ⊗ R N) .Beweis. Übungsaufgabe. ¤Proposition 1.4 (Tensorprodukt <strong>von</strong> Homomorphismen) Sind f : M −→ M 0 <strong>und</strong> g : N −→ N 0Modulhomomorphismen, so wird durchM × N 3 (m, n) 7−→ f (m) ⊗ R g (n) ∈ M 0 ⊗ R N 0eine bilineare Abbildung <strong>de</strong>finiert, die einen Modulhomomorphismus induziert:(Er wird das Tensorprodukt <strong>von</strong> f <strong>und</strong> g genannt).f ⊗ R g : M ⊗ R N −→ M 0 ⊗ R N 0 .Beweis. Übungsaufgabe. ¤1
Definition 1.5 (Tensoralgebra) Sei R ein nicht trivialer Ring <strong>und</strong> M ein freier R-Modul. Sei⎧R, falls p =0⎪⎨Ten p (M) :=Ten p (M; R) :=M ⊗ R M ⊗ R ···⊗ R M ⊗ R M, falls p ∈ Z⎪⎩ | {z }>0p-mal<strong>Die</strong> direkte SummeTen ∗ (M) := M p≥0Ten p (M)ist mittels einer geeigneten MultiplikationTen p (M) × Ten q (M) 3 (x, y) 7−→ (x ⊗ y) ∈ Ten p+q (M)eine R-Algebra, die sog. Tensoralgebra <strong>von</strong> M.Definition 1.6 (Äußeres Produkt <strong>und</strong> äußere Algebra) Seien R ein nicht trivialer Ring <strong>und</strong> Mein endlich erzeugter R-Modul. Definiere <strong>de</strong>n Untermodul Q p (M) ⊂ Ten p (M),⎧⎫⎪⎨pO⎪⎬Q p Modul erzeugt <strong>von</strong> allen Tensoren <strong>de</strong>r Form x(M) :=i ∈ Ten p (M) ,i=1⎪⎩⎪⎭ ,für welche gilt: x i = x j , für gewisse i, j ∈ {1,... ,p} ,i6= j<strong>und</strong> Vp M := Ten p (M) /Q p (M). Ist p : Ten p (M) ³ Vp M die Restklassenabbildung, so bezeichnetNman das Bild <strong>von</strong>p x i unter p miti=1µV p pNi=1 x i := p x ii=1Es gilt Rang R ( Vp M)= ¡ Rang R¢(M)p , <strong>und</strong>V ∗M := M p≥0V pMist eine R-Unteralgebra <strong>von</strong> Ten ∗ (M), die sog. äußere Algebra o<strong>de</strong>r Grassmannsche Algebra <strong>von</strong> M.Proposition 1.7 (Eigenschaften <strong>de</strong>s äußeren Produktes) Seien R ein nicht trivialer Ring, M einendlich erzeugter R-Modul, p ≥ 1, <strong>und</strong>(m 1 ,... ,m p ) ∈ M p . Dann gilt folgen<strong>de</strong>s:(i) Für i ∈ {1,... ,p} ,r ∈ R, m 0 i ∈ M,m 1V ···V (mi + rm 0 i) V ···V m p = m 1V ···VmiV ···Vmp + r (m 1V ···V m0iV ···Vmp ) .(ii) V pi=1 m i =0, falls m i = m j , für gewisse i, j ∈ {1,... ,p} ,i6= j.(iii) V pi=1 m s(i) = sign(s) · Vpi=1 m i,wobeis ∈ S p .(iv) V pi=1 m Vi = m 1 ···V ³ m i + P Vj6=i r jm j´···Vmp , falls r j ’s ∈ R.(v) V pi=1 m i =0, falls m k = P i6=k r im i <strong>und</strong> r i ’s ∈ R.2