Modul (matematikk)

I algebraen er en modul en algebraisk struktur som generaliserer konseptene vektorrom og abelske grupper. I denne strukturen er lineære kombinasjoner av elementer definert, men skalarene kommer fra en vilkårlig ring, og er ikke begrenset til en kropp. 
Intuitivt sett er en modul en samling av objekter som kan skaleres og legges sammen på samme måte som vektorer. Mengden av vektorer i planet, R², er et eksempel på en modul. Denne mengden består av tallpar [x,y], og de har den egenskap at enhver lineær kombinasjon av dem også er en vektor, dvs. de kan adderes og skaleres. Tallparene  er vektorer i denne mengden, og det er også de lineære kombinasjonene
 
 
Ikke alle moduler oppfører seg som disse vektorene. Eksempler på en annen modul er heltallsvektorer, vektorer der komponentene er heltall, og der vi kun kan  skalere med heltall. Tallparene [1,2] og [-1,3] er heltallsvektorer, og lineære kombinasjoner som 3[1,2] - 2[-1,3] = [5, 3] er også heltallsvektorer, og siden dette holder helt generelt er også denne mengden en modul. Denne modulen har enkelte egenskaper som vektorer generelt ikke har. Eksempelvis kan alle vektorer i R²  skrives som en lineær kombinasjon av to vektorer som ikke ligger på samme linje, mens dette ikke holder for heltallsvektorer. [2,0] og [0,2] ligger ikke på samme linje, men alle lineære kombinasjoner av disse er på formen
 
og som konsekvens kan ingen heltallsvektorer som har et oddetall som komponent skrives som en kombinasjon av disse to. Studiet av moduler prøver å finne ut av hvilke egenskaper som gjelder for moduler generelt, inklusive matematiske objekter som heltallsvektorene over. For å gjøre dette, konkretiserer hva man skalering og addisjon betyr ved å benytte seg av algebraiske konsepter som ringer og grupper. 
Moduler er et av de sentrale objektene i studiet av kommutativ algebra og homologisk algebra, og blir brukt blant annet i studiene av algebraisk geometri og algebraisk topologi.

Undermoduler og modulhomomorfier

Anta at M er en (venstre/høyre) R-modul. En (venstre/høyre) undermodul N av M er en undergruppe N ⊆ M som er lukket under skalarmultiplikasjon. Hvis M er en venstremodul betyr dette at N er en undermodul hvis rn ∈ N for alle r ∈ R og n ∈ N. Hvis M er en høyremodul, må nr ∈ N for alle r ∈ R og n ∈ N. Hvis R er kommutativ sammenfaller igjen disse to definisjonene, og vi snakker kun om en undermodul.
En modulhomomorfi er en avbildning mellom moduler som bevarer modulstrukturen. Mer presist: En avbildning  f : M → N mellom to (venstre) R-moduler er en modulhomomorfi dersom 
for alle r ∈ R og m,n ∈ M. Tilsvarende for høyremoduler. Kjernen av en slik avbildning er selv en modul. To moduler sies å være isomorfe dersom det eksisterer en bijektiv homomorfi mellom dem. Samlingen av alle R-moduler og homomorfiene mellom dem utgjør en kategori R-Mod. Videre kan man merke seg at HomR(M,N), mengden av alle R-modulhomomorfier mellom to gitte R-moduler M og N, selv er er R-modul under punktvis addisjon og skalarmultiplikasjon.

Faktormodul

En undermodul N ⊆ M  er en undergruppe av M. Faktorgruppen M/N har også struktur som en modul, og denne modulen kalles en faktormodul (eller kvotientmodul). Hvis vi uttrykker M/N som samlingen av sideklasser M/N = { m + N : m ∈ M}, er skalarmultiplikasjonen gitt som r(m+N) = rm + N.

Direkte produkt

Gitt en familie med R-moduler Mα, α ∈ I, kan vi konstruere det direkte produktet 
Dette produktet er som en mengde gitt av det kartesiske produktet av modulene Mα, og addisjon og skalarmultiplikasjon er definert punktvis. Dersom (xα), (yα) ∈ M og r ∈ R er operasjonene definert som

Direkte sum

Gitt en familie med R-moduler Mα, α ∈ I, kan vi konstruere den direkte summen
Som mengde består M av følger (xα) der xα ∈ Mα og kun endelig mange av elementene i følgen er ulik 0. Operasjonene er definert punktvis, dvs
Merk at den direkte summen og det direkte produktet av en familie av endelig mange moduler er identiske. Det er kun for uendelige familier at de to konstruksjonene skiller seg fra hverandre.

Frie moduler over en mengde

La S være en vilkårlig mengde, og la Rₛ = R for alle s ∈ S. Vi definerer den frie R-modulen over S F[S] til å være

 
Vi kan se på elementene i denne modulen som endelige lineære kombinasjoner av elementer i S med koeffisienter i R. F er funktoriell, og tar en mengdefunksjon f : S→ T mellom mengdene S og T til en modulhomomorfi Ff som er gitt unikt ved Ff(r) = r ∈ Rf₍ₓ₎ når r ∈ Rₓ.  Denne funktoren er venstreadjunkten til den glemske funktoren U : R-mod → Set.

Hom-moduler

Gitt to R-moduler M og N, er mengden av modulhomomorfier mellom dem, HomR(M,N), en R-modul. Mengden har også en ringstruktur som gjør den til en R-algebra. Addisjonen av morfier er gjort punktvis. Dersom φ,ψ ∈ HomR(M,N) og r ∈ R definerer vi addisjon og skalarmultiplikasjon ved
Det er enkelt å verifisere at disse avbildningene faktisk er modulhomomorfier. Man kan se at for en gitt R-modul M er Hom(M,-) funktoriell, og tar en avbildning f: K → M til avbildningen . Denne funktoren er høyreadjunkten til tensorfunktoren M⊗-. Likeledes er Hom(-,M) en kontravariant funktor.

Tensorprodukt

Tensorproduktet av to R-moduler M og N, , er modulen med et minimum av relasjoner slik at en bilineær avbildning M × N → P inn i en modul P  gir en unik modulhomomorfi . Vi kan konstruere modulen som følger: La B være undermodulen av den frie modulen F[M × N] generert av relasjonene
 
 
 
 
for alle m, m' ∈ M, N, N' ∈ N og r ∈ R. Hvis R ikke er kommutativ og M har struktur som høyremodul, benyttes tilsvarende generatorer med multiplikasjon på høyre side. 
Vi lar tensorproduktet være
 
avbildningen av (m,n) ∈ M × N i  skrives , og samlingen av alle elementene på denne formen kalles generatorene av , siden ethvert element i tensorproduktet kan skrives som en lineær kombinasjon av generatorene. Gitt en R-modul M er tensorproduktet M⊗- funktorielt, og tar en avbildning f: K → M til avbildningen idM⊗f. Denne tensoren er venstreadjunkten til homfunktoren Hom(M,-).

Skalarrestriksjon og skalarutvidelse

Hvis vi har en S-modul M og en ringhomomorfi  f : R → S, kan vi enkelt gi M en R-modulstruktur. Skalarmultiplikasjonen er da gitt ved
 
for alle r ∈ R og m ∈ M. Dette kalles skalarrestriksjon. Det finnes en tilsvarende konstruksjon som vi kaller skalarutvidelse: Hvis vi har en R-modul M og en ringhomomorfi R → S, kan vi gi M struktur som en S-modul. Siden avbildningen  R → S gjør S til en R-modul, gir det mening å snakke om tensorproduktet . Denne modulen har en naturlig gitt S-modulstruktur, som kan beskrives over alle generatorene ved 
 
for alle s,t ∈ S og m ∈ M. Det kan sees at dersom U er en multiplikativt lukket delmengde av R og R[U⁻¹ lokaliseringen, så har vi en naturlig inklusjon R → R[U⁻¹]. For enhver R-modul M, gir skalarutvidelse til lokaliseringen en R[U⁻¹]-modulisomorfi med lokaliseringen av M
Videre, gitt en ringhomomorfi  f : R → S og to R-moduler M og N, har man en viktig S-modulhomomorfi 
definert ved , hvor . Dersom S er flat over R og M er endelig presentert, er  en isomorfi.