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.

 Definisjoner 
Det skilles generelt mellom venstremoduler og høyremoduler. Den eneste forskjellen mellom de to konseptene er hvordan ringmultiplikasjonen overføres til modulstrukturen. 

En venstremodul (eller R-venstremodul) består av en abelsk gruppe (M,+) , en ring R og en avbildning  kalt skalarmultiplikasjon, som tilfredsstiller de følgende aksiomene: For alle r, s i R og x, y i M har vi

 Distributivitet: 
 Assosiativitet: 
 Enhet:        dersom R har multiplikativ enhet 

En høyremodul (eller R-høyremodul) består av en abelsk gruppe (M,+) , en ring R og en avbildning  kalt skalarmultiplikasjon, som tilfredsstiller de følgende aksiomene: For alle r, s i R og x, y i M har vi

 Distributivitet: 
 Assosiativitet: 
 Enhet:        dersom R har multiplikativ enhet 

Dersom R ikke er en unitær ring  er ikke aksiom 4 relevant. Vi kan observere at aksiom 1 i begge tilfeller betyr at r opererer som en endomorfi over M, og at de tre resterende aksiomene definerer at ringstrukturen til R og ringstrukturen til elementene i R som endomorfier stemmer overens. Med andre ord kan vi erstatte de ovennevnte definisjonene med de følgende ekvivalente definisjonene:

En venstremodul er en abelsk gruppe M, en ring R og en homomorfi .
En høyremodul er en abelsk gruppe M, en ring R og en antihomomorfi .

Dersom en ring R er kommutativ, sammenfaller de to definisjonene over. En abelsk gruppe M og en kommutativ ring R som tilfredsstiller aksiomene over kalles en modul, eller om man ønsker å spesifisere ringen, en R-modul. En abelsk gruppe kan selvsagt gis struktur som både venstre- og høyremodul samtidig, og ikke nødvendigvis over samme ring. En R-S-bimodul er en abelsk gruppe M som samtidig har struktur som venstre R-modul og høyre S-modul.

 Eksempler 
 Ringer   Enhver kommutativ ring er en modul over seg selv. Enhver ring er både en venstre- og høyremodul over seg selv. Mer generelt er kartesiske produkter av ringer med seg selv moduler under punktvis skalarmultiplikasjon. Eksempelvis er Z2 en Z-modul.  Idealer  Mer generelt har alle idealer i en gitt ring struktur som en modul, og skalarmultiplikasjonen er naturligvis gitt av ringmultiplikasjonen. Eksempelvis er idealet (n) = { ..., -2n, -n, 0, n, 2n ...} i Z en Z-modul.  Vektorrom  Ethvert vektorrom er en modul over en kropp. Spesifikt er Rn og Cn moduler over henholdsvis R og C.    Enhver abelsk gruppe har en unik struktur som Z-modul. Dersom g er et element i gruppen og n ∈ Z, er skalarmultiplikasjonen gitt ved  

Det kan sees at gruppehomomorfier kan utvides til modulhomomorfier på en naturlig måte, og at kategoriene AbGrp og Z-Mod dermed er isomorfe. Algebraer  En assosiativ algebra er en ring S med struktur som R-modul indusert av en ringhomomorfi R → S. For eksempel er polynomalgebraen R[x] og algebraen av alle kontinuerlige funksjoner over R begge R-moduler.

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 R-modul under punktvis addisjon og skalarmultiplikasjon.

Viktige typer
På grunn av konseptets generalitet er man ofte nødt til å studere spesielle undertyper blant modulene. Det følgende er en liste over viktige modultyper.

   Endelig genererte moduler har den egenskap at de har en endelig mengde elementer som sammen spenner modulen. En R-modul M er endelig generert dersom det finnes m1, ..., mk ∈ M slik at M = {r1m1 + ... + rk mk : r1, ..., rk ∈ R}. Ekvivalent er en R-modul M endelig generert dersom det finnes en surjektiv avbildning Rn → M for en heltall n. Dersom M er et vektorrom sammenfaller dette konseptet med endelig dimensjonalitet. Til forskjell fra vektorrom er ikke alle undermoduler av en endelig generert modul nødvendigvis endelig genererte.  En R-modul M er endelig presentert dersom det finnes en surjektiv avbildning Rn → M og kjernen av denne avbildningen er endelig generert. Dette korresponderer til en presentasjon av modulen som en endelig mengde elementer og relasjoner mellom dem.  Fri M er en fri R-modul dersom den er generert (ikke nødvendigvis endelig) av lineært uavhengige elementer. Ekvivalent er M fri dersom den er isomorf med en direkte sum 
   Flat M er flat dersom tensorproduktet  er venstreeksakt, dvs. bevarer kjerner. Siden alle tensorprodukter er høreeksakte, dvs. bevarer kokjerner, betyr dette at M er flat dersom  er eksakt. En viktig klasse flate moduler er lokaliseringer av R. Enkel  M er enkel dersom den ikke har noen undermoduler bortsett fra 0 og M.  Noethersk M er Noethersk dersom alle dens undermoduler er endelig genererte. Ekvivalent er det en modul som tilfredsstiller den stigende kjedebetingelsen: Dersom Mi er en stigende kjede  
så finnes det en n ∈ N slik at kjeden stabiliseres, dvs. Mi = Mn for alle . Artinsk M er Artinsk dersom den tilfredsstiller den nedadgående kjedebetingelsen. Dersom  Mi er en nedadgående kjede  
så finnes det en n ∈ N slik at kjeden stabiliseres, dvs. Mi = Mn for alle .

 Konstruksjoner  
 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 , kan vi enkelt gi M en R-modulstruktur. Skalarmultiplikasjonen er da gitt ved

for alle  og . Dette kalles skalarrestriksjon. Det finnes en tilsvarende konstruksjon som vi kaller skalarutvidelse: Hvis vi har en R-modul M og en ringhomomorfi , kan vi gi M struktur som en S-modul. Siden avbildningen   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  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.

Se også
Kommutativ algebra
Representasjonsteori
Enkel modul (matematikk)
Fri modul (matematikk)
Undermodul (matematikk)
Ring (matematikk)
Vektorrom

Litteratur
 Module (Moduler) - ekstrakt av artikkel av L.V. Kuz'min, i verket: Michiel Hazewinkel, Encyclopedia of Mathematics. ISBN 1-402006098. (engelsk)
 F.W. Anderson og K.R. Fuller, Rings and Categories of Modules, Graduate Texts in Mathematics, volum 13, andre utgave., Springer-Verlag, New York, 1992. (engelsk)
 N. Bourbaki, Éléments de mathématique : Algèbre, kapittel 4-7, Springer-Verlag, 2006, 432 sider. ISBN 3-540343989. (fransk)
 Siegfried Bosch, Algebra, 7. opplag. Springer-Verlag, 2009. ISBN 3-540-40388-4. (tysk)
 I. Kaplansky, «Elementary Divisors and Modules», i tidsskriftet Trans. Amer. Math. Soc., volum 66, 1949, side 464-491. (engelsk)
 M. D. Larsen, W. J. Lewis og T. S. Shores, «Elementary Divisor Ring and Finitely Presented Modules», i tidsskriftet Trans. Amer. Math. Soc., volum 187, nummer 1, 1974, side 231-248. (engelsk)
 Robert Wisbauer, Grundlagen der Modul- und Ringtheorie. Reinhard Fischer forlag, München 1988. ISBN 3-88927-044-1. (tysk)

Eksterne lenker
 Einführung in die Modultheorie (Innføring i modulteorien) - Alexander Hölzle (tysk).

Kategori:Algebra