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¿Si un funtor entre categorías de módulos preserva la inyectividad y la sobreyectividad, debe ser exacto?

Sean $A$ y $B$ anillos conmutativos. Sea $F$ un funtor de la categoría de módulos de $A$ a la categoría de módulos de $B$. Supongamos que $F$ conserva la inyectividad y la sobreyectividad: siempre que $f : X\rightarrow Y$ sea un mapa inyectivo de $A$-módulos, tenemos que $F(f) : F(X)\rightarrow F(Y)$ es un mapa inyectivo de módulos de $B$, y de manera similar para un mapa sobreyectivo. En otras palabras, $F$ es tanto exacto a la izquierda como a la derecha. ¿Es $F$ necesariamente exacto, en el sentido de que lleva secuencias exactas cortas a secuencias exactas cortas?

Parece que todos los ejemplos de funtores no exactos que uno suele ver ($Hom$, $\otimes$, etc.) fallan en preservar tanto la inyectividad como la sobreyectividad, por lo que me pregunto si hay ejemplos que preserven ambas.

13voto

Aleksandr Levchuk Puntos 1110

Para ampliar, permítanme señalar que ni siquiera es cierto que un funtor aditivo que preserva epimorfismos/sobreyecciones también preserve cokernels. Por ejemplo, sea $\mathcal{C}$ la subcategoría completa de $\textbf{Ab}$ generada por los grupos abelianos libres de torsión. Esta categoría, quizás inesperadamente, es una categoría aditiva con núcleos y cokernels, pero no es una categoría abeliana. De hecho, en $\mathcal{C}$, el cokernel de $2 \cdot {-} : \mathbb{Z} \to \mathbb{Z}$ es $0$, por lo que la inclusión $\mathcal{C} \hookrightarrow \textbf{Ab}$ es un funtor aditivo que preserva sobreyecciones pero no cokernels (¡ni siquiera epimorfismos en general!). De hecho, $\mathcal{C} \hookrightarrow \textbf{Ab}$ es incluso un adjunto derecho, y por lo tanto es exacto a la izquierda en particular. (Cuando digo exacto a izquierda/derecha, siempre me refiero a un funtor que preserva límites/colímites finitos)

Sin embargo, lo que es cierto es que un funtor exacto a la izquierda $F : \mathcal{A} \to \mathcal{B}$ que preserve epimorfismos (normales) será exacto, siempre que $\mathcal{A}$ y $\mathcal{B}$ sean ambas abelianas. De hecho, dado que $\mathcal{A}$ y $\mathcal{B}$ son aditivas, para demostrar que $F$ es exacto a la derecha es suficiente mostrar que es aditivo y preserva cokernels. Ahora bien, es conocido que un funtor $\mathcal{A} \to \mathcal{B}$ que preserva productos finitos es automáticamente aditivo; pero un funtor exacto a la izquierda preserva productos finitos, por lo que es un funtor aditivo en particular. Consideremos una secuencia de morfismos $$0 \longrightarrow A' \longrightarrow A \longrightarrow A'' \longrightarrow 0$$ en $\mathcal{A}$, y supongamos que $A' \to A$ es núcleo de $A \to A''$ y $A \to A''$ es el cokernel de $A' \to A$. Dado que $F$ preserva núcleos, obtenemos una secuencia exacta $$0 \longrightarrow F A' \longrightarrow F A \longrightarrow F A''$$ en $\mathcal{B}$, y dado que $A \to A''$ es un epimorfismo (normal), podemos extender lo anterior a una secuencia exacta corta en $\mathcal{B}$: $$0 \longrightarrow F A' \longrightarrow F A \longrightarrow F A'' \longrightarrow 0$$ Así, $F$ preserva cokernels de monomorfismos normales. En general, si tenemos un morfismo $X \to A$ en $\mathcal{A}$, podemos factorizarlo como $X \to A' \to A$ donde $X \to A'$ es el cokernel del núcleo de $X \to A$, y no es difícil mostrar que el cokernel de $A' \to A$ es también el cokernel de $X \to A$. Dado que $F$ preserva todos los núcleos y también cokernels de monomorfismos (normales), $F$ preserva esta factorización, y por lo tanto el cokernel de $F A' \to F A$ es también el cokernel de $F X \to F A$. Sin embargo, debido a que $\mathcal{A}$ es una categoría abeliana, $A' \to A$ en sí es un monomorfismo (normal), por lo que $F$ preserva su cokernel. Por lo tanto, $F$ realmente preserva todos los cokernels y por lo tanto es exacto a la derecha.

De manera dual, por supuesto, un funtor exacto a la derecha entre categorías abelianas es exacto si y solo si preserva monomorfismos (normales). Esto explica el hecho clásico de que $M$ es plano si y solo si $- \otimes_R M$ preserva homomorfismos inyectivos: $- \otimes_R M$ es un adjunto izquierdo y por lo tanto exacto a la derecha en particular.

10voto

Matt Dawdy Puntos 5479

No. Por ejemplo, el funtor cuadrado simétrico $S^2(-): \text{Vect} \to \text{Vect}$ conserva tanto los mapas inyectivos como los sobreyectivos, pero no es exacto.

Su afirmación de que $F$ es exacto a la izquierda si $F$ conserva los mapas inyectivos es falsa sin la suposición adicional de que $F$ es aditivo (edit: y ahora que lo pienso puede ser falso incluso con esta suposición...?). Es cierto que si $F$ es un funtor aditivo que es a la vez exacto a la izquierda y a la derecha, entonces $F$ es exacto. Pero hay varias definiciones equivalentes de exactitud a la izquierda para un funtor aditivo (entre categorías abelianas) que ya no son equivalentes si $F$ no es aditivo.

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