Topologie différentielle

8.1 Suites exactes courtes et longues

Cette section est la suite de la section 7.1. On y présente le théorème fondamental de l'algèbre homologique : une suite exacte courte de complexes induit une suite exacte longue en cohomologie. Comme dans section 7.1, on note un anneau commutatif unitaire mais seul le cas sera utile dans ce cours. On rappelle qu'un -module est l'analogue d'un espace vectoriel lorsqu'on remplace le corps des scalaires par un anneau.

Pour décrire les relations annoncées dans l'introduction du chapitre, même si les ouverts de la décomposition sont compliqués, il faut introduire la notion de suite exacte. Une suite de -modules est une famille de modules indexée par un intervalle d'entiers naturels et munie d'une suite de morphismes . On dit qu'une telle suite est exacte en si . On dit qu'elle est exacte si elle est exacte en pour tout . En particulier toute suite exacte de -modules est un complexe de -modules et la cohomologie d'un complexe de -modules mesure son défaut d'exactitude.

De façon plus élémentaire, on peut exprimer l'injectivité ou la surjectivité d'un morphisme de modules en termes de suites exactes. Un morphisme est surjectif si et seulement si la suite est exacte. Il est injectif si et seulement si est exacte. Il est donc bijectif si et seulement si est exacte. On appelle suite exacte courte une suite exacte de la forme

Commutative diagram
Une telle suite présente comme quotient de par (plus exactement injecte dans et induit un isomorphisme de vers ).

Une suite exacte de complexes est une famille de complexes de -modules indexée par un intervalle d'entiers et une famille de morphismes de complexes telle que, pour tout fixé, est une suite exacte de -modules. On peut dire que l'énoncé suivant est le théorème fondamental de l'algèbre homologique, il affirme qu'une suite exacte courte de complexes engendre une suite exacte longue en cohomologie.

Théorème 8.1
Toute suite exacte courte de complexes engendre une suite exacte longue
Commutative diagram
où les flèches horizontales sont induites par les morphismes de complexes de la suite exacte courte. De plus cette suite exacte dépend fonctoriellement de la suite exacte courte de départ : pour tout diagramme commutatif
Commutative diagram
de suites exactes courtes, les diagrammes
Commutative diagram
commutent.
Les morphismes sinueux du théorème précédent sont appelés morphismes connectant. Ils sont construits à l'aide du lemme 8.3, connu sous le nom de lemme du serpent à cause de la forme de la flèche dans la conclusion.

On commence par une observation plus élémentaire dont la démonstration est laissée en exercice.

Lemme 8.2
Soit , , et des -modules. On suppose que le diagramme suivant commute :
Commutative diagram
Alors la restriction de à arrive dans et l'application de dans qui envoie sur est un morphisme de -modules bien défini. Ces deux applications sont l'unique façon de compléter le diagramme en diagramme commutatif comme suit :
Commutative diagram

Lemme 8.3
On suppose que le diagramme suivant commute et que ses lignes sont exactes.
Commutative diagram
Il existe une suite exacte
Commutative diagram
qui rend commutatif le diagramme suivant :
Commutative diagram
De plus, si est injective alors la flèche obtenue l'est aussi. Si est surjective alors l'est aussi. Enfin la suite exacte construite est naturelle : si le diagramme
Commutative diagram
commute et que ses lignes sont exactes alors les suites exactes du serpent construites à partir du diagramme du fond et de devant sont liées par le diagramme commutatif suivant :
Commutative diagram
Le morphisme est appelé connectant. Il envoie sur désigne n'importe quelle préimage de et de même désigne n'importe quelle préimage de . Les faits que ces préimages existent et que le résultat ne dépende pas de ces deux choix arbitraires font partie de l'énoncé.

Démonstration

La démonstration complète de ce lemme est extrêmement fastidieuse. On se contente d'en donner des extraits choisis pour illustrer la technique dite de « chasse dans le diagramme ».

Le lemme 8.2 fournit, de façon unique, les morphismes entre noyaux et les morphismes entre conoyaux du diagramme visé. Montrons que est une suite exacte. La flèche de dans n'est autre que la restriction de . Soit un élément de . Si pour dans alors par exactitude de . Réciproquement si alors la même exactitude implique pour un certain dans . Il suffit de montrer que ce est automatiquement dans . Cela découle de la commutativité du carré à gauche du diagramme de départ : , qui implique , et de l'injectivité de .

Montrons maintenant que est bien défini. Soit un élément de . Puisque est surjective, il existe un élément de . Par commutativité du carré à droite du diagramme de départ, et par exactitude de la ligne du bas en , il existe dans . De plus ce est unique ( étant fixé) car est injective. Il reste à voir que si et vérifient tous deux alors dans . Par hypothèse est dans . L'exactitude de la ligne du haut fournit tel que . La commutativité du carré de gauche assure que et on obtient qui s'annule dans le quotient .

Démonstration du théorème 8.1
Par hypothèse, on a, pour tout , le diagramme commutatif à lignes exactes :
Commutative diagram
On fixe et on applique le lemme du serpent au diagramme ci-dessus pour en utilisant uniquement l'information sur les applications obtenues entre les noyaux, mais sans oublier que le du lemme est ici injectif. On obtient la suite exacte
Commutative diagram
et de même pour et . De même on applique le lemme au diagramme avec en ne se préoccupant que des conoyaux pour obtenir la suite exacte :
Commutative diagram
Comme pour chacun des trois complexes, on a des applications induites et de même pour et . Ainsi le diagramme suivant commute et ses lignes sont exactes :
Commutative diagram
donc on peut lui appliquer le lemme du serpent, cette fois en utilisant le connectant produit. Or le noyau de la première flèche verticale n'est autre que et son conoyau n'est autre que , et de même pour les deux autres flèches. On a bien obtenu la suite longue promise. La naturalité de cette suite découle de la naturalité dans le lemme du serpent.