Beweisarchiv: Algebra: Moduln: freie Moduln sind projektiv

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Voraussetzung

Sei F ein freier R-Modul.

Behauptung

F ist projektiv.

Beweis

Für beliebige R-Moduln M,N seien Homomorphismen h:F→N und f:M↠N gegeben, wobei f surjektiv sei.

Ziel ist es, ein g:F→M zu konstruieren, so dass f∘g=h ist.

F ist frei und hat deshalb eine Basis, welche wir als B bezeichnen. (B kann endlich oder unendlich sein.) Für jedes b∈B ist die Menge f−1(h(b))={x∈M:f(x)=h(b)} nichtleer, weil f surjektiv ist. Die Familie

S=(f−1(h(b)))B

ist eine Familie von nichtleeren Mengen, indiziert durch B.

Auf Grund des Auswahlaxioms gibt es also eine Auswahlfunktion k von B zu S, welche für jedes b∈B ein k(b)∈f−1(h(b)) „auswählt“ . Weil B eine Basis ist, hat jedes Element x∈F eine eindeutige Darstellung als eine endliche Linearkombination von B-Elementen:

x=∑b∈Brbb,

wobei die rb Elemente aus R sind und nur endlich viele von null verschieden sind. Man setze jetzt

g(x):=∑b∈Brbk(b).

Es verbleibt nur zu zeigen, dass g ein Modulhomomorphismus ist und dass wirklich f∘g=h gilt. Doch ist

(f∘g)(b)=f(g(b))=f(k(b))=h(b)

für jedes b∈B, weil k(b) der Menge f−1(h(b)) angehört. Die Behauptungen folgen nun, entweder mittels direkter Verifikation oder aus den universellen Eigenschaften der Basis eines Moduls.

Literatur

Günter Scheja, Uwe Storch: Lehrbuch der Algebra Teil 1 bis 3. Teubner-Verlag.