C AHIERS DE
TOPOLOGIE ET GÉOMÉTRIE DIFFÉRENTIELLE CATÉGORIQUES
J OSEPH C HACRON
Sous-catégories semi-pleines maximales d’une catégorie
Cahiers de topologie et géométrie différentielle catégoriques, tome 12, n
o3 (1971), p. 323-332
<
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SOUS-CATEGORIES SEMI-PLEINES MAXIMALES D’UNE CATEGORIE par Joseph
CHACRONCAHIERS DE TOPOLOGIE ET GEOMETRIE DIFFERENTIELLE
Vol.
XII,3
A A. Bastiani
Nous définissons une
sous-catégorie semi-pleine
d’unecatégorie
comme une
sous-catégorie qui
est saturée par rapport àl’équivalence:
xet x’ sont
équivalents
s’ils ontmême
source et même but. Certaines sous-catégories semi-pleines simples
sont construitesexplicitement:
si la ca-tégorie
esttransitive,
ce sont lessous-catégories semi-pleines maximales,
et toute
sous-catégorie semi-pleine
propre est l’intersection des sous-ca-gories
de ce typequi
la contiennent.On détermine de même les
sous-groupoides semi-pleins
maximauxd’un
groupoide
transitif. Alorsqu’une sous-catégorie semi-pleine
maximalen’est pas nécessairement maximale en tant que
sous-catégorie,
les sous-groupoides semi-pleins
maximaux sont dessous-groupoides
maximaux. Ce- ci permet de caractérisercomplètement
lessous-groupoides
maximauxquel-
conques d’un
groupoîde.
L’étude
générale appliquée
augroupoîde
descouples
associé à unensemble redonne les
préordres
maximaux sur un ensemble et leséquiva-
lences maximales d’Ore.
Certains résultats ont été annoncés dans
[1-1]
et établis moins di-rectement dans
[1-2] (où
leproblème
estenvisagé plus systématiquement,
à l’aide d’une
correspondance
deGaloi s ).
Notations.
C
désigne
unecatégorie, Co
l’ensemble de sesunités,
a et03B2
sesapplications
source etbut,
a b lecomposé
de a et b . On note yl’appli-
cation de C dans
Co X Co qui
associe(03B2 (x) , a (x))
à xeC. Des nota-tions
analogues
sont utilisés pour ungroupoide,
que l’on notera G.1.
Sous-catégories semi-pleines d’une catégorie.
DEFINITION 1. Une
partie A
de C sera diteseini-pleine
si-1
(c’ est-à-dire
siA = y ( y ( A ) ) .
En
appelant I a et 118
leséquivalences
déduites desapplications
a et
6,
il est clairque A
estsemi-pleine si,
et seulementsi, A
estI a n I 03B2-saturée.
En outre, l’ensemble desparties semi-pleines
de C formeun sous-treillis
complet
du treillis desparties
de C .DEFINITION 2. On
appelle sous-catégorie sezni-pleine
de C une sous-caté-gorie
de C définie par unepartie semi-pleine.
PROPOSITION 1. Pour toute
partie Xo
deCo
l’enselnbleC( Xo),
oùdéfinit
unesous-catégorie senii-pleine
de Cqui
deplus
contientCo .
P R E U V E . 10 Il est évident que
Co C C ( Xo)
et queC ( Xo )
estsemi-pleine.
2° Soient x et y des éléments de
C( Xo )
tels quea ( x ) = 03B2(y) .
On vé-rifie que x y
appartient
àC( Xo )
enenvisageant
les divers caspossibles:
DEFINITION 3. On
appelle sous-groiipoide senzi-plein
d’ ungroupoide
Gun
sous-groupoîde
de G défini par unepartie semi-pleine.
PROPOSITION 2. Soit
Xo
unepartie
de l’ensembleGo
des unités d’ungroupoïde
G et soitX’o
=Go - X,, .
L’ensemble G[ Xo] ,
oùclé finit
unsoiis-groiipoide semi-plein
de Gqui
deIl/uS
contientCio .
PREUVE, 10 Il est évident que
G [Xo]
contient(;0’
est unepartie
semi-pleine
et est stable pour l’inversion.2° Soient x et y des éléments de G
[Xo]
tels quea ( x )=03B2(y) .
Onvérifie que x y
appartient
àG [Xo]
enenvisageant
les divers cas:; alors
y ( x y ) ( Xo X Xo,
, ce
qui
estimpossible,
cara (x) =03B2 (y).
ce
qui
est encoreimpossible.
dans ce cas
y( x y)E X’o X X’o.
REMARQUES. ID Si C est un
demi-groupe,
la seulesous-catégorie
semi-pleine
est C . Si G est un groupe, le seulsous-groupoide semi-plein
est G .2° Soit E un
ensemble,
C lacatégorie
descouples
associée à E etX un sous-ensemble de E. Nous pouvons associer à X le sous-ensemble
Xo
deCo
formé descouples ( x, x ) ,
où x E X . Laproposition
1 montreque la relation R de E vers E définie par
est un
préordre
sur E[1-1].
3° Avec les mêmes
notations,
comme C est ungroupoide,
laproposi-
tion 2 montre que la relation R’ de F vers E définie par
est une
équivalence
sur E[2] .
2.
Sous-catégories semi-pleines maximales.
On dit
qu’une sous-catégorie A
de C(resp.
unsous-groupoide
Ade
G )
estpropre
si A # C(resp. A # G).
DEFINITION 4. Nous dirons
qu’une sous-catégorie semi-pleine
A de lacatégorie
C est maximale(resp. qu’un sous-groupoide semi-plein
du grou-poide
G estmaximal) lorsque:
1° A est propre.
20 Si A’ est une
sous-catégorie semi-pleine
de C(resp.
un sous-grou-poide semi-plein
deG ) qui
soit propre etqui
contienneA ,
alors A = A’ .Nous nous proposons de démontrer le résultat suivant:
THEOREME 1. Soit C une
catégorie
transitive(c’est-à-dire
telle que:y( C) = Co X Co).
Pour toutepartie Xo
non videet
strictement contenuedans
Co ,
lasous-catégorie semi-pleine C( Xo )
estmaximale;
toutes lessous-catégories semi-pleines
maximales sont dutype C ( Xo);
leur nom-bre
~ est 21 Col- 2; enfin
toutesous-catégorie semi-pleine propre
de Cqui
contient
Co
est une intersection desous-catégories seini-pleines
detype C (Xo) (et
par suitellzaxhnales).
Au
préalable, précisons
laterminologie. Soit F
unensemble,
Pun
préordre
sur E. Unepartie
X de l: est dite P -saturée siPour tout
aiE,
lasection a-
est l’ensemble des xE E tels que(x,a)E P ;
c’est donc la
plus petite partie
P -saturéequi
admet a pour élément.LEMME 1. Si C est une
catégorie
transitive,Xo
et tY 0
deuxparties
deCo
non vides et distinctes deCo, l’égalité C (Xo)
=C ( Yo)
entraîneX, = Yo.
PREUVE. Supposons Xo 1- Yo ’
Il existe parexemple eEXo
tel que elYo.
D’autre part, il existe
(e’ E Co-Xo . Puisque
C esttransitive,
il existexE C
tel quey (x) = (e’,e).
Doncx E C( Yo )
etxE C( Xo),
cequi
en-traîne
C ( Xo)~ C ( Yo) .
LEMME 2. Si C est une
catégorie
transitive etXo
unepartie
deCo
nonvide et distincte de
Co,
lasous-catégorie semi-pleine C(Xo)
est ma-ximale.
PREUVE. Soit
e’E Co - Xo
et eE Xo . Puisque
C esttransitive,
il existeXEC
tel quey (x)=(e’,e).
On ax E C (Xo),
de sorte queC ( Xo)
est propre. -Supposons
maintenantque A
soit unesous-catégorie semi-plei-
ne propre de C
qui
contienne strictementC (Xo).
Il existe a et b telsque’l’on
aitLes relations
aE C (Xo) , b E C (Xo) signifient
Il existe a’6 C et
b’6 C
tels quet Ceci signifie
que le cardinal de l’ensemble des sous-catégories semî-pleines maximales
de C est 2n-2 si le cardinal lCol de C° est l’entier n et 21 C° I si I C° I est infini.
Il en résulte
a’ E C( Xo ), b’ E C( Xo)
et, commeC(Xo)
contientA ,
leséléments
a’ , a
et b’appartiennent
à A . Lecomposé
a’ a b’ étant définiet A étant
stable,
il vienta’ a b’ E A .
OrComme A est
semi-pleine
eta’ a b’E A ,
on doit avoirbE A .
Ceci est con-traire à
(1)
et démontre le lemme.COROLLAIRE. Les lemmes 1 et 2 nous montrent
déjà qu’une catégorie
transitive C
possède
au moins21 C" 1 - 2 sous-catégories semi-pleines
maximales.
LEMME 3. Soit C une
catégorie quelconque,
A unesous-catégorie
de Ccontenant
Co .
L’ensembley( A )
est unpréordre
surCo ,
notéPA .
P RE U V E. Il est clair que
PA
est réflexive.Supposons (e,e’)(PA
et( e’ , e" ) E PA .
Il existexc A
ety E A
tels queComme xy est défini et
que A
est unesous-catégorie,
il vientx y E A .
Donc
( e, e" ) = y ( x y ) E PA et PA
est transitive.LEMME 4. Si A est une
sous-catégorie
de C contenantCo
et siPA
estle
préordre défini
ci-dessus,pour toute partie X,
deCo qui
estPA -satu-
rée,
on a A C C(Xo) .
P R E U V E . Soit
aE A .
Pardéfinition, y (a)E FA .
Sia (a)Xo ,
alors aappartient
àC ( Xo ) .
Sia (a) E Xo ,
commey (a) E PA
et queX.
estPA -
saturé,
il vienty (a)E Xo .
Doncy ( a ) 6 Xo
XXo ,
soit aEC ( X, ).
COROLLAIRE . Dans une
catégorie
tran sitiveC,
toutesous-catégorie
se-mi-pleine
maximale A est du typeC(Xo) .
Eneffet, A
contientC.-
Parailleurs,
il existe unepartie XD
deCo qui est PA-saturée
et distinctede
Co ,
sansquoi
la section associée à toutec CD
seraitCo
XCo
et onaurait
PA - Co
XCo ,
d’ où A = C . Pour une tellepartie, d’après
le lemme4, on
aA C C ( Xo ) .
Par sui te A =C (Xo) .
LEMME 5. Si A est une
sous-catégorie semi-pleine
de lacatégorie
transi-tive C contenant
Co
et sif(PA) désigne
l’ensemhle desparties PA-sa-
furées, on a
PREUVE. 1° L’inclusion dans un sens résulte du lemme 4.
2° Soit
réciproquement a
un élément de l’intersection. Considérons la sec-tion S
= a (a)
dansCo
relativement àPA.
CommeS E f (PA) ,
on trouveaEC (S).
La relationa(a)ES
entraîney (a)ES xS,
d’oùy (a) E PA.
* Ilexi ste donc
a’ E A
tel quey (a) = y (a’) .
Comme A estsemi-pleine, a E A .
Ceci achève la démonstration du
lemme,
et celle du théorème 1.Appliquons
le théorème 1lorsque
C est lacatégorie
descouples
associée à un ensemble. Nous obtenons:
T H E O R E M E 2. Si E est un
ensembl e,
pour toutes lesparties
X de Equi
sont non vides et distinctes de E , les relations
PX définies
parsont les
préordres
maximaux sur F. Toutpréordre
sur Equi
est distinctde Ex E est une intersection de
préordres
maximaux.REMARQUES.
1° y définit un foncteur de C vers la
catégorie
descouples
associéeà
Co .
Si C esttransitive,
lessous-catégories semi-pleines A
de C sontles
images réciproques
par y despréordres
surCo ;
en associantPA à A ,
on définit un
isomorphisme
de l’ensemble ordonné dessous-catégories
se-mi-pleines
de C sur l’ensemble ordonné despréordres
surCo .
Donc lessous-catégories semi-pleines
maximales de Ccorrespondent
auxpréor-
dres maximaux sur
Co .
2°
Appelons sous-catégorie
maximale de C unesous-catégorie
propre A de C telle que, si A’ est unesous-catégorie
propre de Ccontenant A ,
on ait A’ = A . Une
sous-catégorie
maximale contient évidemmentCo ,
mais elle n’est pas
toujours semi-pleine. Inversement,
unesous-catégorie semi-pleine
maximale de C peut ne pas être unesous-catégorie
maximalede
C,
comme le montrel’exemple
suivant: Soit G et G’ deux groupes abé- liens d’ordre2 ;
soit C lasous-catégorie pleine
de lacatégorie
des homo-morphismes
entre groupes abéliens ayant G et G’ pourobjets.
La sous-catégorie semi-pleine
maximaleC( Xo)
associée à l’ensembleXo
ayantpour seul élément
l’homomorphisme identique
de G n’est pas çne sous-catégorie maximale;
eneffet,
elle est contenue strictement dans la sous-catégorie
propre de C formée de tous les éléments de C àl’exception
del’isomorphisme
de G sur G’ .3. Sous-groupoi’des
maximauxd’un groupoide.
DEFINITION .5. On
appelle sous-groupoide
maximal d’ungroupoide
G unsous-groupoide propre A
de G tel que, pour toutsou s-groupoide
propreA’ de G contenant
A ,
on ait A’ = A .Soit G un
groupoide.
Unsous-groupoide
maximal contient évidem-ment
Go .
Si A est unsous-groupoide
maximal et unsous-groupoide
semi-plein
deG ,
alors A est unsous-groupoide semi-plein
maximal.THEOREME 3. Soit G un
groupoide transitif.
Pour toutepartie h’o
deGo
non vide et strictement contenue dans
Go ,
lesous-groupoide semi-plein G [Xo] (proposition 2)
est unsous-groupoide maximal;
tous les sous- grou-poi’dles semi-pl eins
maximaux sont dutype G[ Xo],
et leur nombre est(2lGol-2)/2; enfin
toutsous-groupoide semi-plein
propre de Gqui
con-tient
Go
est une intersection desous-groupoïdes
dutype
G[Xo].
LEMME 5. Si G est un
groupoide transiti f
et siXo
etYo
sont deux par- ties non vides deGo
distinctes deGo,
on aP R E U V E . 1° Dans un sens, la
propriété
est immédiate.2o
Supposons G [Xo]
=G [Yo]
etXo ~ Yo .
Ilexi ste,
parexemple, eEXo.
tel que
e 1 y o. Soit e’ E Xo;
il exi st e x 6 G tel quey(x)= ( e’, e) ,
d’oùXEG[Xo];
commea (x) n’appartient
pas àYo
et queG[Xo]
=G [Yo]
il vient
f3 ( x )1 Yo.
Ainsie’ Yo
etXo
est contenu dansGo- Yo .
Supposons réciproquement e" E Go- Yo .
Il existe x’c G tel quey ( x’ ) = ( e , e" ) ;
il vi entx’ E G [Yo]= G [Xo];
la relation03B2( x’) E Xo entraîne
quea ( x’ ) E Xo ,
c’est-à-diree" E Xo .
LEMME 6. Pour toute
partie Xo
non vide et strictement contenue dansGo
le
sous-groupoide semi-plein G [ X.]
est unsous-groupoïde
maximal de G.PREUVE.
Puisque Xo
est propre, il existee E X o
ete’ E Go-Xo.
Commex
n’appartient
pas àG[Xo] si y (x) =( e’ ,e ) , G [Xo]
est propre.Supposons que A
soit unsous-groupoide
propre de Gqui
contientstrictement
G [Xo] .
Il existePuisque G[ Xo]
et A sont desgroupoîdes,
on peut supposer(en rempla-
çant éventuellement a ou b par leurs
inverses)
que les relations aéG[ X.]
et bé
G [Xo]
se traduisent parIl existe
a’ 6 G
tel quey ( a’ ) = (03B2(a),03B2(b)),
d’oùa’ E G [ Xo]
C A. Po-sons b’ =
a-la’b; puisque y(b’) = (a(a), a( b)), on
a b’ 6G [Xo]
C A .L’égalité b = a’-la
b’entraîne bEA, car A
est unsous-groupoide auquel appartiennent
a’ , a et b’ . Ceci étant contraire à(1),
on en déduit queG [Xo]
est unsous-groupoîde
maximal de G.COROLLAIRE. Les lemmes 5 et 6 montrent
qu’un groupoîde
transitif C/possède
au moins("2t o’*2)/2 sous-groupoïdes semi-pleins
maximaux(si .le
cardinalGo)
estinfini,
cecisignifie
que l’ensemble des sous-grou-poîdes semi-pleins
de G admet21 Go l
pourcardinal).
LEMME 7. Si A est un
sous-groupoide
de G contenantGo,
la relationy( A )
surGo
est uneéquivalence
notéePA.
La démonstration est
analogue
à celle du lemme 3.LEMME 8. Si A est un
sous-groupoide
de Gqui contient Go
et siXo
estune classe
d’équivalence
moduloP’A ,
on a A CG[ Xo] .
PREUVE. Soit
acA .
Sia(a)Xo,
commey (a) E P’A,
il vient(1(a)IXo.
Si
a(a)EXo,
on a aussi(3 (a)( Xo.
Donca E G [ Xo] .
COROLLAIRE. Le lemme 8 montre que tous les
sous-groupoides
semi-pleins
maximaux de G sont du typeG[Xo].
LEMME 9. Si A est un
sous-groupoide semi-plein propre
de Gqui
contientPREUVE, 10 Dans un sens l’inclusion résulte du lemme 8.
2°
Supposons
que a soit un élément del’intersection.
SoitXo
la classede
ara)
moduloPi.
. CommeaE G [X]
eta (a) E Xo ,
il vient03B2 ( a ) E Xo ,
donc
y( a)( PÁ.
Il existe parconséquent ae A
tel quey(a) = y(a’), d’ où, A
étantsemi-plein,
il vient03B1EA.
Ceci achève la démontration du théorème 3.
Si G est le
groupoide
descouples
associé à unensemble,
il vientTHEOREME 4. Si E est un
ensembl e, pour
toutes lesparties
X de Equi
sont non vides et distinctes de
E,
les relationsCX définies par
sont les
équivalences
maximales sur E . L eur nombre est(2lEl - 2 ) /
2 .Toute
équivalence
sur Equi
est distincte de E X E est une intersectiond’équivalences
maximalest.
Soit e une unité du
groupoide G ;
nousdésignons
parGe le
sous-groupe de G en e
(formé
des éléments de source et bute ) .
Si G est tran-sitif,
tous les groupesGe
sontisomorphes.
THEOREME 5 . Un
sous-groupoide A
d’ungroupoide transi ti f
G est unun
sous-groupoide
maximal de G si, et seulement si, l’une des conditions suivantes estvérifiée:
10 A est un
sous-groupoide semi-plein
maximal de G.2° A est
transitif, Ao = Go
et lesous-group e plein A e
de A en eest un
sous-groupe
maximal deGe .
La démonstration utilise les lemmes suivants:
LEMME 10 . Si A et B sont des
sous-groupoides transitifs
dugroupoide
G tels que
A. = Go = Bo
etAC
B ,on a A
= B si, et seulement si, on aAe
=Be pour
une unité e de G.PREUVE. Soit
zcG.
Il existex e A
etx’ (A
tels quey(x) = (a(z), e)
et
y(x’) =(a(z), e);
posonsy = x,-1 z x.
On a ze B ssiyEBe.
Parsuite,
B est formé des éléments z de G de la forme t Résultat dû à Ore (cf[2]
).LEMME 11. Soit A un
sous-groupoide transitif
de G tel queAo
=Go.
Sie est une unité de G et K un
sous-groupe
deGe
contenantAe,
il existeun
sous·groupoide
B de G contenant A tel queB e =
K.P RE’U V E. On voit facilement que B est formé des éléments z de G tels
qu’il
existeXf A, x’EA
etyE K
vérifiant z =x’ yx-1.
PREUVE DU THEOREME 5. 1° Si la condition 1 est
vérifiée, A
est unsous-groupoide
maximal de Gd’après
le théorème 3 .2° Si la condition 2 est satisfaite et si B est un
sous-groupoide
contenantA , alors Ae
est contenu dansBe ,
d’oùAe = Be
et B = A(lemme 10).
3° Soit A un
sous-groupoide
maximal de G . Il contientGo.
- Si A n’est pas
transitif, l’équivalence P’
est propre;d’après
lelemme
8,A
est contenu dansG [Xo],
oùXo
est une classe moduloP’A ,
de sorte
que A
=G [X°].
-
Si A
esttransitif, A e f- Ge d’après
le lemme 10. Si K est un sous-groupe propre de
Ge contenant A e ,
le lemme 11 assurequ’il
existe unsous-groupoide
propre B de Gcontenant A
tel queB e
= K . Il s’ensuitB
= A ,
d’où K= A e .
Ainsi la condition 2 estremplie.
COROLLAIRE. Soit G un
groupoide
et 1 l’ensemble de ses composantesGi .
LesGi
sont desgroupoides
transitifs dont G est la somme. Par suiteun
sous-groupoide A
de G est maximalsi,
et seulementsi,
il existe un i tel queA n Gi
soit unsous-groupoide
maximal deGi
et queA n Gj
=Gj
pour
tout jEI, j~
i . Le théorème 5 permet donc de caractériser tous lessous-groupoides
maximaux de G.Bibliographie.
1. J. CHACRON, 1° Treillis des sous-catégories semi-pleines d’une caté- gorie, C. R. A.
S. , Paris,
t. 270 (1969), p. 438-440.2° Nouvelles correspondances de Galois, Bull. Soc. Math.
Belgique
(sous presse).2. O. ORE, Theory of equivalence relations, Duke Math.
J.
IX (1942), p.573.Département de Mathématiques, Faculté des Sciences, 33 rue Saint-Leu
80 - AMIENS