VIII. Sous-vari´et´es d’un tore complexe
4. Application de Gauss
SoientX un tore complexe etAune sous-vari´et´e irr´eductible deX de dimensiond. En associant `a tout point lisseadeAl’espace tangent `aA−aen0, on d´efinit une application holomorphe
GA:Alisse−→G(d, T0X),
o`u G(d, T0X)d´esigne la grassmannienne des sous-espaces vectoriels de T0X de dimen-sion d. Rappelons (exerc. V.2, p. 63) que celle-ci est une vari´et´e complexe sur laquelle on a construit un fibr´e en droites not´e OG(d,T0X)(1) dont la fibre au-dessus d’un point correspondant `a un sous-espace T de T0X de dimension d est Vd
T∗. On en d´eduit queGA∗OG(d,T0X)(1) est isomorphe au fibr´e canonique de la vari´et´e complexeAlisse (cf.
ex. 1.2.3), p. 50).
Proposition 4.1. — SoientX un tore complexe etAune sous-vari´et´e irr´eductible deX de dimensiond. NotonsKle plus grand sous-tore deXtel queA+K =Aetp:X →X/K la surjection canonique. On a
16. Voir l’article :Fortsetzung meromorpher Funktionen in Tori und Komplexprojektiven R¨aumen, Invent. Math 5(1968), 42–62.
17. Voir l’article :On the topology of complex projective manifolds, Invent. Math.19(1973), 251–260.
18. Voir l’article :Complex Subspaces of Homogeneous Complex Manifolds II. Homotopy Results, Nagoya Math.
J.86(1982), 101–129, qui conclut une s´erie de cinq articles, ainsi que l’article avec A. van de Ven :Homotopy Groups of Pullbacks of Varieties, Nagoya Math. J.102(1986), 79–90.
19. Voir l’article :Etale Cohomological Dimension and the Topology of Algebraic Varieties, Ann. of Math.137 (1993), 71–128.
20. Cela signifie queAest d´efinie localement dansXparcodimA´equations. Toute sous-vari´et´e lisse est locale-ment intersection compl`ete.
4. APPLICATION DE GAUSS 117
— l’application de Gauss deAse factorise en GA:Alisse
p
Alisse/K −−−−→Gp(A) G(d−dimK, T0(X/K)) ,→ G(d, T0X) T 7→ (T0p)−1(T),
— les fibres non vides g´en´erales de l’application de GaussGp(A)sont finies.
D´emonstration. — Consid´erons le graphe G de GA dans Alisse × G(d, T0X) et son adh´erence(21)GdansA×G(d, T0X). Posons∂G=GrGet notons
u:G−→G(d, T0X) u:G−→G(d, T0X) ∂u:∂G−→G(d, T0X) les applications holomorphes induites par la seconde projection. Soitxun point g´en´eral de u(G). Siu(∂G) 6=u(G), on au−1(x) = u−1(x). Si au contraireu(∂G) = u(G), la fibre u−1(x)est partout de dimensiondimG−dimu(G), tandis que sa sous-vari´et´e
u−1(x)ru−1(x) = (∂u)−1(x)
est de dimension dim∂G−dimu(G). On en d´eduit que dans tous les casu−1(x)est un ouvert dense deu−1(x).
Par le lemme 1.4, il existe un sous-toreK0deXtel que
K0 =hu−1(x)i=hu−1(x)i=hGA−1(x)i pourxg´en´eral dans l’image deGA. Par le lemme 1.2,
T0K0 = X
a∈GA−1(x)
T0(GA−1(x)−a)⊂ X
a∈GA−1(x)
T0(A−a) = Πx,
o`uΠxest le sous-espace vectoriel deT0Xquexrepr´esente. En particulier,T0K0est contenu dansT0(A−a)pourag´en´eral dansA, d’o`uA = A+K0 par le lemme 1.3, etK0 ⊂K.
Notonsp0:X →X/K0la surjection canonique.
Il est clair que l’application de Gauss deAse factorise comme dans le th´eor`eme (avecK0
`a la place deK). Soitxun point g´en´eral dans l’image deGA; comme K0=hGA−1(x)i=hp0−1 Gp−10(A)(x)
i=p0−1hGp−10(A)(x)i, Gp−10(A)(x)est fini etKest ´egal `aK0.
On peut tirer de ce r´esultat la cons´equence suivante : si X est un tore complexe, toute sous-vari´et´e irr´eductible deXinvariante par translation par aucun sous-tore non nul deXest de type g´en´eral(22).
21. Il s’agit ici de l’adh´erence pour latopologie de Zariski, c’est-`a-dire l’intersection des sous-vari´et´es deA× G(d, T0X)qui contiennentG. D’autre part, je triche en supposant dans la suite queGest ouvert dans son adh´erence.
Ce n’est pas un probl`eme s´erieux :Gestconstructible(cf.[H, chap. II, exerc. 3.19]), donc contient un sous-ensemble ouvert et dense dansG.
22. LorsqueAest lisse, cela signifie que le fibr´e en droitesω⊗rA d´efinit (selon la proc´edure de V.1.6, p. 52), pour tout entierrassez grand, une application m´eromorphe
ψω⊗r A
:A99KPH0(A, ω⊗rA )∗
Nous allons maintenant voir que l’on peut pr´eciser ce r´esultat lorsqueAestlisse, en mon-trant queωAest alorsample.
SoientXun tore complexe,Aune sous-vari´et´e deXetBune sous-vari´et´e irr´eductible de Xcontenue dansAlisse. On pose
T(A, B) = [
b∈B
T0(A−b);
c’est une sous-vari´et´e deT0X.
Il nous sera utile d’´etendre cette d´efinition `a la situation plus g´en´erale suivante. Soient Aune vari´et´e irr´eductible compacte etBune sous-vari´et´e irr´eductible deAcontenue dans Alisse. Soitu:A→Xune application holomorphe dont la diff´erentielle est injective en tout point deB. On d´efinit une sous-vari´et´e deT0Xen posant
T(A, B) = [
b∈B
Im(Tbu),
o`u pour all´eger l’´ecriture, on a identifi´e l’espace tangent en chaque point deX `a l’espace vectorielT0X au moyen d’une translation.
On remarquera que l’hypoth`ese entraˆıne(23)que la diagonale
∆B={(a, b)∈A×B|a=b}
est ouverte dansA×XB; c’en est donc une composante connexe.
On peut aussi d´efinirT(A, B)en faisant intervenirl’´eclatement(24)ε: ˆX →Xde0dans X. La vari´et´eXˆ est compacte lisse connexe ; l’application holomorpheεinduit un isomor-phisme entreε−1(X r{0})etX r{0}, tandis que l’image inverse de0, appel´eediviseur exceptionnel, s’identifie `a l’espace projectifPT0X.
On remarque quePT(A, B)est l’ensemble des limites dansXˆ desu(a)−u(b), lorsque l’´el´ement ade Aet l’´el´ementb deB convergent vers le mˆeme point. En particulier, il est contenu dans l’intersection deε−1 (u(A)−u(B))r{0}
avec le diviseur exceptionnel de Xˆ, de sorte que(25)
(36) dimT(A, B)≤dim(u(A)−u(B)).
Le r´esultat suivant montre qu’il y a ´egalit´e.
dont l’image est de mˆeme dimension queA; c’est le cas en particulier lorsqueωAest ample, puisqu’alorsψ
ω⊗rA
est un plongement pourrassez grand. LorsqueAest singuli`ere, cela signifie qu’une d´esingularisation deAa cette propri´et´e (toutes les d´esingularisations l’ont alors).
23. La question est locale surA, que l’on peut donc supposer ˆetre une sous-vari´et´e lisse deX, auquel cas A×XB={(a, b)∈A×B|u(a) =u(b)}= ∆B.
24. Voir les pages 182 `a 184 de [GH] pour la construction de l’´eclatement d’un point dans une vari´et´e complexe.
25. Pour le lecteur familier avec les ´eclatements de sous-vari´et´es pas n´ecessairement lisses (cf.[H, p. 163]), on peut ˆetre plus pr´ecis. Siε0:A\×B→A×Best l’´eclatement deA×XBdansA×B, on a par la propri´et´e
4. APPLICATION DE GAUSS 119
Th´eor`eme 4.2. — Soient X un tore complexe,A une vari´et´e irr´eductible compacte etB une sous-vari´et´e irr´eductible deAcontenue dans Alisse. Soit u: A → X une application holomorphe dont la diff´erentielle est injective en tout point deB; on a
dimT(A, B) = dim(u(A)−u(B)).
D´emonstration. — Commenc¸ons par un lemme facile.
Lemme 4.3. — SoientCune courbe lisse compacte connexe,v:C →X une application holomorphe dont l’image est une courbe lisse etc0un point deCen lequel la diff´erentielle devest injective et telle queT(A, B)∩ImTc0v={0}. La diff´erentielle de l’application
w: A×C −→ X
(a, c) 7−→ u(a)−v(c)
est injective en tout point deB× {c0}, etT(A×C, B× {c0})est le cˆone de sommet la droite ImTc0vet de baseT(A, B).
D´emonstration. — Soitbun point deB. La diff´erentielle dewen(b, c0)est l’application TbA×Tc0C −→ T0X
(t, t0) 7−→ Tbu(t)−Tc0v(t0)
Or l’image deTbuest contenue dansT(A, B); elle est donc en somme directe avec celle de Tc0v. Il s’ensuit queT(b,c0)west injective d’imageIm(Tbu)⊕Im(Tc0v), ce qui prouve le lemme.
D´emontrons le th´eor`eme par r´ecurrence sur la codimension deu(A)−u(B), en suppo-sant d’abordu(A)−u(B) = X etT(A, B) 6= T0X. SoitC une courbe lisse compacte connexe avec une application holomorphev:C → X v´erifiant les propri´et´es suivantes (la construction peut se faire `a l’aide de techniques ´el´ementaires de g´eom´etrie alg´ebrique ; cf.
exerc. VIII.2) :
— la fibrev−1(0)a deux points dont l’un,c0, en lequel la diff´erentielle devest injective d’image rencontrantT0XrT(A, B);
— l’image devest une courbe lisse qui engendreX;
universelle des ´eclatements un diagramme commutatif
A\×B −→δˆ Xˆ
ε0
y
yε
A×B −→ X
(a, b) 7−→ u(a)−u(b)
etPT(A, B)est l’image parδˆdu diviseur exceptionnel deε0qui domine∆B. Cette interpr´etation permet d’ailleurs de d´efinirT(A, B)sous la seule hypoth`ese que∆B est une composante connexe deA×XB; W. Fulton et R.
Lazarsfeld appellent les morphismesuqui ont cette propri´et´eweakly ramified alongB. Le th´eor`eme ci-dessous reste encore vrai sous cette condition plus faible, en particulier sans supposer queBest contenu dansAlisse;cf.
Fulton-Hansen and Barth-Lefschetz theorems for subvarieties of abelian varieties, J. reine angew. Math.467(1995), p. 191.
— vne se factorise par aucune isog´enie non trivialeXe →X. Le th´eor`eme 3.1 appliqu´e `a l’application surjective
A×B −→ X
(a, b) 7−→ u(a)−u(b)
et `a l’applicationv: C → X dont l’image engendreX et qui ne se factorise par aucune isog´enie non triviale, entraˆıne que
(A×B)×XC={(a, b, c)∈A×B×C|u(a)−u(b) =v(c)}
est connexe. Par le lemme, la diff´erentielle dew:A×C→Xest injective en tout point de B× {c0}, de sorte que
∆ ={(b, c0, b, c0)|b∈B}
est une composante connexe de (A×C)×X (B × {c0}), qui est l’ensemble des points (a, c, b, c0)v´erifiant
w(a, c) =u(a)−v(c) =w(b, c0) =u(b)−v(c0) =u(b).
On vient de voir que cet ensemble est connexe ; il est donc ´egal `a∆. C’est absurde car il contient(b, c1, b, c0), o`uc1est l’autre point dev−1(0). On a donc bienT(A, B) =T0X.
Supposons maintenantu(A)−u(B)6=X; on a alorsT(A, B)6=T0Xpar (36) et on peut choisir une application holomorphev: C →X comme ci-dessus. On applique l’hypoth`ese de r´ecurrence au morphismew: A×C→X, dont la diff´erentielle est injective en tout point deB× {c0}. On adim(w(A×C)−w(B× {c0})) = dim(u(A)−u(B)) + 1et le lemme 4.3 donne
dimT(A×C, B× {c0}) = dimT(A, B) + 1, ce qui montre le th´eor`eme.
Corollaire 4.4. — SoientX un tore complexe etAune sous-vari´et´e irr´eductible deX. Si F est une sous-vari´et´e (ferm´ee !) irr´eductible de X contenue dans une fibre de GA, on a A+hFi=A.
D´emonstration. — Sous les hypoth`eses du corollaire,T(A, F)est de mˆeme dimension que A, et donc aussiA−F par le th´eor`eme. Cela entraˆıne queA−Fest un translat´e deA, d’o`u la conclusion.
Comme promis, on peut interpr´eter ce r´esultat de la fac¸on suivante :le fibr´e canonique d’une sous-vari´et´e lisse d’un tore complexe invariante par translation par aucun sous-tore
EXERCICES 121
non nul est ample(26). En effet, l’image inverseωAdu fibr´e ampleOG(d,T0X)(1)par l’appli-cation finieGAest encore ample(27).
Exercices
VIII.1. — SoientXun espace analytique normal connexe etZune sous-vari´et´e deXdistincte deX.
a) Montrer que l’application canoniqueπ1(XrZ)→π1(X)est surjective (Indication :utiliser le fait que tout espace normal connexe est irr´eductible, puis la note 8, p. 110).
b) SiXest lisse etZde codimension au moins2, montrer que l’application canoniqueπ1(XrZ)→π1(X) est bijective (Indication :utiliser le th´eor`eme de puret´e ;cf.p. 112).
VIII.2. — Th´eor`eme de Bertini. SoientWun espace vectoriel complexe etXune sous-vari´et´e lisse connexe de PW. On rappelle que les hyperplans dePWsont param´etr´es par l’espace projectif dualPW∗.
a) Montrer que la vari´et´e d’incidence
I={(x, H)∈X×PW∗|x∈H} est lisse connexe.
b) Montrer que pourHg´en´eral dansPW∗, la vari´et´eX∩Hest lisse de dimensiondimX−1(Indication : utiliser le r´esultat delissit´e g´en´eralementionn´e dans la note 5, p. 106).
c) On supposeXde dimension au moins2. Montrer que pour toutHdansPW∗, la vari´et´eX∩Hest connexe (Indication :consid´erer la factorisation de Stein de la seconde projectionI→PW∗et utiliser le fait quePW∗est simplement connexe).
d) Soientxun point deXetUun ouvert dense deTxX; montrer queXcontient une courbe compacte lisse connexeC0passant parxdont l’espace tangent enxrencontreU.
e) SoientLle fibr´e en droitesOPW(1)etp:L→PWla surjection associ´ee. Montrer qu’il existe une section sdeL⊗2qui s’annule sur une hypersurface lisse dePWrencontrant transversalementC0.
f) Construire une courbe lisse compacte connexeCavec une application holomorpheC →C0dont les fibres g´en´erales ont deux points, mais dont la diff´erentielle ne soit pas partout injective (Indication :consid´erer l’ensemble {`∈p−1(C0)|`⊗2=s◦p(`)}).
g) SoientXune vari´et´e ab´elienne etUun ouvert dense deT0X. Construire une courbe lisse compacte connexe Cavec une application holomorphev:C→Xtelles que
– la fibrev−1(0)a deux points dont l’un en lequel la diff´erentielle devest injective d’image rencontrantU; – l’image devest une courbe lisse qui engendreX;
–vne se factorise par aucune isog´enie non trivialeXe→X.
VIII.3. — SoitAune sous-vari´et´e irr´eductible d’un tore complexeX; on supposedimA < 12dimX. Montrer qu’il existe un translat´e deApar un point de torsion deXqui ne rencontre pasA. En d´eduire la r´eciproque du corollaire 2.8.
26. Ce r´esultat d´ecoule aussi d’un th´eor`eme difficile de Y. Kawamata, qui dit qu’une vari´et´e lisse de type g´en´eral dont le fibr´e canonique n’est pas ample contient une courbe rationnelle ;cf.th. 6.9 deTh´eor`emes de connexit´e et vari´et´es ab´eliennes, Am. J. of Math.117(1995), p. 803, pour les r´ef´erences. Rappelons qu’un tore complexe ne contient aucune courbe rationnelle.
27. Pour d´emontrer que l’image inverse d’un fibr´e en droites ample par une application finie est ample, il faut utiliser la caract´erisation de Serre des fibr´es en droites amples sur les vari´et´es complexes compactes par l’annula-tion de certains groupes de cohomologie, qui d´epasse le cadre des connaissances utilis´ees dans ce livre ; on pourra consulter le livre de R. Hartshorne, Ample Subvarieties of Algebraic Varieties, Lecture Notes156, Springer Verlag, 1970, prop. 4.4, p. 25, pour une d´emonstration.
VIII.4. — SoientXun tore complexe simple,Aun espace analytique normal compact etu:A→Xune applica-tion holomorphe surjective. On suppose qu’il existe une sous-vari´et´eBdeXde dimension strictement positive telle que l’applicationu−1(B)→Binduite parusoit bijective. Montrer que l’applicationπ1(u) :π1(A)→π1(X) est bijective (Indication :appliquer le th´eor`eme 3.1 `auet `a la normalisation deBcompos´ee avec son inclusion dans X).
VIII.5. — SoientX un tore complexe simple,Aun espace analytique normal compact etu:A → X une application holomorphe surjective dont toutes les fibres sont finies. Soitaun point deA; pour tout voisinageU assez petit deu(a)dansX, notonsUala composante connexe deu−1(U)qui contienta. Le nombre de points dans une fibre g´en´erale de l’applicationUa →Uinduite paruest ind´ependant(28)du choix deU; on le noteeu(a).
Pour tout entier`, on pose
R`={a∈A|eu(a)> `}.
Le th´eor`eme de puret´e (cf.[F, p. 170]) dit queR1est partout de codimension1dansA. On admettra queR`est de codimension au plus`dansA, ou vide(29).
a) Soitdle degr´e deu, c’est-`a-dire le nombre de points dans une fibre g´en´erale deu. Montrer queRd−1n’est pas vide (Indication :montrer par r´ecurrence sur`queR`n’est pas vide en appliquant le th´eor`eme 3.1 `auet `a la normalisation d’une composante deR`−1de dimension maximale compos´ee avec son inclusion dansX).
b) En d´eduire que l’applicationπ1(u) :π1(A)→π1(X)est injective de conoyau fini (Indication :appliquer l’exercice pr´ec´edent).
VIII.6. — Etant donn´e un´ fibr´e vectorielEsur une vari´et´e lisse compacteX, on consid`ere le fibr´e en espaces projectifsPE → X (dont les fibres sont les espaces projectifs attach´es aux fibres deE) et le fibr´e en droites OPE(1)surPE(dont la fibre au-dessus d’un point dePEest la droite qu’il repr´esente). SiE∗est le fibr´e dual de E, on dit queEestamplesiOPE∗(1)est ample(30)surPE∗.
SoientXun tore complexe etAune sous-vari´et´elissedeX.
a) Pour que le fibr´e normal `aAdansX soit ample, il faut et il suffit que, pour tout hyperplanHdeT0X, l’ensemble
{a∈A|T0(A−a)⊂H}
soit fini.
b) Si le fibr´e normal `aAdansXest ample,Aest non d´eg´en´er´ee.
c) On supposeAnon d´eg´en´er´ee ; montrer que pour tout hyperplanHdeT0X, l’ensemble {a∈A|T0(A−a)⊂H}
est de dimension au pluscodimA−1(Indication :appliquer le th´eor`eme 4.2)(31).
VIII.7. — Soitkun entier positif. On dit qu’une sous-vari´et´e irr´eductibleAd’un tore complexeX estk-non d´eg´en´er´eesi, pour tout sous-toreKdeX, on a
dim(A+K)≥min(dimA+ dimK−k,dimX).
a) SoientAetBdes sous-vari´et´es irr´eductibles deX. SiAestk-non d´eg´en´er´ee, on a dim(A+B)≥min(dimA+ dimB−k,dimX).
28. Voir l’article de T. Gaffney, R. Lazarsfeld,On the Ramification of Branched Coverings ofPn, Invent. Math.
59(1980), 53–58, pour plus de pr´ecisions.
29. Ce r´esultat est d´emontr´e dans la th`ese de R. Lazarsfeld soutenue `a Brandeis University, ´Etats-Unis, en 1980.
30. Pour plus de d´etails, voir les pages 65 `a 74 de R. Hartshorne :Ample vector bundles, Publ. Math. I.H.E.S.29 (1966).
31. En g´en´eralisant a), on montre que cela revient `a dire que le fibr´e normal `aAdansXest(codimA−1)-ample au sens de la d´efinition (1.3) de l’article de A. Sommese :Submanifolds of Abelian Varieties, Math. Ann.233(1978), p. 232.
EXERCICES 123
SiAestk-non d´eg´en´er´ee et queBestl-non d´eg´en´er´ee,A+Best(k+l)-non d´eg´en´er´ee.
b) SoientXune vari´et´e ab´elienne etAune sous-vari´et´e irr´eductible deX. Pour queAsoitk-non d´eg´en´er´ee, il faut et il suffit queArencontre toute sous-vari´et´e deXde dimension≥codimA+k.
c) SoientXun tore complexe etAune sous-vari´et´e irr´eductible normalek-non d´eg´en´er´ee deXde dimension
>12(dimX+k). Le morphismeπ1(A)→π1(X)induit par l’inclusion deAdansXest bijectif.
d) SoientXun tore complexe etAune sous-vari´et´e lisse deX. Si le fibr´e normal `aAdansXestk-ample (cf.
note 31),Aestk-non d´eg´en´er´ee. SiAestk-non d´eg´en´er´ee, le fibr´e normal `aAdansXest(codimA−1+k)-ample.
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