On donne dans cette section les résultats démontrés dans [HAGII].
Definition 1.9.1. Soit M une catégorie de modèles simpliciale engendrée par cofibrations et I l’ensemble des cofi- brations génératrices.
i. Un objet X ∈ I − cell est strictement fini si il existe une suite finie
∅ = X0 // X1 // ... // Xn = X et ∀ i un pushout : Xi // Xi+1 A ui // B où ui∈ I.
ii. Un objet X ∈ I − cell est fini si il est faiblement équivalent à un objet strictement fini.
iii. Un objet X est homotopiquement de présentation finie si pour tout diagramme filtrant Yi, le morphisme :
HocolimiM ap(X, Yi) → M ap(X, HocolimiYi)
est un isomorphisme dans Ho(sEns)
iv. Une catégorie de modèles simpliciale M est compactement engendrée si elle est cellulaire, si les colimites filtrantes y sont exactes, si elle est engendrée par cofibrations et si les domaines et les codomaines des cofibrations génératrices et des cofibrations génératrices triviale sont cofibrants, ω-compact et ω-petit (Relativement à M). Proposition 1.9.2. Soit M une catégorie de modèles compactement engendrée.
i. Pour tout diagramme filtrant Xi, Le morphisme naturel HocolimiXi → ColimiXi est un isomorphisme in
Ho(M ).
ii. Les objets homotopiquement de présentation finie dans M sont exactement les objets faiblement équivalent à des rétracts d’objets de I − cell strictement finis.
Chapitre 2
Structures algébriques relatives
On se donne pour tout ce chapitre un contexte relatif C, dont on rappelle ici la définition.
Definition 2.0.3. Soit (C, ⊗, 1) une catégorie monoïdale. On dira que C est un contexte relatif si . La catégorie monoïdale (C, ⊗, 1) est symétrique fermée.
. La catégorie C est bicomplète.
. La catégorie monoïdale (C, ⊗, 1) est ω-localement présentable. . La catégorie C est régulière au sens de Barr.
. La catégorie C respecte les images.
Dans ce chapitre, on se donne un contexte relatif (C, ⊗, 1). Dans cette partie nous allons montrer que les objets usuels de l’algèbre commutative, i.e. idéaux, localisations par un élément, peuvent être définis dans C et nous allons ensuite étudier plus en détail le problème de l’existence d’un espace topologique de Zariski associé à un schéma relatif et de sa description.
Remarque 2.0.4. Donnons ici quelques contextes connus qui sont ou ne sont pas des contextes relatifs. La catégorie (Z − mod, ⊗Z, Z) définit un contexte relatif de catégorie de base abélienne.
La catégorie (N − mod, ⊗N, N) définit un contexte relatif dit "semi-additif" ( En particulier ses sommes sont des produits d’ensembles).
La catégorie (Ens, ×, F1)définit un contexte relatif.
La catégorie (Z − mod × Ens, ⊗L, (Z, F1) définit un contexte relatif pour les préschémas logarithmiques où
le produit tensoriel est donné par (M, E) ⊗L(M0, E0)) = (M ⊗ ZM
0, E × E0). Il est à noter qu’un effort
supplémentaire est à fournir si l’on veut se restreindre aux schémas logarithmiques. La catégorie (Z−moddif f
, ⊗, (Z, 0)) définit un contexte pour les schémas différentiels qui n’est pas un contexte géométrique. Le produit tensoriel d’objet de présentation finie n’est pas de présentation finie. Cela implique en particulier que toute localisation différentielle d’un anneau A par un de ses élément f n’est pas plate au sens enrichi. Il est néanmoins possible d’étudier ce contexte car cela signifie qu’il y a moins d’ouverts Zariski et il est fortement probable qu’en se restreignant aux localisations différentielles qui sont des ouverts, on retrouve une base d’ouvert pour l’espace Zariski associé.
2.1
Modules et Idéaux
Rappelons pour commencer que d’après 1.4.22, les catégories de modules sur une algèbre données sont des contextes relatifs. Tous les résultats sur la notion d’image sont donc valables, notamment ses deux définitions équivalentes 1.4.13, 1.4.17 ou encore le fait que l’image dans les algèbres d’un morphisme d’algèbre est isomorphe à l’image dans les modules de cet objet (1.4.24). Il en est de même pour la notion de générateurs où l’on a aussi deux définition équivalentes 1.4.25 et 1.4.27 et quelques résultats (1.4.28).
Definition 2.1.1. Soient A ∈ Comm(C), M ∈ A − mod et CM la catégorie des couples (N, u) où u : N → M est un
. Un sous-A-module de M est la donnée d’un classe d’isomorphismes de CM. On note comme précédemment
Sub(M )la catégorie des sous A-modules de M.
. Un idéal de A est la donnée d’un sous-A-module de A.
Si q est un idéal de A, le monomorphisme associé sera noté jq : q ,→ A. La catégorie des idéaux q de A, munie des
monomorphismes jq sera notée I(A) .
Remarque 2.1.2. Pour A ∈ Comm(C), la catégorie I(A) est un poset admettant des intersection finie et des unions petites. L’intersection de deux idéaux q, q0 est donnée par q ∩ q0 := q ×
Aq0 et l’union d’une famille d’idéaux (qi)i∈I
par l’image du morphisme naturel p : `i∈Iqi → Aqui peut se voir comme un conoyau ou une limite (1.4.17).
Definition 2.1.3. Soient u : A → B ∈ Comm(C), jq : q → A un idéal de A. Alors l’image du morphisme
mB◦ ((u ◦ jq) ⊗ IdB) : q ⊗AB → B est un idéal de B que nous noterons qB.
Lemme 2.1.4. Soient u : A → B ∈ Comm(C), jq : q → A un idéal de A. L’ensemble sous-jacent de l’image du
morphisme u ◦ jq dans A − mod est générateur dans B − mod de qB, i.e. qB est le plus petit idéal de B dont les
ensembles sous-jacents, qk, contiennent les Im(u◦jq)k, k ∈ C0. Autrement dit qB est le plus petit idéal de B contenant
l’image de q au sens de 1.4.13. Preuve
L’idéal qB est définit comme étant la limite des sous objets de Y qui reçoivent q ⊗AB or par adjonction cela revient
à dire qu’ils contiennent l’image de q au sens de 1.4.13. qB est donc le plus petit idéal de B qui contient l’image de q. Avant de démontrer des propriétés sur les idéaux d’un monoïde commutatif A, on va donner les définitions néces- saires à la compréhension de la notion de multiplication par un élément de A (i.e. de ses ensembles sous-jacents). Definition 2.1.5. Soit A ∈ Comm(C), f ∈ Ak et M ∈ A − mod
. On définit τf la multiplication par f dans A comme étant ϕ(f) ∈ HomA−mod(A ⊗ k, A) (cf 1.3.3). Lorsque
k = 1on retrouve bien le cas plus intuitif d’un endomorphisme de A.
. On définit la multiplication par f dans M par le diagramme commutatif suivant M ⊗AA ⊗ k IdM⊗f // rM⊗Idk M ⊗AA rM M ⊗ k τ f // M
Remarquons que l’on peut regarder le diagramme commutatif suivant, où l’on oubli les produit tensoriels au dessous de A. M ⊗ A ⊗ kIdM⊗f // µM⊗Idk M ⊗ A µM M ⊗ k τ f // M et en particulier, τf peut se décomposer
M ⊗ k iA◦r −1 M⊗Idk
// M ⊗ A ⊗ kIdM⊗f // M ⊗ A µM // M
Un phénomène limitatif se produit maintenant. L’ensemble A0 est un monoïde commutatif dans les ensembles, par
contre Ak n’a pas de structure naturelle de monoïde commutatif dans Ens. Ak sera en fait muni d’une structure de
A0-module. Nous avons les lemmes suivant.
Definition 2.1.6. Soit A un monoïde commutatif dans C, on définit l’ensemble des éléments de A par Elt(A) := (`
k∈C0(Ak))/ ∼= Ob((C
i(A)
0 ))/ ∼ (cf def 1.4.3), où la somme est prise dans la catégorie des ensembles et où deux
objets de Ci(A)
0 sont équivalents s’ils sont isomorphes dans C i(A) 0 .
Lemme 2.1.7. Soit A un monoïde commutaitf dans C, alors Elt(A) est un monoïde commutatif dans les ensembles. Le produit est donné par
: f, g ∈ Ak× Ak0 → mA◦ f ⊗ g ∈ Ak⊗k0. Preuve
Il est clair que cela définit bien une loi de monoïde. LA commutativité de cette loi vient du fait que l’on à quotienter par les isomorphisme de CI(A)
0 et donc en particulier par les isomorphsimes structurels de symmétrie de C de la forme
S(k, k0).
Lemme 2.1.8. Soit A ∈ Comm(C) alors A0 est muni d’une structure de monoïde commutatif dans Ens et le mor-
phisme d’adjonction ϕ : A0→ EndA−mod(A)est un morphisme de monoïde commutatif dans Ens.
Preuve
On définit un morphisme unité pour A0par (iA)0. Soit f, g ∈ A0. On montre maintenant que ϕ est un morphisme de
monoïde, ce qui prouvera que les deux morphismes structurels que nous venons de définit pour A0 forment bien une
structure de monoïde sur A0. Il est clair que ϕ((iA)0) = IdA. Il faut prouver ϕ(f g) = ϕ(f) ◦ ϕ(g).
Rappelons que ϕ(f) = ma◦ (Ida⊗ f ). On peut donc faire les décompositions suivantes:
ϕ(f g) = A (IdA⊗r −1 1 )◦r −1 A // A ⊗ 1 ⊗ 1IdA⊗f ⊗g// A ⊗ A ⊗ AIdA⊗mA// A ⊗ A mA // A ϕ(f ) ◦ ϕ(g) = A r −1 A // A ⊗ 1 IdA⊗g// A ⊗ A mA // A r−1A Aoo mA A ⊗ AIdoo A⊗f A ⊗ 1 Or on a IdA⊗ r1−1= r −1 A ⊗ Id1 et mA◦ (IdA⊗ mA) = mA◦ (mA⊗ IdA) Soit ϕ(f g) = A (r −1 A ⊗Id1)◦r−1A// A ⊗ 1 ⊗ 1IdA⊗f ⊗g// A ⊗ A ⊗ AmA⊗IdA// A ⊗ A mA // A Soit ϕ(f g) = A r −1 A // A ⊗ 1 (mA◦(IdA⊗f )◦r−1A )⊗g// A ⊗ A mA // A or mA◦ (IdA⊗ f ) ◦ r−1A = ϕ(f ) on a donc ϕ(f g) = A r −1 A // A ⊗ 1 (ϕ(f )◦IdA)⊗(IdA◦g) // A ⊗ A mA // A qui donne ϕ(f g) = a r −1 A // A ⊗ 1 IdA⊗g// A ⊗ Aϕ(f )⊗IdA // A ⊗ A mA // A et ϕ(f) ∈ A − mod donc mA◦ (ϕ(f ) ⊗ IdA) = ϕ(f ) ◦ mA donc ϕ(f g) = A r −1 A // A ⊗ 1IdA⊗g// A ⊗ a mA // A ϕ(f ) // A Soit finalement ϕ(f g) = ϕ(f) ◦ ϕ(g). Les multiplications vérifient des propriétés analogues au cas plus classique où C = Z − mod. On a en particulier le lemme suivant
Lemme 2.1.9. Soient A ∈ Comm(C), M, N ∈ A − mod et u ∈ HomC(M, N ). Alors u ∈ A − mod si et seulement si il commute aux multiplications τf, f ∈ `k∈C0Ak au sens où τf◦ (u ⊗ Idk) = u ◦ τf. De plus, si (−)0 est conservatif, la commutativité par rapport aux éléments de A suffit.
Preuve
Supposons que u ∈ A − mod, alors les diagrammes suivant sont commutatifs
M ⊗ A ⊗ k µM⊗Idk IdM⊗ϕ(f ) // M ⊗ A µM u⊗IdA// N ⊗ A µN M ⊗ k τ f // M u // N M ⊗ A ⊗ k µM⊗Idk u⊗IdA⊗k // N ⊗ A ⊗ k µN⊗Idk IdN⊗ϕ(f ) // N ⊗ A µN M ⊗ k u⊗Idk // M ⊗ k τf // N
Clairement (IdN⊗ ϕ(f )) ◦ (u ⊗ IdA) = (u ⊗ IdA) ◦ (IdM⊗ ϕ(f )). On obtient donc que µM⊗ Idk égalise les morphismes
τf ◦ (u ⊗ Idk) et u ◦ τf. Or µM ⊗ Idk est l’image de l’épimorphisme µM par le foncteur − ⊗ k qui préserve les
épimorphismes. En effet, si X → Y est un épimorphisme de C, on a pour tout Z HomC(Y, Z) ,→ HomC(X, Z) et donc
HomC(Y ⊗ k, Z) w HomC(Y, HomC(k, Z)) ,→ HomC(X, HomC(k, Z)) w HomC(X ⊗ k, Z) Soit µM ⊗ Idk est un épimorphisme et les morphismes égalisés par µM ⊗ Idk sont égaux.
Réciproquement, il faut montrer u ◦ µM = µN◦ (u ⊗ IdA)or pour tout f ∈ Ak, u ◦ µM ◦ (IdM ⊗ f ) = µN ◦ (u ⊗
IdA) ◦ (IdM⊗ f ). La famille `k∈C0Ak est épimorphique, donc la famille image de cette famille par M ⊗ − l’est aussi, pour la même raison que précédemment. D’où l’égalité voulue.
Si maintenant on suppose (−)0 conservatif, d’après 1.4.28, A0 est une famille génératrice de A. Toujours d’après
1.4.28, il s’agit d’un famille de morphismes épimorphique de but A. On peut alors reprendre la démonstration ci-dessus en se restreignant à cette famille.
Les multiplications sont enfin compatibles avec les idéaux, on a les propriétés suivantes
Proprietes 2.1.10. Soit A ∈ Comm(C) et q ∈ I(A) - On a un morphisme injectif (jq)k: qk → Ak.
- Si f ∈ qk⊂ Ak alors τf se factorise par jq : q → A.
- Soit f, g ∈ A0× Ak, alors Im(f g) w Im(f|Im(g))
Preuve
Le premier point est immédiat. Le second vient du fait que ϕ(jq◦ f ) = jq◦ ϕ(f ). Le troisième découle directement de
la propriété universelle de l’image (en tant que limite).
On redémontre alors des résultats classiques.
Proposition 2.1.11. Soit A ∈ Comm(C) et q un idéal de A contenant un élément inversible f ∈ A0. Alors q w A
Preuve
Le morphisme ϕ(f) est donc un automorphisme de A-module de A qui se factorise par jq d’après la propriété 2 de
2.1.10. Le morphisme jq est donc un monomorphisme et un épimorphisme scindé, soit un isomorphisme par 1.1.6.
Lemme 2.1.12. Soit u : A → B ∈ Comm(C) tel que B est plat sur A et q un idéal de A. Alors qB w q ⊗AB.
Preuve
Notons ϕAl’adjonction entre q ⊗A−et l’oubli. Le foncteur − ⊗AB étant exact, il préserve les monomorphismes. Par
conséquent jq⊗AIdB est un monomorphisme. Il est donc isomorphe à son image (1.4.15).