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La droite affine priv´ ee d’un nombre fini de points

Dans le document des sch´ emas (Page 98-109)

Soit R un anneau int`egre de caract´eristique arbitraire et notons Q son corps de fractions. Pour tout sous-ensemble finiF ={x1, . . . , xr}de R, on d´esigne par SF le syst`eme multiplicatif deR[X] des ´el´ements de la forme (X−x1)m1· · ·(X xr)mr avec miN. On note A:=SF1R[X].

1) Notonsζ =r

i=1(X−xi). Comme l’inversibilit´e des ´el´ements deSF ´equivaut

`

a l’inversibilit´e de ζ, on aR[X]ζ ≡SF1R[X]. En particulier, Spec(A) est iso-morphe en tant que sch´ema `a l’ouvert principal D(ζ) Spec(R[X]) =A1R. Le compl´ementaire de D(ζ) est l’ensemble des id´eaux premiers de R[X] qui contiennent l’un quelconque des (X−xi).

Lorsque R est un corps, les id´eaux X−xi sont maximaux et D(ζ) est alors le compl´ementaire dansA1R d’un ensemble fini qui s’identifie canonique-ment `a F.

2) Comme Spec(A) est ouvert dansA1R au-dessus deR, il est lisse de mˆeme di-mension relative que A1R. D’autre part, l’´equivalence AR[X, Z]/Zζ−1 montre que A est intersection transverse puisque R[X, Z] =Zζ−1, ζ, Zζ (cf. lemme4.5.3).

3) La localisation commute au foncteur Ω, par cons´equent : ΩA/RR[X]ζR[X]R[X]/RAdX

et leA-module ΩA/R est libre de rang 1. On a donc ΩiA/R= i

RA/R= 0 pour tout i > 1. Le complexe de de Rham

A/R, dA/R

est par cons´equent

r´eduit `a deux termes et un morphisme :

0A−−−−−d−→−−AdX 0

D’autre part, comme A est une alg`ebre de fractions de R[X], la diff´ eren-tielle dA/R est enti`erement d´etermin´ee par la diff´erentielle dR[X]/R et l’on a la formule bien connue :

d

P(X)/ζm

= P(X)ζm−P(X)m ζm1

ζ2m dX .

4) Pour chaque f QRA il existeune et une seulefamille {Pf(X), c(f)i,m} v´erifiant :

f =Pf(X) + r

i=1

m∈N\{0}

c(f)i,m

(X−xi)m, avec Pf(X)Q[X] et c(f)i,mQ.

Existence.Il suffit de le prouver pour f de la forme :

f = P(X)

(X−x1)m1. . .(X−xr)mr, avec d(P(X))<r i=1mi. On proc`ede par induction sur m=

mi.

Lorsque m <2 on n’a rien `a prouver. Dans le cas g´en´eral l’un des mi sera non nul, supposons que ce soit m1. On ´ecrit alors P(X) = Q(X)(X−x1) + P(x1) d’o`u l’´egalit´e :

f = Q(X)(X−x1) +P(x1) (X−x1)m1. . .(X−xr)mr =

= Q(X)

(X−x1)m11. . .(X−xr)mr + P(x1)

(X−x1)m1. . .(X−xr)mr

o`u le premier terme admet, par l’hypoth`ese inductive, une d´ecomposition du type cherch´e. Pour le second terme, il suffit de supposer P(x) = 1 et nous sommes amen´es `a ´etudier les expressions de la forme :

1

(X−x1)m1. . .(X−xr)mr () o`u il existe au moins deux mi non nuls. Or, comme les xi−xj sont non nuls dans Q puisque R est int`egre, on a les d´ecompositions :

1

(X−xi)(X−xj) = (xi−xj)1 X−xi

+(xj−xi)1 X−xj

qui ram`enent les expressions () `a d’autres dans la port´ee de l’hypoth`ese inductive.

Unicit´e.Elle revient `a prouver que si l’on a : 0 =P(X) +

r i=1

m∈N\{0}

ci,m

(X−xi)m,

avec P(X)Q[X] et ci,mQ, alors P(X) = 0 et ci,m= 0 pour tous i, m. Ceci r´esulte d’arguments ´el´ementaires que nous ne d´etaillons pas.

Ceci ´etant, l’application :

I :QRA−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→−Qr f −−−−−−−−−−−−−−−−−−−→−

c(f)1,1, . . . , c(f)r,1

est une surjection lin´eaire. En effet, la lin´earit´e r´esulte de l’unicit´e des d´ e-compositions (4) et la surjectivit´e est ´evidente puisque I : 1/(X−xi) ei

pour tout i= 1, . . . , r.

5) L’application I induit une surjection de QRHDR1 (A/R) sur Qr qui est bi-jective lorsque R est de caract´eristique nulle, mais elle poss`ede un noyau de dimension infinie autrement.

En effet, comme QRA/R = QRAdX, nous d´efinissons I : QR

A/R Qr par I(f dX) = I(f). De plus, pour tout f QRA on a d’apr`es (3) et (4) :

(1⊗d)(f) =Pf(X) r

i=1

m∈N\{0}

m c(f)i,m

(X−xi)m+1, () de sorte que I ◦d = 0, puisque les d´ecompositions en termes simples des images de 1⊗d ne font intervenir aucun des termes 1/(X−xi).

La surjection I :QRA/R Qr d´efinit donc, par passage au quotient, une surjection :

QRHDR1 (A/R) = QRA/R im(1⊗d)

−−−−−−−−−−I−−−−−−−−−−Qr

o`u l’´egalit´e est justifi´ee par l’exactitude du foncteur (de localisation)QR( ).

Lorsque Q est de caract´eristique nulle, on construit facilement une pri-mitive pour tout f ker(I) et I est bien un isomorphisme. Par contre, en caract´eristique positivepil n’y a pas de primitive pour les ´el´ements de ker(I)

de la forme

c1Xp1+c2Xp21+· · ·+cmXpm1

et ceci quels que soient m N\{0} et c1, . . . , cmQ non tous nuls. En par-ticulier, ces ´el´ements sont non cohomologues et constituent un sous-espace vectoriel de dimension infinie de QRHDR1 (A/R).

6) On aQRHDR0 (A/R) = ker(1⊗d). En caract´eristique 0 l’´egalit´e () montre que ker(1⊗d) = Q. En caract´eristique positive p, on a Xpα ker(1⊗d) pour tout α∈N\{0} et ker(1⊗d) est de dimension infinie.

7) Dans cette partie R:=Fp.

On note ν : Zp Zp/p =: Fp la projection canonique de l’anneau des entiers p-adiques sur son corps r´esiduel. Pour toute partie finie G de Zp qui rel`eve F,i.e.telle que ν(G) =F, on note BG:=SG1Zp[X].

a) La r´eduction modulo pd’une Zp-alg`ebreAest laFp-alg`ebre FpZpA. On a donc :

FpZpBGFpZpSG1Zp[X]≡Sν(G)1 Fp[X] =A. et BG est uneZp-alg`ebre lisse qui rel`eve la Fp-alg`ebre lisse A.

b) Les alg`ebres BGrentrent dans le cadre de la question (6), par cons´equent dimQp(QpZpHDR1 (BG)) = #G. Comme les nombres de Betti sont des in-variants pour les Zp-alg`ebres (de type fini), on conclut que BG1BG2 d`es que #G1= #G2.

Cette question montre que laFp-alg`ebre lisse A admet des rel`evements Zp-lisses non isomorphes (cf. rappel 5.4.16).

c) Pour toute inclusion d’ensembles G1G2, l’inclusion SG1⊆SG2 donne le morphisme d’alg`ebres canonique habituel h(G2,G1) :BG1=SG11Zp[X] SG12Zp[X] =BG2.

c-i) D’apr`es les questions questions (1) et (2) on a des isomorphisme : ξ(G) :BG−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→− Zp[X, Z]

Z

yG(X−y)−1· v´erifiant :

ξ(G)

P(X)

yG(X−y)m

=P(X)Zm.

c-ii) SoientX :=ξ(G2)◦h(G2,G1)◦ξ(G1)1(X) etZ :=ξ(G2)◦h(G2,G1) ξ(G1)1(Z). On a X =X et Z =Z

yG2\G1(X−y). En effet, Z re-pr´esente l’inverse de

yG1(X−y) dans BG1 tandis qu’il repr´esente l’inverse de

yG2(X−y) dans BG2.

c-iii) Pour chaque alg`ebre BG, on note BG sa compl´etion pour la topo-logie p-adique. La compos´ee ξ(G2)◦h(G2,G1)◦ξ(G1)1 induit une bijectionentre les compl´etions p-adiques :

BG1 Zp[X, Z] Remarque. Cette d´emonstration prouve que la mˆeme conclusion est vrai pour tous G1G2Zp[X] v´erifiant ν(Gi) =F.

c-iv) Les alg`ebresBGsont deux-`a-deux isomorphes puisque pourG1etG2

donn´es, on a les isomorphisme de (c-iii) : BG1BG1G2BG2. Con-clusion qui corrobore par le calcul l’assertion (a) du th´eor`eme 5.4.5.

8) Dans cette derni`ere question on choisit R := C et U C l’ouvert com-pl´ementaire d’un ensemble fini de nombres complexes F C. On consid`ere U(C) muni de la topologie transcendante induite par celle de C. Les nombres de Betti de la cohomologie de de Rham des formes diff´erentielles r´eelles de classe C sur U(C) et `a coefficients dans C se d´eterminent `a l’aide de la suite exacte longue de cohomologie `a support compact associ´ee au triplet U(C)CF(C), puis la dualit´e de Poincar´e.

La suite exacte en question en degr´es 0,1 est :

HDR,c0 (U;C)→HDR,c0 (C;C)→HDR0 (F;C)→HDR,c1 (U;C)→HDR,c1 (C;C)→HDR1 (F;C) o`u les derni`eres ´egalit´es r´esultent de la dualit´e de Poincar´e.

6.2 `A propos du compl´ementaire d’une hypersurface lisse de PnC Soit X PnC une hypersurfaceirr´eductible et lissed´efinie par un polynˆome f C[X0, . . . , Xn] homog`ene de degr´e d. On note U P1C l’ouvert compl´ emen-taire de X. Comme f est homog`ene l’anneau C[X0, . . . , Xn][1/f] est gradu´e sur Z, ses ´el´ements homog`enes de degr´e z´ero constituent alors un sous-anneau not´e R[U] :=C[X0, . . . , Xn][1/f]0. Le sch´ema U est isomorphe `a Spec(R[U]).

Rappelons rapidement la d´emonstration de ce r´esultat dans le langage des sch´emas.

Pour tout anneau commutatif R, le compl´ementaire d’une hypersurface Y de PnR est isomorphe au sch´ema affine Spec

R[X0, . . . , Xn][1/f]0

o`u f d´esigne le polynˆome homog`ene qui d´efinitY.

D´emonstration : On note d=d0(f) et nous allons supposer que f n’est divi-sible par aucun des Xi, ce qui est toujours possible quitte `a faire un changement lin´eaire des variables {X0, . . . , Xn}. Une remarque fondamentale apparaˆıt dans les diagrammes suivants qui d´ependent de i= 0, . . . , n:

R[X0, . . . , Xn][1/f]0−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−ι−−−−−−−−−−−−−−−−−→− R[X0, . . . , Xn][1/f]

ν



π R[X0, . . . , Xn][1/f]0!

f /Xid" ι

R[X0, . . . , Xn][1/f] Xi1

La premi`ere ligne est l’injection canonique et l’on montre ais´ement que l’id´eal Xi1 de l’anneau R[X0, . . . , Xn][1/f] ne contient aucune fraction homog`ene de degr´e 0. Par cons´equent la compos´ee π◦ι est injective. Mais (π◦ι)(Xid/f) est inversible et π◦ιse factorise `a traversν en une injection ι qui est surjective puisque :

Xid1Xj

f f Xid

−−−−−−−−−−−−ι−−−−−−−→−Xj

On remarque ensuite que les anneaux R[X0, . . . , Xn][1/f]/Xi1 sont pr´ e-cis´ement les anneaux OU(U Ui) o`u Ui d´esigne le compl´ementaire dans PnR

de l’hypersurface {Xi = 0}. L’application ι d´efinit donc un homomorphisme d’anneaux R[X0, . . . , Xn][1/f]0→OU(U) qui est un isomorphisme local. On en d´eduit une application

σ:U Spec

R[X0, . . . , Xn][1/f]0

dont les restrictions aux ouverts U ∩Ui sont des plongements ouverts de sch´ e-mas, en particulier σ est continue.

Pour l’´etude de l’application ensembliste σ nous pouvons supposer que l’an-neau R est r´eduit.

La surjectivit´e de σ r´esulte de l’´egalit´e 3

i

σ(U ∩Ui) = Spec

R[X0, . . . , Xn][1/f]0 .

Comme on a σ(U Ui) = D(Xid/f), il suffit de montrer que 1 appartient `a l’id´eal X0d/f, . . . , Xnd/f de R[X0, . . . , Xn][1/f]0 ce qui est une cons´equence du fait que fd∈ X0d, . . . , XndR[X0, . . . , Xn].

Enfin, l’injectivit´e de σ r´esulte de ce que pour tous u1, u2U avecu1=u2, il existeg∈R[X0, . . . , Xn][1/f]0tel queg(u1)=g(u2). Or, commeU PnRon sait qu’il existe un polynˆome homog`ene g R[X0, . . . , Xn] tel que g(u1) =g(u2).

Soit d =d(g) alorsg:= (g)d/fd r´epond `a la question.

1) La C-alg`ebre R[U] est de type fini puisqu’elle est clairement engendr´ee par les monˆomes X0m1· · ·Xnmn/f avec

mi= d et comme U est un ouvert de PnC,R[U] est en plus lisse de dimension relative n.

2) Finitude des nombres de Betti dimC

HDRi (U/C) .

C’est un th´eor`eme que les nombres de Betti des vari´et´es lisses sur un corps de caract´eristique nulle sont finis ; il a ´et´e d´emontr´e pour la premi`ere fois sur le corps des nombres complexes par A. Grothendieck dans son article “On the de Rham cohomology of algebraic varieties” (IHES ; Publications Ma-th´ematiques,29, 351–359, 1966). Nous n’avons pas d´emontr´e ce th´eor`eme dans le cours mais le th´eor`eme de comparaison de Grothendieck donne des isomorphismes canoniques HDRi (U/C) HDRi (U(C)) et la dualit´e de Poin-car´e montre que dimC(HDRi (U(C))) = dimC(HDR,c2ni(U(C))) de sorte que la finitude des nombre de Betti r´esultera de la finitude de la cohomologie de de Rham `a support compact de U(C) ce qui est expliqu´e dans la question suivante.

3) On consid`ere PnC(C), U(C) et X(C) munis de la topologie transcendante.

Les dimensions des espaces HDR,ci (U(C)), HDRi (PnC(C)) et HDRi (X(C)) est fi-nie puisque la finitude des nombres de Betti des vari´et´es PnC(C) et de X(C) r´esulte de leur compacit´e et celle des nombres de Betti de U(C), du fait que les HDR,ci (U(C)) sont dans la suite exacte longue de cohomologie `a support compact associ´ee au triplet U(C)PnC(C)X(C).

4) Le but de cette question est de montrer que HDRr (U/C) = 0 pour tout r ∈ {0, n}.

a) Annulation des HDRn+i(U(C)) lorsque i >0 et

HDRni(PnC(C))≡HDRni(X(C)), pour tout i2 ; HDRn1(PnC(C))⊆HDRn1(X(C)).

CommeU est (lisse) de dimensionnle complexe de de Rham alg´ebrique ΩU/C est concentr´e en degr´es [0, . . . , n] et donc HDRj (U/C) = 0 pour tout j > n. D’autre part, le th´eor`eme de comparaison de Grothendieck nous dit pr´ecis´ement que puisque U est affine la cohomologie du complexe de de Rham alg´ebrique s’identifie canoniquement `a la cohomologie du faisceau constant CU(C) qui est, `a son tour, canoniquement isomorphe `a la cohomo-logie du complexe de de Rham diff´erentiable `a coefficients dans C d’apr`es le th´eor`eme de comparaison de de Rham.

On a donc HDRn+j(U(C)) = 0 pour tout j >0, et alors HDR,cnj(U(C)) = 0 pour tout j >0, par dualit´e de Poincar´e. Lorsque l’on reporte cette infor-mation dans la suite exacte longue de cohomologie `a support compact :

→HDR,cn2(U)→HDRn2(PnC)→HDRn2(X)→HDR,cn1(U)→HDRn1(PnC)→HDRn1(X)→HDR,cn (U)

0 0 ?

on obtient le r´esultat cherch´e.

b) L’anneauHDR (PnC(C)) est isomorphe en tant qu’alg`ebre gradu´ee `aC[T]/Tn o`u T est consid´er´e de degr´e 2. Soit ω HDR2 (PnC) non nul et notons sa restriction `a X. Le th´eor`eme de Lefschetz «difficile» affirme dans notre cas (X(C) est lisse) que l’application L(i) : HDR(n1)i(X(C)) HDR(n1)+i(X(C)) qui fait correspondreµ→i∧µ, est unisomorphisme pour tout i >0.

A l’aide de ce th´eor`eme et des r´esultats pr´ec´edents on prouve : HDRr (U/C) =0, pour tout 0< r < n.

En effet, par le th´eor`eme de comparaison de Grothendieck et la dualit´e de Poincar´e, il revient au mˆeme de montrer que HDR,cr (U(C)) = 0, pour tout n < r <2n.

Pour chaque i >0 on a :

HDR(n1)i(PnC(C)) L(T

i)

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→−HDR(n1)+i(PnC(C))



 HDR(n1)i(X(C)) L(

i)

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→− HDR(n1)+i(X(C))

Le morphisme de la premi`ere ligne r´esulte de la structure d’anneau de HDR (PnC) rappel´ee dans l’´enonc´e. Puis, les morphismes verticaux sont don-n´es par la restriction de classes de cohomologie et la question pr´ec´edente a montr´e la bijectivit´e de celui de gauche. Enfin l’isomorphisme de la seconde ligne est celui du th´eor`eme de Lefschetz. La commutativit´e du diagramme r´esulte du fait que le morphisme de restriction est un morphisme de C -alg`ebres et que l’isomorphisme HDR2 (PnC) HDR2 (X) permet de supposer que la restriction de T `a X est la classe . Les restrictions

HDRn+i(PnC(C))→HDRn+i(X(C))

sont donc des isomorphisme pour tout i0, et lorsque l’on reporte cette information dans la suite exacte longue de cohomologie `a support com-pact :

HDR,cn (U)→HDRn (PnC)→HDRn (X)→HDR,cn+1(U)→HDRn+1(PnC)→HDRn+1(X)→HDR,cn+2(U)

? 0 0 0

qui termine par :

→HDR,c2n1(U)→HDR2n1(PnC)→HDR2n1(X)→HDR,c2n (U)→HDR2n(PnC)→HDR2n(X)0

0 0 0 C C 0

o`u le ‘0’ se justifie par une simple raison de dimension : dimR(X) = 2(n1), on obtient le r´esultat demand´e.

§7. R´ef´erences bibliographiques

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[BLR] S. Bosh, W. L¨utkebohmert, M. Raynaud. “N´eron Models” ; Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 3. Folge–Band21(1980).

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[EGA4,4] . “El´´ements de g´eom´etrie alg´ebrique-IV” ; ´Etude locale des sch´emas et des morphismes de sch´emas. Quatri`eme partie. Publications ma-th´ematiques de l’I.H.E.S.32, (1967).

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Hermann (1962).

Index terminologique des s´eries formelles, 19,82 des vecteurs de Witt, 84

au sens des alg`ebres compl`etes, 82 au voisinage ´etale pr`es, 78 intersection compl`ete, 54

tensoriel d’alg`ebres, 10, 11,29 propri´et´e de rel`evement, 60 rel`evement

voisinage ´etale, 60 Witt (vecteurs de), 83

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Alberto Arabia CNRS

Institut de Math´ematiques de Jussieu Th´eorie des Groupes

Mercredi 16 mars 2003

Dans le document des sch´ emas (Page 98-109)