d’un faisceau inversible 71
o`u L
td´esigne la restriction de L `a la fibre P
nκ(t)
. Nous allons montrer que la fonction
deg
Lest localement constante sur T. SoientL et M deux faisceaux inversibles sur P
nT
et soient λ,µ, lesT-points de PicX/S associ´es. On forme le produit fibr´e :
U
T
(λ,µ)
PicX/S
∆PicX/S×
SPicX/S.
Vu que PicX/S est non ramifi´e, la diagonale ∆ est une immersion ouverte si bien queU est
un ouvert deT. Par ailleurs, il est clair qu’un pointxdeT appartient `aU si et seulement
si deg
L(x) et deg
M(x) sont ´egaux. On en d´eduit facilement que deg
Lest localement
constante surT.
On peut donc d´efinir un morphisme
degr´e
deg : PicX/S Z
qui `a un faisceau inversibleL associe deg
L. Il est clair que ce morphisme est l’inverse de
ϕ.
Enfin pour d´eterminer le champ de Picard deX on peut appliquer (1.3.8) et l’on voit
qu’il est isomorphe `aZ×BG
m.Pic(P
nZ
/SpecZ)≃Z×BG
m5.2 Racine ni`eme d’un faisceau inversible
Passons maintenant `a un exemple un peu plus ´elabor´e. Soient X unS-sch´ema et L
un faisceau inversible surX. Soitn un entier strictement positif. On fabrique un champ
[L
n1] `a partir de ces donn´ees de la mani`ere suivante. SiU est un objet de (Aff/S), [L
n1]U
est la cat´egorie des triplets (x,M, ϕ) o`u
x:U X est un ´el´ement deX(U)
M est un faisceau inversible sur U
ϕ:M
⊗nx
∗L est un isomorphisme de faisceaux inversibles.
L’ensemble des morphismes de (x,M, ϕ) vers (x
′,M
′, ϕ
′) est vide six6=x
′, et sinon c’est
l’ensemble des isomorphismesψ:M M
′tels queψ
⊗nsoit compatible avecϕetϕ
′.
Remarquons que nous avons un morphisme canoniqueπ: [L
1n] X. Si l’on regarde
[L
n1] comme un groupo¨ıde sur X, alors pour tout U ∈ ob (Aff/X), la cat´egorie fibre
[L
n1]U est simplement la cat´egorie des couples (M, ϕ).
Si U ∈ ob (Aff/S) et si α est un objet de [L
1n]U, un calcul rapide montre que le
foncteurAut
U(α) est repr´esentable parµ
n. Plus g´en´eralement, siα
1, α
2sont deux objets
de [L
1n]U, alors le foncteur Isom(α
1, α
2) est repr´esentable par un sch´ema fini surU
(localement ce sch´ema est de la forme Spec (A[X]/(X
n−γ)) o`u SpecAest un ouvert de
U qui trivialise les objets α
1et α
2et γ est un ´el´ement de A
×). En d’autres termes le
morphisme diagonal
∆π: [L
n1] [L
n1]×
X[L
1n]
est sch´ematique et fini. En particulier [L
n1] est unS-pr´echamp. Il est clair que c’est mˆeme
unS-champ.
Remarque 5.2.1 Si f : Y X est un morphisme de S-sch´emas, alors le S-champ
[L
n1]×
XY est canoniquement 1-isomorphe `a [(f
∗L)
n1] (´evident).
Proposition 5.2.2 Le champ[L
1n]est une gerbefppfsurX. SiS est unZ[
1n
]-sch´ema,
alors [L
n1] est mˆeme une gerbe ´etale surX.
D´emonstration.Il est clair que [L
n1] a des objets partout localement pour la topologie
de Zariski, puisque pour tout U le faisceauO
Ua une racinen
i`eme´evidente. A fortiori π
est un ´epimorphisme (au sens que l’on veut, ´etale oufppf).
Montrons que le morphisme diagonal est un ´epimorphismefppf, et que c’est mˆeme un
´epimorphisme ´etale lorsquenest inversible. SoientU ∈ob (Aff/S) etx∈X(U). Il s’agit de
montrer que deux objets quelconques de [L
n1]U au-dessus dexsont isomorphes localement
pour la topologiefppf (resp. ´etale). Quitte `a localiser pour la topologie de Zariski, on peut
supposer que les faisceaux sous-jacents `aα
1etα
2sont triviaux. La question revient alors `a
montrer que tout ´el´ement deG
m(U) admet une racinen
i`emelocalement pour la topologie
consid´er´ee. Soit γ∈G
m(U). On noteU = SpecAetB=A[X]/(X
n−γ). Il est clair que
Best fini et plat surA. D’apr`es le going-up theorem, le morphisme SpecB SpecAest
surjectif, donc c’est une famille couvrante pour la topologiefppf qui r´epond au probl`eme
pos´e. Si de plus nest inversible alors c’est mˆeme une famille couvrante pour la topologie
´etale.
Proposition 5.2.3 SiL a une racinen
i`emesurX, i.e. s’il existe un faisceau inversible
M sur X tel que M
⊗nsoit isomorphe `a L, alors [L
n1] est canoniquement (une fois
qu’on a fix´eM et un isomorphisme entreM
⊗netL) 1-isomorphe au champ classifiant
(Bµ
n)fppfdu groupe µ
npour la topologie fppf. En particulier c’est un champ alg´ebrique
([38] (10.6) et (10.13.1)).
Remarque 5.2.4 Si nest inversible, alorsµ
nest ´etale et les champs (Bµ
n)fppfet Bµ
nco¨ıncident ([38] (9.6)). Dans ce cas ce sont des champs de Deligne-Mumford. Notons que si
nn’est pas inversible, alorsµ
nn’est pas lisse, et le champ Bµ
nqui classifie lesµ
n-torseurs´etales n’a aucune raisona priori d’ˆetre alg´ebrique.
D´emonstration.La donn´ee d’un faisceau inversibleM surX et d’un isomorphisme
ϕ: M
⊗n ∼L
d´efinit une sections:X [L
n1] du morphisme structuralπ. Donc la gerbefppf [L
n1]
surX est une gerbe neutre (au sens de [38] (3.20)). Le r´esultat d´ecoule donc de l’analogue
fppf de [38] (3.21).
Remarque 5.2.5 On a d´ej`a vu que [L
1n] est un S-champ fppf, donc a fortiori un S
-champ (´etale), et que sa diagonale est repr´esentable, s´epar´ee, et quasi-compacte (puisque
∆π est sch´ematique et fini et que le morphisme [L
n1]×
X[L
n1] [L
n1]×
S[L
n1],
obtenu par changement de base `a partir de la diagonale deX/S, est une immersion
quasi-compacte). Soit X
′X une famille couvrante (pour la topologie de Zariski) telle que
L
|X′soit trivial. Alors d’apr`es la proposition pr´ec´edente et la remarque (5.2.1), on a un
diagramme 2-cart´esien
(Bµ
n)fppf[L
n1]
X
′X
5.2 Racine n
i`emed’un faisceau inversible 73
Remarque 5.2.6 On suppose queS est unZ[
1n
]-sch´ema et queX est noeth´erien. Alors
π est propre, lisse, de pr´esentation finie, et cohomologiquement plat en dimension z´ero.
En particulier siX/S v´erifie ces propri´et´es, le morphisme [L
n1] S les v´erifie aussi.
Calcul du groupe de Picard de [L
1n]
Lemme 5.2.7 SoientX un sch´ema et Aun sch´ema en groupes commutatifs surX. Soit
F un faisceau inversible sur une A-gerbe (fppf) π :X X. Il existe un unique X
-morphisme de sch´emas en groupes
χ
F:A G
mtel que l’action naturelle de A sur F soit induite parχ
Fet par la multiplication F ×
G
mF induite par la structure de O
X-module de F, autrement dit tel que le
dia-gramme suivant soit commutatif :
A×F
F
G
m×F
D´emonstration. Un faisceau inversible sur la gerbe X est la donn´ee, pour tout x ∈
obX
U, d’un faisceau inversibleF
xsurU, et pour tout morphismeϕ:x x
′dansX,
d’un isomorphisme
L
F(ϕ) :F
xπ(ϕ)
∗F
x′ces isomorphismes v´erifiant de plus une condition de compatibilit´e ´evidente.
Construisons d’abordχ
F(U) pour unU ∈ob (Aff/X) sur lequelX a des objets. Soit
x ∈obX
Uet soitg ∈ A(U). Via l’identification entre A(U) et Aut(x), g correspond `a
un automorphisme ϕ de x, et induit de ce fait un automorphisme L
F(ϕ) de F
x. Cetautomorphisme correspond `a la multiplication par un unique ´el´ement deG
m(U), que l’on
note pour l’instantχ
F(U)(x, g). Maintenant sixetx
′sont deux objets deX
U, on v´erifie
facilement que χ
F(U)(x, g) = χ
F(U)(x
′, g) en utilisant la condition de compatibilit´e
entre les L
F(ϕ), le fait quexet x
′sont localement isomorphes pour la topologiefppf et
le fait que G
mest un faisceau pour cette mˆeme topologie. D’o`u le morphismeχ
F(U) :
A(U) G
m(U). Il est clair, vu sa construction, que ce morphisme est d´etermin´e de
mani`ere unique par les actions naturelles deAet de G
msurF.
´
Etant donn´e que X a des objets partout localement pour la topologie fppf, cette
collection de morphismes se prolonge de mani`ere unique en un caract`ereχ
FdeAv´erifiant
les propri´et´es annonc´ees.
Remarque 5.2.8 Siχest un caract`ere fix´e deA, un faisceau inversibleF surX est un
faisceauχ-tordu de degr´ed(au sens de Lieblich, [40] 2.1.2.2) si et seulement siχ
F=χ
d.
Propri´et´es 5.2.9 (1) La construction de χ
Fest compatible au changement de base
en un sens ´evident.
(2) SiF etG sont des faisceaux inversibles sur X, alors
χ
F⊗G=χ
F.χ
G.
D´emonstration. La premi`ere propri´et´e est ´evidente : il suffit de l’´ecrire. La deuxi`eme
r´esulte imm´ediatement du fait que si l’automorphismeL
F(ϕ) (resp.L
G(ϕ)) deF
x(resp.
G
x) est la multiplication parχ
F(ϕ) (resp.χ
G(ϕ)), alors l’automorphismeL
F(ϕ)⊗L
G(ϕ)
deF
x⊗G
xest la multiplication parχ
F(ϕ).χ
G(ϕ). Montrons maintenant le dernier point.
Supposons tout d’abord que F soit isomorphe `a un faisceau de la forme π
∗M, o`u
M est un faisceau inversible sur X. Il est clair que χ
Fest ´egal `a χ
π∗Mdonc il suffit
de montrer que χ
π∗Mest trivial, c’est-`a-dire que pour tout objet xde X et pour tout
automorphismeϕdex, l’automorphismeL
π∗M(ϕ) de (π
∗M)xest l’identit´e. C’est ´evident
par construction de l’image inverse.
R´eciproquement, supposonsχ
Ftrivial, i.e. supposons que pour tout objetxdeX et
tout automorphismeϕdex, L
F(ϕ) soit l’identit´e deF
x. En utilisant le lemme (1.2.2.7)on voit que provenir de la base est une question locale sur X pour la topologie fppf.
On peut donc supposer, grˆace `a la propri´et´e (1) ci-dessus, que X est une gerbe neutre,
c’est-`a-dire que le morphisme structuralπ:X X a une sections:X X.
On va alors montrer que F est isomorphe `a π
∗s
∗F. Le faisceau π
∗s
∗F est celui
qui `a tout objet x de X associe F
s(π(x)), les isomorphismes de changement de base´etant simplement les isomorphismes canoniques. Nous allons construire une collection
d’isomorphismesρ
xdeF
xdans F
s(π(x))(pour chaque objetxdeX), compatibles avec
lesL
F(ϕ) et lesL
π∗s∗F(ϕ).
Si xet s(π(x)) sont isomorphes dans X
Uon choisit un isomorphismeϕ de x dans
s(π(x)) et on poseρ
x=L
F(ϕ). Siϕ
1etϕ
2sont deux tels isomorphismes, alors (ϕ
2)−1◦ϕ
1est un automorphisme dex, donc d’apr`es l’hypoth`ese surF on aL
F((ϕ
2)−1◦ϕ
1) = IdFxde sorte que ρ
xest bien d´efini et ne d´epend pas du choix deϕ.
Dans le cas g´en´eral, on sait quexets(π(x)) sont localement isomorphes pour la
topo-logiefppf puisqueX est une gerbe. Vu l’unicit´e dans la construction deρ
xlorsque xest
isomorphe `as(π(x)), il est clair qu’il existe un unique isomorphismeρ
x:F
xF
s(π(x))compatible avec ceux construits dans le cas pr´ec´edent. La collection de tous les ρ
xainsi
construits r´epond au probl`eme pos´e.
Exemple 5.2.10 (groupe de Picard de BG) En utilisant cette construction, on
re-trouve facilement le groupe de Picard du champ classifiant BG, o`u G est unX-sch´ema
en groupes ab´eliens. En effet, le morphisme structural π : BG X a une section,
donc π
∗: Pic(X) Pic(BG) a une r´etraction et en particulier il est injectif. D’apr`es
la proposition pr´ec´edente, l’application F 7→ χ
Finduit un morphisme de groupes de
Pic(BG) dans Gb dont Pic(X) est le noyau. Ce morphisme est naturellement scind´e : si
χ:G G
mest un caract`ere deG, on lui associe la classe du faisceau inversible L(χ)
construit de la mani`ere suivante. Pour toutU ∈ob (Aff/S) et toutG-torseurUe on d´efinit
L(χ)
Uecomme ´etant le faisceau inversible correspondant auG
m-torseur surU obtenu `a
partir de Ue par extension du groupe structural via le caract`ereχ. On a donc une suite
exacte courte scind´ee :
1 Pic(X) Pic(BG) Gb 1
de sorte que Pic(BG) est naturellement isomorphe au produit Pic(X)×Gb.
Dans le cas du champ [L
n1], on a un faisceau inversible
canonique
, que nous
noterons Ω, et que l’on peut construire de la mani`ere suivante. Pour toutU ∈ob (Aff/S) et
tout objetα= (x,M, ϕ) de [L
1n]U, on pose Ωα=M. Les isomorphismes de changement
de base sont d´efinis de mani`ere ´evidente. Il est clair que le caract`ere χ
Ωassoci´e `a Ω est
5.2 Racine n
i`emed’un faisceau inversible 75
simplement l’injection canonique
χ:µ
nG
m.
En particulier, vu que χn’est pas le caract`ere trivial, on peut en d´eduire que le faisceau
Ω ne provient pas de la baseX! Enfin, pour tout objetα= (x,M, ϕ) de [L
1n]U (o`uU ∈
ob (Aff/S)), le faisceau (Ω
⊗n)α, qui n’est autre que M
⊗n, est canoniquement isomorphe
`
a x
∗L (viaϕ!) de sorte que l’on a un isomorphisme canonique
Φ : Ω
⊗n ∼π
∗L .
Nous avons maintenant presque tous les ´el´ements en main pour d´ecrire de mani`ere
com-pl`ete le groupe de Picard de [L
n1]. Nous terminons le travail dans la proposition ci-dessous.
Proposition 5.2.11 On notella classe du faisceauL dansPic(X)etωcelle deΩdans
Pic([L
n1]).
(1) Le morphismeπ
∗: Pic(X) Pic([L
n1]) est injectif, et l’on a une suite exacte
courte :
1 Pic(X) Pic([L
n1]) µc
n1.
(2) Le groupePic([L
n1])est isomorphe au quotient du groupePic(X)×H
0(X,Z)par le
sousH
0(X,Z)-module engendr´e par(l
−1, n)(autrement dit par la relationω
n=l).
D´emonstration.La propri´et´e (5.2.9) (2) montre que l’application F 7→ χ
Finduit un
morphisme de groupes de Pic([L
1n]) dansµc
n. Il est clair que ce morphisme est surjectif,vu que µc
nest isomorphe au groupe H
0(X,Z/nZ), engendr´e par l’injection canonique
χ:µ
nG
m, et queχ=χ
Ω. La propri´et´e (5.2.9) (3) montre que la suite ci-dessus estexacte en Pic([L
n1]). Pour en finir avec le premier point il nous reste donc juste `a montrer
l’injectivit´e deπ
∗.
SoitN un faisceau inversible surX et soitf un isomorphisme deπ
∗N dansO
[Ln1]
.
Il s’agit de montrer que N est trivial. L’isomorphisme f est donn´e par une collection
d’isomorphismes
f
α: (π
∗N)α=x
∗N
∼(O
[Ln1]
)α=O
Upour chaque objet α = (x,M, ϕ) de [L
n1]U, ces isomorphismes v´erifiant de plus une
condition de compatibilit´e que nous nous dispensons d’expliciter, mais qui, en particulier,
entraˆıne que les isomorphismes f
αet f
α′associ´es `a deux objetsα et α
′au-dessus d’un
mˆeme ´el´ement xde X(U) sont ´egaux d`es queαet α
′sont isomorphes. Si x∈X(U) est
un objet de X au-dessus duquel [L
n1]U a des objets, alors vu que deux objets αet α
′sont localement isomorphes, lesf
αpourα∈ob [L
n1]U sont tous ´egaux et d´efinissent donc
une section f
xdu faisceauIsom(x
∗N,O
U). En fait, vu que [L
n1] a des objets partout
localement pour la topologiefppf, la collection desf
αd´efinit de mani`ere unique un ´el´ement
f
x∈Isom(x
∗N ,O
U)(U) pour toutx∈X(U), que [L
1n] ait des objets au-dessus dex
ou non. On v´erifie facilement que les isomorphismes ainsi construits
f
x: x
∗N
∼O
Uforment un syst`eme compatible d’isomorphismes et d´efinissent donc un isomorphisme de
Pour le point (2), notons G le quotient du groupe Pic(X)×H
0(X,Z) par le sous
H
0(X,Z)-module engendr´e par la relationω
n=l. On a clairement un morphisme de G
dans Pic([L
n1]) qui envoie (0,1) surω. En utilisant les propri´et´es pr´ec´edentes, et le fait
queµc
nest isomorphe `a H
0(X,Z/nZ) et engendr´e parχ
Ω, on v´erifie tr`es facilement quece morphisme est un isomorphisme.
Exemple 5.2.12 Prenons pour X l’espace projectif P
ksur SpecZ. Alors Pic(X) est
isomorphe `aZ. On fixe un entier relatiflet on poseL =O(l). La proposition pr´ec´edente
permet de calculer Pic([L
n1]) pour tout n appartenant `a N
∗. Par exemple si l = 1, on
trouve
1n
Z. Sil est un multiple de n, on est dans le cas o`u L a une racinen
i`emeet l’on
trouve Z×Z/nZ. Dans le cas g´en´eral, le groupe Pic([L
n1]) est isomorphe (de mani`ere
non canonique) `a
dnZ×Z/dZo`u dest le pgcd denetl.
Foncteur de Picard relatif de [L
n1]/S
NotonsX = [L
1n]. Pour tout sch´emaU surS, on a une suite exacte courte :
1 Pic(X×
SU) Pic(X ×
SU) H
0(X×
SU,Z/nZ) 1.
Elle induit la suite exacte
1 PicPic(U)
(X×SU)PicPic(U)
(X×SU)H
0(X×
SU,Z/nZ) 1,
d’o`u une suite exacte de pr´efaisceaux
1 P
X/SP
X/Sf
∗Z/nZ 1.
En appliquant `a cette suite exacte le foncteur
faisceau ´etale associ´e
on obtient une
suite exacte de faisceaux ´etales :
1 PicX/S
ϕ0Pic
X/S χf
∗Z/nZ 1. (5.1)
Remarque 5.2.13 Si L a une racine n
i`emeR, la suite exacte (5.1) est scind´ee par
i7→(ωr
−1)
io`urest la classe deRdans Pic(X), si bien que Pic
X/Ss’identifie au produit
PicX/S×
Sf
∗Z/nZ.
Remarque 5.2.14 Le faisceauf
∗Z/nZn’esta priori pas repr´esentable. En cons´equence,
dans le cas g´en´eral, il ne suffit pas que PicX/S soit repr´esentable pour que Pic
X/Sle soit,
mˆeme lorsque la gerbe X est triviale. Cependant si f est ouvert, dominant et `a fibres
g´eom´etriquement connexes, alorsf
∗Z/nZ=Z/nZ. C’est le cas par exemple lorsquef est
localement de type fini, plat et cohomologiquement plat en dimension z´ero.
On suppose maintenant que f
∗Z/nZ co¨ıncide avecZ/nZ et l’on consid`ere le produit
PicX/S×
SZde PicX/S par le groupe constantZ. On va voir que Pic
X/Sest isomorphe au
quotient de PicX/S ×
SZpar la relationω
n=l. On noteH le sous-groupe engendr´e par
(l
−1, n). Le foncteur PicX/S×
SZs’identifie `a une union disjointea
i∈Z
(PicX/S)i de copies
de PicX/S index´ees par Z. Pour tout i appartenant `a Z, on note µ
ωile morphisme de
multiplication par ω
ide Pic
X/Sdans lui-mˆeme, et on noteϕ
ile morphisme compos´e
PicX/S
ϕ0Pic
X/S µωi5.2 Racine n
i`emed’un faisceau inversible 77
La collection desϕ
id´efinit donc un morphisme
ϕ: PicX/S×
SZ Pic
X/Sdont il est clair qu’il est invariant sous H. On v´erifie facilement avec les suites exactes
pr´ec´edentes qu’il est universel pour les morphismes invariants sousH de PicX/S×
SZ`a
valeurs dans unS-sch´emaT. Le foncteur Pic
X/Ss’identifie donc bien au quotient ´evoqu´e
ci-dessus. On peut construire ce quotient
`a la main
comme suit (voir figure ci-dessous).
Pour tout couple d’entiers (i, k) on identifie les copies de PicX/S num´eroi et i+nkvia
l’isomorphisme de translation
(PicX/S)i+nk
µlk(PicX/S)i.
La loi de groupe est induite naturellement par celle de PicX/S et par la relationω
n=l.
•
• •
•
• •
• •
• •
0
•
0
•
•0
•0
l
•
l
•
•l
•l
−l
•
−l
•
(PicX/S)n
(Pic
X/S)n
−1(PicX/S)0
(PicX/S)
−1..
.
..
.
..
.
Le foncteur de Picard de [L
1n]
Ceci montre en particulier que si PicX/S est repr´esentable, alors Pic
X/Sl’est aussi
1.
Description du champ de Picard de [L
n1]
On a une
suite exacte
de champs de Picard :
1 Pic(X/S)
π∗
Pic(X/S)
χf
∗Z/nZ 1. (5.2)
Autrement dit,π
∗est pleinement fid`ele,χ est un ´epimorphisme, et siF est un objet
dePic(X/S), il provient dePic(X/S) si et seulement si son caract`ereχ
Fest nul. Tout
ceci a d´ej`a ´et´e prouv´e. De mˆeme que pr´ec´edemment, si l’on suppose quef
∗Z/nZ=Z/nZ,
alors le champ Pic(X/S) s’identifie au champ obtenu `a partir de Pic(X/S)×
SZ en
recollant les copies num´ero ieti+nkle long de l’isomorphisme
(Pic(X/S))i+nk
µlk(Pic(X/S))i
1. Mais bien sˆur, on le savait d´ej`a dans le cas o`u f est propre, plat et cohomologiquement plat en dimension z´ero.
pour tous i, k appartenant `a Z. En particulier il suffit dans ce cas que Pic(X/S) soit
alg´ebrique pour quePic(X/S) le soit aussi.
Dans le cas o`u L a une racine n
i`emeR sur X, la suite exacte (5.2) est scind´ee et
Pic(X/S) s’identifie au produitPic(X/S)×
Sf
∗Z/nZ.
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Champs algébriques et foncteur de Picard
(Page 72-79)