A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
M ARIO P OLETTI
Q-algebre p-adiche e loro rappresentazioni
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 26, n
o1 (1972), p. 269-280
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Q-ALGEBRE p-ADICHE
MARIO POLETTI
(1)
La tecnica dei bivettori di Witt
(cfr. [1],
cap.2)
si centra sulla immer- sione dei vettori di Witt acomponenti
in un anelloperfetto k
di caratteri-stica
prima
p nell’insieme delleapplicazioni (..., ,..)
di Z in kdefinitivamente nulle a
sinistra,
strutturato tramite funzioni razionali(in
sensoopportuno)
in modoche p
vi sia unità(cfr. [1J,
cap.2,
n°9)
e che il pas-saggio
aquoziente
su k del sottoanello identificato ai vettori sia espresso da una funzione razionale.Si tratta in altri termini di costruire un functore
cR
dallacategoria degli
anelliperfetti
di caratteristica p nellacategoria
delleQ-algebre p-adiche (cfr. I.)
tale che perogni
anelloperfetto
lc di caratteristica p l’insieme sog-giacente
a sia 1’insieme delle detteapplicazioni
di Zin k,
che,-N k
siaisomorfa all’estensione su
Q
di un anellop-adico
di residuo lc(cfr. [2],
teor.7.1),
e che ilpassaggio
aquoziente degli
anellip.adici
associatiagli CR k (cfr. l.)
sia un morfismo functoriale.La costruzione di un tale functore si trova in
[1]
non si tratta comun- que del functore naturale che verifica le detteproprietà.
Utilizzando risultati e tecniche messi a
punto
in[2],
nella situazioneanaloga
relativa ai vettori diWitt,
diamo inqueste
note la costruzione diquello
naturale tra i functori deltipo
detto(cfr. 4.1),
la caratterizzazione di tuttigli
altri tali fanctori(cfr. 5.4),
e infine la caratterizzazionedegli
isomorfismi tra di essi(cfr. 5.6).
In
quanto
è unprimo positivo, Fp
è il corpo fondamentale di caratteristica ~, Z è l’anellodegli interi, Q
è il corpo razionale.Se k è un anello di caratteristica p, il suo endomorfismo di Frobenius si indicherà con n.
~
Pervenuto alla Redazione il 17 Novembre 1970 ed in forma definitiva il 31 Marzo 1971.
(i) Lavoro eseguito nell’ambito dei raggruppamenti di ricerca del C. N. R.
1. Sia D una
Q-algebra topologica ;
diremo che .D è unaQ-algebra _p-adica
se esiste un sottoanello R di D verificante le
proprietà seguenti :
1.1 R è un
anello p ~adico (cfr.
2. di[2]),
1.2 D =
Q R,
1.3 le
potenze
dell’ideale(p)
di .R sono un sistema fondamentale di in- torni di 0 per latopologia
di D.In tale situazione si ha :
1.4
Q-algebra topalogica
D è Inoltreogni
suo ele-+00
mento a
porsi
in una ed una sola maniera nellaforma
a = Eiaipi,
ove-’0
gli
ai sono elementi di most R(cfr.
2. di[2]) quali
esiste r tale cheai = 0
ogniqualvolta i
~ r.DIM. Sia i -~ x~ una successione di
Cauchy
in D. Esiste n tale che perogni i à n
si abbia La successione2 --~ yi,
essendo di iCauehy,
ed avendogli
elementi definitivamente inR,
ha inR,
un limite y.È
subito visto chern + y
è il limite dellai --~ xi .
Il secondo asserto è conseguenza del fatto
che, dato a E D,
esiste unintero non
negativo n
tale chepn a
ER,
e delle considerazioni contenute in 2. di[2],
C. V. D..1.5 LEMMA,
DIM. Essendo
R ~ D,
si ha moltn .
Viceversa : sia a E n
vP .
Poniamo a = Eaipi,
oveogni ai E molt R,
i=r
e ar
=~=
0. Perogni
intero nonnegativo n
esistebn
tale che = a. Ponia-mo ove
ogni
E moltR,
ePer
ogni
n si deve avereb pn
np r n p»
= arpr j
da 1.4 segue allora chern=r=0. Quindi
a,b1, b 2
... ER,
onde a E moltR,
C. V. D..1.6 LEMMA. La
Q-algebra topologica
D è dotata di un solo sottoanelloverificante
leproprietà 1.1, 1.2,
1.3.Sia 8 un sottoanello di .17 verificante le dette condizioni. Da 1.4
applicato
segue cheDa 1.5
applicato
ad S segue che molt equindi
chemolt S = molt
R;
onde cioèS= R,
C. V. D..
Tenuto conto di
1.6,
R si dirà l’anellop-adico
associato aD,
e si indi-cherà con
RD.
Se aE D, gli
elementi ..., a-i ; ao , ... di moltRD
di cui in1.4,
si diranno lecomponenti moltiplicative di
a.La
categoria
delleQ-algebre p-adiche,
con i morfismi datidagli
omomor-fismi
continui,
si indicherà con~.
1.7 LEMMA. Siano
B, D Q-algebre
padiche ;
unomomorfismo f
di B inD è continuos se e solo se
fRB
CRD .
DIM. La condizione è ovviamente sufficiente.
Quanto
all’essere necessa-ria : sia 4
, ove ciascun un elemento di
RB .
Per la continuità dif
si ha per1.5,
ciascunfai
E moltRD,
ondefa
ERD,
y C. V. D..~
Indichiamo con W il functore della
categoria 0 degli
anelliperfetti
di
caratteristica p
nellacategoria degli insiemi,
che adogni oggetto k
di~
associa l’insieme Wk delle
applicazioni (...,
xo ,...)
di Z in k per ciascuna dellequali
esiste r taleche xi
--- 0ogniqualvolta
i con la definizione ovvia sui morfismi.Se D è una
Q-algebra p-adica,
indichiamo con w : D --~WQRD (cfr.
2.di
[2]) l’applicazione
che adogni
elemento a di D associa l’elemento...)
diWERD
2 ove ..., a_1; ao ... sono lecomponenti
molti-plicative
di a. Taleapplicazione
risultabigettiva.
2. Detto 8 il functore naturale di
0
nellacategoria degli insiemi,
e Jun insieme
qualsiasi
diindici,
interessa conoscere la struttura dell’anelloperfetto
costituito dai morfismi functoriali di W J in rS.Indichiamo con F l’anello
F p
i EZ] (cfr.
1. di[2]),
ove lesono indeterminate su
Fp.
Per
ogni applicazione
di J inZ,
indichiamo conX,.
l’elemento(X,, jilj
EJ,
i EZ)
di W J F definito da : , 1rji
se
Ciò posto, se
f
è un morfismo functoriale di WJin S,
lafamiglia
di elementi di F verifica le
seguenti proprietà : 2.1 fXr
è elemento del sottoanellosi identifica in modo naturale a
F/Kr,
ove.gr
è il nucleo dell’endomorfismo di F definito daXji
-Xr,
l2.2 se r 8 nel senso che per
ogni j,
ossia che.K8 allora,
nei termini dell’identificazione
detta, fXr
è1’immagine
difX,
tramite l’omo- morfismo naturale di inIn altri termini la
famiglia
è elemento del limite del sistema in-verso costituito
dagli
anelli con i loro morfisminaturali,
ossia del-
completamento
F di Frispetto
allatopologia (separata)
avente iKr
persistema fondamentale di intorni di 0.
È poi
subito visto che dato un elemento(gr) di F =
lim esiste- ’
uno ed un solo morfismo
functoriale g
diWJ
in 8 tale chegXr
= gr, y nei termini delle dette identificazioni.Ciò
posto, l’applicazione f -+ f Xr)
= identifica l’anello dei mor- fismi functoriali diWJ
inS,
con F.,
Il ruolo della struttura
topologica
di .F’ è espresso dalleseguenti
con-siderazioni,
nellequali
wr indica 1’omomorfismo canonico di F su tuttoe
quindi,
tenuto conta delle identificazionifatte,
su tuttoFr .
Si noti checvr induce
l’applicazione
identica suFr.
2.4 kei mr è l’ideale costituito da tutti i morfismi functoriali di WJ in S che si annullano su tutti i E
Z)
per iquali
= 0ogniqualvolta
i
:::;: rj,
o, il che èequivalente,
che si annullano suXr ;
2.5 la
famiglia
dei è un sistema fondamentale di intorni di 0-
per la
topologia
dF;
-
2.6 se J è
finito,
datoj’E li,
esiste una successioneM-1 ,
... dip monomi nelle
Xji (ossia
di monomi nelle~~~
conesponenti
deltipo mpn
con m intero non
negativo
ed nintero)
tale che limt - -00
(D 1M.
Per la finitezza diJ, dall’esfere f= lim fXr
siottiene
ove
(i)
indical’applicazione
di J in Z di valore costante i. L’asserto seguequindi
osservando chef f = ... + (fX(-2)
= ...+ (fX(-2)
-- fX(-1» + -f - fX(-l),
eChe .1- gli
sono somme dip-monomi
nelleXji);
2.7 dato un elemento
(bji)
diWJ k,
con k anelloperfetto
di caratteristica p, esiste uno ed un solo omomorfismo  di F ink,
continuorispetto
alla,
topologia
detta di F e aquella
discreta .di k,
tale che =bji .
Se
f
E F si ha EJ, i
EZ)
=lf.
Tenuto conto diciò,
l’elementof
si indicherà
impropriamente i E Z) ;
con taleposizione
si ha3. Interessa in
questo
numero caratterizzare i morfismi functoriali di W e di W X W in W. Cominciamo ad osservare che lacomposizione
di untale morfismo con la
proiezione
di W sulproprio
n-esimo fattore è un mor-fismo functoriale di W o di W X W in S.
Sia
quindi
.~ l’anello dei morfismi functoriali di Win S,
ossia il com-pletamento
diFp
EZ] rispetto
allatopologia
descritta nel n°.
pre- cedente.
L’anello
(
^ dei morfismi functoriali di W X W inS,
si identifica in modo naturale al
completamento K x K
diK QD
.grispetto
alla
topologia
un cui sistema fondamentale di intorni di 0 è datodagli
ideali
K, (9
.g-~-
11®
oveKr
e~~
variano nel sistema fondamentale di intorni di Oper K
descritto nel n°precedente.
Dato un endomorfismo continuo u di
K,
eposto
= a+n(Xi),
indichia-mo con u* l’endomorfismo functoriale di W definito da u* =
(... , (bi);
(bi), ...).
Dato inoltre un omomorfismo continuo t di K in
K,
eposto
==t indichiamo con t* il morfismo functoriale di W X W in T~P definito da
Ciò
posto
èquasi
immediato verificare che :3.1 la
corrispondenza u
-> u* identificagli
endomorfismi continui di Kagli
endomorfismi functoriali diW ;
i3.2 la
corrispondenza
t -> t* identificagli
omomorfismi continui di .~ in ai morfismi functoriali di WX W
in W.4. La costruzione delle
operazioni
e dellatopologia
naturali che rendono ciascunWLORD (con
DQ-algebra jp adica)
unaQ-algebra p-adica
isomorfa eomeomorfa a
D,
ossia delleoperazioni
e dellatopologia
indotte inWQBD
daw :
WQRD ,
y è data dalseguente :
18. Annali della Scuola Norm Sup. di
4.1 Esiste uno ed un solo
functore Cf2
di1P
inID verificante
le
proprietà:
a)
=W,
ove S denota ilfunctore
canonico di~?
nellacategoria degli insiemi,
b)
perogni Q-algebra _p-adica D, l’applicazione
w : _D --->-WQRD
è unisomorfismo
bicontinuo di D su tuttaSiano po
gli
elementi didefiniti
da :80
... ,Po , 9 _P, ,
... sonogli
elementidefiniti
in 6.1 di[2].
Esistono
(e
sono ovviamenteunici) omomorfismi continui s,
9 p di K in K x Kdefiniti
da :Sia
infine Wo le,
con k anelloperfetto
di caratteristicap, il
sottoinsieme di 1Vk costituitodagli
elementi aventi nulle lecomponenti di
indicenegativo.
Ciò
posto,
dato un anelloperfetto
lc dicaratteristica p, la
strutturaalge-
brica e la str2cttura
topologica
diR k
sono date dall’essereove
s*
dà la strutturaadditiva, p*
la strutturamoltiplicativa
di~ k,
eWo
kè l’insieine
soggiacente
all’anellop.adico
associato ad~
k.DIM. Cominciamo col supporre l’esistenza di un tale functore
~,
Sia lc un anelloperfetto
di caratteristica p ; sia D unaQ-algebra p-adica
tale che
(una
tale Desiste ;
adesempio,
nellaterminologia
del 7.1di
[2],
sipuò prendere
con latopologia
determinata dall’essere.RD
=S~‘ , P~)~;
siapoi 1: QRD
--~ lc un isomorfismosurgettivo.
In tale situazione
l’applica,zione
Wl :WeRD -t-
Wk determina un iso- morfismo bicontinuo di%éRD
su tutto92~.
Se indichiamo con
e" 1’omomorfismo ho
diRD su k,
e con w’ labige-
zione di D su Wk definita da 11"
sono le
componenti moltiplicative
di a, allora è commutativo ildiagramma
onde w’ è un isomorfismo bicontinuo di .D su tutto
Come
prima
conseguenza diciò,
si ha che l’insiemesoggiacente
all’a-nello
p-adico
associato aCf2k
deve essereWo
lc.Siano
poi
con xi , Yi E moltRD,
due
qualsiasi
elementi diWk ,
e sia - r un intero nonpositivo
tale chey = O per
ogni
i - r - 1. Nellaterminologia
di 6.1 di[2],
in~k
si deve avere :
Come conseguenza di
ciò,
ancora nellaterminologia
di 6,1 di[2 J,
datielementi
qualsiansi (
di
lVk,
in si deve avere :Le
precedenti
considerazioni provano, sottol’ipotesi dell’esistenza,
1’uni-cità di
92.
Siccomeinoltre,
dato un anelloperfetto k
di caratteristica p, comunque siscelga
unaQ-algebra p-adica
D aventeQRD
isomorfoa k,
ecomunque si
scelga
un isomorfismo 1 di sututto lc,
la struttura diQ.algebra p
adica che di conseguenza risulta indotta in non risulta di-pendere,
come si èvisto,
dallaparticolare
scelta di h edi 1;
l’esistenza di92
èpressoché
immediata.Sia
quindi Cf2
il functore detto. L’assertoriguardante
la strutturatopo- logica degli
ègià
statoprovato.
La struttura additiva e
quella moltiplicativa degli Cf2k
inducono morfi-smi functoriali di W X W in W. Indichiamo con
~1n ,
i morfismifunctoriali di W X W nel functore canonico 8 di
1P
nellacategoria degli insiemi,
che siottengono
dallacomposizione
di e di92.
con laproie-
zione di W sulla sua n.esima
componente.
Tenuto conto di 2. e di 3. e delleprecedenti
considerazioni si ha:e
analogamente :
fto ~Sia
poi k
unqualsiasi
anelloperfetto
di caratteristica p ; incRk
si ha~
Essendo le s,, le
componenti
di un morfismo functoriale di W X T~ inW,
i’esistenza di s e l’essere =s*,
è conseguenza di 3.Analogamente
si ottiene l’esistenza di p e l’essere 1
5. Nel numero
precedente è
stato studiato unparticolare
functore02
di
~
in1D
verificante leproprietà:
5.1
8 cR = W,
ove 8 è il functore canonico di1D
nellacategoria degli insiemi ;
5.2 per
ogni
anelloperfetto
k di caratteristica ~, laQ-algebra j) adica
ha anello
p-adico
associato di residuo isomorfoa k ;
5.3 esiste un elemento h di
K,
tale che perogni
anelloperfetto k
dicaratteristica p,
l’applicazione h
ristretta a~ll’anellop-adico
associato asia un omomorfismo sa
tutto k,
avente per nucleo(p) (nel
caso considerato si ha h =Xo).
Le considerazioni
seguenti
danno la caratterizzazione di tutti i functori di~
inD
verificanti leproprietà 5.1, 5.2, 5.3,
e la caratterizzazione di tuttigli
isomorfismi(il termine, improprio,
tenuto conto di5.1,
è usato nelsenso
ovvio)
tra tali functori.Sia u un automorfismo bicontinuo di
g;
tenuto conto di3.,
u* risultaun automorfismo del functore 1V. Ciò
posto
è subito visto che esiste uno edun solo functore
LRu di 1P
in1D
tale che u* induca un isomorfismo di92
in
Siano Su, pu
gli
omomorfismi continui di Bin Xx
g che rendono commutativi idiagrammi :
Dato un anello
perfetto k
di caratteristica ~, si hapressoché
immedia-tamente
(cfr.
la dim. di 7.1 di[2]):
ove
st
dà la strutturaadditiva, p*
dà la strutturamoltiplicativa
die
l’immagine
u~Wo k
diWo lc
tramiteu* ,
dà l’insiemesoggiacente
all’anellop.adico
associato ad~,~
k.È poi
subito visto che l’elemento di .K dà un omomorfismo del- l’anellop adico
associato aQéu k
su tuttok,
di nucleo( p).
Quanto precede
prova che verifica le condizioni5.1, 5.2, 5.3 ;
sus-siste inoltre il
seguente :
5.4 TEOREMA. Al variare di u tra
gli automorfismi
bicontinui d,iK, gli
~,~
sono i solifunctori
di~
inID verificanti
le condizioni5.1, 5.2,
5.3.Dm. Sia
C’f~’
un functore di1P
inD
verificante leproprietà 5.1, 5.2, 5.3,
e sia h E K verificante 5.3rispetto
ad Indichiamopoi
con1’anello p
adico associato a k.Sia l’elemento di molt tale che
Dato comunque un anello
perfetto
lc di caratteristica p, ed un elemento bdi k,
èdetto f
l’omomorfismo diFp ]
in k tale chefX = b ;
la con-tinuità di assicura che
Fp
C k(cfr. 1.7) ;
di conse-g-uenza dal sussistere del
seguente diagramma
commutativo :si ottiene che molt’
, e che
iIn
particolare
i è l’elemento neutrorispetto
alla sommain
~’
Ìf.Tenuto conto di
quanto precede,
perogni
anelloperfetto k
di caratte- ristica p,possiamo
considerarel’applicazione Tk : ckk
2013~ lc definita da Dalla dimostrazione di 4.1 segue chel’applicazione
dicR’ k
inCf2k
definita daè un isomorfismo bicontinuo. Allora anche
Tk,
comeinversa
dell’applicazione
detta è un isomorfismo bicontinuo.Si verifica direttamente che il
complesso
delleTk
definisce un morfismo functoriale T di~
incR’
che risulta essere un isomorfismo. Esistequindi
un automorfismo bicontinuo u di K tale che u* = T
(cfr. 3.)
ondecR’ =
Che viceversa
ogni
con u automorfismo bicontinuo diK,
verifichile dette
proprietà
ègià
statoprovato,
C.V.D..5.5 COROLLARIO. Siano u, v
automos fi 1 smi
bicontinui di K. Si haCf2u =
se e solo se E Z tale che uv-1= nn .DIM.
Supponiamo
cheCRu = C)(v;
in tale caso, essendo u* un isomorfi-smo di
Cf2
sa y e(v-1)*
un isomorfismo diCf2v
equindi
di suCR,
si ha che
(uv-1))*
è un automorfismo di92.
Poniamo z =Se k è un
qualsiasi
anelloperfetto
di caratteristica p, è unautomorfismo di
Cf(o k (qui
come alsolito,
indica l’anellop-adico
asso-ciato a e
l’applicazione
definita da > è un omomor-fismo di su tutto k di nucleo
(p),
si ha chel’applicazione
di k in sè definita da è un automorfismo di kindipendente
dallascelta di .... Esiste allora un
elemento y (X)
di tale che. , _ . - ..
Come nella dimostrazione del 7.2 di
[2],
si ha allora che esiste n E Z tale che y(X)
= che Z*(..., 0 ; c, 0, ...)
=(..., 0 ;
nn c,0, ...),
e infine cheIn altri termini risulta
e
quindi
= ~n ,Come nella dimostrazione del 7.2 di
[2],
si verifica infine che se UV-l =~cn,
allora
In modo
pressoché
identico alla dimostrazione del 7.3 di[2],
si provainfine il
seguente :
5.6 TEOREMA. Siano u, v
automorfismi
bicontinui di K. Al variare din in
Z, gli (U-1
nnv)*
sono i soliisomorfismi
di suBIBLIOGRAFIA
[1]
BARSOTTI I., Metodi analitici per varietà abeliane in caratteristica positiva. Cap. 1, 2 ;Ann. Sc. Norm. Sup., v. XIV, 1964, pag. 1.
[2] POLETTI M., Anelli p-adici e loro rappresentazioni; Ann. Sc. Norm. Sup., v. XXV, 1971,
pag. 1.