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On suppose qu’il existe un sous-groupe algébrique réductif Gred de G dont l’inclusion dans G induit un isomorphisme Gred'G/H

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(1)

JEAN-MARC DRÉZET

Sommaire

1. Introduction 1

2. Quotients algébriques 7

3. Mutations constructives 12

4. Variétés de modules de complexes 22

5. Variétés de modules de morphismes 32

Références 45

1. Introduction

1.1. Le problème des quotients algébriques par des groupes non réductifs

Soit G un groupe algébrique linéaire de radical unipotent H. On suppose qu’il existe un sous-groupe algébrique réductif Gred de G dont l’inclusion dans G induit un isomorphisme Gred'G/H. SoitY une variété algébrique projective munie d’une action algébrique deG, et L unG-fibré en droites très ample surY. On dit qu’un pointydeY estsemi-stablerelativement à Ls’il existe un entier k > 0 et une sectionG-invariantesdeLk telle que s(y)6= 0. SoitYss(L) l’ouvertG-invariant de Y constitué des pointsG-semi-stables relativement à L. La construction d’un bon quotient Yss(L)//G est possible dans le cas où H ={0}, le groupe G étant dans ce cas réductif (cf [9], [10]). Le cas où G n’est pas réductif est plus difficile, et a été abordé par A. Fauntleroy dans [6]. On doit considérer un ouvert G-invariant plus petit de Yss(L) (en imposant des conditions supplémentaires qui dépendent essentiellement de l’action deH) et les quotients obtenus sont en général seulement des quotients catégoriques. De plus, la définition de l’ouvert à quotienter est peu explicite. Ces restrictions s’expliquent sans doute par la grande généralité des problèmes traités dans [6]. On propose ici une définition légèrement différente de la semi-stabilité :

Définition 1. On dit qu’un point y de Y est G-semi-stable (resp. G-stable) relativement à L si tout point de l’orbiteHy estGred-semi-stable (resp. Gred-stable) relativement àL(vu comme un Gred-fibré en droites).

1

(2)

Il est clair que les points semi-stables relativement àL le sont aussi au sens de la définition 1.

Cette définition me semble plus explicite, car les points Gred-semi-stables peuvent en général être déterminés à l’aide de critères numériques (cf. [9]).

1.2. Espaces de complexes

On s’intéresse dans cet article à un type particulier d’action. Soient X une variété algébrique projective, p≥1 un entier,n0, . . . , np des entiers positifs, et pour 0≤i≤p, 1≤j ≤ni, Ej(i) un faisceau cohérent sur X et Mj(i) un espace vectoriel non nul de dimension finie. On pose, pour0≤i≤p

Ei = M

1≤j≤ni

(Ej(i)⊗Mj(i)).

On suppose que les faisceaux Ej(i) sont simples, et que Hom(Ej(i),Ej(i00)) = {0} si i > i0, ou i=i0,j > j0. SoitW la variété des complexes

E0 −→ E1 −→. . .−→ Ep, sur laquelle opère le groupe algébrique

G = Aut(E0)×. . .×Aut(Ep).

Le sous-groupe unipotentH est constitué des (g0, . . . , gp)tels que pour tousi,j, la composante Ej(i)⊗Mj(i) −→ Ej(i)⊗Mj(i)

de gi soit l’identité. Le sous-groupe réductif Gred est constitué des (g0, . . . , gp) tels que pour tous i,j ont ait

gi(Ej(i)⊗Mj(i)) ⊂ Ej(i)⊗Mj(i). On a un isomorphisme

Gred ' Y

0≤i≤p,1≤j≤ni

GL(Mj(i)).

Si on veut retrouver une action sur une variété projective, il convient de considérer plutôt la variété projectiveP(W) sur laquelle opère le groupe G/C.

L’action de Gred sur W est un cas particulier des actions étudiées par A. King dans [8]. Une linéarisation de l’action de G/C sur P(W) est définie par une suite Λ = (λij)0≤i≤p,1≤j≤ni de nombres rationnels non nuls telle que

X

0≤i≤p,1≤j≤ni

λijdim(Mj(i)) = 0.

On appelle Λ une polarisation de l’action de Gsur W. Un complexe E0 −−−−→ Ef0 1 −−−−→f1 . . . −−−−→ Efp−1 p

estGred-semi-stable (resp.Gred-stable) relativement àΛsi et seulement si pour tous sous-espaces vectoriels

M0(i)j ⊂Mj(i),

(3)

avec (M0(i)j )6= ({0}) ou(Mj(i)), tels que fi( M

1≤j≤ni

(Ej(i)⊗M0(i)j )) ⊂ M

1≤j≤ni+1

(Ej(i+1)⊗M0(i+1)j )) pour 0≤i < p, on a

X

0≤i≤p,1≤j≤ni

λijdim(M0(i)j ) ≤ 0 (resp. < ).

Le problème de la construction de quotients par G d’ouverts de W a été abordé dans [5] et [2], dans le cas p= 1 (les complexes sont alors en fait des morphismes). On va donner ici une méthode de construction de quotients par G d’ouverts G-invariants de W, qui est une généralisation de la méthode employée dans [5]. On donnera en particulier des exemples de quotients par G de l’ouvert des points G-semi-stables. On ne peut pas obtenir en général des bons quotients, mais ce qu’on appelle des quasi-bons quotients (cf. chapitre 2).

1.3. Mutations constructives

Pour construire des bons quotients parGd’ouvertsG-invariants deW, on introduit une nouvelle variété de complexesW0, sur laquelle le groupeG0qui agit est réductif. On tente ensuite d’établir une relation entre les quotients par G0 d’ouverts G0-invariants de W0 et les quotients par G d’ouverts G-invariants de W.

La méthode est basée sur le résultat suivant (cf. §3) : soientE,F,G,Γdes faisceaux cohérents surX etM un espace vectoriel de dimension finie. On suppose que le morphisme d’évaluation

Γ⊗Hom(Γ,G)−→ G

est surjectif. SoitE0 son noyau. On suppose aussi que la composition Hom(E,Γ)⊗Hom(Γ,G)−→Hom(E,G) est surjective. Soit

(1) E −−−−→A (Γ⊗M)⊕ G −−−−→ FB un complexe. Alors on peut associer à(1) un complexe

(2) E ⊕ E0 −−−−→α Γ⊗N −−−−→ F,β avec N = Hom(Γ,G)⊕M et tel que

ker(α)'ker(A), ker(β)/Im(α)'ker(B)/Im(A), coker(β)'coker(α).

La réciproque est aussi vraie, si on part d’un complexe (2) tel que α induise une injection Hom(E0,Γ)−→N,

et les deux transformations sont inverses l’une de l’autre (à l’action près des groupes d’auto- morphismes des complexes). Le passage de(1) à(2) consiste à effectuer unemutation à gauche deG. Cette notion a été introduite dans l’étude desfibrés exceptionnels (cf. [3], [1], [7]). On no- teraW0 (resp.W00) l’espace des complexes (1)(resp.(2)), etG0 (resp.G00) le groupe algébrique agissant surW0 (resp. W00).

(4)

La transformation qui fait passer de (1) à (2) est purement formelle (cf. §3.2). Le complexe (2) associé à (1) n’est pas en général unique, mais sa G00-orbite l’est, et ne dépend que de la G0-orbite de (1). On obtient ainsi (sous certaines hypothèses) une bijection

W0/G0 'U0/G00,

U0 désignant l’ouvert de W00 constitué des complexes (2) tels que α induise une injection Hom(E0,Γ)−→N. Cette correspondance est algébrique dans le sens suivant : si un ouvert invariant d’un des espaces de complexes admet un quasi-bon quotient, l’ouvert correspondant de l’autre côté admet aussi un quasi-bon quotient, et les deux quotients sont isomorphes. La bijection précédente est en fait un quasi-isomorphisme fort (cf. chapitre 2). Cela entraîne que certaines propriétés vérifiées par un quasi-bon quotient d’un ouvert invariant d’un des espaces de complexes seront automatiquement vérifiées par le quotient de l’ouvert correspondant de l’autre espace de complexes (cf. §2.3, concernant la descente sur les quotients de fibrés vectoriels). On a aussi une notion similaire de mutation à droite.

Pour appliquer ce qui précède aux variétés de complexes de type E0 −→ E1 −→. . .−→ Ep

on procède de la façon suivante : on écrit le dernier terme Ep = (Γ⊗M)⊕ G, avec

Γ =E1(p), M =M1(p), G = M

2≤j≤np

(Ej(p)⊗Mj(p)).

Dans ce cas, on a

E0 = M

2≤j≤np

(E0(p)j ⊗Mj(p)), E0(p)j désignant le noyau du morphisme d’évaluation

E1(p)⊗Hom(E1(p),Ej(p))−→ Ej(p)

(supposé surjectif). Les complexes obtenus par mutation sont du type E0 −→ E1 −→. . .−→ Ep−10 −→ E1(p)⊗N, avec

N = M1(p)

M

2≤j≤np

(Hom(E1(p),Ej(p))⊗Mj(p))

et

Ep−10 = Ep−1

M

2≤j≤np

(E0(p)j ⊗Mj(p))

. On peut continuer en écrivant

Ep−10 = (Γ⊗M)⊕ G, avec

Γ =E1(p−1), M =M1(p−1), G =

M

2≤j≤np−1

(Ej(p−1)⊗Mj(p−1))

M

2≤j≤np

(E0(p)j ⊗Mj(p))

.

(5)

On peut ainsi procéder à

q = X

0≤i≤p

ni

mutations successives, et on obtient finalement un complexe du type F0⊗N0 −→. . .−→ Fq⊗Nq,

où le groupe G0 qui opère est réductif. Il existe un autre chemin possible, en effectuant des mutations à droite en partant du terme de gauche.

Supposons fixée une polarisationΛde l’action deGsurW. On peut alors définir naturellement une polarisationΛ0 de l’action deG0 sur l’espaceW0 des complexes précédents. Il reste à étudier les relations qu’il y a entre la G-(semi-)stabilité des complexes de W relativement à Λ, et la G0-(semi-)stabilité des complexes deW0 relativement àΛ0. Il est toujours vrai que si la mutation estG0-(semi-)stable relativement à Λ0, le complexe d’origine estG-(semi-)stable relativement à Λ. La réciproque est vraie si on impose des conditions àΛ. Il faut ensuite montrer que tous les complexes G0-semi-stables de W0 sont (à l’action de G0 près) des mutations de complexes de W. Cela n’est vrai que si on impose encore d’autres conditions àΛ. On obtient alors l’existence d’un quasi-bon quotient projectif de l’ouvert des points G-semi-stables de W. En considérant les mutations à droite, on obtient généralement d’autres valeurs de Λ pour lesquelles il existe un quasi-bon quotient projectif.

1.4. Variétés de modules de complexes

On considère dans le §4 des complexes du type

(3) E1⊗L1 −→(F1⊗M1)⊕(F2⊗M2)−→ G1⊗N1,

où E1, F1, F2, G1 sont des faisceaux cohérents simples sur X, et L1, M1, M2, N1 des espaces vectoriels de dimension finie. Quelques hypothèses doivent être faites, notamment que le mor- phisme d’évaluation

F1⊗Hom(F1,F2)−→ F2

est surjectif. On note H1 son noyau. En effectuant une première mutation à gauche on associe au complexe (3) un complexe

(4) (E1⊗L1)⊕(H1⊗M2)−→ F1⊗P1 −→ G1⊗N1, avec

P1 = (Hom(F1,F2)⊗M2)⊕M1. On suppose ensuite que le morphisme d’évaluation

E1⊗Hom(E1,H1)−→ H1

est surjectif. SoitK1 son noyau. En effectuant une seconde mutation on obtient un complexe (5) K1⊗M2 −→ E1⊗Q1 −→ F1⊗P1 −→ G1⊗N1,

avec

Q1 = (Hom(E1,H1)⊗M2)⊕L1, et ici le groupe qui opère est réductif.

(6)

On en déduit dans le théorème 4.4 l’existence de quasi-bons quotients projectifs d’ouverts de complexesG-semi-stables de type (3) (pour certaines polarisations).

Dans le §4.5 on étudie le cas des complexes

O(−2)−→(O(−1)⊗M1)⊕ O −→ O(1)

sur Pn, M1 étant un espace vectoriel tel que 0<dim(M1)< n+ 1. Dans le cas de P2 et dim(M1) = 3, on obtient trois types de quotients distincts, dont deux lisses. Un des quotients lisses peut être obtenu de manière élémentaire. Le second est non trivial.

1.5. Variétés de modules de morphismes Dans le §5 on considère des morphismes du type

(E1⊗M1)⊕(E2⊗M2)−→ F1⊗N1,

oùE1,E2, F1 sont des faisceaux cohérents simples sur X, et M1, M2,N1 des espaces vectoriels de dimension finie. On rappelle dans les §5.1 et 5.2 la construction de variétés de modules de morphismes G-semi-stables de ce type (pour certaines polarisations) effectuée dans [5]. On procède simplement ici à une seule mutation à gauche pour obtenir une action d’un groupe réductif. Les quotients obtenus par cette méthode sont des bons quotients projectifs, et les ouverts correspondant aux morphismes G-stables sont des quotients géométriques.

Dans le§5.3 on emploie des mutations à droite. Il faut alors deux mutations successives pour ob- tenir une action d’un groupe réductif. On obtient des bons quotients de l’ouvert des morphismes G-semi-stables, pour d’autres polarisations qu’avec la méthode précédente.

Dans la §5.4 on donne des exemples de constructions de variétés de modules de morphismes au moyen des méthodes de [5], [2] et du §5.3. On donne un cas où il n’y a pas de quotient géométrique de l’ouvert des points stables.

1.6. Mutations non constructives

D’autres sortes de mutations ont été définies dans [2]. On pourrait les appeler des mutations non constructives. Dans [2] elles sont appliquées à des morphismes, mais on peut sans difficulté étendre leur définition aux complexes. Elles peuvent aussi servir à construire des bons quotients d’ouverts de points G-semi-stables, pour d’autres polarisations que celles qui sont accessibles par les méthodes décrites ici. La définition des mutations non constructives est basée sur le résultat suivant : soient E, E0, Γ, G et F des faisceaux cohérents sur X. On suppose que le morphisme canonique

E0 −→Γ⊗Hom(E0,Γ) est injectif et on note F0 son conoyau. On suppose aussi que

Ext1(F0,F) = Ext1(E,Γ) = Ext1(Γ,F) ={0}.

Soient M un espace vectoriel de dimension finie et

E ⊕ E0 −−−−→A (Γ⊗M)⊕ F −−−−→ GB

(7)

un complexe tel que l’application linéaire

λ: Hom(E0,Γ) −→M déduite de A soit surjective. Alors il existe un complexe

E ⊕(Γ⊗ker(λ)) −−−−→ Fα 0⊕ F −−−−→ Gβ tel que

ker(α)'ker(A), ker(β)/Im(α)'ker(B)/Im(A), coker(β)'coker(B).

Ce résultat admet aussi une réciproque.

Le différence essentielle entre les mutations constructives et les mutations non constructives est la suivante : dans le premier cas, on effectue la mutation d’une paire de faisceaux situés dans le même terme du complexe, et dans le second cas on effectue la mutation d’une paire de faisceaux situés dans des termes adjacents du complexe.

2. Quotients algébriques 2.1. Quasi-bons quotients

SoitGun groupe algébrique. On appelleG-espaceune variété algébriqueX munie d’une action algébrique de G. Rappelons qu’on appelle bon quotient deX par G un morphisme

π:X −→M (où M est une variété algébrique) tel que :

(i) Le morphisme π estG-invariant, affine et surjectif.

(ii) SiU est un ouvert de M, alors on a O(U) ' O(π−1(U))G.

(iii) SiF1,F2 sont des sous-variétés ferméesG-invariantes disjointes deX, alors π(F1)etπ(F2) sont des sous-variétés disjointes de M.

Cette définition est particulièrement bien adaptée à l’étude des actions de groupes algébriques réductifs, car on sait que dans ce cas il existe toujours un bon quotient si X est affine. On utilisera une notion légèrement différente :

Définition 2. On appelle quasi-bon quotient de X par G un morphisme π:X −→M

(où M est une variété algébrique) qui est G-invariant, surjectif et tel que les conditions (ii) et (iii) précédentes soient vérifiées.

On dit parfois par abus de language que M est le quasi-bon quotient de X par G. On note comme dans le cas des bons quotients M = X//G. Il est clair qu’un bon quotient est un quasi-bon quotient.

(8)

2.2. Quasi-isomorphismes

Soient G,G0 des groupes algébriques, X unG-espace et X0 unG0-espace.

Définition 3. 1 - On appelle quasi-morphisme de X vers X0 une application φ:X/G−→X0/G0

telle que pour tout point x de X il existe un ouvert de Zariski U de X contenant x et un morphisme U −→X0 induisant φ.

2 - On appelle quasi-morphisme fort de X vers X0 la donnée d’unquasi-morphisme φ:X/G−→X0/G0,

d’un recouvrement ouvert (Ui)i∈I de X, et d’une famille (φi)i∈I de relèvements de φ , φi :Ui −→X0, telle que :

(i) pour tout j ∈I et g ∈G, le morphisme

gUj −→X0 x7−→φj(g−1x) appartient à la famille (φi).

(ii) Pour tous i, j ∈I, et tout x∈Ui∩Uj il existe un voisinage V de x dans Ui∩Uj et un morphisme λij :V −→G0 tel que φj|V = λijφi|V,

(iii) Pour tout i∈I et x∈Ui, il existe un voisinage V de (e, x) dans G×Ui et un morphisme γ :V −→G0 tel que γ(e, x) =e et que pour tous (g, y)∈V, on ait gy ∈Ui et φi(gy) = γ(g, y)φi(y).

On appelle quasi-isomorphisme de X vers X0 une bijection φ:X/G−→X0/G0 qui est un quasi-morphisme ainsi que son inverse.

Définition 4. Soit σ = (φ:X/G−→X0/G0,(φi :Ui −→X0)) un quasi-morphisme fort. On appelle carte de σ un relèvement local f :U −→X0 de φ (U étant un ouvert non vide de X) tel que pour tout x∈U les propriétés suivantes soient vérifiées :

(i) Pour tout i∈I il existe un voisinage V de x dans U ∩Ui et un morphisme λi :V −→G0 tel que f|V = λiφi|V,

(ii) Il existe un voisinage V de (e, x) dans G×U et un morphisme γ :V −→G0 tel que γ(e, x) =e et que pour tous (g, y)∈V, on ait gy∈U et φi(gy) =γ(g, y)φ(y).

On dit que deux quasi-morphismes forts deX dansX0 sontéquivalentssi les cartes de l’un sont aussi des cartes de l’autre.

(9)

Il est clair que la composition de deux quasi-morphismes en est un. On va définir ce qu’on entend par composition de deux quasi-morphismes forts. Soient G, G0, G00 des groupes algébriques, X unG-espace,X0 un G0-espace et X00 un G00-espace. Soient

σ= (φ:X/G−→X0/G0,(φi :Ui −→X0)i∈I), σ0 = (φ0 :X0/G−→X00/G00,(φ0j :Uj0 −→X00)j∈J) des quasi-morphismes forts. Soient

ψ =φ0◦φ:X/G−→X00/G00, et pour i∈I,j ∈J, Vij =Ui∩φ−1(Uj0), et

ψij0j ◦φi :Vij −→X00. On pose

τ = (ψ :X/G−→X00/G00,(ψi,j :Vij −→X00)(i,j)∈I×J).

Lemme 2.1. τ est un quasi-morphisme fort de X dans X0.

Démonstration. Soit x∈Vij. Pour(g, y) dans un voisinage convenable de (e, x), on a ψij(gy) = φ0j ◦φi(gy) =φ0ji(g, y)φi(y)) =γj0i(g, y), φi(y))ψij(y),

γi (resp. γj0) étant un morphisme à valeurs dans G0 (resp. G00) défini sur un voisinage de (e, x) (resp. (e, φi(x))). En posant

γij(g, y) =γj0i(g, y), φi(y))

on obtient donc ψij(gy) = γij(g, y)ψij(y). D’autre part, soient i, i0 ∈I,j, j0 ∈J et x∈Vi,j∩Vi0,j0. Avec des notations évidentes, on a, pour y dans un voisinage de x

φ0j0 ◦φi0(y) = φ0j0ii0(y)φi(y)).

Posons g00ii0(x)∈G0. Alors on a

φ0j0ii0(y)φi(y)) = γj00ii0(y)g00−1, g00φi(y))φ0j0(g0φi(y)) = γj00ii0(y)g00−1, g00φi(y))φ0ki(y)) pour un k convenable dans J. On obtient finalement

φ0j0 ◦φi0(y) = γj00ii0(y)g00−1, g00φi(y))λ0kji(y))φ0j◦φi(y), c’est-à-dire

φ0j0 ◦φi0(y) = θi0j0,ij(y)φ0j◦φi(y), avec

θi0j0,ij(y) =γj00ii0(y)g00−1, g00φi(y))λ0kji(y)).

On définit de manière évidente le quasi-morphisme fort identité IX de X dans X. Il est clair que la composition à droite ou à gauche d’un quasi-morphisme fort avec IX donne un quasi- morphisme fort équivalent. On définit unquasi-isomorphisme fortσdeX dansX0 comme étant un quasi-morphisme fort de X dans X0 tel qu’il existe un quasi-morphisme fort σ0 deX0 dans X tel que σ◦σ0 (resp. σ0◦σ) soit équivalent à IX0 (resp. IX).

(10)

Exemples : 1 - Supposons qu’il existe un morphisme φ:X −→X0 compatible avec un morphisme de groupes algébriques α:G−→G0, c’est-à-dire que pour tous g ∈G, x∈X, on a φ(gx) = α(x)φ(x). Soit

φ:X/G−→X0/G0

l’application déduite de φ. Alors (φ, φ) est un quasi-morphisme fort de X dans X0. C’est l’exemple le plus simple.

2 - Supposons qu’il existe un quasi-isomorphisme fort σ:X −→X0, et soit U un ouvert G- invariant de X. Soit U0 l’ouvert G0-invariant correspondant de X0. Alors σ induit un quasi- isomorphisme fort U −→U0.

Il est clair que si

φ:X/G−→X0/G0

est un quasi-isomorphisme (non nécessairement fort),φinduit une bijection entre l’ensemble des ouverts (resp. fermés) G-invariants deX et l’ensemble des ouverts (resp. fermés) G0-invariants deX0. SiU est un ouvertG-invariant deX, et U0 l’ouvertG0-invariant correspondant de X0,φ induit un isomorphisme d’anneaux

O(U)G ' O(U0)G0.

Plus généralement, si Y est une variété algébrique, les morphismes G-invariants X −→Y s’identifient de manière évidente aux morphismes G0-invariants X0 −→Y.

Proposition 2.2. SiX etX0 sont quasi-isomorphes, il existe un quasi-bon quotient deX par G si et seulement si il existe un quasi-bon quotient de X0 par G0, et dans ce cas les deux quotients sont isomorphes.

Démonstration. Supposons qu’il existe un quasi-bon quotient π:X −→M

deX par G. Soit

φ:X/G−→X0/G0

un quasi-isomorphisme. Puisque π est G-invariant, il définit un morphismeG0-invariant π0 :X0 −→M.

Il est immédiat que c’est un quasi-bon quotient de X0 par G0. Remarque : La proposition 2.2 est vraie pour des bons quotients si on suppose en plus que les variétésX etX0 sont affines et si tout ouvert affine d’une de ces variétés est le complémentaire d’une hypersurface (c’est le cas par exemple lorsque X et X0 sont factorielles, c’est-à-dire que leurs anneaux de fonctions régulières sont factoriels). En effet dans ce cas les ouverts affinesG- invariants (resp.G0-invariants) deX (resp.X0) sont alors les complémentaires des hypersurfaces G-invariantes (resp.G0-invariantes), et il est aisé de voir que via φ les hypersurfaces invariantes de X correspondent exactement à celles de X0. C’est ce qui se produit dans [2], où X et X0 sont des ouverts d’espaces affines.

(11)

2.3. Lemme de descente

On montre ici que la notion de quasi-isomorphisme fort préserve une propriété importante : la possibilité de descendre au quotient des G-fibrés adéquats sur X. Rappelons qu’un G-fibré vectoriel surX est un fibré vectoriel algébrique F surX muni d’une action algébrique linéaire deG, au dessus de l’action de GsurX. S’il existe un quasi-bon quotient π :X −→M, on dit que F descend à M s’il existe un fibré vectoriel algébrique E sur M et un isomorphisme de G-fibrés

F ' π(E).

Définition 5. On dit qu’un G-fibré vectoriel F sur X est admissible si pour tout point x de X, le stabilisateur de x dans G agit trivialement sur Fx.

Il est clair que s’il existe un quasi-bon quotient M =X//G, et si F descend à M, alorsF est admissible. On démontre dans [4] le résultat suivant :

Lemme 2.3. (Lemme de descente) Si le groupe G est réductif et s’il existe un bon quotient π:X −→M, tout G-fibré admissible sur X descend àM.

Une justification de la notion de quasi-isomorphisme fort est le résultat suivant :

Proposition 2.4. On suppose donné un quasi-isomorphisme fort de X dans X0. Soit r un entier. Alors

1 - Il existe une bijection canonique entre l’ensemble des classes d’isomorphisme de G-fibrés vectoriels admissibles de rang r sur X et l’ensemble des classes d’isomorphisme de G0-fibrés vectoriels admissibles de rang r sur X0.

2 - On suppose qu’il existe un quasi-bon quotient

M = X//G = X0//G0.

Alors unG-fibré vectoriel admissible sur X descend à M si et seulement si le G0–fibré vectoriel admissible correspondant sur X0 descend à M, et les fibrés vectoriels associés sur M sont les mêmes.

Démonstration. Soit (φ :X/G−→X0/G0,(φi :Ui −→X0)) le quasi-isomorphisme fort. Soit F0 un G0-fibré vectoriel admissible surX0. On va lui associer unG-fibré vectoriel admissible F sur X. On commence par construire F sans sa structure algébrique. Soit :X −→X0 une application au dessus de φ. On pose F =(F0). Si 0 :X−→X0 est une autre application au dessus de φ, il existe une application θ :X −→G0 telle que 0 =θ.. Puisque F0 est un G0-fibré on obtient un isomorphisme F'F0 qui en x∈X est la multiplication par θ(x) F(x)0 −→F00(x). Puisque F0 est admissible, l’isomorphisme précédent est indépendant du choix de. On peut donc définir sans ambiguité F = F.

(12)

Définissons maintenant l’action deG surF. Soient g ∈G,x∈X. Alors(x)et(gx)sont dans la même G0-orbite, donc on a un isomorphisme canonique

Fx =F(x)0 −→F(gx)0 =Fgx,

qui ne dépend pas de. Il est clair qu’on définit ainsi une action deGsurF, et que le stabilisateur dex agit trivialement sur Fx.

On définit maintenant la structure algébrique surF. Soienti∈I etx∈Ui. SoitV un voisinage deφi(x) tel qu’on ait une trivialisation

F|V0 ' OV ⊗Cr. On définit sur U =Ui∩φ−1i (V) une trivialisation locale

FU(F|V0 )' OU ⊗Cr.

Il faut vérifier que ces trivialisations se recollent algébriquement. Cela découle immédiatement de la condition (ii) de la définition d’un quasi-morphisme fort. Le fait que l’action de G est algébrique découle de la condition (iii).

Les autres assertions sont immédiates et laissées au lecteur.

Si G est réductif et s’il existe un bon quotient M =X//G, on en déduit que tout G0-espace fortement quasi-isomorphe à X vérifie le lemme de descente, c’est-à-dire que tout G0-fibré vectoriel admissible surX0 descend à M.

3. Mutations constructives 3.1. Mutations constructives en termes de faisceaux 3.1.1. Un exemple simple

Soient E, F, G, Γ des faisceaux cohérents sur une variété projective X, M un espace vectoriel de dimension finie non nul. On suppose que le morphisme d’évaluation

Γ⊗Hom(Γ,G)−→ G

est surjectif. SoitE0 son noyau. On suppose aussi que l’application linéaire canonique Hom(Γ,G) −→Hom(E0,Γ)

est bijective, et que la composition

c: Hom(E,Γ)⊗Hom(Γ,G)−→Hom(E,G) est surjective.

(13)

Proposition 3.1. Soit

E −−−−→A (Γ⊗M)⊕ G −−−−→ FB

un complexe, avec A injectif et B surjectif. Alors il existe un complexe E ⊕ E0 −−−−→α Γ⊗N −−−−→ Fβ ,

avec N = Hom(Γ,G)⊕M, α étant injectif, β surjectif, et ker(β)/Im(α) ' ker(B)/Im(A).

Démonstration. Le morphisme

α :E ⊕ E0 −→Γ⊗(M ⊕Hom(Γ,G)) est la somme d’un morphisme

E −→Γ⊗(M ⊕Hom(Γ,G))

provenant deA (qui existe carc est surjective), et de l’inclusion E0 −→Γ⊗Hom(Γ,G). On a un diagramme commutatif avec colonnes exactes :

0 0

E0 E0

E0⊕ E Γ⊗(M ⊕Hom(Γ,G))

E (Γ⊗M)⊕ G

0 0

α

A

?

?

?

?

?

?

?

? -

-

On en déduit que α est injectif et que coker(α) 'coker(A). On définit le morphismeβ par le carré commutatif

Γ⊗(M ⊕Hom(Γ,G)) F

(Γ⊗M)⊕ G F

β

B

-

-

?

On en déduit que β est surjectif, β◦α= 0 et ker(β)/Im(α) ' ker(B)/Im(A).

(14)

On a bien sûr une réciproque : Proposition 3.2. Soit

E ⊕ E0 −−−−→α Γ⊗N −−−−→ Fβ

un complexe, avec α injectif et β surjectif. On suppose que l’application linéaire λ: Hom(E0,Γ)−→N

déduite de α est injective. Alors il existe un complexe

E −−−−→A (Γ⊗M)⊕ G −−−−→ FB

avec M = coker(λ), A étant injectif, B surjectif et ker(B)/Im(A) ' ker(β)/Im(α).

Démonstration. Analogue à la proposition précédente.

3.1.2. Le cas général

On se place dans la situation du §3.1. Soient U, V, G0 des faisceaux cohérents sur X. On démontre comme la proposition 3.1 la

Proposition 3.3. 1 - Soit

0−→ U −→ E −−−−→A (Γ⊗M)⊕ G ⊕ G0 −−−−→ F −→ V −→B 0 un complexe, exact en U, E, F, V. Alors il existe un complexe

0−→ U −→ E ⊕ E0 −−−−→α (Γ⊗N)⊕ G0 −−−−→ F −→ V −→β 0, avec

N = Hom(Γ,G)⊕M,

exact sauf au plus en (Γ⊗N)⊕ G0, et tel que ker(β)/Im(α) ' ker(B)/Im(A).

2 - Réciproquement, si N est un espace vectoriel, et si on a un complexe du second type exact en U, E ⊕ E0, F, V, tel que que l’application linéaire

λ: Hom(E0,Γ)−→N

déduite de α soit injective. Alors il existe un complexe du premier type, avec M = coker(λ), exact en U, E, F, V, et tel que ker(B)/Im(A) ' ker(β)/Im(α).

3.2. Mutations constructives abstraites

On décrit ici de manière abstraite la situation de la proposition 3.1 (sans tenir compte de l’injectivité deAetαet de la surjectivité deBetβ). Il est possible de faire la même chose dans le cas plus général de la proposition 3.3. On étudie l’action de certains groupes d’automorphismes sur l’espace de tous les complexes, et on étudie la relation entre les orbites des deux types de complexes. Des hypothèses supplémentaires sont faites dans cette version abstraite, par exemple on suppose que Γ est simple.

(15)

3.2.1. Espaces de complexes de type 1 (version simplifiée) 3.2.1.1 Définition

Soient Z1, Z2, Z3,Z4 , H, T,M des espaces vectoriels de dimension finie. On pose WC = (Z1⊗M)⊕Z2⊕(Z3⊗M)⊕Z4.

Soient

σ:Z1⊗H −→Z2, σ0 :H⊗Z4 −→Z3, τ :Z1⊗Z3 −→T, τ0 :Z2⊗Z4 −→T

des applications linéaires. On suppose que σ est surjective, et que σ0 induit une inclusion Z4 ⊂H⊗Z3. On suppose aussi que le diagramme suivant est commutatif :

(D)

Z1⊗H⊗Z4σ⊗I−−−Z4 Z2⊗Z4

IZ1⊗σ0

 y

 yτ

0

Z1⊗Z3 −−−→

τ T

Soit QC ⊂WC l’ensemble des points (φ1, z2, φ3, z4)tels que τ(<φ1, φ3>) +τ0(z2⊗z4) = 0,

1, φ3>désignant l’image de φ1⊗φ3 par la contraction de M Z1⊗M ⊗Z3⊗M −→Z1 ⊗Z3. Soient GL, GR etG0 des groupes. On suppose que :

GL opère linéairement à droite sur Z1, Z2, T. GR opère linéairement à gauche sur Z3,Z4, T.

G0 opère linéairement à gauche sur Z2, H, et linéairement à droite sur Z4.

On suppose que ces actions sont compatibles entre elles et avecσ, σ0,τ, τ0. Par exemple, on a σ(z1gL⊗h) = σ(z1⊗h)gL, σ0(g0h⊗z4) =σ(h⊗z4g0), (gRt)gL=gR(tgL),

si z1 ∈Z1,z4 ∈Z4,h∈H, t∈T, gL∈GL,gR∈GR et g0 ∈G0.

Définition 6. La donnée Θ de Z1, Z2, Z3, Z4, H, T, M, σ, σ0, τ, τ0, et des actions de GL, GR et G0 s’appelle un espace abstrait de complexes de type 1, et QC est l’espace total de Θ.

3.2.1.2 Dictionnaire

Dans la situation du §3.1, on a

Z1 = Hom(E,Γ), Z2 = Hom(E,G), Z3 = Hom(Γ,F), Z4 = Hom(G,F),

T = Hom(E,F), H = Hom(Γ,G),

(16)

les applications σ, σ0,τ,τ0 sont les compositions, et

GL= Aut(E), GR = Aut(F), G0 = Aut(G).

3.2.1.3 Groupes associés

Les groupesGopL et GR agissent à gauche de manière évidente sur WC, et QC est invariant par ces groupes. Soit G1 le groupe constitué des matrices

gM 0 φ g0

avec gM ∈GL(M),g0 ∈G0,φ∈M⊗H(la loi de composition est évidente). Le groupeG1agit linéairement à gauche surWC : cette action provient d’une action à gauche sur (Z1⊗M)⊕Z2

et d’une action à droite sur (Z3⊗M)⊕Z4 : si (φ1, z2, φ3, z4)∈WC et g1 ∈G1, on a g11, z2, φ3, z4) = (g11, z2),(φ3, z4)g1−1).

L’action à gauche deG1 sur (Z1⊗M)⊕Z2 est : gM 0

φ g0

φ1 z2

=

gMφ1 σ(<φ, φ1>) +g0z2

. L’action à droite de G1 sur (Z3⊗M)⊕Z4 est :

3, z4)

gM 0 φ g0

= (φ3gM + (IM ⊗σ0)(φ⊗z4), z4g0).

En utilisant la commutativité du diagramme(D), on montre aisément queQC estG1-invariant.

Plus généralement, on montre que l’application WC −→T

1, z2, φ3, z4)7−→τ(<φ1, φ3>) +τ0(z2⊗z4)

estG1-invariante. Dans la situation du §2.2.1.2, on a G1 = Aut((Γ⊗M)⊕ G).

On pose

G = GopL ×G1×GR, qui agit à gauche sur WC etQC.

3.2.2. Espaces de complexes de type 2 3.2.2.1 Définition

Soient Z1, Y2, T2, Z3, T, K, N des espaces vectoriels de dimension finie, et WC0 = (Z1 ⊗N)⊕(Y2⊗N)⊕(Z3⊗N).

Soient

ν:K ⊗Y2 −→Z1, ν0 :K⊗T2 −→T, λ:Y2⊗Z3 −→T2,

τ :Z1⊗Z3 −→T

(17)

des applications linéraires. On suppose que ν induit une inclusion K ⊂Z1⊗Y2 et que λ est surjective. On suppose aussi que le diagramme suivant est commutatif :

(D0)

K ⊗Y2⊗Z3 −−−→ν⊗IZ3 Z1⊗Z3

IK⊗λ

 y

 yτ K⊗T2 −−−→

ν0 T

Soit Q0C ⊂WC0 l’ensemble des points (ψ1, ψ2, ψ3)tels que τ(<ψ1, ψ3>) =λ(<ψ2, ψ3>) = 0, où<> désigne la contraction deN.

Soient GL, G0, GR des groupes. On suppose que GL opère linéairement à droite sur T, Z1 etK, GR opère linéairement à gauche sur T, Z3 etT2,

G0 opère linéairement à gauche sur K et linéairement à droite sur T2 etY2.

On suppose comme pour les complexes de type 1 que les actions des groupes sont compatibles entre elles et avec les applicationsν, ν0, λ etτ.

Définition 7. La donnée Θ0 de Z1, Y2, T2, Z3, T, K, N, ν, ν0, λ, τ et des actions de GL, G0, GR s’appelle un espace abstrait de complexes de type 2, et Q0C est l’espace total de Θ0.

3.2.2.2 Dictionnaire

Dans la situation du §3.1, on a

Z1 = Hom(E,Γ), Y2 = Hom(E0,Γ), Z3 = Hom(Γ,F), T2 = Hom(E0,F),

T = Hom(E,F), K = Hom(E,E0), les applications ν,ν0, λ, τ sont les compositions et

GL= Aut(E), GR= Aut(F), G0 = Aut(E0).

3.2.2.3 Groupes associés

Les groupesGopL et GR agissent à gauche de manière évidente sur WC0, et Q0C est invariant par ces groupes. Soit G01 le groupe constitué des matrices

gL 0 k g0

avec gL∈GL, g0 ∈G0, k ∈K (la loi de composition est évidente). Alors G01 agit à droite sur Z1⊕Y2 :

(z1, y2)

gL 0 k g0

= (z1gL+ν(k⊗y2), y2g0).

Dans la situation du §3.2.2.2, on a G01 = Aut(E ⊕ E0).

(18)

On en déduit une action à gauche de

G0 = GL(N)×G01op×GR

surWC0. On vérifie comme dans le cas des complexes de type 1 que Q0C estG0-invariant.

3.2.3. Mutations 1 =⇒ 2

3.2.3.1 Mutations d’espaces abstraits de complexes

On considère l’espace abstrait de complexes de type 1Θdu§3.2.1. On va en déduireΘ0, espace abstrait de complexes de type 2. Les espaces vectorielsZ1,Z3,T deΘ0 sont les mêmes que ceux deΘ. On prend

N =M ⊕H, Y2 =H, T2 = (H⊗Z3)/Z4, K = ker(σ)⊂Z1⊗H.

L’applicationτ deΘ0 est la même que celle de Θ.

L’application λ:Y2⊗Z3 −→T2 est la projection H⊗Z3 −→(H⊗Z3)/Z4. L’application ν :K⊗Y2 −→Z1 est la composée

K⊗Y2 ⊂Z1⊗H⊗Y2 =Z1⊗H⊗H −→Z1.

Pour définir ν0 :K⊗T2 −→T on part du diagramme commutatif suivant, déduit de(D0) Z1⊗H⊗Z4σ⊗I−−−Z4 Z2 ⊗Z4

α

 y

 yτ

0

Z1⊗H⊗Z3⊗H −−−→

τ⊗tr T

(tr désignant la trace H⊗H −→C etαprovenant de l’inclusion Z4 ⊂Z3⊗H déduite de σ0). Il en découle que

(τ ⊗tr)◦α(ker(σ)⊗Z4) = {0}.

Donc τ ⊗tr induit une application linéaire

ker(σ)⊗((Z3⊗H)/Z4) = K⊗T2 −→T qui est par définitionν0.

La commutativité de (D0) se vérifie aisément.

Les groupes GR, GL, G0 de Θ0 sont les mêmes que ceux de Θ et leurs actions sont évidentes.

L’espace abstrait de complexes de type 2Θ0 est ainsi complètement défini. On notera Θ0 = D0(Θ).

3.2.3.2 Mutations de complexes

Soit (φ1, z2, φ3, z4)∈QC. On va en déduire une orbite G0.(ψ1, ψ2, ψ3) deQ0C. – Définition de ψ1 ∈Z1 ⊗N : on prend ψ0 ∈Z1 ⊗H tel que σ(ψ0) =z2, et

ψ101 ∈ (Z1⊗H)⊕(Z1⊗M) =Z1⊗N.

(19)

– Définition de ψ2 ∈Y2⊗N : on prend

ψ2 =IH ∈ H⊗H⊂H⊗(M ⊕H) =Y2 ⊗N.

– Définition de ψ3 ∈Z3 ⊗N : on prend

ψ33+z4 ∈ (Z3⊗M)⊕Z4 ⊂(Z3 ⊗M)⊕(Z3⊗H) = Z3⊗N.

On vérifie aisément que(ψ1, ψ2, ψ3) est un élément de QC défini à l’action près du sous-groupe deG01 isomorphe à K, constitué des matrices

1 0 k 1

, k ∈K.

On a donc défini une application

D0 :QC −→Q0C/G0.

Lemme 3.4. Si x∈QC et g ∈G, alors D0(gx) = D0(x). Donc D0 induit une application D0 :QC/G−→Q0C/G0.

Vérification immédiate.

3.2.4. Mutations 2 =⇒ 1

3.2.4.1 Mutations d’espaces abstraits de complexes

On considère l’espace abstrait de complexes de type 2 Θ0 du §3.2.2. On va en déduire Θ, espace abstrait de complexes de type 1. On doit supposer que dim(N)≥dim(Y2). On note W00C le sous-ensemble G0-invariant de WC0 constitué des (ψ1, ψ2, ψ3) tels que ψ2 :Y2 −→N soit injective. Soit Q00C =Q0C∩W00C.

On définit maintenantΘ. Les espaces vectorielsZ1, Z3,T deΘsont les mêmes que ceux deΘ0. On prend pourM un espace vectoriel de dimension dim(N)−dim(Y2), et

H =Y2, Z2 = (Z1⊗Y2)/K, Z4 = ker(λ)⊂Y2⊗Z3. L’applicationτ deΘ est la même que celle deΘ0.

L’application σ :Z1⊗H −→Z2 est la projection Z1⊗Y2 −→(Z1⊗Y2)/K.

L’application σ0 :H⊗Z4 −→Z3 est la restriction de

tr⊗IZ3 :H⊗H⊗Z3 −→Z3.

Pour définir τ0 :Z2⊗Z4 −→T on part du diagramme commutatif suivant déduit de (D0) K⊗Y2⊗Z3 −−−→IK⊗λ K⊗T2

ν⊗IY2⊗Z3

 y

 yν

0

Z1⊗Y2⊗Y2⊗Z3 −−−→

τ⊗tr T

(20)

ν désignant l’inclusion K ⊂Z1⊗Y2 déduite de ν. On a donc (τ⊗tr)◦(ν⊗IY2⊗Z3)(K⊗ker(λ) = {0}, et τ ⊗tr induit donc

τ0 : ((Z1⊗Y2)/K)⊗ker(λ) =Z2⊗Z4 −→T.

La commutativité du diagramme (D)se vérifie aisément. Les groupes G0,GL etGR deΘ sont les mêmes que ceux de Θ0 et leurs actions sont évidentes. L’espace abstrait de complexes de type 1 Θest ainsi complètement défini. On notera

Θ = D000).

Proposition 3.5. On a D0◦D000) = Θ0 et D00 ◦D0(Θ) = Θ.

Immédiat.

3.2.4.2 Mutations de complexes

Soit (ψ1, ψ2, ψ3)∈Q00C. On va en déduire une orbite G.(φ1, z2, φ3, z4) deQC.

– Définition de φ1 ∈ Z1 ⊗M : on fixe d’abord un isomorphisme entre M et un supplé- mentaire de l’image de ψ2 dans N :

N = Y2⊕M.

On prend pour φ1 la composante deψ1 dans Z1⊗M.

– Définition de z2 ∈Z2 : on prend la projection sur (Z1⊗Y2)/K de la composante de ψ2 dans Z1⊗Y2.

– Définition de φ3 ∈Z3 ∈M : on prend la composante de ψ3 dans Z3⊗M. – Définition de z4 ∈Z4 : on prend z4 =<ψ2, ψ3>∈ker(λ).

On vérifie aisément que (φ1, z2, φ3, z4) est un élément de QC défini à l’action près du groupe G1.

On a donc défini une application

D00 :Q00C −→QC/G.

Lemme 3.6. Si x∈Q00C et g ∈G0, alors D00(gx) =D00(x). Donc D00 induit une application D00 :Q00C/G0 −→QC/G.

Vérification immédiate.

3.2.5. Théorèmes d’isomorphisme

Théorème 3.7. On a D00◦D0 =IQC/G et D0◦D00 =IQ00

C/G0.

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