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Le foncteur de Maurer-Cartan sur les algèbres L∞

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Le foncteur de Maurer-Cartan sur les algèbres L nilpotentes, d'après Getzler

Notes d'exposé au groupe de travail de topologie algébrique Nantes/Angers

Aurélien DJAMENT novembre 2012

Résumé

Dans l'exposé précédent, nous avons appris la dénition de l'ensemble de Maurer-CartanMC(g) d'une algèbreL nilpotente (sur un corps de caractéristique nulle)get vu que, à l'aide du foncteur de tensorisation par l'algèbre commutative graduée simplicialeque nous avons étudiée dans les séances antérieures, on en déduit un foncteurMC des algèbres L

nilpotentes vers les ensembles simpliciaux, donné parMCn(g) = MC(g n). Cet ensemble simplicial modélise le type d'homotopie deg; le résultat fondamental de cet exposé (qui suit essentiellement la deuxième partie de la section 4 de l'article [Get09] de Getzler) est qu'il s'agit d'un ensemble simplicial de Kan.

Table des matières

1 Rappels sur les algèbresL 2

2 Rappels et compléments sur le foncteur de Maurer-Cartan 2

3 L'ensemble simplicial MC(g) est brant 3

4 Propriétés d'invariance homotopique 7

5 Annexe : tentative pour comprendreπ0(g)pourgalgèbre de Lie

diérentielle graduée 7

(2)

1 Rappels sur les algèbres L

On se donne une algèbreL gsur le corps de baseK de caractéristique0. Celle-ci est donc munie de crochets[] : Λkgg, qui sont homogènes de degré 2k, pour toutk1, où la puissance extérieurek-èmeΛkgs'entend au sens gradué et vérient une relation de Jacobi appropriée. Pour k = 1, on obtient une diérentielle que Getzler note δ.

Si (A, d) est une (K-)algèbre commutative graduée (éventuellement sans unité), l'espace vectoriel graduégAhérite d'une structure d'algèbreLtelle que

[xa] = [x]a+ (−1)|x|xda et

[x1a1, . . . , xkak] = (−1)Pi<j|ai||xj|[x1, . . . , xk](a1. . . ak)pourk >1 (attention, le papier de Getzler semble contenir une coquille pour le signe).

Sigest nilpotente, il en est de même pourgA.

Comme Getzler, nous adopterons les abus de notation suivants : si f est une application linéaire g g, nous noterons encore f pour f A :gA gA. Si ϕ: A A est une application linéaire homogène, on notera encore ϕl'application linéaire gAgA donnée parxa7→(−1)|ϕ||x|xϕ(a) (on utilise toujours la règle de Koszul pour les signes). Ainsi, la diérentielle de gApeut être notéed+δ. Noter que, avec cette convention de prolongement, f etϕcommutent au signe(−1)|f|.|ϕ|près (on suppose ici quef est homogène).

Le cas qui nous intéresse est celui où A est l'algèbre commutative graduée n des formes diérentielles polynomiales sur le n-simplexe standard n. On dispose ainsi d'une algèbreLsimplicialeg.

2 Rappels et compléments sur le foncteur de Maurer- Cartan

On dispose d'un premier foncteur de Maurer-CartanMC des algèbres L nilpotentes vers les ensembles. À gil associe l'ensembleMC(g)des αg1 tels queF(α) = 0, où

F(α) :=X

l≥1

1 l!∧l]

(la somme est nie puisque g est nilpotente). Noter que la fonctorialité est évidente sur les algèbres de Lie diérentielles graduées, mais pas tout à fait dans le cadreL. Supposons en eet que f :gg0 est un morphismeL (avecg0 nilpotente, commeg) :f est une collection d'applications linéaires fi:g∧ig0 de degré1ivériant des relations appropriées ; sixMC(g), alors on n'a pas nécessairement f1(x) MC(g0) (c'est cependant le cas, évidemment, si f est un morphisme naïf, c'est-à-dire que lesfi sont nuls pour i >1). En revanche, l'élément

X

i≥1

1 i!fi(x∧i)

(on suppose ici que la somme est nie, ce qui n'est pas a priori gratuit) de g01 appartient àMC(g0)(c'est une conséquence facile des relations vériées par

(3)

les fi) et cela fait de MC un foncteur des algèbres L nilpotentes vers les ensembles (éventuellement pointés :0est point de base canonique de l'ensemble de Maurer-Cartan).

Le foncteur étudié par Getzler dans le Ÿ 4 de [Get09], noté MC, va des algèbres L nilpotentes (les morphismes étant les morphismes L nilpotents au sens où la somme précédente est toujours nie) vers les ensembles simpliciaux.

Il est obtenu en composantMCet−⊗Ω. Comme0s'identie àK, l'ensemble MC0(g)des0-simplexes deMC(g)s'identie à MC(g).

Getzler dénit les groupes d'homotopie d'une algèbreLnilpotentegcomme ceux de l'ensemble simplicial pointé de Maurer-Cartan MC(g). L'ensemble (pointé) π0(g) :=π0(MC(g)) possède une interprétation sympathique voir pour cela l'annexe en n de texte.

Si g est une algèbre L abélienne (i.e. dont les produits, sauf peut-être la diérentielle, sont nuls), c'est-à-dire un complexe de cochaînes, on dispose d'isomorphismes naturelsπi(g)'H1−i(g).

3 L'ensemble simplicial MC(g) est brant

On rappelle (cf. Ÿ 3 de [Get09] et exposés correspondants) que, pour 0 i n, on dispose d'applications linéaires εin : Ωn K n d'évaluation sur le sommetei des formes (c'est donc nul sur une forme homogène de degré strictement positif) et d'opérateurs hin : Ωn n de degré −1 vériant la relation d'homotopie Idεin =dhin+hind; les extensions de ces applications à gn vérient encore la même relation, ainsi que δhin=−hinδ(à cause des signes), de sorte qu'on a :

Id=εin+ (d+δ)hin+hin(d+δ). (1) On pose aussiRin := (d+δ)hin.

SiαMCn(g), alors(d+δ)(α) =P

l≥2 1

l!∧l], de sorte que (1) donne : α=εin(α) +Rin(α)X

l≥2

1

l!hin∧l] (2) On rappelle également que εinhin = 0 par le lemme 3.6 de Getzler (cette composée est, au signe près, l'intégrale sur le simplexe dégénéré(ii), donc0).

On utilisera par ailleurs l'égalité

x∧ly∧l=

l

X

j=1

x∧(j−1)(xy)y∧(l−j) (3)

Dénition 3.1. On notemcin(g)le sous-espace vectoriel de(gn)1intersec- tion de l'image pard+δde(gn)0(image que Getzler notemcn(g)mais qui ne semble pas faire le travail) et de Ker εin.

Proposition 3.2 (Lemme 4.6 de [Get09]). Pour toute algèbreL nilpotenteg, l'application in, Rni)induit une bijectionMCn(g)MC(g)×mcin(g).

Démonstration. On commence par noter que εin, qui est une application sim- pliciale, envoie MCn(g)dansMC0(g) = MC(g)et queRin envoie MCn(g)dans

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mcin(g). En eet, l'image deRinrestreinte aux éléments de degré1est clairement incluse dans l'image par d+δ de(gn)0, et l'on remarque que εin(d+δ)hin est nul car :

1. εind= 0, puisqueεin est nul sur les formes homogènes de degré non nul et quedaccroît strictement le degré ;

2. εinδhin est également nul à cause de la relationεinhin= 0(εin est une appli- cation simpliciale etδopère seulement surg, de sorte que ces morphismes commutent au signe près).

Montrons maintenant que la restriction àMCn(g)dein, Rin)est injective. Si αetβ sont deux éléments deMCn(g)tels queεin(α) =εin(β)etRin(α) =Rin(β), alors les égalités (2) et (3) fournissent

αβ=X

l≥2

1 l!

l

X

j=1

hin ∧(j−1)α)α∧(l−j)] .

Par conséquent, si l'on note Fgla suite centrale descendante deg, la relation αβ Frg entraîne αβ Fr+1g; comme gest nilpotente, on en déduit α=β.

Établissons la surjectivité de notre application. Donnons-nousµMC(g)et ν mcin(g)et posonsα0=µ+ν. On a ici noté, par abus, de la même façonµ et son image µ1 (où1 désigne l'unité de l'algèbre n) dans g10n. Alors εinµ=µ(carεin n'est autre qu'une évaluation sur les0-formes) etεinν= 0par dénition de mcin(g) (c'est là qu'on ne semble pas pouvoir s'en sortir avec le mcn(g)de Getzler), doncεinα0=µ. On a égalementRinµ= 0car hinµ= 0(hin n'opère que sur la partie simpliciale et fait strictement décroître le degré des formes, or µest de degré nul) etRinν=ν grâce à la relation (1), qui fournit

Rinν =νεinνhin(d+δ)ν ;

or εinν= 0et (d+δ)ν= 0puisque (d+δ)2= 0, doncRinα0=ν.

On dénit maintenantαk, pour kN, par la relation de récurrence suiv- ante :

αk+1=α0X

l≥2

1

l!hin∧lk ].

Commeεinhin= 0, on aεinαk =εinα0=µpour toutk. De même, de(hin)2= 0 (cas particulier du lemme 3.5 de [Get09]) on tire Rinαk=ν pour toutk.

Utilisant l'identité (3), on voit que

αk+1αk=X

l≥2

1

l!hinXl

j=1

∧(j−1)k−1 k−1αk)α∧(l−j)k ]

d'où l'on déduit par récurrence la relationαk+1−αk Fk+1g⊗Ωn. Commegest nilpotente, cela implique que la suitek)est stationnaire ; nous noteronsαsa limite : elle vérieεinα=µethinα=ν. Pour conclure la démonstration, il sut donc d'établir que αappartient à MCn(g). Pour cela, on applique l'opérateur d+δà l'égalité

α=α0X

l≥2

1

l!hin∧l],

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ce qui donne, puisque(d+δ)ν= 0(car(d+δ)2= 0) et= 0(carµest dans g=gKg0n) :

(d+δ)α=δµX

l≥2

1

l!(d+δ)hin∧l], d'où

F(α) =δµ+X

l≥2

1

l! id(d+δ)hin ∧l]

puis, en utilisant l'égalité (1), la relationεinα=µet le fait queεin, qui est une application simpliciale de degré nul, commute aux crochets venant deg:

F(α) =F(µ) +X

l≥2

1

l!hin(d+δ)[α∧l] =hin(d+δ)F(α).

Par l'identité de Bianchi

(d+δ)F(α) =X

l≥1

1

l!∧l∧ F(α)], on en déduit :

F(α) =X

l≥1

1

l!hin∧l∧ F(α)],

ce qui montre, par récurrence surj, queF(α)appartient à chaqueFjgn et conclut la démonstration,gétant nilpotente.

Remarque 3.3. Il serait très intéressant de comprendre comment les morphismes L (nilpotents) se comportent vis-à-vis de la bijection de la proposition précé- dente : pour ce qui concerneεin : MCn(g)MC(g)c'est évident, mais ce l'est beaucoup moins pourRin : MCn(g)mcin(g). Peut-être cela pourrait-il aider à compléter la démonstration de la proposition 3.6 ci-après pour un morphisme L général ?

Dans ce qui suit, lesjdésignent (comme dans l'article de Getzler) les opéra- teurs de face sur l'algèbre simpliciale.

Lemme 3.4. 1. Pour0i < jn, on aεin =εin−1j, jhin =hin−1j et

jRin=Rin−1j.

2. Pour0j < in, on aεin=εi−1n−1j,jhin=hi−1n−1j etjRin=Ri−1n−1j. Démonstration. Les assertions relatives aux εrésultent de ce que la composée εkn−1jest induite par l'application[0][n−1][n](de la catégorie simpliciale

) composée de la fonction constante enket de la fonction associanttàt < j et t+ 1 à t j, composée égale à l'application constante en k si k < j et en k+ 1sinon.

Les assertions relatives aux applicationsh sont (avec des notations légère- ment diérentes) le point (ii) du lemme 2.19 de [Dup78]. Celles relatives aux R= (d+δ)hs'en déduisent, puisqued+δ commute1 aux applications simpli- ciales (dest la diérentielle de de Rham etδn'opère que sur l'algèbreL).

1. Il n'y a pas de problème de signe car les opérateurs simpliciauxjsont de degré nul.

(6)

On rappelle également le résulat classique suivant (cf. [GJ99], chap. III, lemme 2.10, par exemple) :

Lemme 3.5. Tout morphisme de groupes abéliens simpliciaux qui est surjectif en chaque degré est une bration de Kan.

Proposition 3.6 (Proposition 4.7 de [Get09]). Sif :ghest un morphisme surjectif2d'algèbresLnilpotentes, alors le morphisme d'ensembles simpliciaux MC(f) : MC(g) MC(h) est une bration de Kan, au moins si f est un morphisme naïf.

Démonstration. Soient nN, i ∈ {0, . . . , n}, βj MCn−1(g), pour 0 j 6=

i n, vériant jβk =k−1βj pour 0 j < k n avec j, k 6=i (autrement dit, lesβj forment un cornet) etγMCn(h)tel quejγ=fj)pourj6=i. Il s'agit de montrer l'existence deαMCn(g)tel quef(α) =γ etjα=βj pour j6=i.

Comme f1m est surjectif pour tout m N, le lemme 3.5 montre que f1 est une bration de Kan si f est un morphisme naïf surjectif (sinon, je ne sais pas comment compléter la démonstration de Getzler le morphisme entre les ensembles simpliciaux sous-jacents aux espaces vectoriels simpliciaux (g)1 et(h)1 dont on aimerait savoir qu'il est une bration n'est alors pas linéaire cf. la fonctorialité deMCindiquée dans la section 2 de sorte qu'on ne peut pas appliquer le lemme 3.5), de sorte qu'il existeρg⊗Ωntel que f(ρ) =γet jρ=βj pourj6=i. Du fait queεin est une application simpliciale qui se factorise par j, où j 6=i est arbitraire, et que jρappartient au sous- ensemble simplicial MC(g) de g, εinα appartient à MC0(g) = MC(g). La proposition 3.2 garantit donc l'existence d'un (unique)αMCn(g)tel que εinα=εinρetRniα=Rniρ.

On a

εinf(α) =finα) =finρ) =εinf(ρ) =εinγ

et de mêmeRinf(α) =Rinγ, de sorte quef(α) =γpar la proposition 3.2.

Soit j ∈ {0, . . . , n} \ {i}, montrons l'égalité jα = βj. (Attention, sur ce point, le papier de Getzler contient quelques erreurs d'indexation.) Supposons d'abordi < j. Grâce au lemme 3.4, on a

εin−1jα=εinα=εinρ=εin−1jρ=εin−1βj et

Rin−1jα=jRinα=jRinρ=Rin−1jρ=Rn−1i βj, de sorte que la proposition 3.2 entraîne quejα=βj.

Dans le cas oùj < i, on procède de la même façon, mais en utilisantεi−1n−1 et Ri−1n−1; par exemple,

Ri−1n−1jα=jRinα=jRinρ=Ri−1n−1jρ=Rn−1i−1βj, ce qui conclut la démonstration.

2. Cela signie-t-il que la première composante de f (qui est un morphisme d'espaces vectoriels gradués de degré0degdansh) est surjective, ou que le morphisme entre les cogèbres colibres associées est surjectif (peut-être même est-ce équivalent ?) ? Je n'ai pu trancher ce point, ne comprenant de toute façon pas la démonstration dans le cas où le morphisme n'est pas naïf.

(7)

Prenant pour hl'algèbre nulle, on obtient l'un des résultats principaux du

Ÿ 4 de [Get09] :

Corollaire 3.7. Pour toute algèbre L nilpotente g,MC(g)est un ensemble simplicial de Kan.

4 Propriétés d'invariance homotopique

On reproduit ici sans démonstration deux résultats de la n du Ÿ 4 de [Get09].

Elles indiquent en un certain sens que l'ensemble simplicial pointéMC(g)con- stitue un modèle raisonnable pour faire de la théorie de l'homotopie sur les algèbres Lnilpotentes.

Proposition 4.1 (Théorème 4.8 de [Get09]). Soit f : gh une équivalence faible (naïve ?) entre deux algèbresL nilpotentes concentrées en degrés négat- ifs. Alors le morphisme d'ensembles simpliciaux

MC(f) : MC(g)MC(h) est une équivalence d'homotopie.

Si m est une K-algèbre commutative sans unité, on a rappelé au début comment faire degmune algèbreL lorsquegest une algèbreL. Simest nilpotente au sens où mi = 0 pour un certain i, alors l'algèbre L gm est toujours nilpotente.

Proposition 4.2 (Proposition 4.9 de [Get09]). Soientf :ghune équivalence faible (naïve ?) entre deux algèbresLetmune algèbre commutative sans unité nilpotente. Alors le morphisme d'ensembles simpliciaux

MC(fm) : MC(gm)MC(hm) est une équivalence d'homotopie.

La démonstration de ces deux résultats repose sur l'utilisation de ltrations judicieuses. Pour la proposition 4.1, Getzler emploie une ltration dénie à l'aide des cocyles et cobords des algèbresL (avec des conditions de degré), pour la proposition 4.2, c'est la ltration nie décroissante induite par les puissances de mqui sert. Un autre ingrédient réside dans le caractère contractile depour la proposition 4.1 et l'observation que le foncteur MC restreint aux algèbresL abéliennes (i.e. aux complexes de cochaînes noter queMCest l'ensembleZ1 des1-cocyles pour une telle algèbre) envoie équivalences faibles sur équivalences d'homotopie. Enn, on utilise pour les deux propriétés la proposition 3.6, de sorte qu'il faut savoir la démontrer pour un morphismeL(nilpotent) arbitraire pour obtenir le même degré de généralité pour les propositions 4.1 et 4.2.

5 Annexe : tentative pour comprendre π0(g) pour g algèbre de Lie diérentielle graduée

Pour simplier, on suppose ici simplement quegest une algèbre de Lie dif- férentielle graduée nilpotente. Cherchons à décrire π0(g) = π0(MC(g)). Con- sidérons pour cela un élément de(g⊗1)1'g1[t]g0[t]dtde composantesxet

(8)

−y.dt: sa diérentielle est la somme du termedxdy.dtissu de la diérentielle ddeget du termex.dt˙ (on désigne par un point la dérivation des polynômes ; le signe provient de la règle de Koszul) et

[xy.dt, xy.dt] = [x, x]2[x, y].dt= [x, x] + 2(ad y)x.dt

puisque dt.dt= 0, où l'on note ad y = [y,−]. Par conséquent,xy.dt vérie l'équation de Maurer-Cartan si et seulement si

dx+1

2[x, x] = 0 et x˙ = (ad y)(x)dy.

Cela équivaut à x(0)MC(g)etx˙ = (ad y)(x)dy. En eet, sixvérie cette égalité, on voit facilement que z:=dx+12[x, x]vérie l'égalité z˙ = (ad y)z, de sorte que z = 0équivaut simplement à z(0) = 0. Par ailleurs, en utilisant que g est nilpotente, on constate aisément que, pour tout a g1, il existe une et une seule solution xg1[t]de l'équation x˙ = (ad y)(x)dy telle quex(0) =a. Pour résoudre cette équation, on procède comme d'habitude : soitY la primitive sans terme constant dey, en posant X = exp(−ad Y)(x)(c'est licite car gest nilpotente) l'équation devient

X˙ =exp(−ad Y)(dy).

Siyest un monômetnω(oùωg0etnN),exp(−ad Y)(dy) =tnexp(−tn+1n+1ad ω).dω s'intègre aussitôt :

X=X(0) +exp tn+1n+1ad ω

1

ad ω .dω

ou encore

x= exptn+1 n+ 1.ad ω

.x(0) + 1exp tn+1n+1ad ω ad ω .dω.

Cela montre d'une part que la formule

exp(λ).a= exp(ad λ)a+1exp(ad λ) ad λ .dλ

dénit une action (ou plutôt, cela montre que cette formule donne un élé- ment deMC(g)lorsque ay appartient : vérier la formule exp(λ).(exp(µ).a) = (exp(λ) exp(µ)).a n'est pas évident) du groupe exp(g0) sur l'ensemble MC(g) (cf. [GM88] ; [Hin97] donne quelques explications sur cette action, mais elles me semblent totalement incompréhensibles) et d'autre part que deux éléments de MC(g) = MC0(g)sont dans la même composante connexe de l'ensemble sim- plicial de MC(g) s'ils sont conjugués sous cette action. Cela montre aussi la réciproque i.e. permet d'identierπ0(MC(g))àMC(g)/exp(g0), résultat af- rmé par exemple par l'article de Getzler (y compris sous la forme plus générale correspondant au casL; le cas Lie dg est attesté dans [GM88] ou [Hin97]) si l'on sait montrer que le cas général (où y n'est pas monomial) se ramène à celui qu'on peut facilement intégrer.

Remarque 5.1. Une façon de voir qu'il est naturel de considérer l'équation dx+ 12[x, x] = 0 pour x élément homogène de degré 1 d'une algèbre de Lie

(9)

diérentielle graduée (et sans doute, plus généralement, l'équation de Maurer- Cartan dans le cadreL, en eectuant les modications qui s'imposent) est de noter la relation (pourxhomogène de degré impair)

(d+ad x)2=ad Q(x) Q(x) =dx+1 2[x, x]

(cf. [GM88], pages 50-51). Cela semble lié intuitivement à l'énoncé selon lequel π0(g)paramétrise les classes d'équivalence de déformations deg(vrai également dans le cadreL) qui constitue manifestement une motivation fondamentale à l'introduction du foncteur de Maurer-Cartan. On ne cherchera toutefois pas, dans cet exposé, à expliquer ce que signie déformer une algèbre de Lie dif- férentielle graduée (tout cela paraît trouver sa source dans des considérations géométriques qui dépassent totalement le cadre du présent exposé et les compé- tences de son auteur).

Remerciements Je remercie chaleureusement Friedrich Wagemann pour les références et indications précieuses qu'il m'a fournies, ainsi qu'Hossein Ab- baspour sans qui je n'aurais rien compris à la fonctorialité de l'ensemble de Maurer-Cartan relativement aux morphismesL. La préparation de cet exposé a également bénécié de discussions avec Salim Rivière.

Références

[Dup78] J. L. Dupont Curvature and characteristic classes, Lecture Notes in Mathematics, Vol. 640, Springer-Verlag, Berlin, 1978.

[Get09] E. Getzler Lie theory for nilpotentL-algebras , Ann. of Math.

(2) 170 (2009), no. 1, p. 271301.

[GJ99] P. G. Goerss & J. F. Jardine Simplicial homotopy theory, Progress in Mathematics, vol. 174, Birkhäuser Verlag, Basel, 1999.

[GM88] W. M. Goldman & J. J. Millson The deformation theory of representations of fundamental groups of compact Kähler manifolds , Inst. Hautes Études Sci. Publ. Math. (1988), no. 67, p. 4396.

[Hin97] V. Hinich Descent of Deligne groupoids , Internat. Math. Res.

Notices (1997), no. 5, p. 223239.

Références

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