Séminaire Henri Cartan
H. C ARTAN
Puissances divisées
Séminaire Henri Cartan, tome 7, no1 (1954-1955), exp. no7, p. 1-11
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7-01
PUISSANCES DIVISÉES
H.
CARTAN
(Exposé
de H.CARTAN, 3-1-1955)
Séminaire
H. E.N.S.1954/55
Dans une
algèbre graduée
conumtative sur le corps des ration-nels, considérons,.
pourchaque
entierk 9
Elle
jouit
despropriétés
suivantes :On
vérifie (5)
enmontrant,par récurrence
surk ,
que le coefficient du second membre estégal
àqui
est donc entier.’ .
k:(hj)"
Enfin,
si1~algèbre
est munie d’unedifférentielle, d ~
on a1.- Une propriété
dela bar construction.
On ne fait aucune
hypothèse
sur 1~anneau de baseA .
Théorème
1 : Soit A uneDGA-algèbre anticommutative (au
sensi.e. ?
a ==
0 pour tout a ~ A dedegré impair). Pour chaque
x~ß (A) de degré pair 2 ,
ilexiste
unesuite d’éléments k(x) ~ (A)
(k
=0,1,2,...) oui satisfont
à(l) et (6) , où
dxdifférentielle de x~B (A) au sens _de l’algèbre acyclique (f3(A) . Les éléments k-(x) sont déterminés de manière uniQue
par cesconditions ’ ils ont un caractère fonctoriel
_1 ils satisfont en outre à(2),(3),(5),
Démonstration ? d’après l’Exp. 4 , th.49 . ~ïv~ 9 l’algèbre ~~ (A~
estanticommutative au sens strict. Donc le
produit
tensoriel=
est une
algèbre
anticommutative au sensstrict ;
parsuite~
si x(~ ~
est de
degré pair, (dx)
est nul.Cela
posé,
lapropriété (B) (Exp. 3,
th.3)~ qui caractérise
la barconstruction,
va donner la clef de ladémonstration.
Soit x 6
’~ (A) ~
qj~l ;
l’existence etl’unicité
de satisfaisant à( 1)
et(6)
se montrent parrécurrence
surk , étant
triviales pour 0et k = 1 . Si elles sont vraies pour k - 1
(k 2) ,
ladétermination
de revient à celle(j~. (A)
tel quedy
soit unélément
connu z =
(dx) ~..(x) ;
un tel y existe et estunique,
pourvu que zsoit un
cycle j
or,d’après l’hypothèse
derécurrence,
dz =(dx) k-2(x) ,
qui
est nulpuisque (dx)2
= 0 .Les
applications V.
k ont uncaractère
fonctoriel : si f : ° A -~A~est un
DGA-homomorphisme, l’application
g :(E(A)~ß(A’) définie
parf
sa.tisfait à g( ~(x)) = (&~ (A) . Démonstration
par
récurrence
sur k ~ sic’est
vrai pour k -1 ,
les deux membres ont desdifférentielles égales,
donc sontégaux d’après
lapropriété (B)
de la barconstruction.
’
La
.propriété (2)
sevérifie
parrécurrence
sur k +h ~ étant
pour k + h = 0
ou
1 . On prouvel’égalité
desdifférentielles, qui résulte
de
l’hypothèse
derécurrence~
et de la relationclassique :
+ =
(k~h) .
Lapropriété (3)
sevérifie
aussi parrécurrence
sur
k ,
endifférentiant.
De pour(4’) :
si lesdegrés
de x et y sontimpairs;
ladifférentiation
nousramené
au cas k =2 ,
et dans cepar
différentiation,
onest ramené
àvérifier
qued(xy).(xy)
=0 ,
cequi résulte
des relationsx
=: 0 ety
= 0 . Sideg(y)
estpair.)
2 etdeg(x) pair, (4’)
se prouve encore endifférentiant, compte
tenu de larelation y.
=k~(y) qui.réaulte
de(2) . Enfin, (5)
estpour k = 1 et se prouve par
récurrence
sur k endifférentiant :
1 il suffitd’appliquer (2)
au calcul duproduit ~-1~
2.- L’algèbre des polynômes divisée.-
Les
définis
dans la bar constructiond~(A) s’appellent
lespuissances divisées
de x. Cettedénomination
estjustifiée
par la relationqui résulte aussitôt
de(2) .
Prenons un
exemple important :
soit A =E(x ; 2q-l) l’algèbre exté-
rieure à un
générateur
x dedegré impair 2q-l .
Introduisons le module2q), ayant
la base suivante : y -=1 ~ Vi
= Y ,V~ ~
... , ...dans les
degrés 0 ~ 2q , 4q ,
... ,2kq ,
... Sur leproduit
tensorielA(x)P(y ; 2q)
mettons ladifférentielle
.
(7)
dx =0 , dyk
=xyk-1, d’où d(xyk)
= 0 . ,Il est
immédiat
que lesxy, (k ~0)
forment une base descycles,
et quetout
cycle
est le bord d’ununique élément
deP(y ; 2q).
Lapropriété
carac-téristique
de la bar construction de A est doncvérifiée ;
il s’ensuit queP(y ! 2q)
est muni d’une structured’algèbre,
celle de(B(A) .
La relation(7)y
comparée
à(6)~
montreque y.
=~(y)
Alors(2)
donne lamultiplication
dansP(y ! 2q) : ykyh
=(5) détermine les puissances divisées
dans
P(y ; 2q) :
’
(8)
=(h,h-l)(2h,h-l)
...((k-l)h,h-l)
L’algèbre P(y; 2q) ,
munie de cesystème
des’appelle L’algèbre des polynômes divisée (à
ungénérateur
y dedegré 2q) .
3.- Autres exemples.
Dans
L’exemple précédente
y n’est autre que[x’] ~ déduit
de x ~..Apar
l’application
squi définit la suspension.
Plusgénéralement
2Soit A une DGA-algèbre anticommutative au sens
stricte
etsoit
a 6
~l) ;
~L-Sce
qui
-revientà.
= 0 . Or c’estvrai, puisque
lecarré
deest nul, étant
dedegré impair.
’
On
démontre
demême (c’est
un peuplus compliqué) :
si a ~ A etsont de
degrés pairs 0 ,
on a. dansB(A) ,
4.-
Définition générale des puissances divisé es.
Toutes les
algèbres qu’on considérera désormais
sontgraduées et antieom-
mutatives au sens strict.
Etantdonnée
une tellealgèbre N ,
on dit que Nest munie d’un système de puissances divisées
si on aattaché
àchaque
x ~ Nde une suite
d’éléments 6k(x)
~. N(k = 0 , 1 , 2 , ... )
satisfaisant à
( ~) 3 (2) 9 (3)
et(4’) . (On
n~o pose pas la condition(5)) .
Si de
plus
N estsous-algèbre graduée
d’unealgèbre différentielle graduée
M
(anticommutative
au sensstrict) ,
on dit que lespuissances divisées
deN sont
compatibles avec la différentielle
dde
M si lacondition (6)
est satisfaite.
.
Comme on l’ a
déjà observé, (2 ) entraîne :
(4~) entraîne
que(4)
a lieuchaque
fois quedeg(x)
etdeg(y)
sont~2 . Enfin, (6) entraîne
que si x est uncycle,
alors~~.(x)
est uncycle.
Théorème 2 :
Soient Bet
C.deux sous-algèbres graduées de l’algèbre
N
(anticommutative au sens strict), telles
B
(x)
C ~ Nsoit biunivoque. Etant
BC ,
un sur N
divisées qui les prolonge,
et un telsystème est unique. Si de plus les puis- sances divisées
de Bet de
C sontalgèbre
M(dont
N estsous-algèbre),
il enest
demême
despuissances divisées
de N.Démonstration : l’unicité résulte aussitôt
de(3) et(4’) .
D’uneprécise,
unélément
de B(q+r pair 2 ) s’écrit
sous laforme
si r
pair ) 2 ,
et une formule
analogue ( 14 t ~
si qpair ~ 2 (si
q et r sont, tourdeux
pairs % 2 ,
les formules(14)
et(14’ )
sontd’accord).
Pour prouverl’
existence,
nous devons d’abord montrer que les valeurs des seconds de(13), (14)9
et(14’~
nedépendent
que del’élément
Notons
provisoirement f(b1 ,
c , ... 9bn ’ c )
le second membre de(13),
resp. ( 14) , resp. (14’).
Euégard
à ladéfinition
d’unproduit tensoriel,
ondoit montrer trois choses :
Il est
ainsi prouvé
que les formules( 13 ) , ( 14 )
et( 14 t ) définissent
ambigüité
les sur chacun des sous-modulesB q @ C r. ( q+r pair 2),
etpar
suite, diaprés (3)9
sur leur somme directe. Lesy k
ainsidéfinis
satis-font
évidemment
à(J).
Ils satisfont à(2 ) ~ ~
c’estévident
six
est deforme
bc ;
et si(2)
estvérifié
par x et par ~~ , il l’est par la x+y , en vertu de(3),
et de la relation( k , h ) = ~. (i 9 i’ ) ( j j’ ) étendue
systèmes (i,i’,j,j’)
tels quei+j=k , i’ +j’ =h .
La condition(4’)
estvérifiée
si x a la forme bcet y
la forme b’c’(vérification facile) j
si elle l’est pour un
produit x’y
et pour unproduit
elled’après
un calculci-dessus ;
si elle l’est pour unproduit xy’
et pour un
produit
elle l’est pourx(y’ +y" ) ;
donc elle estvérifiée
quels
que soient x et y.Enfin,
supposons que(6)
soitvérifie quand
x ~B etquand
x ~C ; alors,
pour b 6: B et c ~C ,
on a d =d(bc) .
Car sib et c sont de
degrés impairs
tout revient à voirque
leproduit
ded(bc)
et de bc est nul(ce qui résulte
deb"=
0 etc = 0) ;
et sib et c sont de
degrés pairs (deg(c) ~2) ~
celarésulte
de la relationc. =
Enfin,
si(6)
estvérifié
par des il l~est par leur somme : il suffit d’utiliser(3) .
Ceci
achève
ladémonstration
duthéorème
2 .5~-
Puissancesdivisées
dans uneconstruction.
Soit une construction anticommutative
(au
sensstrict).
Supposons
que chacune desalgèbres
A et N soit munie d’unsystème
depuissances divisées, compatible
avec ladifférentielle
del’algèbre
M =
D’après
lethéorème 2 ,
il existe sur M unsystème
depuis-
. sances
divisées, compatible
avec ladifférentielle
deM ~ qui prolonge
lesdeux
systèmes donnés
} et cesystème prolongé
estunique.
On dit alors que la construction est munie deuissances divisées. (Observer
que A et N sont tables pour lespuissances divisées) .
Proposition
1 - Soit uneconstruction
muniede puissances
divisées.
Alors : .l) la projection (définie
parl’augmentation A) compatible
avec les2)
lespuissances divisées
de Nsont compatibles
avec ladifférentiel- j:i
d definale N ;
3) si
Mest acyclique,
lesk ië
Ngie H*(N) , qui devient donc
unealgèbre
muniede puissances divisées.
Démonstration : 1) soit x ~ N ,
et soit u ë-M dont laprojection
u
dans N soit nulle. Montrons queY(x+u) -
uneprojection
nulle. C’est
égal
à> y.(u) k-i(x) ,
et il suffit donc do montrer~
"~
que, pour
i~ 1 ~ V’~) ~
uneprojection
nulle. Il suffit de le montrerquand u ~Aq ~ Nr ,
q+rpair 2 .
Soit u =03A3 aj ~nj. D’après (3),
ilq r ’
j
J Jsuffit de montrer a une
projection
nullequand A ~
N ~
q+rpair ~2~
et~a-==0. Supposons
d’abord~2 ;
alois-y.(a(~n~
= a bien uneprojection nulle,
car~.(a ) -
0 .2)
la relation(6) ayant
lieuquand
x é N et d est ladifférentielle
de
M ~
on endéduite
parprojection
surdv.(x)
=(dx)
cequi
prouve l’assertion2) .
3)
si x6N
etdx
=0 y
on a d 03B3k(x) = 0diaprés
cequi précède,
Pour montrer que
V.
passe à lad-homologie
deN ~
on doit prouverest un si ’~~ ~
~2q ’ ~~ ~ ~ ’ Y ~ ~~ à ~~ °
Il suffit ~"trer que, dans le second
membre,
chacun des est unj-"Joz°’1 . Or, d’après 1 ) ) (dy)
est laprojection,
sur1,1 ,
de.l’. (dj+) , qui
eJ’.>un
d-cyele. Puisque
?] estsupposée acyclique, f. i (dy)
est un d-boi"à.donc, par projection, g. i (dy)
est undo--obord .
Application :
soit k uneDGA-algèbre anticommutative (au
sensIl en est alors de
même
deB(n-1)(A) ,
pourn à 2 (cf Exp. 4,
th.4, 1,;’L.;)
Î. Donc>
B(n)(A) , qui
estcanoniquement
munie depuissances divisées quand
n L 1
(th.l ci-dessus),
voit sesk
pas ser àl’homologie H*(B(n) ( iE) )
quand n _g_>
2 . Deplus,
si À est dedegré zéro,
À est trivialement munie depuissances divisées,
donc ’les 03B3k de B (1) (à) passent
aussi il l’homo-logie.
Enparticulier, prenant
à =À (fi) , fl
groupeabéliens
on voit ju.;les algèbres d’Eilenberg-MacLane H*(03C0,
n ;1B) ,pour
nl ,
niquement munies de puissances divisées ggÀ satisfont à ( 1 ) , ( 2 ) , ( 3 ) , ( ;§- " )
(5)
., ;De
plus,
pourtout homomorphisme fl ~ 03A0’ , l’application fonctorielle
H*( 1,
n ;/1)
- n jii ) £st compatible
avec lesdivisées, d’après
lethéorème
1 .6.- Puissances divisées
dans uneconstruction spéciale .
Soit
(A,ii,?,l,li’)
une constructionspéciale
anticommutative(étu Strict) .
On diraqu’elle
est munie depuissances divisées
si lesy ,,
laissent stable non seulement les
sous-algèbres
A et 1,1 , mais aussi la.
.
sous-algèbre
N . C’esttrivialement
ainsi pour la barconstruction,
car~à
alors N = il ..
Proposition 2 - Si (A,N,M,N) est une construction spéciale avec
puissances divisées,
lesk ,
surN (et N ) (5).
.
Démonstration :
parrécurrence
surk ,
endifférentiant,
et en observantque d
applique biunivoquement
N dans C’eet lemême
calcul que pour la bar construction(th.l).
’Proposition 3 - Si on
a deuxconstructions spéciales avec puissences
divisées~
leurproduit
tensoriel(Exp. 4,
n°5) avec puissances divisées.
Démonstration ?
lespuissances divisées
sontdéfinies,
sur leproduit
tensoriel par le
théorème
2 ci-dessus. Il reste àvérifier
que eststable.pour
lesk ;
or celarésulte
de la formule(9)
del’Exposé
4.La
proposition 3 s’applique
notamment à unproduit
tensoriel deplusieurs bar-constructions ;
lespuissances divisées
de ceproduit
tensoriel satisfont donc à(5)~
en vertu de la prop. 2.En
particulier
:-dans
un produittensoriel d’algèbres
depolynômes divisas (cf
n°2) ,
les puissancesdivisées satisfont
à(5).
Plusgénéralement :
Proposition 4 -
Dansles hypothèses
duthéorème 2 ;
si lespuissances divisées
de B et celles de C sati sfont à( 5 ) les puissances divisées de
B
~)C satisfont
à(5).
Démonstration s
il suffit de montrer que les x d B~)
Cqui
satisfont à(5)
forment unesous-algèbre ;
autrementdit,
si x et y sont deséléments
dedegrés pairs
q etq~ ~2 ~
d’unealgèbre graduée
N et satisfont à(5)~
il en est de
même
de la somme x + y et duproduit
xy. Pour levoir:
consi-dérons
lesalgèbres
depolynômes divisées P(03BE , q)
etP(03BE’, q’) ,
etdéfi-
. nissons une
application linéaire
deP(03BE, q) ~P(03BE’, q’)
dans enenvoyant k(03BE) ~h(03BE’)
dans leproduit k(x) h(y). La
condition(2)
dospuissances divisées entraîne
que fest
unhomomorphisme d’algèbres graduées ;
puisque
x et y satisfont à(5),
la restriction de f à chacune des sous-algèbres P(03BE, q)
etP(03BE’, q’)
estcompatible
avec lespuissances divisées.
Il
résulte
alors despropriétés (3)
et(4’)
despuissances divisées,
que fest
compatible
avec lespuissances divisées;
comme tous leséléments de
P(~ q)(x)P(~ q~)
satisfont à(5), (5)
estvérifiée
par tous leséléments
del’image
def ~
et enparticulier
par x + y et par xy..Théorème 3 : Soit (C,Q,P)
uneconstruction anticommutative (au sens
strict), et (A,N,M,N)
uneconstruction spéciale, anticommutative
au sens stricte munie de puissancesdivisées.
Soit f ? C ~Aun DGA-homomorphisme,
et_ soi
ent g : P ~ )4 et g iQ
-+ N leshomomghi
smes spéciaux_d£fi£j
par f
(Exp. 4, th.5) . Si
Q est munie de puissances diviséescompatibles
avec
la différentielle
deP ,
alors g e jdivisons.
Démonstration :
i observons d’abordqu’on
ne suppose pas que C soit munie depuissances divisées. L’application
g estcomposée
deQ2014~N2014~N ~
dontla
première
est la restriction de g àQ ~
et la seconde est la restriction à N de laprojection
M estcompatible
avec lespuissances
divi-sées (prop.1).
Il suffit donc de montrer que, pour x ~Q ,
dedegré pair
’
on a
Or les deux membres sont dans
N , puisque
N est stablepour ~ ..
Il suffit donc de montrer
Inégalité
desdifférentielles,
et ceci fournit unedémonstration
parrécurrence
sur k . ,7.-
Puissancesdivisées
encaractéristique
p.On suppose
désormais
que l’ on a p = 0 dans l’anneau de basep
désignant
un entierpremier.
Soit’ N unealgèbre graduée
anticommutative munie depuissances divisées ;
on .a donc~
= 0 pour tout x E N dedegré
d’après
larelation (11) .
. On suppose. en outre que
les puissances divisées
de Nsatisfont à (5).
Les
propriétés arithmétiques élémentaires
des coefficients binomiaux donnent alorsD’autre
part, V, (y)
=(l/k. :)y~ ~ ~ ~~ ~
~°~~ ~-~opérations ~
"i
~sont
déterminées
par lastructure multiplicative
de N et parl’unique opération )/ ("puissance p-ième divisée").
On observera que,d’après
(4’) , on a
(l6) ~(xy)
=0 pourdeg(x)j>0
etLa relation
(15) peut être interprétée
comme donnant lastructure de
l’algèbre des polynômes divisée (à
coefficients modulep ) :
notons Qp(y)
lequotient
del’algèbre
despolynômes
ordinaires à un teur y , parl’idéal engendre
paryp ("algèbre
despolynômes tronquée").
Alors
(produit
tensoriel infinid’algèbres).
8~- Puissances
divisées
encaractéristiQue 2.
,
Lorsque
p =2 ,
cequi précède
reste valable: tout seramené
àtion
y
2("carré divise").
Mais onpeut
fairedavantage.
Nous dirons(lorsque
p =2) qu’une algèbre graduée
est sielle est anticommutative
(i.e : commutative)
et si en outrex
= 0 pour tout x dedegré>
0 .Exemple :
la barconstruction (6 (A)
d’une Aanticommutative est strictement
anticommutative (Exp. 4 ,
th.4 , (iv)).
Reprenons
alors lethéorème 1 ;
encaractéristique 2,
si A_est
strictement anticommutative, k(x) se définit pour tout x ~ ? (A)
tel que
q 2 (q pair
ouimpair),
ainsi que pour les x ~B1(A)q
telss:que
(dx)
= 0 dans A . Ces x forment unsous-module.
Lespropriétés (l)
à
(6)
restentvalables ; (4’)
seprécise
comme suit 1.
L t algèbre
despolynômes divisée q)
estdéfinie
pour tout opair
ouimpair.
La formule(l5)
donne sa structure sP(y ~ q) E(y , q)(x)E(~(y) ~ 2q)(~. ~E( ~(y) ; 2’-q)~...
w(produit
tensorield’ algèbres extérieures) :
c’estl’algèbre extérieure ayant
pour
générateurs y ~ ~2~~ ~ ~’ ~ Y~i~~ ~
"* ’Exercice : soit une
DGA-algèbre
Astrictement anticommutative ;
si a é A est de
degré ’7 0 ,
ou si a dedegré
0satisfait
àa~= (0:.)" ~
on a~ dans la bar construction de
A ~
=la , ,
... ~(k fois/ .
Si a et b sont des
éléments quelconques
deA ~
on aDéfinition
d’unsystème
de puissancesdivisées :
soit N unealgèbre
graduée
strictement anticommutative. On dit que N est-munie d’unsystème
7-11 de
puissances divisées
si om aattaché
une suitechaque
x~ N cesk
devant, satisfaire à
(l),(2)~(3)
et(4") ~ éventuellement
à(5) .
Si deplus
N est
sous-algèbre graduée
d’unealgèbre différentielle graduée (strictement
anticommutative),
on dit que lespuissances divisées
de N sont.compatibles
°
avec la
différentielle
de M si la condition(6)
est satisfaite.Alors le
théorème
2s’étend
à ce cas(démonstration inchangée).
Quant
à laproposition 1 ,
ellesubsiste, ainsi
que sadémonstration,
pourles
puissances divisées
deséléments
dedegré ~ 2 .
Elle subsiste aussi pour les
puissances divisées
deséléments
dedegré 1 ,
si les
k sont définis
pour tous leséléments
dedegré
1 de JL et de N . ’ .°
Application :
soit A uneDGA-algèbre ,
strictement anticommutative(en caractéristique 2) . Alors,
pourn~2 ~ (8 ~""(A)
est strictement anticommutative et munie depuissances divisées.
Pourn ~-2 ~ ~ (A)
n’a pas
d’élément ~ 0
dedegré 1 ,
donc lespuissances divisées
ded~~(A) passent
àl’homologie H/8~’(A)) .
Deplus ,
si A est dedegré
0 et sia
=(~a)
pour tout at.A ~
lespuissances divisées
sontdéfinies
pour tous leséléments
dedegré ~1
de6~ (A)
etpassent
àl’homologie.
En particulier :
lesalgèbres d’Eilenberg-MacLane H ( 03A0 ,
n ;Z2)
sont
canoniQuement ( 1 ) ~ ( 2 ) ~
(3), (4") et (5) .
Cespuissances divisées k(x) sont
xde degré >
0si n>2 ;
pour n=1 ,
x’djg
’
degré 2 , ainsi pue pour les éléments de H1(03A0 , 1 ; Z2) situés dans
l’image de 203A0
par lasuspension.
(Ce
dernierpoint
se voit comme suit s sontdéfinis
pour tousles
éléments
dedegré
1 deH.(~~~l~Zp)~ qui
s’envoiebiunivoquement
dans