J.-L. C HABERT
Polynômes à valeurs entières ainsi que leurs dérivées
Annales scientifiques de l’Université de Clermont-Ferrand 2, tome 68, série Mathéma- tiques, n
o18 (1979), p. 47-64
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POLYNOMES A VALEURS ENTIERES AINSI
QUE
LEURS DERIVEESJ.-L. CHABERT
Université de Toulouse le Mirail
§
1. Introduction.Etant donné un anneau
intègre
A de corps desfractions K,
notons A1 XI
sub l’anneau despolynômes
p Y à valeurs entières surA
~~ (k)
l’anneau despolynômes
à valeurs entières~ sub p Y
sur A ainsi que q leurs k
remières
~ dérivées(k ~ E lN) ~
et~
l’anneau despolynômes
àsub valeurs entières sur A ainsi que toutes leurs
dérivées,
c’est-à-dire :On a alors les inclusions :
Lorsque
A est un anneau devaluation,
on sait bien décrire lespectre
de l’anneauA
(cf. [5] ).
Dans les AnnalesScientifiques
de l’Université deClermont, P.-J.
Cahen[2] ]
a
généralisé
cettedescription
à l’anneau A où k E IN Enfait
tout idéalpremier
de A est au-dessous d’un idéalpremier
de AIci,
nous voulonsgénéraliser
ces résultats au cas où A est un anneauintègre
noethérienquelconque.
Notre méthode consiste à utiliser la détermination dans ce casgénéral
duspectre
de A en fonction de celui de A
(cf. [ 4] )
et le fait que, pour tout idéal maximal m de A et pour tout entier k ElN, A [X]
sub est entier surA m
§
2. Préliminaires.2.1. Localisation. On vérifie sans
peine
que les formules suivantes sont vraies pour tout k G sachantqu’elles
le sont pour k Q0 (cf. [3]):
pour toute
partie multiplicative
S de Alorsque
l’anneau A est noethérienpour tout idéal
premier
p de A tel queA/p
soit infini.Si l’anneau A est de cardinal
fini,
alors c’est un corps et tous les anneaux considérés sontégaux
à K[X] ,
iln’y
aplus
deproblème.
On supposera A de cardinalinfini.
Soit p un idéalpremier
de A. Pour trouver les idéauxpremiers
de A au-dessusde p,
ilpeut
êtrep p
sub
intéressant de localiser en p. Si le
quotient A/p
estinfini,
la localisation marche bien :compte
tenu de2.1.d)
et donc :2.2. Les idéaux
premiers
deA[X] (k)
au-dessus d’un idéalpremier
p de A tel queA/p
soitsub
infini sont les intersections avec
A[X] (k)
des idéauxpremiers
de A[X]
au-dessus de p etsub 1
ceux-ci sont de la forme
pap[X]
ou de la forme(p, Q(X»A p [X]
oùA p [XI l
a uneimage
dans(A p/pA p ) [X]
irréductible.En
particulier,
les idéauxpremiers
de A[XÎ au-dessus
de l’idéal(o)
de A sontsub l’idéal
(o)
et les idéaux de la forme :où
Q(X)
est unpolynôme
deKi X)
irréductible défini " à un facteur
multiplicatif,
élément deK*, près. Ces
idéauxP(k)
sont tousde
hauteur
1 et le localisé de Acorrespondant
est l’anneau K[X]Q de valuation
de hauteur 1 et le localisé de A
sub
correspondant
est l’anneau K[X] (Q)
de valuation
Q-adique
deK(X).
On s’intéressera donc au cas où
A/p
est fini et oùdonc,
enparticulier, p est
maximal.Dans ce cas, il se
peut
p que q(A ( [X] ~ (k)
soit strictement inclus dans AX 1(k) (cf. 3 ,
sub p P sub ( ~ l)
on supposera donc A noethérien. On pourra alors localiser
grâce
à2.1.b)
et supposer A local.Aussi,
désormais :2.3. Notations. On notera A un anneau
intègre
noethérien de corps desfractions
K locald’idéal maximal m et de corps résiduel
A/m
de cardinalfini
q =pf .
On notera aussi
A
lecomplété
de A pour latopologie
A’ la clôtureintégrale
de A etÀ
lafermeture intégrale
de A dans une clôturealgébrique
de K.§
3. L’anneau A[ X]
sub . *Il
s’agit principalement
derappeler
des résultatsdéjà
connus :3.1.
Proposition. [ 4] .
L’anneau A[X ]subs injecte
dans l’anneau rg(A,A)
desfonctions
continues de A dans A : à tout
polynôme
P à valeurs entières sur A onpeut
associerl’application uniformément
continue :3.2.
Proposition.
A est de dimension1, les idéaux premiers de A [X] su b
au-dessus de m sont tous de
la forme:
mx f 1 P(X)
‘ A[X]
sub
1 P(x) C mA }
où x est un élément deÂ.
Ces idéaux sont tous maximaux de corps résiduel
isomorphe
àA/m.
3.3.
Remarque.
Nous avons vu dans[ 5 ] que,
si les idéauxmx
etmy
sontégaux,
alors leséléments x et y aussi
lorsque
A est un anneau de valuation discrète et nous nous demandions dans[4]
s’il en était ainsi pour tout anneau A(vérifiant
leshypothèses 2.3).
En fait :Lorsque
l’anneau A n’est pasintègre,
dès que x-y est diviseur de zéro dansA,
alors les idéauxmx
etmy
sontégaux.
En
effet,
soient x et y dans A tels que x-y soit un diviseur de zéro dans A. SoientP(X) e
A[ X]sub
et d EA - { 0}
tels quedP(X) appartienne
à A[ X] .
En notantpi
lescoefficients de
P,
on a :et
(xi- yl) /
A.Ainsi, d(P(x) - P(y))
est diviseur de zéro dansA,
or d n’étant pas diviseur de zéro dansA,
n’est pas nonplus
diviseur de zéro dans A( [ 1] , III),
par suiteA A
P(x) - P(y)
est diviseur de zéro dansA,
et enparticulier appartient
àmA,
d’où :my.
3.4.
Proposition.
A est de dimension >1 ,
alors l’anneauA [ X ] sub
est contenu dans l’anneau A’
[ X].
3.5.
Remarques, a) Lorsque
l’anneau A est de dimension >-1,
les inclusions 1.4 montrent que, pour tout k C--, A [X]
est entier sur A .sub sub
b)
Laproposition
3.4 est encore vraielorsque
A est un anneauintègre
noethérien tel que tout idéal maximal de corps résiduel fini soit de hauteur > 1.
3.6. Corollaire.
[4] .
Si l’anneau A est de dimension >1 ,
les idéauxpremiers
de A[X sub
au-dessus de m sont soit de la
forme mi [X] n
A oùmi
décrit l’ensemblefini
des idéaux maximaux de
A’ ,
soit de laforme
E AXI
sub1 P(x) ~ m}
où m est un idéal maximal de A et où x
appartient
àÃ.
Compte-tenu
de la remarque3.5.a) :
3.7. Corollaire. Si l’anneau A est de dimension >
1,
pour tout k E IN U idéauxpremiers
de l’anneau A[X] (k) sub
au-dessus de m sont soit de laforme mi
A 1soit de la
forme
On pourra donc se restreindre au cas où A est de dimension 1.
§ 4.
L’anneau A~ [XÎ
sub où k E N.On conserve les
hypothèses
et notations 2.3.4.1.
Proposition.
Si l’anneau A est de dimension1 , quels
que soient lepolynôme
P(X)
E et l’entier k EIN ,
il existe s E IN -~0}
tel queP(X)’ appartienne
àA[X](k)sub.
Démonstration. Soient
P(X)
E A[X]
sub et k E lV . Notons que siP(X) appartient
à A[-XI,
alors
P(X) appartient
à Soit d Em - 1 ol
telque dP(X) appartienne
à A[XJ.
Puisque
le radical de l’idéal dA est m et que lacaractéristique
p du corps résiduel A/mappartient
à m, il existe un entier r tel quep’ appartienne
à dA. Montrons que l’entierconvient,
c’est-à-dire que lepolynôme Q(X) = P(X)S appartient
àA[X](k)sub.
.Pour 1 ___’-_ h
k, Q(h)(X)
est de la forme :où
tao a, ... ai appartient
à IN. Comme(X) appartient
à A[X]
etpr/d à A, (X)
appartient
àA [X] ]
et commeP(X) appartient
àA[ X]
sub , finalementQ(h)(X) appartient à A[X]sub.
4.2
Remarque.
Laproposition précédente
est encore vraielorsque
A est un anneauintègre
noethérien tel que tout idéal maximal de corps résiduel fini soit de hauteur 1.
En
effet,
soientP(X)
E A k E IN et d E A -{ 0}
tel quedP(X) appartienne
à A
[X]
.Pour tout idéal maximal m de A tel queA/m
soit infini ou tel que dn’appartienne
pas à m,
P(X) appartient
àAm [X].
Les idéaux maximaux m de A tels queA/m
soit fini et qued
appartienne
à m sont en nombrefini ; à
chacun onpeut
associer un entiersm
> o tel queappartienne
à soit s = lIs
alors pour tout idéal maximal m deA,
P(X)sm
ppm[X]sub
;IIm sm, PP(X)s ( ) appartient
pp àm[X]
(k)sub ’ d’oùP(X) ( ) appartient
pp à[X](k)
sub(d’après (
p2.1.c . ))
4.3.
Proposition.
L’ a nneau est entier sur l’anneau Aq u el
que soit rentier k.Démonstration.
Lorsque
A est de dimension1,
cela résulte de laproposition
4.1 : toutA
[XI sub
est solution d’uneéquation
de la formeYs - Q(X)
= o oùQ(X) c:
A[X] (k) . Lorsque
A est de dimension strictementsupérieure
à1,
cela résulte de laQ( ) [X]
sub p ’
proposition
3.4 : on a les inclusions : A[X]
~ subc : A [X] Jsu
sub eA’ [X].
Par
suite,
les idéauxpremiers
p de A au-dessus de m sont les intersections avecsub
des idéaux
premiers
de A[XI Jsub
au-dessus de m. Ainsi de laproposition 3.2
’sub sub
résulte la :
4.4.
Proposition. Si
l’anneau A est de dimension1, quel
que soit k ~1N ,
les idéauxpremiers
de l’anneau A[X] (k)
au-dessus de m sont les idéaux maximaux
~
subm(k)
A[XI (k) P x ~ mA~
où x est un élémentquelconque
deA
x
" ( ) f
sub
~ ()
q qde corps résiduel
isomorphe
àA/m .
En outre,l’application: mx
->m(k)
=est une
bijection
de l’ensemble des idéauxpremiers
de A au-dessus de m surl’ensemble des idéaux
premiers
p de A~
au-dessus de m.sub
En
effet,
siP(X) appartient
àmx
etn’appartient
pas àmy , d’après
laproposition 4.1,
il existe s tel que
P(X)s appartienne
àm(k),
alors queP(X)s
nepeut appartenir
àm(k) .
x y
Remarque. proposition précédente généralise peut
l’obtenir ici engénéralisant
la méthode. Eneffet,
cette méthode utilise le fait que A[X]
subest dense dans l’anneau %
(A,A)
muni de latopologie
de la convergence uniformelorsque
l’anneau A est un anneau de valuation discrète de corps résiduel fini. Or l’anneau A
[XI
subn’est pas dense dans l’anneau re
(A,A),
enparticulier lorsque
A est de dimension strictementsupérieure
à1,
oulorsque
Apossède
des diviseurs de zéro(car
alors les idéauxmx
ne sont pastous distincts
lorsque
x décritÂ).
On ne sait pas si A est dense(Â,Â)
lorsque
A est de dimension 1 et Aintègre.
4.6. Corollaire. Si l’anneau A est de dimension
1
le radical de l’idéal m AX’ (k) (
subest
isomorphe
à A~X~sub /
1.Démonstration. Le radical de l’idéal m A
[XI (k) ~
sub est l’intersection des idéaux ppremiers
deA
[X sub
sub contenant m, c’est-à-dire desm x
x où x décrit A et, comme A[X] sub
sub estcontenu dans
A, A
c’est aussi l’intersection desm (k)
où a décritA,
c’est donc1 (k)
a
Soient k E N, P(X) ~ et rEIN tel que
P q r appartienne
àPosons
Q(X) = P(X) - P(X) q r = P(X) ( 1- P(X)qr’1 ). Puisque
le groupemultiplicatif
A/m - f o
est d’ordreq-1,
pour tout a ~A, Q(a) appartient
à m. DoncA = + I. D’où
l’isomorphisme qui
met d’ailleurs en évidence labijection
A[X](k)sub
entre les idéaux
premiers
au-dessus de m.4.7.
Remarque. Lorsque
lacaractéristique
de K estp z
o,quel
que soitP(X) ~
P(X)P ) appartient
pp à A[XI ( -) sub
et donc les résultats4.1, 4.2, 4.3,
4.4 et 4.6 sont valables pour k = oo . Onpeut
donc désormais supposer K decaractéristique
o.5.
L’anneauA ~ X
. sub*
Conservons les
hypothèses
et notations 2.3 et supposons l’anneau A de dimension 1 et le corps K decaractéristique
o .5.1.
Proposition.
p Le radical de l’idéal m A l’idéal subDémonstration.
Puisque
o #pA r
m et que = m, il existe t Ntel que
..
pt (oo)
.,(oo)
Ainsi,
p PQ Q appartient
PP àpA[
P X et par suite 1 àm 1 ’ X (oo) sub
.-5.2.
Proposition.
Les idéauxpremiers
de AXI (
au-dessus de m sont les ùléaux maximaux
m(oo) = {P(X) A[X] ( 00 )
" ,P(x)
où xA
x
x
{P(X) )
Asub
P(x)
" mÂ’f
où x est un élément quelconque (1t, ils sont de corps résiduelisomorphe
àA/m.
Démonstration. Tout idéal
premier
1 M deA[
Xsub
au-dessus de m contient m Asub sub
h ’
donc
1(00) d’après
laproposition précédente
et par suite un idéalpremier
del’anneau A
1 X 1 (oo)
sub/I (oo)
or cet anneaus’injecte
" dans l’anneau A sub Comme toutidéal
premier
minimal dupremier
anneau estimage réciproque
d’un idéalpremier
minimaldu
deuxième,
que tout idéalpremier
du deuxième est de la formemx/l,
que sonimage
réciproque m(’") / 1(00)
est un idéalmaximal,
on voit que l’on obtient ainsi tous les idéauxx
(oo) (00)
premiers
de A /1 oo)
sub
Démonstration. Si
v p désigne
la valuationp-adique
deÇ,
il est facile de vérifier quev (ni) n/(p-l).
Parsuite,
si x-yappartient
à l’idéalpA, alors,
pour tout n ’1,
(y-x)’/n!
lappartient
à l’idéalpA. Ainsi,
dès que x-yappartient
àpA,
pour toutpolynôme
P(X)
e A dedegré k,
la différence : subappartient
àp A
donc àmA
autrement ditm(~ ~ -
.x y
Comme il existe r E IN -
1 o )
tel quemr
soit contenu danspA,
lequotient A/pA
est fini et les idéaux
m~°° ~
sont en nombre fini.x
5.4.
Remarque.
Laproposition précédente
montre quelorsque
les idéauxmx
de A[X 1ub
sont en nombre infini
(ce qui
est le caslorsque
A est un anneau de valuation discrète de corps résiduelfini) l’isomorphisme
entre A[X]
sub(k) / 1 (k)
et A[X] J
sub/
1 nepeut
avoirlieu pour k = 00.
§
6.Polynômes
àplusieurs
variables(préliminaires).
Ce
qui précède
segénéralise
assez facilement auxpolynômes
àplusieurs
variablesaux difficultés de notations
près.
6.1. Notations. Soit n un entier ~ 1
supposé
fixé. Lesymbole
Xdésignera
len-uple
..., Pour tout anneau
intègre
A de corps des fractionsK,
on noteraA[
pour tout
(a,,
...,an)
EAn}.
Pour toutn-uple
k =(kj,
...,kn)
EFn (où (N
= N U1+ce 1 )
notons A l’anneau :
A[X](k)sub
De
façon analogue
aux formules2.1,
on a :6.2. Formules.
pour toute
partie multiplicative
S de A.lorsque
A est noethérien.pour tout idéal
premier
p de A tel queA/p
soit infini.La formule
a)
se déduit par récurrence sur n de la formule2.1.a).
La formuleb)
résulte de cequ’un
sous-module d’un module detype
fini sur un anneau noethérien est detype
fini. Laformule
c)
est immédiatecompte-tenu
dea).
La formuled)
se déduit de résultatsgénéraux
sur les
polynômes
à coefficients dans des modules(cf. [
3] ).
Comme dans le cas d’une
variable
les idéauxpremiers
de AX(k)sub sub
au-dessus d’un idéalpremier
p de A tel queA/p
soit infini se déduisent de ceux de au-dessus de p(d’après 6,2.d)).
On s’intéressera donc aux idéauxpremiers
au-dessus des idéaux maximaux de A de corps résiduel fini. Poursimplifier
on supposera A noethérien et,compte-tenu
de6.2.b),
onpeut
supposer A local.Reprenons
donc leshypothèses
et notations 2.3.6.3.
Proposition. Si
A est de dimension strictementsupérieure
à1,
alors A1 N sub
Pst inclus dans l ânneau où A’
désigne la clôture intégrale de
A .Démonstration. Il suffit de
reprendre
la démonstration de laproposition
pour une variable[4].
L’anneau A’ est de Krull de dimension au moins
égale
à 2 et A’ = n oùp’ décrit
l’ensemble des idéaux
premiers
de hauteur 1 de A’. Gommep’
n’est pasmaximal, A’/p’
estinfini,
de mêmeA/p
est infini où p =p, n
A etAp rx J sub =A [XJ ,
d’où :Par
suite,
A’X est
entier sur AX (k)
pour tout k ~
!Ñn
et les idéauxremiers
-
l
~-~ sub p _ N
de A
X - sub ~k~
se déduisent des idéauxpremiers
P deA’ X 1.
Nous pourrons dono nousrestreindre au cas où A est de dimension 1.
§
7.Polynômes
àplusieurs
variables et fonctions continues.Conservons
toujours
leshypothèses
et notations 2.3.7.1.
Proposition.
L’anneaus’injecte
dans l’anneauA) des fonctions
continuesde
Ân
dans  -Démonstration.
Adaptons
la démonstration faite dans1 4 1
dans le cas d’une variable. Pour tout élément non nul x deA,
il existe un entierr(x)
tel que, pour tout n E IN et pour touta C A,
axappartient
àimplique
aappartient
àfin (d’après
le lemmed’Artin-Rees).
Soit
P(X)
=j °
Pi in Xin
un élément de A et soit x (A - { 0}
tel que
xP(X) appartienne
à A[ XI .
Soit s (-- l% etsoient a
= =b n
des éléments de
An
tels que,quel
que soit i C{1,...,nl , aïbi appartienne
àOr,
parexemple :
, ceci
appartient
à(a, - bl)A
et,par suite à
m, + ~B
Donc :x(P(a) - P(b)) appartient
àr(x)
et par suiteP(a) - P(b) appartient
àm .
Ainsi,
Ppeut
être considéré comme uneapplication
uniformément continue deAn
dansA,
elle estprolongeable
en uneapplication
uniformément continue :La
proposition précédente
que :7.2. Pour
tout x
~-- 1An@
l’ensemblem x = ( P(X)
Csub 1 P(x) mÂ}
est un
idéal,
cet idéal est maximal de corps résiduelisomorphe
àA/m.
Continuons
l’analogie
avec le cas d’une variable. Considérons l’idéalA
s’injecte
dans l’anneau ~(Ân, Â) / %* (Â’~, mÂ) qui
estisomorphe
àE’
(Ân, Â/mÂ). D’après
Bourbaki( [1], II),
les idéauxpremiers
de l’anneau Csont les idéaux maximaux
{ f
’-rJ(Ân,Â)1 [ f (x)
Lm } / ~(Ân, mÂ) où x Ân
car
~1n
estcompact
et totalementdiscontinu,
ces idéaux sont au-dessus des idéauxmx/I
deA
qui
eux aussi sont maximaux. Comme tout idéalpremier
minimal de A[Xl sub II
doit se relever en un idéal
premier
minimal de ~(Ân, Â/mÂ),
on voit que :7.3. Les idéaux
premiers
deA[
contenant l’idéal 1 = A[X I l’(An )
C.m}
sont les idéaux maximaux
m
oùAn.
§
8.Polynômes
àplusieurs
variables : cas de la dimension 1.Conservons les
hypothèses
et notations 2.3 etajoutons
la condition : l’anneau A est dedimension 1.
Le radical de l’idéal
mA[ XI
sub de AIXJsub
est alors l’idéal8.1.
Proposition.
Si la dimension de A estégale
à1 ,
alors les idéauxpremiers
Arau-dessus de m sont les idéaux maximaux = ~ P ~ 1 A
[X 1 sub 1 P(~), m Âl  ".
Les
propositions
4.1 et 4.3 segénéralisent
sans aucune difficulté au cas deplusieurs variables,
par suite :8.2.
Proposition.
Si A est de dimension1,
pour tout kINn ,
les idéauxprerniers
deA
[XI (b)
au-dessus de m sont les idéaux maximaux- sub
L’application m
-> est unebijection
de l’ensemble des idéauxpremiers de A [X]sub
au-dessus de m sur l’ensemble des idéauxpremiers
deA [X] (h)
au-dessus de m.Le corollaire 4.6 se
généralise
en :8.3 Pour tout le radical de l’idéal mA est l’idéal
- - sub
est
isomorphe
à AK Isub / I.
Lorsque
K est decaractéristique
p > o, ces résultats sont valablespour
(On supposera donc maintenant que K est de
caractéristique
o.Les
propositions
5.1 et 5.2 segénéralisent
en :8.4. Pour tout k - G
iÑn,
’ le radical de l’idéal mA est l’idéal - subet les idéaux
premiers
deau-dessus de m sont de la forme :
La
proposition
5.3 donne enparticulier :
8.5. Les idéaux
premiers
de l’anneau1 sub (00 ,..., 00 )
au-dessus de m sont ennombre fini.
BIBLIOGRAPHIE
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N.BOURBAKI, Algèbre commutative,
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Coefficients et valeurs d’unpolynôme,
Bull. Sc.
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Anneaux depolynômes
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Bull. Soc. Math. France - 99