Séminaire Henri Cartan
H. C ARTAN
Un théorème de finitude
Séminaire Henri Cartan, tome 6 (1953-1954), exp. n
o17, p. 1-11
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17-1
UN
THÉORÈME
DE FINITUDEH.
Cartan,
(Exposé
de H.Cartan, 3-5-1954)
Séminaire E.N.S., 1953 -5~
Théorème (cf. [1]).
Soit X unevariété analytique complexe,
com-pacte.
Soit F un faisceauanalytique cohérent
sur X. Alors les espaces decohomologie F) (n
entier >o)
sont de dimension finie(comme
es-paces vectoriels sur le corps
complexe C).
Rappelons qu’un
faisceauanalytique
F estcohérent si,
sur tout ouvert U assezpetit,
F estisomorphe (comme
faisceauanalytique)
auconoyau
d’un homomorphisme analytique
de faisceaux:Or -; OP (on
noteOP
le faisceau des
systèmes
de p germes de fonctionsholomorphes).
En par-ticulier,
tout faisceauqui
est localementisomorphe à OP
estcohérent.
On notera que si F est localement
isomorphe à OP,
Fdéfinit
un espacefibré analytique,
de baseX,
de fibre un espace vectoriel de dimension p, tel que Fs’identifie
au faisceau des germes de sectionsanalytiques
decet espace.
Dans le cas p == 1
(faisceau
localementisomorphe à 0),
il existedu
théorème
ci-dessus unedémonstration
de K. KODAIRA[2]:
utilisant unthéorème
deDolbeault,
Kodaira se ramèneà
unegénéralisation
de lathéorie
des formes
harmoniques
sur unevariété compacte.
§1. Cohomologie d’un
espacetopologique à
coefficients dans un faisceau(cf.
parexemple Sém. 1950-51, Exposé 16 ;
et H.CARTAN, Colloque
de Bruxel- les1953 ) .
Voici un bref
rappel
des notionsqu’on
va utiliser. Soit X un es-pace
topologique, paracompact; à chaque
faisceau F de groupesabéliens
sont
attachés
des groupes decohomologie Hn(X, F),
nuls pour n 0; ce sont des foncteurs covariants de F(i.e. :
pour touthomomorphisme
de fais-ceaux
F’ -; F,
on a deshomomorphismes Hn(X, F’ )
--~Hn(X, F):
siF"
-. Fest
composé
deF’ ’ -~ F’
et deF’ --~ F, l’homomorphisme associé F") F)
estcomposé
deshomomorphismes associés; enfin,
si F --~ F estl’application identique,
alorsHn(X, F) -~ F)
estl’application
iden-tique).
Deplus, à
toute suite exacte de faisceaux o -*-F’ -+
F -+F"
-+ osont
associés
deshomomorphismes Hn(X, F’), qui
sont"natu- rels"
parrapport
auxhomomorphismes d’une
suite exacte dans une autre.Ces
données
satisfont aux conditions suivantes(qui caractérisent
les groupes decohomologie à
unisomorphisme près);
(a) HO(X, F)
est le grouper(x, F)
des sections de F au-dessus de X.(b)
pour toute suite exacteo -~ F’ -~ F -; F" -~
o, la suiteest exacte.
(c)
si F est un faisceaufin,
on aHq(X, F) =
0 pour q > 1.Rappelons
ladéfinition d’un
faisceaufin; c’ est
un F tel que,pour
tout recouvrement ouvert
(U.)
deX,
localementfini,
il existe une familled’endomorphismes
f. deF,
avec f. == o horsd’un fermé
contenu dansUi,
et
f. = identité (la
sommeE. f.
a un sens,étant
localementfinie).
On se servira
plusieurs
fois de la:Proposition
1. Soit une"résolution"
du faisceauF, c’est-à-dire
une suite exacte de faisceaux o -~ F -
Ao
-+A 2014~ - ’ ’
. -+A~ 2014~ - ’ - ~
telle queHq(X, A. ) =
o pour q > l, n > o(par exemple,
il en est ainsiquand
lesAn
sontfins ;
on dit alorsqu’on
a unerésolution
f ine deF).
Soitr(X, A)
le
complexe
On a des
isomorphismes
naturelsHn(r(X, A)) ~ Hn(X, F) (n
>o).
Exemple :
prenons pour X unevariété différentiable,
et pour F le faisceau constant R(nombres réels);
le faisceau A des germes de formesdifférentielles
surX,
est unerésolution
fine de R, etr(X, A)
est lecomplexe
des formesdifférentielles
sur X. LaProposition
1 donne un iso-morphisme
entre lacohomologie
de cecomplexe,
et lacohomologie
del’espace
X
à
coefficients réels(Th.
de DeRham) .
Un autre
exemple
seradonné
dansl’exposé
18.Démonstration
de laProposition
1: soitF~
le noyau deAn -~ (donc F).
La suite exacte o -~r(X, Fn) -; r(X, An) -~ r(X, définit
unisomorphisme
(1) r(X, Fn) ~ A) ) ( c ocyc le s
dedegré
n ducomplexe r(X, A)).
Enparticulier,
pour n = o:Pour
n >
1, la suite exacte o -~~-1 --~ An’~1 -~ ~ -.
odéfinit
une suite exacter(X, T(x, F~) -~ Hl(X, Fn-l) -;
o,qui, compte
tenu de(1) ,
donne un
isomorphisme
En le
composant
avec lesisomorphismes Fn-1) ~ H2(X,
~
Hn(X, F),
on obtientl’isomorphisme cherché: Hn(r(X, A)) ~ Hn(X, F).
Remarques: 1)
LaProposition
1 et sadémonstration
segénéralisent à
la
03A6-cohomologie (cf. Sém. 1950-51) ;
on aA)) ~ Hn03A6(X, F).
2)
LaProposition
1 est un casparticulier d’un théorème qui
utilise la"suite spectrale" (cf. Sém. 1950-51,
19, Th.5) .
§2. Cohomologie d’un
recouvrement ouvert.soit 11 =
(U.)
un recouvrement ouvert del’espace X, qu’on
suppose-ra localement fini
(pour simplifier).
Pour tout faisceau F surX,
on vadéfinir
des groupes decohomologie Hn( H, F) .
Ondéfinit d’abord
des groupes decochaînes F)
et deshomomorphismes dn: en( H, F)
Cn+1( 1J, F)
tels quedn+ldn
o . En voici ladéfinition précise :
Pour toute suite I de n+1 indices
1~, ..., in (pris
dansl’ensemble
d’indices
durecouvrement) ,
soitU 1’ intersection
~ ~ . n U.. A-~
la ~Yi
chaque
suite 1 associons le groupe de sectionsF).
Dans le groupeproduit ~ F)
relatifà
toutes les suites 1 de n+lindices,
con-sidérons
le sous-groupeC~( H~ F) formé
desapplications
1 -~s-.- (avec s-p
~F) ;
on convient queF)
estréduit à
0 siU-r-
estvide)
qui
sont fonctionalternée
des indices de I.(En particulier,
o siles indices de 1 ne sont pas tous
distincts.)
Etantdonné
unélément (I -
du groupeCn(u, F),
ondéfinit
ledn
de cetélément
commel’ap-
03A30~k~n+1 (-1)k sJk, où J désigne
une suite dedices ,
etJ. désigne
la suite Jdébarrassée
de son k-ièmefermer
enréa-
lité,
la formuleprécédente n’est
pas toutà
fait correcte: il faut yremplacer s-. (section
au-dessus deU.- )
par la sectionqu’elle
induitk k
au-dessus de °
On a ainsi
défini
lecomplexe C( t, F)
=03A3n~0 en( t, F)
des"co-
chaînes
du recouvrementU,
relatif au faisceauF. "
On noteraZ ( t, F)
le groupe des
cocycles
dedegré
n de cecomplexe (i.e.:
le noyau de etH~( TI, F)
sera lequotient
deZ~( U, F)
parl’image
deSoit
H’
un autre recouvrementayant même
ensembled’ indices,
et telque
U.
CU’
pour tout1; d’ou U-,- (I U’ .
Toute section au-dessus deU’
induit une section au-dessus de
d’ où
deshomomorphismes Cn(U’, F) -
C ( U, F) qui
commutent avec lesopérateurs "cobord"
descomplexes C( U’ , F)
et
C ( Ti, F),
doncdéfinissent H~( l!’ , F) -~ H~( U, F).
En
effet,
soit(fj)
unsystème d*endomorphismes
deF,
relatif aurecouvrement U =
(U_) (cf. ci-dessus,
p. 2 , ladéfinition d’un
faisceaufin). Définissons
deshomomorphismes g~: C~( U~ F) -~ 1U ~ F) ~
pour(1 ~
lj, comme suit. Soit 1 -~s-p
unélément
deC~( Tj ~ F) ;
pour toute suite J de qéléments 1 ~ ... j,
et pour tout indice1~
soitla section de F au-dessus de
égale à
au-dessus deet
à zéro
ailleurs. Alorsl’application
est unélé-
ment de
Cq-1(U, F), qui est,
pardéfinition,
le transformé de(I - s-.-)
par
vérifie
sanspeine
que + estl’application
identique de Cq( U,
F)
pour q > 1;d’où
le lemme.Cette
démonstration
est due essentiellementà
A. Weil[3].
Etant
donné
un recouvrement ouvert h =(U_)
del’espace X,
on vainterpréter F)
comme lacohomologie d’un complexe
double.Rappelons qu’un complexe
double est un groupeabélien
L =Z
p, q
lP~
muni
d’une bigraduation positive,
et de deuxopérateurs différentiels d-.
et
d2
tels que o~ o ~~p~i ~
~~d-.
en-voie dans
d~
envoie dans Ondéfinit
alorsune
graduation
sur L(les éléments
dedegré
n sont ceux deet un
opérateur différentiel
d =dp qui augmente
ledegré
de un. Ona donc des groupes de
cohomologie
mais on aaussi,
relativementà
l’opérateur dl’
des groupes decohomologie qu’on
noteraH~(L) (p désigne
le
premier degré partiel), qui
sontgradués
par q, etoù dp opère.
Onpeut
doncconsidérer
les groupes decohomologie
Ondéfinit
demême Considérons l’homomorphisme d’ injection H~-(L) -~L~ qui
est
compatible
avec lesopérateurs dp~
resp.d;
ildéfinit
des homomor-phismes
On utilisera lerésultat
suivant: si L estd1-acyclique (i. e. :
siHP(L)
= 0 pourp ~ l),
alorsest un
isomorphisme.
Voici comment on le prouve.
Considérons
la suite exacte decomplexes
doubles 0 -~
H~(L) -
L - M -~ o.L’hypothèse implique
queH(M)
= o pourtout n; on va montrer que ceci
entraîne H~(M) =
o pour tout n,d’ou ré-
sultera la conclusion
cherchée.
Or M estbigradué;
posonsAlors M =
E M~
est uncomplexe gradué (par ri) ~
et lecomplexe
est
isomorphe à Z
muni ded1,
donc o ; la suiteexacte de
cohomologie
montre queH~(M~_~) ~
pour tout n et toutp,
d’ où,
parrécurrence
descendante sur p, = o. Pour p = 0, on obtient lerésultat cherché:
= o .Soit, comme c i -dessus,
A =E
> oA~
unerésolution
fine de F. ° Con-sidérons
lecomplexe
doubleC( "U, .A.) = C~( H, où
estteur cobord dans les
cochaînes
de Uà
valeurs dansAP (p fixé),
etoù
d~
est( -l) ~
foisl’homomorphisme U, défini
parOn notera
A), A), A)
lescohomologies
(totale
oupartielles)
de cecomplexe
double.Puisque
lesAP
sontfins,
le lemme 1 prouve que
A)
= opour q ~ 1 ; d’où
unisomorphisme H, A) ~ Hn( 11, A). D’ailleurs H0I(U, A) - r(X, A),
etA.))
est, d’après
laProp.
l,isomorphe canoniquement à F).
On a ainsiun
isomorphisme canonique U( 11, A) ~ F).
Considérons
maintenantl’homomorphisme t, A).
Compte
tenu del’isomorphisme précédent,
il se traduit en unhomomorphisme
0~( U)
tf( ~, F).
’Soit
U’
=(U’)
un recouvrementayant même
ensembled’indices,
ettel que
U. 1
CU’i.
Alors lecomposé
n - .n’est
autre queen( ~U’ ) .
Proposition
2(cf.
LERAYl4 J ) .
Si lerecouvrement H
et le faisceau F sont tels que(4) HP(UJ’ F) =
o pour p > 1 et toute suited’indices J,
alors
l’homomorphisme 03B8n(U)
est unisomorphisme (pour
tout n >0) . Démonstration : d’après
lathéorie
descomplexes doubles,
il suffitde montrer que
~1, A) - o
pourp >
1.Or, d’après
laProposition
lj,on a
HP(UJ’ F) ~ A», qui
est donc nul si(4)
a lieu. Il enré-
sulte que
A) ) =
(3 pourp >
1, commedésiré.
Remarque: la
Proposition
2 vaut aussi pour lacohomologie à supports
compacts (même démonstration),
mais pas pourn’importe quelle
famille ~.§3.
Démonstration
duthéorème.
Après
tous cespréliminaires,
nous abordons ladémonstration
duthéo- rème énoncé
page 1.On sait que, pour toute
variété
de Stein U, et pour tout faisceauanalytique cohérent
F surU,
on aHq(U, F) =
o pour q > 1(Sém. 1951-
52, 18, Théorème B).
Enfait,
dans cequi suit,
onn’aura
besoin de ceré-
sultat que dans le cas
où U,
ouvert del’espace numérique Cn,
est un do-maine
d’holomorphie ( on
dira :"ouvert d’holomorphis"). Rappelons
que, par- mi les ouverts U CCn,
les ouvertsd’holomorphie
sontcaractérisés
par lapropriété
suivante: pour toutcompact
K CU, l’enveloppe U-holomorphe
deK est
compacte (cette enveloppe
estdéfinie
commel’ensemble
des x E U tels que(
- supIfl J
pour tout fholomorphe
dansU). L’inter-
K
section de deux ouverts
d’holomorphie
est un ouvertd’holomorphie,
carl’en-
veloppe (Ul
nU~) holomorphe d’un compact
K CU1~ U2
est contenue dansl’intersection
de sonenveloppe U1-holomorphe
et de sonenveloppe U2-
holomorphe.
Le fait suivant est
évident: si
X est unevariété analytique
com-plexe, réunion dénombrable
decompacts,
Xpossède
des recouvrements lo-calement
finis,
arbitrairementfins,
par des ouvertsd’holomorphie.
Un telrecouvrement
(U.) s’appellera
un recouvrement deStein;
lesUI
sont desouverts
d’holomorphie, d’où F) =
0 pour q > 1, et Fcohérent.
On se propose de
définir
unetopologie
surl’espace
vectorielr(U, F),
F
étant
un faisceaucohérent
surX,
et U un ouvertd’holomorphie
assezpetit.
Fétant donné,
on a, au-dessus de tout ouvert U assezpetit,
unesuite exacte de faisceaux
ou
N est un sous -faisceaucohérent
de~p (cela résulte
de la définitiond’un
faisceaucohérent,
et du fait que le noyaud’un homomorphisme analyti-
que de faisceaux
cohérents
estcohérent;
enfait,
on a une suite exacte de la forme(5)
au-dessus de tout ouvert de Stein U relativementcompact).
Si de
plus
U est un ouvertd’holomorphie,
la relationHl(U, F) =
o en-traîne l’exactitude
de la suiteO -
r(u, N) -~ r(u, 0P) -+ r(u, F) -~
o,ce
qui exprime l’espace
vectorielr(U, F)
commequotient
del’espace
vec-toriel
r(U, OP) (espace
dessystèmes
de p fonctionsholomorphes
dansU);
le noyau
r(U, N)
se compose dessystèmes
de p fonctionsholomorphes
dansU
qui,
enchaque point
x EU, appartiennent
au sous-module N de0P.
x x
Munissons
r(U, Op)
de latopologie
de la convergencecompacte (i. ~3:
dela convergence uniforme sur les
compacts
deU), qui
en fait un espaceFréchet (i.e:
localement convexe,métrisable
etcomplet).
Le sous-espacer(U, N)
estfermé, d’après
unepropriété
des sous-modules deOpx (Sém.
1951-52,
11, Coroll. 1 du Th.4 ) .
Doncl’espace quotient r(U, F)
estsé- paré : c’est
un espace deFréchet.
La
topologie
ainsi obtenue surr(U, F)
estindépendante
du choixde la suite exacte
(5).
Eneffet,
pour obtenir une telle suiteexacte,
on choisit unsystème
de p sectionssi
de F au-dessus deU,
demanière
qu’il engendre
F en toutpoint
x EU,
et par suiteengendre r(U, F)
x
comme module sur
l’anneau r(U, 0 )
des fonctionsholomorphes
dans U.On
définit
alorsl’application
s:r(U, Op) -~ r(U, F) qui,
ausystème
dep fonctions
fi
Er(U, 0),
associe la section~1 fisi
Er(U, F) .
Con-sidérons
un autresystème
de qgénérateurs s’.,
et soits’: r(U, Oq)
~
r(U, F) l’application qu’ il définit.
On asi = 03A3j c . 1 j s’., J
lesc..
étant holomorphes
dans U. Soit cl’application r(U, 0P)
-r(U, Oq)
qui
transforme lesystème (fi)
dans lesystème (g.)
tel que g. =03A3i c..f..
Alorsl’homomorphisme
s estégal
aucomposé s’ c,
doncl’ap- plication identique
der(U, F)
est continuequand
on munitr(U, F)
re-spectivement
de latopologie définie
par lessi
et de celledéfinie
parles
s’..
Comme onpeut échanger
lesrôles
de ces deuxtopologies,
ellessont
identiques.
Lemme 2: soit F un faisceau
cohérent
sur X. Soient U etU’
des ouverts
d’holomorphie
assezpetits,
avec U CU’ ;
alorsl’application
de restriction
r(U’, F) - r(U, F)
est continue. Si deplus l’adhérence U
estcompacte
et contenue dansU’, l’application r(U’, F) - r(U, F)
estcomplètement
continue.Démonstration :
prenons unsystème
de p sectionss’
EI‘{U’ , F) qui engendre r(U’, F);
alors leurs restrictionss. l
Er(U, F) engendrent
.r(U, F).
Il suffit de montrer quel’application
de restrictionr(U’, OP)
-i
r(U, Op)
est continue(resp. complètement continue).
Lapremière
asser-tion est
évidente.
Pour la seconde: soit Vl’ensemble
deséléments
der(U’, Op) formé
dessystèmes (f.)
tels que|fi|
3- sur lecompact U;
V est un
voisinage
dezéro
dansr(U’ ,
et sonimage
dansr(U, OP)
est relativement
compacte, puisqu’elle
estformée
desystèmes
de p fonc- tionsuniformément bornées
dans U.Nous sommes maintenant en mesure
d’achever
ladémonstration du.théo-
rème initial. Soit U =(U.)
un recouvrement de Stein par des ensemblesassez
petits; l’ensemble
desUi
estdénombrable. L’ensemble
desU I
aussi.Sur le
produit dénombrable 03A0I 0393(UI, F),
mettons latopologie produit
destopologies
desrtUI, F) ;
ceproduit
devient un espace deFréchet.
Le sous-espace
F)
estfermé,
doncc’est
un espace deFréchet. L’opérateur
différentiel dn : H, F) - Cn+1( Ti, F)
estcontinu, d’après
le Lemme2;
donc son noyau
Z~( ‘~, F)
est un espace de Fréchet. Prenons alors deux re-couvrements de
Stein, ayant même
ensembled’indices,
etformés d’ensembles
suffisamment
petits,
tels que U. soitcompact
et contenu dansU’.;
alorsfi
estcompact
et contenu dansU’ . L’application Hn(U’ , F) li, F)
est un
isomorphisme,
en vertu de laProposition
2. DoncZn( h, F)
est sommedes
images
decpn: Zn( il’ , F) -~ Zn( ~l , F),
et de( F) -~
Zn( 1J, F).
Ceci conduità
introduirel’espace
vectorielE, produit
deZn( H’ , F)
etU, F) ; c’est
un espace deFréchet. Considérons
lesdeux
applications linéaires
v et w de E dansZ~( ‘U, F)
que voici:v est nulle sur le second facteur et
égale à cp~
sur lepremier;
w est nulle sur lepremier
facteur etégale à dn-l
sur le second. La somme u = v+wapplique
E surZ~( 1!, F). D’après
le Lemme 2, v et v sontcontinues,
donc u est continue.Supposons
enfin que lavariété analytique
X soitcompacte.
Alorsle recouvrement
11’
est fini. Montrons que v estcomplètement
continue.Il suffit de montrer que
l’application Cn( ‘~’ , F) -~ Cn( ‘~, F)
estcomplète-
ment
continue;
or cecirésulte
du Lemme2,
parce queCn(U’ , F)
est unsous-espace d’un produit
finid’espaces
de la formeF). Appliquons
un
théorème
de Schvartz(Exposé 16,
p.4, Corollaire)-:
il affirme quew = u - v
applique
E sur un sous-espace(fermé)
deZn( U, F),
de codi-mension finie;
autrementdit, l’espace quotient Hn( "U , F)
est de dimensionfinie.
D’ailleurs, d’après
laProp.
2,Hn( H, F)
estisomorphe à Hn(X, F),
ce
qui achève
ladémonstration.
Remarque.
Tous lesrésultats
de cetExposé s’étendent
aux espacesanalytiques
normaux. Eneffet,
tout revientà établir
le Lemme 2 dans cecas; or la
question
estlocale,
donc onpeut réaliser l’espace analytique
comme sous-ensemble
analytique d’un
ouvertd’un
espacenumérique CN,
eton est donc
ramené à étudier
des faisceauxcohérents
sur un ouvert dec .
En
fait,
sil’on envisage
les espacesanalytiques
nonnécessairement
normaux
(qui n’ont
pasété définis
dans ceSéminaire;
voir J. P.SERRE,
Exposé
20 ci-dessous,§2),
lesrésultats
de cetExposé
restentvrais,
parce quel’espace
des fonctionsholomorphes
dans un ouvert est encore un espace deFréchet.
Eneffet,
toutefonction,
limite uniforme sur toutcompact
defonctions
holomorphes,
est encoreholomorphe, même
sil’espace analytique
envisagé n’est
pas normal(voir GRAUERT-REMMERT, Komplexe Ràume,
Math. Ann.136, 1958,
p.245-318).
17-11 REFERENCES
[1]
H. CARTAN et J. P.SERRE, "Un théorème
de finitude concernant les va-riétés analytiques compactes," Comptes Rendus,
237(1953),
p.128-130.
[2]
K.KODAIRA, "On cohomology
groups ofcompact analytic varieties, etc.,"
Proc. Nat. Acad. Sci.
U.S.A.,
39(1953),
p.865-868.
[3]
A.WEIL, "Sur
lesthéorèmes
de DeRham,"
Comm. Math. Helv. 26(1952),
p.