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3.4 Existence de tropicalisations (presque) globales [01PT]

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3.4 Existence de tropicalisations (presque) globales

La définition d’une forme lisse est locale, mais lorsque la source est affinoïde, on peut en donner une version partiellement globale  ; c’est l’objet de la proposition qui suit.

\propname 3.4.1.

Soit XX un espace kk-affinoïde et soit α\alpha une forme lisse sur XX. Il existe une famille finie (g1,…,gm)(g_{1},\ldots,g_{m}) de fonctions holomorphes sur XX possédant la propriété suivante : soit x∈Xx\in X, soit II l’ensemble des indices ii tels que gi​(x)≠0g_{i}(x)\neq 0, soit X′X^{\prime} l’ouvert d’inversibilité simultanée des gig_{i} pour i∈Ii\in I et soit g:X′→𝐆mIg\colon X^{\prime}\to\mathbf{G}_{\mathrm{m}}^{I} le moment (gi)i∈I(g_{i})_{i\in I}  ; le point gtrop​(x)g_{\text{trop}}(x) possède un voisinage ouvert Ω\Omega dans (𝐑+×)I(\mathbf{R}^{\times}_{+})^{I} tel que gg tropicalise α|gtrop−1​(Ω)\alpha|_{g_{\text{trop}}^{-1}(\Omega)}.

Démonstration.

Soit x∈Xx\in X. Par définition d’une forme lisse, il existe un voisinage ouvert UxU_{x} de xx dans XX, une famille hx=(hx​,1,…,hx,nx)h_{x}=(h_{x,1},\ldots,h_{x,n_{x}}) de fonctions holomorphes inversibles sur UxU_{x}, et une forme lisse βx\beta_{x} sur 𝐑nx\mathbf{R}^{n_{x}}, tels que α|Ux=hx∗​βx\alpha|_{U_{x}}=h_{x}^{*}\beta_{x}. Par définition de la topologie de XX, on peut supposer qu’il existe une famille finie (λx​,1,…,λx,rx)(\lambda_{x,1},\ldots,\lambda_{x,r_{x}}) de fonctions analytiques sur XX et, pour tout j∈{1,…,rx}j\in\{1,\ldots,r_{x}\}, un intervalle ouvert borné Ix,jI_{x,j} de 𝐑\mathbf{R} tels que l’ouvert UxU_{x} soit défini par la conjonction des conditions |λx,j|∈Ix,j|\lambda_{x,j}|\in I_{x,j} pour 1≤j≤rx1\leq j\leq r_{x}, et tels que chacune des hx,ih_{x,i} soit la restriction à UxU_{x} d’une fonction inversible (encore notée hx,ih_{x,i}) sur le domaine affinoïde VxV_{x} de XX défini par la conjonction des conditions |λj,x|∈Ix,j¯|\lambda_{j,x}|\in\overline{I_{x,j}} pour 1≤j≤rx1\leq j\leq r_{x}.

On peut en outre remplacer chaque hx,ih_{x,i} par une fonction sur VxV_{x} qui a même tropicalisation. Soit JJ l’ensemble des indices jj tels que 0∉Ix,j¯0\notin\overline{I_{x,j}}. L’algèbre des fonctions analytiques de la forme h​∏j∈Jλx,jnjh\prod_{j\in J}\lambda_{x,j}^{n_{j}}, où hh est holomorphe sur XX et où les njn_{j} sont des entiers négatifs ou nuls, est dense dans l’algèbre des fonctions analytiques sur VxV_{x}. Comme la borne inférieure sur VxV_{x} de la norme de chacune des hx,ih_{x,i} est strictement positive, on peut remplacer pour tout ii la fonction hxih_{x_{i}} par une fonction de la forme hx,i′​∏j∈Jλx,jni,jh^{\prime}_{x,i}\prod_{j\in J}\lambda_{x,j}^{n_{i,j}}, où hx,i′h^{\prime}_{x,i} est holomorphe sur XX et où les ni,jn_{i,j} sont des entiers négatifs ou nuls.

Comme XX est compact, il admet une partie finie SS de XX telle que les UxU_{x}, pour x∈Sx\in S, recouvrent XX. Considérons la famille de toutes les fonctions hx,ih_{x,i} et λx,j\lambda_{x,j}, pour x∈Sx\in S, 1≤i≤nx1\leq i\leq n_{x} et 1≤j≤rx1\leq j\leq r_{x}, et renumérotons-la de façon arbitraire en une famille (g1,…,gm)(g_{1},\dots,g_{m}). La description explicite de α|Ux\alpha|_{U_{x}} donnée ci-dessus pour tout x∈Xx\in X assure que (g1,…,gm)(g_{1},\ldots,g_{m}) satisfait les conclusions de la proposition. ∎

3.4.2 Bref rappel sur les réductions graduées à la Temkin.

Traditionnellement, la réduction 𝒜~\widetilde{\mathscr{A}} d’une algèbre kk-affinoïde est définie comme le quotient de l’anneau {a∈𝒜,∥a∥∞≤1}\{a\in\mathscr{A},\mathopen{\|}{a}\mathclose{\|}_{\infty}\leq 1\} par son idéal {a∈𝒜,∥a∥∞<1}\{a\in\mathscr{A},\mathopen{\|}{a}\mathclose{\|}_{\infty}<1\}, où ∥a∥∞\mathopen{\|}{a}\mathclose{\|}_{\infty} est la (semi)-norme spectrale sur ℳ⁡(𝒜)\mathscr{M}(\mathscr{A}), qui coïncide avec le rayon spectral au sens de la théorie générale des algèbres de Banach.

Toutefois, cette réduction ne s’avère exploitable que lorsque 𝒜\mathscr{A} est strictement kk-affinoïde  ; elle a en général des propriétés pathologiques – ainsi, si r∉|k×|r\notin\sqrt{|k^{\times}|}, l’algèbre k​{T/r}~\widetilde{k\{T/r\}} est isomorphe à k~\tilde{k}, alors qu’elle devrait moralement être de dimension 11.

Pour remédier à ces défauts, Temkin a développé dans [53] une théorie de la réduction graduée des algèbres affinoïdes.

Rappelons brièvement en quoi elle consiste. Pour toute algèbre kk-affinoïde 𝒜\mathscr{A}, Temkin définit 𝒜~\widetilde{\mathscr{A}} comme l’anneau 𝐑+×\mathbf{R}^{\times}_{+}-gradué

⨁r>0{a∈𝒜,∥a∥∞≤r}/⨁r>0{a∈𝒜,∥a∥∞<r}.\bigoplus_{r>0}\{a\in\mathscr{A},\mathopen{\|}{a}\mathclose{\|}_{\infty}\leq r\}/\bigoplus_{r>0}\{a\in\mathscr{A},\mathopen{\|}{a}\mathclose{\|}_{\infty}<r\}.

Remarquons que la réduction traditionnelle s’interprète maintenant comme l’ensemble des éléments homogènes de degré 1 de 𝒜~\widetilde{\mathscr{A}} (attention, la graduation est multiplicative  !).

La plupart des propriétés de la réduction usuelle se déclinent mutatis mutandis dans ce contexte  ; il convient simplement de remplacer un certain nombre de notions d’algèbre commutative par leurs avatars gradués. Nous n’entrerons pas ici dans les détails  ; le lecteur intéressé pourra consulter [53] ou [32]. Indiquons simplement que l’on dispose d’une application anticontinue de réduction de X=ℳ⁡(𝒜)X=\mathscr{M}(\mathscr{A}) vers sa réduction graduée X~\widetilde{X}, définie comme l’ensemble des idéaux homogènes premiers de 𝒜~\widetilde{\mathscr{A}}.

\lemmname 3.4.3.

Soit f:Y→Xf\colon Y\to X un morphisme entre espaces kk-affinoïdes et soit KK un compact contenu dans Int⁡(Y/X)\operatorname{Int}(Y/X). Il existe une famille (f1,…,fn)(f_{1},\ldots,f_{n}) de fonctions analytiques non nilpotentes sur YY telle que les propriétés suivantes soient satisfaites, en désignant pour tout ii par ρi\rho_{i} le rayon spectral de fif_{i} :

  1. 1.

    Pour tout y∈Ky\in K et tout ii on a |fi​(y)|<ρi|f_{i}(y)|<\rho_{i} ;

  2. 2.

    Pour tout y∈∂(Y/X)y\in\partial(Y/X) il existe ii tel que |fi​(y)|=ρi|f_{i}(y)|=\rho_{i}.

Démonstration.

Notons Y~\widetilde{Y} et X~\widetilde{X} les réductions graduées à la Temkin des espaces affinoïdes YY et XX, ainsi que f~:Y~→X~\tilde{f}\colon\widetilde{Y}\to\widetilde{X} l’application induite par f~\tilde{f}. Soit π:Y→Y~\pi\colon Y\to\widetilde{Y} la flèche de réduction. Notons 𝒜\mathscr{A} et ℬ\mathscr{B} les algèbres respectivement associées à XX et YY, et 𝒜~\widetilde{\mathscr{A}} et ℬ~\widetilde{\mathscr{B}} leurs réductions graduées.

Soit 𝐲∈Y~{\bf y}\in\widetilde{Y}. Notons J𝐲J_{\bf y} (resp I𝐲I_{\bf y}) l’idéal de ℬ~\widetilde{\mathscr{B}} (resp. 𝒜~\widetilde{\mathscr{A}}) engendré par les éléments homogènes s’annulant sur 𝐲\bf y (resp. f~​(𝐲)\tilde{f}({\bf y})). Soit EE le sous-ensemble de Y~\widetilde{Y} formé des points 𝐲\bf y tel que ℬ~/J𝐲\widetilde{\mathscr{B}}/J_{\bf y} soit finie sur 𝒜~/I𝐲\widetilde{\mathscr{A}}/I_{\bf y}. En vertu du going-up gradué, si 𝐲∈E{\bf y}\in E alors {𝐲}¯⊂𝐄\overline{\{\bf y\}}\subset E.

L’intérieur Int⁡(Y/X)\operatorname{Int}(Y/X) est précisément égal à π−1​(E)\pi^{-1}(E) ([53], Proposition 3.1).

Soit y∈Ky\in K. Comme K⊂Int⁡(Y/X)K\subset\operatorname{Int}(Y/X), on a π⁡(y)∈E\pi(y)\in E. L’image réciproque du fermé {π⁡(y)}¯\overline{\{\pi(y)\}} de Y~\widetilde{Y} est ouverte, et la compacité de KK entraîne alors que π⁡(K)\pi(K) est contenu dans une réunion finie F=⋃{𝐲i}¯F=\bigcup\overline{\{{\bf y}_{i}\}}, où les 𝐲i{\bf y}_{i} appartiennent à EE  ; notons que FF est un fermé de Y~\widetilde{Y}, qui est contenu dans EE.

Par quasi-compacité de Y~\widetilde{Y}, il existe une famille (f1,…,fn)(f_{1},\ldots,f_{n}) de fonctions analytiques non nilpotentes sur YY, de rayons spectraux respectifs ρ1,…,ρn\rho_{1},\ldots,\rho_{n}, telle que FF soit le lieu des zéros des fi~\widetilde{f_{i}}, où fi~\widetilde{f_{i}} désigne l’image canonique de fif_{i} dans le groupe des éléments homogènes de degré ρi\rho_{i} de 𝒜~\widetilde{\mathscr{A}}.

Soit y∈Ky\in K. Puisque π⁡(y)∈F\pi(y)\in F, on a pour tout ii l’égalité fi~​(π​(y))=0\tilde{f_{i}}(\pi(y))=0, ce qui signifie exactement que |fi​(y)|<ρi|f_{i}(y)|<\rho_{i}.

Soit y∈∂(Y/X)y\in\partial(Y/X). Le point π⁡(y)\pi(y) n’appartient pas à EE, et a fortiori pas à FF. Il s’ensuit qu’il existe ii tel que fi~​(π​(y))≠0\tilde{f_{i}}(\pi(y))\neq 0, ce qui signifie exactement que |fi​(y)||f_{i}(y)| est égal à ρi\rho_{i}. ∎

\propname 3.4.4.

Soit Y→XY\to X un morphisme entre espaces kk-affinoïdes, où YY est purement de dimension nn. Soit (α1,…,αm)(\alpha_{1},\ldots,\alpha_{m}) une famille de formes à coefficients mesurables sur YY. Soit KK un compact contenu dans Int⁡(Y/X)\operatorname{Int}(Y/X) constitué de points yy tels que dk​(y)=nd_{k}(y)=n.

Il existe un voisinage affinoïde VV de KK dans Int⁡(Y/X)\operatorname{Int}(Y/X), qui est un domaine rationnel de YY, et un moment g:V→Tg\colon V\to T tels que les deux propriétés suivantes soient satisfaites :

1) gg tropicalise chacune des αi|V\alpha_{i}|_{V}  ;

2) gtrop​(∂(V/Y))∩gtrop​(K)=∅g_{\text{trop}}(\partial(V/Y))\cap g_{\text{trop}}(K)=\emptyset.

Démonstration.

Soit 𝒜\mathscr{A} l’algèbre des fonctions analytiques sur YY. Il résulte de la proposition 3.4.1 qu’il existe une famille finie (h1,…,hN)(h_{1},\ldots,h_{N}) de fonctions appartenant à 𝒜\mathscr{A} possédant la propriété suivante :

(∗)(*) Soit y∈Yy\in Y, soit JJ l’ensemble des indices jj tels que hj​(y)≠0h_{j}(y)\neq 0, soit Y′Y^{\prime} l’ouvert d’inversibilité simultanée des hjh_{j} pour j∈Jj\in J et soit h:Y′→𝐆mJh\colon Y^{\prime}\to\mathbf{G}_{\mathrm{m}}^{J} le moment (hj)j∈J(h_{j})_{j\in J}  ; le point htrop​(y)h_{\text{trop}}(y) possède un voisinage ouvert Ω\Omega dans (𝐑+×)J(\mathbf{R}^{\times}_{+})^{J} tel que hh tropicalise chacune des αi|htrop−1​(Ω)\alpha_{i}|_{h_{\text{trop}}^{-1}(\Omega)}.

Soit y∈Ky\in K. Comme dk​(y)=nd_{k}(y)=n, le point yy n’est situé sur aucun fermé de Zariski de YY de dimension <n<n  ; comme YY est purement de dimension nn, cela signifie que yy n’appartient qu’à une composante irréductible de YY, et est Zariski-dense dans celle-ci.

Soit (Yα)(Y_{\alpha}) la famille des composantes irréductibles de YY. On pose 𝒴=Spec⁡𝒜\mathscr{Y}=\operatorname{Spec}\mathscr{A}  ; pour tout α\alpha, on désigne par 𝒴α\mathscr{Y}_{\alpha} la composante irréductible de 𝒴\mathscr{Y} qui correspond à YαY_{\alpha}.

Par le lemme d’évitement des idéaux premiers appliqué sur le schéma affine 𝒴\mathscr{Y}, il existe une fonction ff holomorphe sur YY telle que ff s’annule en tout point de Yα∩YβY_{\alpha}\cap Y_{\beta} dès que α≠β\alpha\neq\beta, et soit génériquement inversible sur YαY_{\alpha} pour tout α\alpha  ; notons ZZ (resp. 𝒵\mathscr{Z}) le lieu des zéros de ff sur YY (resp. 𝒴\mathscr{Y}).

Soit j∈{1,…,N}j\in\{1,\ldots,N\}. L’ouvert D⁡(f)D(f) de 𝒴\mathscr{Y} est la réunion disjointe des ouverts 𝒴α 𝒵\mathscr{Y}_{\alpha}\mathchoice{\mathbin{\vrule height=3.09999pt,width=6.93192pt,depth=-1.63612pt}}{\mathbin{\vrule height=3.09999pt,width=6.93192pt,depth=-1.63612pt}}{\mathbin{\vrule height=2.15277pt,width=3.65973pt,depth=-1.20554pt}}{\mathbin{\vrule height=0.86108pt,width=2.45418pt,depth=-1.03334pt}}\mathscr{Z}. Il existe donc hj′∈𝒜h^{\prime}_{j}\in\mathscr{A} sur YY et un entier njn_{j} tels que pour tout α\alpha la fonction hj′​f−nj|Yα−Zh^{\prime}_{j}f^{-n_{j}}|_{Y_{\alpha}-Z} soit égale à hjh_{j} si hjh_{j} est génériquement inversible sur YαY_{\alpha}, et égale à 11 dans le cas contraire :

Modifions la famille (h1,…,hN)(h_{1},\ldots,h_{N}) en remplaçant chacun des hjh_{j} par hj′h^{\prime}_{j}, et en posant f=hN+1f=h_{N+1}  ; puis écrivons NN au lieu de N+1N+1, pour alléger les notations. La nouvelle famille (h1,…,hN)(h_{1},\ldots,h_{N}) ainsi obtenue satisfait encore (∗)(*) sous réserve que l’on se limite aux points y∈Y−Zy\in Y-Z, c’est-à-dire aux points en lesquels hN=fh_{N}=f est inversible  ; et chacune des hjh_{j} est maintenant génériquement inversible sur toutes les YαY_{\alpha}, et est donc inversible au voisinage de KK.

Le compact KK est contenu dans Int⁡(Y/X)\operatorname{Int}(Y/X). En vertu du lemme 3.4.3, il existe un nombre fini de fonctions analytiques non nilpotentes λ1,…,λr\lambda_{1},\ldots,\lambda_{r} sur YY, de rayons spectraux respectifs ρ1,…,ρr\rho_{1},\ldots,\rho_{r}, telles que :

  • —

    pour tout ℓ\ell et tout y∈Ky\in K, |λℓ​(y)|<ρℓ|\lambda_{\ell}(y)|<\rho_{\ell}  ;

  • —

    pour tout y∈∂(Y/X)y\in\partial(Y/X), il existe ℓ\ell tel que |λℓ|=ρℓ|\lambda_{\ell}|=\rho_{\ell}.

Choisissons pour tout jj un nombre réel strictement positif sjs_{j} tel que |hj|>sj|h_{j}|>s_{j} sur KK, et soit WW le domaine affinoïde rationnel de YY défini par la conjonction d’inégalités |hj|≥sj|h_{j}|\geq s_{j}  ; comme hNh_{N} ne s’annule pas sur WW, on peut écrire W=∐(W∩Yα)W=\coprod(W\cap Y_{\alpha}).

Fixons α\alpha. Soit LαL_{\alpha} l’ensemble des indices ℓ\ell tels que λℓ|Yα\lambda_{\ell}|_{Y_{\alpha}} soit génériquement inversible  ; elle est alors inversible au voisinage de K∩YαK\cap Y_{\alpha}. Pour tout ℓ∈Lα\ell\in L_{\alpha}, choisissons deux réels rℓ,αr_{\ell,\alpha} et Rℓ,αR_{\ell,\alpha} différents de 11, tels que 0<rℓ,α<Rℓ,α<ρℓ0<r_{\ell,\alpha}<R_{\ell,\alpha}<\rho_{\ell} et tels que rℓ,α<|λℓ|<Rℓ,αr_{\ell,\alpha}<|\lambda_{\ell}|<R_{\ell,\alpha} sur K∩YαK\cap Y_{\alpha}. Soit VαV_{\alpha} le domaine affinoïde de W∩YαW\cap Y_{\alpha} défini par la conjonction des inégalités rℓ,α≤|λℓ|≤Rℓ,αr_{\ell,\alpha}\leq|\lambda_{\ell}|\leq R_{\ell,\alpha} pour ℓ∈Lα\ell\in L_{\alpha} et soit VV le domaine affinoïde ∐Vα\coprod V_{\alpha} de YY  ; c’est un domaine rationnel de WW, et partant de YY.

Si ℓ∈Lα\ell\in L_{\alpha}, on note λℓ,α\lambda_{\ell,\alpha} la fonction analytique sur VV qui vaut λℓ\lambda_{\ell} sur VαV_{\alpha} et 11 sur V−VαV-V_{\alpha}.

Soit y∈Vy\in V. Il appartient à l’un des VαV_{\alpha}  ; on a donc |λℓ​(y)|≤Rℓ,α<ρℓ|\lambda_{\ell}(y)|\leq R_{\ell,\alpha}<\rho_{\ell} si ℓ∈Lα\ell\in L_{\alpha}, et λℓ​(y)=0<ρℓ\lambda_{\ell}(y)=0<\rho_{\ell} sinon. En conséquence, le point yy n’appartient pas à ∂(Y/X)\partial(Y/X)  ; il vient V⊂Int⁡(Y/X)V\subset\operatorname{Int}(Y/X).

Soit y∈∂(V/Y)y\in\partial(V/Y). Par définition du domaine affinoïde VV, on est dans l’un des deux cas suivants, non exclusifs l’un de l’autre.

  • —

    Premier cas : il existe jj tel que |hj|​(y)=sj|h_{j}|(y)=s_{j}. On a alors |hj​(y)|∉|hj|​(K)|h_{j}(y)|\notin|h_{j}|(K).

  • —

    Second cas : il existe (ℓ,α)(\ell,\alpha) tel que y∈Yα,ℓ∈Lαy\in Y_{\alpha},\ell\in L_{\alpha} et |λℓ,α​(y)|∈{rℓ,α,Rℓ,α}|\lambda_{\ell,\alpha}(y)|\in\{r_{\ell,\alpha},R_{\ell,\alpha}\}. La définition de rℓ,αr_{\ell,\alpha} et Rℓ,αR_{\ell,\alpha} assure alors que |λℓ,α​(y)|∉|λℓ,α​(K∩Yα)||\lambda_{\ell,\alpha}(y)|\notin|\lambda_{\ell,\alpha}(K\cap Y_{\alpha})|  ; et comme rℓ,αr_{\ell,\alpha} et Rℓ,αR_{\ell,\alpha} sont différents de 11, le réel |λℓ,α​(y)||\lambda_{\ell,\alpha}(y)| n’appartient pas non plus à |λℓ,α​(K−Yα)||\lambda_{\ell,\alpha}(K-Y_{\alpha})|  ; il s’ensuit que |λℓ,α​(y)|∉|λℓ,α|​(K)|\lambda_{\ell,\alpha}(y)|\notin|\lambda_{\ell,\alpha}|(K).

Soit gg le moment défini sur VV par la concaténation des hjh_{j} et des λℓ,α\lambda_{\ell,\alpha}  ; il résulte de ce qui précède que gtrop​(∂(V/Y))∩gtrop​(K)=∅g_{\text{trop}}(\partial(V/Y))\cap g_{\text{trop}}(K)=\emptyset. Par ailleurs, soit y∈Vy\in V. Par choix des hjh_{j}, il existe un polytope compact PxP_{x} qui est un voisinage de gtrop​(x)g_{\text{trop}}(x) dans gtrop​(V)g_{\text{trop}}(V) tel que chacune des αi|gtrop−1​(Px)\alpha_{i}|_{g_{\text{trop}}^{-1}(P_{x})} provienne via gtropg_{\text{trop}} d’une forme βi,x\beta_{i,x} sur PxP_{x}. Le lemme 3.2.2 assure que les βi,x\beta_{i,x} sont uniquement déterminées  ; il garantit également leur recollement lorsque xx varie. Ainsi, gg tropicalise chacune des αi\alpha_{i}. ∎

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