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4.5 Multiplicités et degré intégral [01S8]

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4.5 Multiplicités et degré intégral

4.5.1

Soit 𝒜\mathscr{A} une algèbre kk-affinoïde, soit ℐ\mathscr{I} son nilradical, soit XX l’espace ℳ⁡(𝒜)\mathscr{M}(\mathscr{A}) et soit 𝒳\mathscr{X} le schéma Spec⁡𝒜\operatorname{Spec}\mathscr{A}. Soit x∈Xx\in X, et soit 𝐱\mathbf{x} son image sur 𝒳\mathscr{X}. L’anneau 𝒜\mathscr{A} étant réduit, l’espace analytique XX est réduit (Berkovich, cf. [29], th. 3.4). Les anneaux locaux artiniens 𝒪𝒳,𝐱/ℐ\mathscr{O}_{\mathscr{X},\mathbf{x}}/\mathscr{I} et 𝒪𝒳,𝐱/ℐ\mathscr{O}_{\mathscr{X},\mathbf{x}}/\mathscr{I} sont donc tous deux des corps.

Pour tout 𝒜\mathscr{A}-module de type fini ℱ\mathscr{F}, on pose

ℱ𝐱=ℱ⊗𝒜𝒪𝒳,𝐱etℱx=ℱ⊗𝒜𝒪X,x\mathscr{F}_{\mathbf{x}}=\mathscr{F}\otimes_{\mathscr{A}}\mathscr{O}_{\mathscr{X},\mathbf{x}}\quad\text{et}\quad\mathscr{F}_{x}=\mathscr{F}\otimes_{\mathscr{A}}\mathscr{O}_{X,x}
\lemmname 4.5.2.

Pour tout 𝒜\mathscr{A}-module de type fini ℱ\mathscr{F}, on a long⁡(ℱx)=long⁡(ℱ𝐱)\operatorname{long}(\mathscr{F}_{x})=\operatorname{long}(\mathscr{F}_{\mathbf{x}}).

Nous dirons que c’est la longueur de ℱ\mathscr{F} (ou du faisceau cohérent associé) en xx ou en 𝐱\mathbf{x}.

Lorsque ℱ=𝒜\mathscr{F}=\mathscr{A}, cet entier est ce qu’on appelle la multiplicité de la composante irréductible {𝐱}¯\overline{\{{\mathbf{x}}\}} de 𝒳\mathscr{X}  ; nous dirons également que c’est la multiplicité de XX en xx.

Démonstration.

Dans le diagramme commutatif

    Spec⁡𝒪X,x                         Spec⁡𝒪𝒳,𝐱              𝒜    ,\vbox{\lx@xy@svg{\hbox{\raise 0.0pt\hbox{\kern 24.0129pt\hbox{\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\hbox{\vtop{\halign{\entry@#!@&&\entry@@#!@\cr&\cr&\crcr}}}\ignorespaces{\hbox{\kern-24.0129pt\raise 0.0pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{\hbox{\kern 3.0pt\raise-2.5pt\hbox{$\textstyle{\operatorname{Spec}\mathscr{O}_{X,x}\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces}$}}}}}}}\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces{\hbox{\kern 14.60742pt\raise-8.3611pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{$\textstyle{\hbox{}}$}}}}}\ignorespaces\ignorespaces{\hbox{\lx@xy@drawline@}}\ignorespaces{\hbox{\kern 48.0129pt\raise-27.47711pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{$\textstyle{\hbox{\lx@xy@tip{1}\lx@xy@tip{-1}}}$}}}}}\ignorespaces\ignorespaces{\hbox{\lx@xy@drawline@}}\ignorespaces{\hbox{\lx@xy@drawline@}}\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces{\hbox{\kern 0.0pt\raise-8.3611pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{$\textstyle{\hbox{}}$}}}}}{\hbox{\lx@xy@droprule}}\ignorespaces{\hbox{\kern 0.0pt\raise-24.0pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{$\textstyle{\hbox{\lx@xy@tip{1}\lx@xy@tip{-1}}}$}}}}}{\hbox{\lx@xy@droprule}}{\hbox{\lx@xy@droprule}}{\hbox{\kern 51.7629pt\raise 0.0pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{\hbox{\kern 3.0pt\raise-2.5pt\hbox{$\textstyle{}$}}}}}}}{\hbox{\kern-23.75075pt\raise-31.33331pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{\hbox{\kern 3.0pt\raise-2.5pt\hbox{$\textstyle{\operatorname{Spec}\mathscr{O}_{\mathscr{X},\mathbf{x}}\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces}$}}}}}}}\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces\ignorespaces{\hbox{\kern 23.75075pt\raise-31.33331pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{$\textstyle{\hbox{}}$}}}}}{\hbox{\lx@xy@droprule}}\ignorespaces{\hbox{\kern 48.0129pt\raise-31.33331pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{$\textstyle{\hbox{\lx@xy@tip{1}\lx@xy@tip{-1}}}$}}}}}{\hbox{\lx@xy@droprule}}{\hbox{\lx@xy@droprule}}{\hbox{\kern 48.0129pt\raise-31.33331pt\hbox{\hbox{\kern 0.0pt\raise 0.0pt\hbox{\hbox{\kern 3.0pt\raise-2.5pt\hbox{$\textstyle{\mathscr{A}}$}}}}}}}\ignorespaces\ignorespaces}}}}},

toutes les flèches sont plates. Il s’ensuit que l’on a pour tout entier nn et tout 𝒜\mathscr{A}-module de type fini des isomorphismes naturels

((ℐn​ℱ)/(ℐn+1​ℱ))𝐱≃(ℐn​ℱ𝐱)/(ℐn+1​ℱ𝐱)((\mathscr{I}^{n}\mathscr{F})/(\mathscr{I}^{n+1}\mathscr{F}))_{\mathbf{x}}\simeq(\mathscr{I}^{n}\mathscr{F}_{\mathbf{x}})/(\mathscr{I}^{n+1}\mathscr{F}_{\mathbf{x}})

et

((ℐn​ℱ)/(ℐn+1​ℱ))x≃(ℐn​ℱx)/(ℐn+1​ℱx).((\mathscr{I}^{n}\mathscr{F})/(\mathscr{I}^{n+1}\mathscr{F}))_{x}\simeq(\mathscr{I}^{n}\mathscr{F}_{x})/(\mathscr{I}^{n+1}\mathscr{F}_{x}).

Par conséquent,

dim𝒪X,x/ℐ(ℐn​ℱx)/(ℐn+1​ℱx)=dim𝒪𝒳,𝐱/ℐ(ℐn​ℱ𝐱)/(ℐn+1​ℱ𝐱).\dim_{\mathscr{O}_{X,x}/\mathscr{I}}(\mathscr{I}^{n}\mathscr{F}_{x})/(\mathscr{I}^{n+1}\mathscr{F}_{x})=\dim_{\mathscr{O}_{\mathscr{X},\mathbf{x}}/\mathscr{I}}(\mathscr{I}^{n}\mathscr{F}_{\mathbf{x}})/(\mathscr{I}^{n+1}\mathscr{F}_{\mathbf{x}}).

Le lemme en résulte par dévissage. ∎

4.5.3

Soit XX un espace kk-analytique irréductible, soit ℱ\mathscr{F} un faisceau cohérent sur XX, et soit ℐ\mathscr{I} le faisceau des éléments localement nilpotents sur XX. Fixons un domaine affinoïde non vide VV de XX. La suite de faisceaux cohérents

ℱ⊃ℐ​ℱ⊃ℐ2​ℱ​…⊃ℐm​ℱ⊃ℐm+1​ℱ⊃…\mathscr{F}\supset\mathscr{I}\mathscr{F}\supset\mathscr{I}^{2}\mathscr{F}\ldots\supset\mathscr{I}^{m}\mathscr{F}\supset\mathscr{I}^{m+1}\mathscr{F}\supset\ldots

s’annule à un rang fini lorsqu’on la restreint à VV  ; elle s’annule donc génériquement à un rang fini, c’est-à-dire qu’il existe nn tel que ℐn​ℱ\mathscr{I}^{n}\mathscr{F} soit nul au-dessus d’un ouvert de Zariski non vide de XX.

Soit nn un entier. Le faisceau ℱm:=ℐm​ℱ/ℐm+1​ℱ\mathscr{F}_{m}:=\mathscr{I}^{m}\mathscr{F}/\mathscr{I}^{m+1}\mathscr{F} est un faisceau cohérent de 𝒪X/ℐ\mathscr{O}_{X}/\mathscr{I}-modules, c’est-à-dire un faisceau cohérent sur XredX_{\text{red}}. Sa restriction à VredV_{\text{red}} est génériquement libre sur chacune des composantes irréductibles de VredV_{\text{red}}. Par conséquent, l’ouvert de Zariski UU de XredX_{\text{red}} au-dessus duquel ℱm\mathscr{F}_{m} est libre est non vide. Comme UU est connexe ([7], Corollaire 3.3.20), le rang de ℱm\mathscr{F}_{m} est constant sur cet ouvert ; on le note rm​(ℱ)r_{m}(\mathscr{F}).

Pour mm assez grand, on a rm​(ℱ)=0r_{m}(\mathscr{F})=0. On note ℓ⁡(ℱ)=∑m≥0rm​(ℱ)\ell(\mathscr{F})=\sum_{m\geq 0}r_{m}(\mathscr{F}) et on dit que c’est la longueur générique du faisceau cohérent ℱ\mathscr{F}. Lorsque ℱ=𝒪X\mathscr{F}=\mathscr{O}_{X}, on dit que ℓ⁡(𝒪X)\ell(\mathscr{O}_{X}) est la multiplicité générique de XX.

Soit vv un point de VV tel que 𝒪V,v\mathscr{O}_{V,v} soit artinien. La longueur générique de ℱ\mathscr{F} est alors égale par construction à la longueur de ℱ|V\mathscr{F}|_{V} en vv, et la multiplicité générique de XX est égale à la multiplicité de VV en vv.

4.5.4

Soit WW un espace kk-affinoïde et soit π:V→W\pi\colon V\to W un morphisme fini  ; soit ww un point de WW tel que 𝒪W,w\mathscr{O}_{W,w} soit un corps. Le morphisme Vred→WV_{\text{red}}\to W est fini et plat au-dessus de ww  ; soit θ\theta le degré correspondant. Alors, π∗​𝒪V⊗𝒪W,w\pi_{*}\mathscr{O}_{V}\otimes\mathscr{O}_{W,w} est un espace vectoriel de dimension θ\theta sur 𝒪W,w\mathscr{O}_{W,w}, tandis que π∗​ℱm|V⊗𝒪W,w\pi_{*}\mathscr{F}_{m}|V\otimes\mathscr{O}_{W,w} est un espace vectoriel de dimension rm​(ℱ)​θr_{m}(\mathscr{F})\theta. Par suite, la dimension de π∗​ℱ|V⊗𝒪W,w\pi_{*}\mathscr{F}|_{V}\otimes\mathscr{O}_{W,w} est égal à ℓ⁡(ℱ)​θ\ell(\mathscr{F})\theta.

4.5.5

Soit LL un corps tel que XLX_{L} soit encore irréductible. L’espace (Xred)L(X_{\text{red}})_{L} n’est pas forcément réduit, et rm​(ℱL)r_{m}(\mathscr{F}_{L}) diffère de rm​(ℱ)r_{m}(\mathscr{F}) en général  ; il résulte plus précisément des définitions que ℓ⁡(ℱL)=𝗆​∑rm​(ℱ)\ell(\mathscr{F}_{L})=\mathsf{m}\sum r_{m}(\mathscr{F}), où 𝗆\mathsf{m} est la multiplicité générique de (Xred)L(X_{\text{red}})_{L}.

4.5.6

Soit XX un espace kk-analytique irréductible de dimension nn, soit YY un espace kk-analytique et soit π:Y→X\pi:Y\to X un morphisme fini. Soit 𝗆\mathsf{m} la multiplicité générique de XX, et soit 𝗇\mathsf{n} l’entier ∑rm​(π∗​𝒪Y)\sum r_{m}(\pi_{*}\mathscr{O}_{Y}). Il résulte de ce qui précède que pour tout domaine affinoïde VV de YY, pour tout morphisme fini φ:V→W\varphi:V\to W où WW est un espace kk-affinoïde, et pour tout point ww de WW tel que 𝒪W,w\mathscr{O}_{W,w} soit un corps, le degré de Y×XVY\times_{X}V au-dessus de ww est égal au produit du degré de VV au-dessus de ww par 𝗇/𝗆\mathsf{n}/\mathsf{m}. On dira que 𝗇/𝗆\mathsf{n}/\mathsf{m} est le degré intégral de YY sur XX.

4.5.7

On déduit alors de la définition des intégrales que pour toute (n,n)(n,n)-forme mesurable ω\omega sur XX à support fortement paracompact dans XX, on a ∫Y|π∗​ω|=(𝗇/𝗆)​∫X|ω|\int_{Y}\mathopen{|}{\pi^{*}\omega}\mathclose{|}=(\mathsf{n}/\mathsf{m})\int_{X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}, et ∫Yπ∗​ω=(𝗇/𝗆)​∫Xω\int_{Y}\ \pi^{*}\omega=(\mathsf{n}/\mathsf{m})\int_{X}\omega dans le cas intégrable.

De même, si ω\omega est une (n−1,n)(n-1,n)-forme mesurable ω\omega sur XX à support fortement paracompact dans XX, on a ∫∂Y|π∗​ω|=(𝗇/𝗆)​∫∂X|ω|\int_{\partial Y}\mathopen{|}{\pi^{*}\omega}\mathclose{|}=(\mathsf{n}/\mathsf{m})\int_{\partial X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}, et ∫∂Yπ∗​ω=(𝗇/𝗆)​∫∂Xω\int_{\partial Y}\ \pi^{*}\omega=(\mathsf{n}/\mathsf{m})\int_{\partial X}\omega dans le cas intégrable.

Donnons maintenant quelques exemples.

\exemname 4.5.8.

Le degré intégral de YY au-dessus de XX est nul si et seulement si dimY<n\dim Y<n.

\exemname 4.5.9.

Si XX est réduit, π∗​𝒪Y\pi_{*}\mathscr{O}_{Y} est génériquement libre sur XX, et le degré intégral de YY sur XX est simplement le rang correspondant. En particulier, si Y→XY\to X est plat son degré intégral est égal à son degré.

\exemname 4.5.10.

Supposons que Y=XredY=X_{\text{red}} et soit 𝗆\mathsf{m} la multiplicité générique de XX  ; le degré intégral de Y=XredY=X_{\text{red}} sur XX est alors égal à 1/𝗆1/\mathsf{m}. Ainsi si X=ℳ⁡(k⁡[ϵ])X=\mathscr{M}(k[\epsilon]) avec ϵN=0\epsilon^{N}=0 et ϵN−1≠0\epsilon^{N-1}\neq 0 pour un certain N≥1N\geq 1, on a Y=ℳ⁡(k)Y=\mathscr{M}(k), et le degré intégral de YY sur XX est égal à 1/N1/N.

Remarquons que le degré intégral de YY sur XX est encore égal à 1/𝗆1/\mathsf{m} si l’on suppose simplement que YY s’identifie génériquement avec XredX_{\text{red}}. C’est par exemple le cas lorsque YY est le normalisé de XX ([29], définition 5.10).

4.5.11

Cette notion de degré intégral s’étend comme suit au cas des espaces analytiques non nécessairement irréductibles. Soit XX un espace kk-analytique purement de dimension nn, soit Y→XY\to X un morphisme fini, soit TT une composante irréductible de XX, et soit ZZ la réunion des autres composantes. Munissons TT de sa structure générique de sous-espace analytique fermé de XX, définie en prenant G-localement l’adhérence schématique de T−ZT-Z. Le degré intégral de Y×XTY\times_{X}T sera appelé plus brièvement le degré intégral de YY au-dessus de TT.

Comme le support d’une (n,n)(n,n)-forme est constitué uniquement de points xx tel que dk​(x)=nd_{k}(x)=n, il ne contient aucun point situé sur deux composantes irréductibles distinctes de XX.

Par conséquent, la formule donnée ci-dessus se généralise comme suit. Soit (Xi)(X_{i}) la famille des composantes irréductibles de XX  ; pour tout ii, soit did_{i} le degré intégral de YY au-dessus de YiY_{i}. Si ω\omega est une (n,n)(n,n)-forme mesurable sur XX à support fortement paracompact dans XX, on a alors ∫Y|f∗​(ω)|=∑idi​∫Xi|ω|\int_{Y}\mathopen{|}{f^{*}(\omega)}\mathclose{|}=\sum_{i}d_{i}\int_{X_{i}}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}, et la même chose sans les valeurs absolues dans le cas intégrable.

Cela vaut également mutatis mutandis pour les (n−1,n)(n-1,n)-formes.

Si XX est irréductible, si Y→XY\to X est fini de degré intégral dd et si LL est une extension complète de kk alors le degré intégral de YLY_{L} sur chacune des composantes irréductibles de XLX_{L} est égal à dd.

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