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§ 5 Courants positifs, théorie de Bedford-Taylor [01SX]

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§ 5 Courants positifs, théorie de Bedford-Taylor

5.1 Formes positives en géométrie tropicale

Rappelons des définitions de Lagerberg [43].

\definame 5.1.1.

Soit VV un espace affine réel de dimension nn. Soit ω\omega une forme lisse de type (p,p)(p,p) sur un ouvert UU de VV.

  1. a)

    Si p=np=n, on dit que ω\omega est positive si dans une base (x1,…,xn)(x_{1},\dots,x_{n}) de V→∗\overrightarrow{V}^{*}, il existe une fonction lisse ff sur UU, positive ou nulle en tout point, telle que ω=f​d′⁡x1​d′′⁡x1​…​d′⁡xn​d′′⁡xn\omega=f\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}{x_{1}}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}{x_{1}}\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}{x_{n}}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}{x_{n}}. (Il existe alors une telle fonction pour toute base de V→∗\overrightarrow{V}^{*}.)

  2. b)

    On dit que ω\omega est faiblement positive si pour toute famille (α1,…,αn−p)(\alpha_{1},\dots,\alpha_{n-p}) de formes de type (1,0)(1,0), la (n,n)(n,n)-forme

    ω∧α1∧J⁡(α1)∧⋯∧αn−p∧J⁡(αn−p)\omega\wedge\alpha_{1}\wedge\mathrm{J}(\alpha_{1})\wedge\dots\wedge\alpha_{n-p}\wedge\mathrm{J}(\alpha_{n-p})

    est positive sur UU.

  3. c)

    On dit que ω\omega est positive si pour toute forme α\alpha de type (n−p​,0)(n-p,0), la (n,n)(n,n)-forme

    (−1)(n−p)​(n−p−1)/2​ω∧α∧J⁡(α)(-1)^{(n-p)(n-p-1)/2}\omega\wedge\alpha\wedge\mathrm{J}(\alpha)

    est positive sur UU.

  4. d)

    On dit que ω\omega est fortement positive s’il existe des fonctions fsf_{s}, lisses et positives ou nulles sur UU, et des formes αj,s\alpha_{j,s} de type (1,0)(1,0) (pour 1≤j≤p1\leq j\leq p et ss dans un ensemble fini) telles que

    ω=∑sfs​α1,s∧J⁡(α1,s)∧⋯∧αp,s∧J⁡(αp,s).\omega=\sum_{s}f_{s}\alpha_{1,s}\wedge\mathrm{J}(\alpha_{1,s})\wedge\dots\wedge\alpha_{p,s}\wedge\mathrm{J}(\alpha_{p,s}).

Pour l’explication du signe dans la condition c), noter que si α=α1∧⋯∧αm\alpha=\alpha_{1}\wedge\dots\wedge\alpha_{m} est le produit de mm formes de type (1,0)(1,0), alors

α1∧J⁡(α1)∧⋯∧αm∧J⁡(αm)=(−1)m⁡(m−1)/2​α∧J⁡(α).\alpha_{1}\wedge\mathrm{J}(\alpha_{1})\wedge\dots\wedge\alpha_{m}\wedge\mathrm{J}(\alpha_{m})=(-1)^{m(m-1)/2}\alpha\wedge\mathrm{J}(\alpha).

5.1.2

Une fonction est fortement positive si et seulement si elle prend des valeurs positives ou nulles en tout point.

Une forme fortement positive est positive, une forme positive est faiblement positive. En bidegrés (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (n−1,n−1)(n-1,n-1) et (n,n)(n,n) ces trois notions coïncident.

Chacun de ces trois espaces de formes définit un cône convexe fermé. Par définition, une forme α\alpha de type (p,p)(p,p) est faiblement positive si et seulement si α∧β\alpha\wedge\beta est positive pour toute forme β\beta fortement positive de type (n−p,n−p)(n-p,n-p). Comme ces conditions sont ponctuelles, la bidualité des cônes convexes fermés en dimension finie entraîne que α\alpha est fortement positive si et seulement si α∧β\alpha\wedge\beta est positive pour toute forme faiblement positive β\beta.

La condition de positivité est auto-duale ([43], commentaires avant le lemme 2.2) : une forme α\alpha de type (p,p)(p,p) est positive si et seulement si α∧β\alpha\wedge\beta est positive pour toute forme positive de type (n−p,n−p)(n-p,n-p).

\propname 5.1.3 ([43], Proposition 2.2).

Une forme ω\omega de type (p,p)(p,p) sur un ouvert UU de VV est faiblement positive si et seulement si pour tout espace affine WW de dimension pp et toute application affine f:W→Vf\colon W\rightarrow V, f∗​ωf^{*}\omega est une forme positive sur l’ouvert f−1​(U)f^{-1}(U) de WW.

\propname 5.1.4 ([43], Lemma 2.1).

Soient ω1,…,ωs\omega_{1},\dots,\omega_{s} des formes positives (resp. faiblement positives) et posons ω=ω1∧⋯∧ωs\omega=\omega_{1}\wedge\dots\wedge\omega_{s}.

Si les ωj\omega_{j} sont toutes fortement positives, alors ω\omega est fortement positive.

Si au plus une d’entre elle n’est pas fortement positive, alors ω\omega est positive (resp. faiblement positive).

Démonstration.

Par récurrence, il suffit de prouver que si une forme β\beta est fortement positive, alors α∧β\alpha\wedge\beta est de même nature que α\alpha. On peut supposer que β\beta est de la forme β1∧J​β1∧⋯∧βm∧J​βm\beta_{1}\wedge\mathrm{J}\beta_{1}\wedge\dots\wedge\beta_{m}\wedge\mathrm{J}\beta_{m}, où les βj\beta_{j} sont des formes de type (1,0)(1,0). Dans chacun des trois cas, la preuve est alors directe. ∎

\remaname 5.1.5.

Soit ω\omega une forme lisse de type (p,p)(p,p) sur un ouvert UU d’un espace affine VV. Soit V′V^{\prime} un sous-espace affine de VV et soit U′=U∩V′U^{\prime}=U\cap V^{\prime}. Si ω\omega est positive (resp. faiblement positive, resp. fortement positive) sur UU, il en est de même de sa restriction à U′U^{\prime}.

Comme toute forme sur U′U^{\prime} est la restriction d’une forme sur UU, c’est évident dans le cas d’une forme fortement positive. Traitons les deux autres cas.

Soit (x1,…,xn)(x_{1},\dots,x_{n}) une base de V→∗\overrightarrow{V}^{*} telle que les restrictions (x1′,…,xm′)(x^{\prime}_{1},\dots,x^{\prime}_{m}) de (x1,…,xm)(x_{1},\dots,x_{m}) à V→′\overrightarrow{V}^{\prime} soient linéairement indépendantes. Supposons ω\omega positive et montrons que ω′=ω|U′\omega^{\prime}=\omega|_{U^{\prime}} l’est encore. Soit α′\alpha^{\prime} une forme de type (m−p​,0)(m-p,0) sur U′U^{\prime} et soit α\alpha une forme de type (m−p​,0)(m-p,0) sur UU dont la restriction à U′U^{\prime} est égale à α′\alpha^{\prime}. On peut donc écrire

(−1)(m−p)​(m−p−1)/2​ω′∧α′∧J⁡(α′)=f′​d′⁡x1′∧…​d′′⁡x1′∧…​d′⁡xm′∧d′′⁡xm′,(-1)^{(m-p)(m-p-1)/2}\omega^{\prime}\wedge\alpha^{\prime}\wedge\mathrm{J}(\alpha^{\prime})=f^{\prime}\,\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x^{\prime}_{1}\wedge\dots\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x^{\prime}_{1}\wedge\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x^{\prime}_{m}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x^{\prime}_{m},

où f′f^{\prime} est une fonction lisse sur U′U^{\prime}. Par suite, la décomposition de la forme

ω∧α∧J⁡(α)=∑|I|,|J|=mfI​J,d′⁡xI∧…​d′′⁡xJ,\omega\wedge\alpha\wedge\mathrm{J}(\alpha)=\sum_{\mathopen{|}{I}\mathclose{|},\mathopen{|}{J}\mathclose{|}=m}f_{IJ},\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{I}\wedge\dots\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{J},

on a fI​I|U′=f′f_{II}|_{U^{\prime}}=f^{\prime} si I=(1,…,m)I=(1,\dots,m). Posons alors β=d′⁡xm+1∧⋯∧d′⁡xn\beta=\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{m+1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{n}. On constate que

(−1)(n−p)​(n−p−1)/2​ω∧α∧β∧J⁡(α)∧J⁡(β)=fI​I​d′⁡x1∧d′′⁡x1∧⋯∧d′⁡xn∧d′′⁡xn.(-1)^{(n-p)(n-p-1)/2}\omega\wedge\alpha\wedge\beta\wedge\mathrm{J}(\alpha)\wedge\mathrm{J}(\beta)=f_{II}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{n}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{n}.

Comme ω\omega est positive, fI​If_{II} est positive ou nulle sur UU ; par suite, f′f^{\prime} est positive ou nulle sur U′U^{\prime}, ce qui démontre que ω′\omega^{\prime} est positive.

Lorsque ω\omega est faiblement positive, le même argument prouve que ω′\omega^{\prime} est faiblement positive ; il suffit de remarquer qu’une forme α′\alpha^{\prime} qui est le produit de pp formes de type (1,0)(1,0) sur U′U^{\prime} est la restriction à U′U^{\prime} de produit de pp formes de type (1,0)(1,0) sur UU.

5.1.6

Soit λ\lambda la forme d′⁡d′′⁡∥x2∥\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\mathopen{\|}{x^{2}}\mathclose{\|} sur 𝐑n\mathbf{R}^{n}. On a

λ=2​d′⁡(∑j=1nxj​d′′⁡xj)=2​∑j=1nd′⁡xj​d′′⁡xj.\lambda=2\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\left(\sum_{j=1}^{n}x_{j}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{j}\right)=2\sum_{j=1}^{n}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{j}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{j}.

Pour tout entier p≥0p\geq 0, la restriction de λp\lambda^{p} à un sous-espace affine de dimension pp est un multiple (strictement positif) de la mesure de Lebesgue sur ce sous-espace. Ainsi, λp\lambda^{p} est positive. En fait, λp\lambda^{p} est même fortement positive ([41], corollaire 1.17).

On dira qu’une forme ω\omega de type (p,p)(p,p) est strictement positive (resp. faiblement, ou fortement positive) s’il existe un nombre réel c>0c>0 tel que ω−c​λp\omega-c\lambda^{p} soit une forme positive (resp.…).

5.2 Formes positives sur un sous-espace linéaire par morceaux

\definame 5.2.1.

Soit VV un espace affine de dimension finie sur 𝐑\mathbf{R} et soit PP un sous-espace linéaire par morceaux de PP. Soit ω\omega une forme lisse de type (p,p)(p,p) sur XX. On dit que ω\omega est positive (resp. faiblement positive, resp. fortement positive) s’il existe une décomposition polytopale de PP telle que pour toute cellule fermée maximale QQ de PP, la restriction de ω\omega à QQ soit une forme positive (resp. faiblement positive, resp. fortement positive) en tant que forme de type (p,p)(p,p) définie sur un voisinage de QQ dans l’espace affine ⟨Q⟩\langle Q\rangle.

5.2.2

À l’aide de la proposition 5.1.4, on vérifie face par face que si ω1,…,ωr\omega_{1},\dots,\omega_{r} sont des formes lisses fortement positives, alors ω1∧⋯∧ωr\omega_{1}\wedge\dots\wedge\omega_{r} est fortement positive. De même, si elles sont faiblement positives et qu’au plus une d’entre elles n’est pas fortement positives, ce produit est une forme faiblement positive.

Si PP est un sous-espace linéaire par morceaux purement de dimension nn (au sens où toute face maximale de PP est de dimension nn), les notions de formes positives et fortement positives coïncident en bidegrés (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (n−1,n−1)(n-1,n-1) et (n,n)(n,n).

La restriction à un sous-espace linéaire par morceaux d’une forme positive (resp. faiblement, resp. fortement positive) l’est encore.

\lemmname 5.2.3.

Soit VV un espace affine de dimension finie sur 𝐑\mathbf{R} et soit PP un sous-espace linéaire par morceaux de VV. Pour toute forme lisse α\alpha de type (p,p)(p,p) sur PP, il existe des formes lisses fortement positives α1\alpha_{1} et α2\alpha_{2} telles que α=α1−α2\alpha=\alpha_{1}-\alpha_{2}.

Démonstration.

On peut supposer que V=𝐑nV=\mathbf{R}^{n}. Soit λ\lambda la (1,1)(1,1)-forme d′⁡d′′⁡∥x2∥\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\mathopen{\|}{x^{2}}\mathclose{\|} sur 𝐑n\mathbf{R}^{n}. Comme λp\lambda^{p} est fortement positive, elle appartient à l’intérieur du cône des formes de type (p,p)(p,p) strictement positives sur 𝐑n\mathbf{R}^{n} ; il existe donc une fonction strictement positive cc sur PP telle que α+c​λp\alpha+c\lambda^{p} soit une forme fortement positive.

Il suffit de poser α1=α+c​λp\alpha_{1}=\alpha+c\lambda^{p} et α2=c​λp\alpha_{2}=c\lambda^{p}. ∎

5.3 Formes lisses positives sur un espace analytique

Sauf mention explicite du contraire, les espaces analytiques sont supposés être bons et topologiquement séparés.

\definame 5.3.1.

Soit XX un espace analytique (bon, séparé). On dit qu’une forme lisse ω\omega de type (p,p)(p,p) sur XX est positive (resp. faiblement, resp. fortement positive) si pour tout point xx de XX, il existe un voisinage UU de xx dans XX qui est un domaine analytique compact, un moment f:U→Tf\colon U\rightarrow T et une forme lisse η\eta positive (resp. faiblement, resp. fortement positive) sur ftrop​(U)f_{\text{trop}}(U) telle que α=f∗​η\alpha=f^{*}\eta.

5.3.2

On vérifie immédiatement dans des cartes tropicales adéquates que si ω1,…,ωr\omega_{1},\dots,\omega_{r} sont des formes lisses fortement positives, alors ω1∧⋯∧ωr\omega_{1}\wedge\dots\wedge\omega_{r} est fortement positive. De même, si elles sont faiblement positives et qu’au plus une d’entre elles n’est pas fortement positives, ce produit est une forme faiblement positive.

Si XX est de dimension nn, les notions de formes positives et fortement positives coïncident en bidegrés (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (n−1,n−1)(n-1,n-1) et (n,n)(n,n).

\lemmname 5.3.3.

Soit XX un espace analytique (bon, séparé). Pour toute forme lisse ω\omega de type (p,p)(p,p) dont le support est fortement paracompact, il existe des formes lisses fortement positives

ω1\omega_{1} et ω2\omega_{2} telles que ω=ω1−ω2\omega=\omega_{1}-\omega_{2}.

Démonstration.

Soit (fi,Pi)(f_{i},P_{i}) une famille de cartes tropicales, de sorte que fif_{i} soit un moment sur un ouvert ViV_{i} de XX et PiP_{i} un polytope compact contenant fi,trop​(Vi)f_{i,{\text{trop}}}(V_{i}), et, pour tout ii, soit αi\alpha_{i} une forme sur PiP_{i} telle que ω|Vi=fi∗​αi\omega\mathrel{|}{V_{i}}=f_{i}^{*}\alpha_{i}. Par hypothèse, il existe une famille localement finie (λi)(\lambda_{i}) de fonctions lisses sur XX, subordonnée à ce recouvrement, telles que 0≤λi≤10\leq\lambda_{i}\leq 1 pour tout ii et ∑λi\sum\lambda_{i} est identiquement égale à 11 au voisinage du support de ω\omega.

Pour tout ii, choisissons des formes fortement positives αi​,1\alpha_{i,1} et αi​,2\alpha_{i,2} sur PiP_{i} telles que αi=αi​,1−αi​,2\alpha_{i}=\alpha_{i,1}-\alpha_{i,2}. Posons alors ω1=∑λi​fi∗​αi​,1\omega_{1}=\sum\lambda_{i}f_{i}^{*}\alpha_{i,1} et ω2=∑λi​fi∗​αi​,2\omega_{2}=\sum\lambda_{i}f_{i}^{*}\alpha_{i,2} ; ce sont des formes lisses et fortement positives telles que ω=ω1−ω2\omega=\omega_{1}-\omega_{2}. ∎

5.4 Courants positifs

5.4.1

Soit XX un espace analytique (bon, séparé), soit pp un entier. Un courant SS de bidimension (p,p)(p,p) est dit est dit faiblement positif, respectivement positif, respectivement fortement positif, si pour toute forme α∈𝒜cp,p​(X)\alpha\in\mathscr{A}^{p,p}_{\text{c}}(X) qui est fortement positive, respectivement positive, respectivement faiblement positive, on a ⟨S,α⟩≥0\langle S,\alpha\rangle\geq 0.

Supposons que XX soit purement de dimension nn. Comme les diverses notions de positivité pour les formes de type (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (n−1,n−1)(n-1,n-1) et (n,n)(n,n) coïncident, il en va de même pour les courants.

5.4.2

Les courants d’intégration φ∗​δY\varphi_{*}\delta_{Y} construits au paragraphe 4.3 sont positifs.

5.4.3

L’image directe d’un courant positif (resp. faiblement positif, fortement positif) est de même type. Cela résulte du fait que la même propriété vaut pour l’image inverse des formes.

\lemmname 5.4.4.

Soit XX un espace analytique (bon, séparé), soit pp un entier et soit SS une application linéaire de 𝒜cp,p​(X)\mathscr{A}^{p,p}_{\text{c}}(X) dans 𝐑\mathbf{R} qui est positive en toute forme faiblement positive. Alors, SS est un courant.

Démonstration.

Il faut prouver la continuité de SS. Soit (ωn)(\omega_{n}) une suite de formes lisses qui converge vers ω\omega et prouvons que ⟨S,ωn⟩\langle S,\omega_{n}\rangle converge vers ⟨S,ω⟩\langle S,\omega\rangle.

Soit (Ui)(U_{i}) un recouvrement fini de supp⁡(ω)\operatorname{supp}(\omega) par des affinoïdes de XX sur lequel les ωn\omega_{n} et ω\omega soient tropicales. Pour tout ii, soit fi:Ui→Tif_{i}\colon U_{i}\rightarrow T_{i} un moment, notons Pi=(fi)trop​(Ui)P_{i}=(f_{i})_{\text{trop}}(U_{i}), et soit αi\alpha_{i} (resp. αi,n\alpha_{i,n} pour n≥0n\geq 0) une forme sur PiP_{i} telle que ω|Ui=fi∗​αi\omega|_{U_{i}}=f_{i}^{*}\alpha_{i} (resp. ωn|Ui=fi∗​αi,n\omega_{n}|_{U_{i}}=f_{i}^{*}\alpha_{i,n}. Pour tout ii, soit λi\lambda_{i} une fonction lisse sur XX dont le support est compact et contenu dans Int⁡(Ui)\operatorname{Int}(U_{i}), à valeurs dans [0,1][0,1], telle que ∑λi\sum\lambda_{i} soit identiquement égale à 11 dans un voisinage de supp⁡(ω)\operatorname{supp}(\omega). On a alors

⟨S,ω⟩=∑i⟨S,λi​ω⟩et⟨S,ωn⟩=∑i⟨S,λi​ωn⟩\langle S,\omega\rangle=\sum_{i}\langle S,\lambda_{i}\omega\rangle\quad\text{et}\quad\langle S,\omega_{n}\rangle=\sum_{i}\langle S,\lambda_{i}\omega_{n}\rangle

Pour tout ii, il existe un affinoïde ViV_{i} contenu dans l’intérieur de UiU_{i}, contenant le support de λi​ωn\lambda_{i}\omega_{n} et tropicalisant cette forme. Notons Qi=(fi)trop​(Vi)Q_{i}=(f_{i})_{{\text{trop}}}(V_{i}). Par hypothèse, les coefficients de αi,n\alpha_{i,n} convergent uniformément vers ceux de αi\alpha_{i} sur chaque face de QiQ_{i} Soit βi\beta_{i} une forme lisse strictement positive sur QiQ_{i} Pour tout nn, il existe un nombre réel εn\varepsilon_{n} tel que −εn​βi≤(αi,n−αi)≤εn​βi-\varepsilon_{n}\beta_{i}\leq(\alpha_{i,n}-\alpha_{i})\leq\varepsilon_{n}\beta_{i} pour tout ii, et on peut le choisir de sorte que la suite (εn)(\varepsilon_{n}) tende vers 00. Cela entraîne que

|⟨S,λi​(ωn−ω)⟩|≤εn​|⟨S,λi​βi⟩|\left|{\langle S,\lambda_{i}(\omega_{n}-\omega)\rangle}\right|\leq\varepsilon_{n}\left|{\langle S,\lambda_{i}\beta_{i}\rangle}\right|

donc ⟨S,λi​ωn⟩\langle S,\lambda_{i}\omega_{n}\rangle tend vers ⟨S,λi​ω⟩\langle S,\lambda_{i}\omega\rangle. Finalement, ⟨S,ωn⟩\langle S,\omega_{n}\rangle tend vers ⟨S,ω⟩\langle S,\omega\rangle, ainsi qu’il fallait démontrer. ∎

5.4.5

Soit XX un espace kk-analytique (bon, séparé,…). Soit μ\mu une mesure positive (au sens de Bourbaki) sur l’espace analytique Int⁡(X)\operatorname{Int}(X), c’est-à-dire une forme linéaire positive sur l’espace des fonctions continues à support compact sur Int⁡(X)\operatorname{Int}(X), muni de la topologie de la convergence uniforme sur les compacts. Par restriction à l’espace 𝒜c0​(X)\mathscr{A}^{0}_{\text{c}}(X) des fonctions lisses, μ\mu définit un courant positif qu’on notera [μ][\mu].

\propname 5.4.6.

Soit XX un espace kk-analytique. L’application μ↦[μ]\mu\mapsto[\mu] ainsi définie est une bijection de l’espace des mesures positives sur Int⁡(X)\operatorname{Int}(X) sur l’espace des courants positifs de degré 00 sur XX.

Démonstration.

Soit SS un courant positif de bidegré (0,0)(0,0). Pour toute fonction lisse ff, à support compact dans Int⁡(X)\operatorname{Int}(X), on a donc ⟨S,f⟩≥0\langle S,f\rangle\geq 0.

Soit KK une partie compacte de Int⁡(X)\operatorname{Int}(X), soit UU un voisinage de KK dans Int⁡(X)\operatorname{Int}(X). Soit λK:X→[0,1]\lambda_{K}\colon X\rightarrow[0,1] une fonction lisse que vaut 11 au voisinage de KK et dont le support est compact et contenu dans Int⁡(X)\operatorname{Int}(X). Si ff est une fonction lisse de support contenu dans KK, on a f⁡(x)=f​λK​(x)≤∥f∥K​λK​(x)f(x)=f\lambda_{K}(x)\leq\mathopen{\|}{f}\mathclose{\|}_{K}\lambda_{K}(x) pour tout x∈Kx\in K ; cette inégalité vaut aussi pour x∉Kx\notin K puisqu’alors f⁡(x)=0f(x)=0 et λK​(x)≥0\lambda_{K}(x)\geq 0. Par suite,

⟨S,f⟩≤∥f∥K​⟨S,λK⟩.\langle S,f\rangle\leq\mathopen{\|}{f}\mathclose{\|}_{K}\langle S,\lambda_{K}\rangle.

Appliquant cette inégalité à −f-f, on en déduit qu’il existe un nombre réel CKC_{K} tel que

|⟨S,f⟩|≤cK​∥f∥K\mathopen{|}{\langle S,f\rangle}\mathclose{|}\leq c_{K}\mathopen{\|}{f}\mathclose{\|}_{K}

pour toute fonction lisse dont le support est contenu dans KK.

Considérons un voisinage relativement compact VV de KK qui est contenu dans UU. Toute fonction continue ff à support dans KK est limite uniforme d’une suite (fj)(f_{j}) fonctions lisses à support dans VV ; si ff est positive, on peut aussi supposer que pour tout jj, fjf_{j} est positive. L’inégalité précédente, appliquée au compact V¯\bar{V}, entraîne que la suite (⟨S,fj⟩)(\langle S,f_{j}\rangle) est de Cauchy, et que sa limite est indépendante du choix de la suite (fj)(f_{j}) choisie ; elle est aussi indépendante du choix d’un compact KK et d’un voisinage relativement compact VV tels que supp⁡(f)⊂K⊂V⊂Int⁡(X)\operatorname{supp}(f)\subset K\subset V\subset\operatorname{Int}(X). Notons μ⁡(f)\mu(f) cette limite. Si ff est lisse, on a μ⁡(f)=⟨S,f⟩\mu(f)=\langle S,f\rangle. Si ff est positive, ⟨S,fj⟩≥0\langle S,f_{j}\rangle\geq 0 pour tout jj, donc μ⁡(f)≥0\mu(f)\geq 0. En outre, l’application f↦μ⁡(f)f\mapsto\mu(f) est linéaire. C’est donc une mesure positive sur Int⁡(X)\operatorname{Int}(X) telle que S=[μ]S=[\mu].

Enfin, si S=[μ]=[ν]S=[\mu]=[\nu], les mesures μ\mu et ν\nu coïncident sur les fonctions lisses. Par l’argument de densité ci-dessus, elles sont égales. ∎

\coroname 5.4.7.

Soit XX un espace kk-analytique (bon, séparé) équidimensionnel. Soit uu une fonction continue sur XX et soit TT un courant positif. Il existe un unique courant sur XX, noté u​TuT, tel que ⟨u​T,ω⟩\langle uT,\omega\rangle soit la limite de la suite (⟨uj​T,ω⟩)(\langle u_{j}T,\omega\rangle) pour toute forme lisse ω\omega à support propre sur XX et toute suite (uj)(u_{j}) de fonctions lisses sur XX qui converge uniformément vers uu dans un voisinage du support de ω\omega.

Si uu est positive, le courant u​TuT est positif.

Démonstration.

Soit ω\omega une forme lisse à support propre sur XX, choisissons des formes lisses, fortement positives ω1\omega_{1} et ω2\omega_{2} sur XX telles que ω=ω1−ω2\omega=\omega_{1}-\omega_{2} (lemme 5.3.3). Soit aussi UU un voisinage relativement compact de supp⁡(ω)\operatorname{supp}(\omega) et λ\lambda une fonction lisse sur XX, à support dans UU, qui vaut 11 au voisinage de supp⁡(ω)\operatorname{supp}(\omega) et à valeurs positives ou nulles. On a donc ω=λ​ω=λ​ω1−λ​ω2\omega=\lambda\omega=\lambda\omega_{1}-\lambda\omega_{2} ; cela permet de supposer que ω1\omega_{1} et ω2\omega_{2} sont à support dans UU.

Les applications u↦⟨T,u​ω1⟩u\mapsto\langle T,u\omega_{1}\rangle et u↦⟨T,u​ω2⟩u\mapsto\langle T,u\omega_{2}\rangle sont des courants positifs de degré 00 à support dans UU, donc définissent des mesures positives sur XX, dont le support est contenu dans UU (proposition 5.4.6). Leur différence est une mesure sur XX à support contenu dans UU. Comme le support de ω\omega est propre et contenu dans UU, cette mesure s’étend par continuité en une application linéaire continue sur l’espace des fonctions continues sur XX muni de la topologie de la semi-norme de la convergence uniforme sur UU. Cela définit ⟨u​T,ω⟩\langle uT,\omega\rangle pour toute fonction continue uu sur XX et toute forme à support propre ω\omega sur XX. Si uu et ω\omega sont positives, on a bien ⟨u​T,ω⟩≥0\langle uT,\omega\rangle\geq 0, comme affirmé dans l’énoncé.

Lorsque uu est positive, l’application ω↦⟨u​T,ω⟩\omega\mapsto\langle uT,\omega\rangle est linéaire et est positive en toute forme faiblement positive. D’après le lemme 5.4.4, c’est alors un courant positif. Le cas d’une fonction continue uu arbitraire en résulte. ∎

5.4.8

En prenant pour courant TT celui associé à la fonction lisse 11, c’est-à-dire le courant d’intégration sur XX, on prolonge donc l’injection de 𝒜X0\mathscr{A}^{0}_{X} dans 𝒟X0\mathscr{D}^{0}_{X} en une application linéaire de 𝒞X\mathscr{C}_{X} dans 𝒟X0\mathscr{D}^{0}_{X}. On notera [u][u] le courant associé à une fonction continue sur XX.

\propname 5.4.9.

Soit uu une fonction continue sur XX. Si le courant [u][u] est nul, alors uu est identiquement nulle sur Int⁡(X)\operatorname{Int}(X). En particulier, si ∂(X)\partial(X) est d’intérieur vide dans XX, l’application linéaire u↦[u]u\mapsto[u] de 𝒞X\mathscr{C}_{X} dans 𝒟X0\mathscr{D}^{0}_{X} est injective.

Démonstration.

Supposons [u]=0[u]=0 et démontrons que uu est nulle sur Int⁡(X)\operatorname{Int}(X). Raisonnons par l’absurde et soit xx un point intérieur de XX tel que u⁡(x)≠0u(x)\neq 0. Il existe alors une fonction continue vv sur XX telle que u​vuv soit identiquement égale à 11 dans un voisinage UU de XX. (Considérer un voisinage VV de xx sur lequel uu ne s’annule pas, puis un voisinage UU de xx contenu dans VV sur l’adhérence duquel |u|\mathopen{|}{u}\mathclose{|} admet une borne inférieure strictement positive. Soit λ\lambda une fonction lisse qui vaut 11 sur UU et dont le support est contenu dans VV. La fonction λ/u\lambda/u sur VV se prolonge par 00 en une fonction continue vv sur XX et l’on a u​v=1uv=1 en tout point de UU.) La définition du courant [u][u] entraîne que le courant [v​u][vu] est identiquement nul. Par suite, la restriction à UU du courant d’intégration est nul, ce qui est absurde. ∎

5.5 Fonctions plurisousharmoniques

\definame 5.5.1.

Soit XX un espace analytique équidimensionnel. On dit qu’une fonction continue uu sur XX est plurisousharmonique (psh) si le courant d′​d′′⁡[u]\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[u] est positif.

On note CPsh⁡(X)\operatorname{CPsh}(X) l’ensemble des fonctions continues plurisousharmoniques sur XX. C’est un sous-cône réel de l’espace vectoriel des fonctions continues sur XX.

Si f:Y→Xf\colon Y\rightarrow X est un morphisme d’espaces analytiques équidimensionnels et u∈CPsh⁡(X)u\in\operatorname{CPsh}(X), alors f∗​u∈CPsh⁡(Y)f^{*}u\in\operatorname{CPsh}(Y).

\lemmname 5.5.2.

Pour qu’une fonction uu sur XX soit plurisousharmonique, il faut et il suffit qu’elle le soit au voisinage de tout point. En d’autres termes, le sous-foncteur U↦CPsh⁡(U)U\mapsto\operatorname{CPsh}(U) du faisceau des fonctions continues sur XX est un faisceau.

Démonstration.

Soit uu une fonction sur XX. Si uu est continue et d′​d′′⁡[u]\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[u] est un courant positif, il en reste de même après restriction à tout ouvert UU de XX, si bien que u|Uu|_{U} est psh. Inversement, supposons que tout point de XX ait un voisinage sur lequel uu est psh. Soit (Ui)(U_{i}) une famille d’affinoïdes de XX dont les intérieurs recouvrent XX telle que pour tout ii, la restriction de uu à UiU_{i} soit psh. Soit (λi)(\lambda_{i}) une partition de l’unité subordonnée au recouvrement (Ůi)(\mathring{U}_{i}) formée de fonctions lisses. Notons n=dim(X)n=\dim(X) et soit ω∈𝒜cn−1,n−1​(X)\omega\in\mathscr{A}^{n-1,n-1}_{\text{c}}(X) une forme lisse positive. On écrit ω=∑iλi​ω\omega=\sum_{i}\lambda_{i}\omega, où la somme n’a qu’un nombre fini de termes non nuls puisque le support de ω\omega est compact. Pour tout ii, λi​ω\lambda_{i}\omega est une forme lisse positive dans 𝒜cn−1,n−1​(Ui)\mathscr{A}^{n-1,n-1}_{\text{c}}(U_{i}). Puisque u|Uiu|_{U_{i}} est psh, on a donc ⟨d′​d′′⁡[u],λi​ω⟩≥0\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[u],\lambda_{i}\omega\rangle\geq 0. Par suite,

⟨d′​d′′⁡[u],ω⟩=⟨d′​d′′⁡[u],∑iλi​ω⟩=∑i⟨d′​d′′⁡[u],λi​ω⟩≥0,\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[u],\omega\rangle=\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[u],\sum_{i}\lambda_{i}\omega\rangle=\sum_{i}\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[u],\lambda_{i}\omega\rangle\geq 0,

de sorte que le courant d′​d′′⁡[u]\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[u] est positif, comme annoncé. ∎

\lemmname 5.5.3.

Supposons que XX soit compact, soit f:X→Tf\colon X\rightarrow T un moment et soit P=ftrop​(X)P=f_{\text{trop}}(X). Soit vv une fonction continue sur PP. Pour que la fonction f∗​vf^{*}v soit plurisousharmonique, il faut et il suffit que la restriction de vv à toute face maximale de ftrop​(X)f_{\text{trop}}(X) soit convexe.

Démonstration.

Supposons que la restriction de vv à toute face maximale de ftrop​(X)f_{\text{trop}}(X) soit convexe. Soit ω\omega une (n−1,n−1)(n-1,n-1)-forme lisse positive et prouvons que ⟨d′​d′′⁡[f∗​v],ω⟩≥0\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[f^{*}v],\omega\rangle\geq 0. Soit (Ui)(U_{i}) une famille d’affinoïdes de XX dont les intérieurs recouvrent XX telle que pour tout ii, la restriction de ω\omega à UiU_{i} soit tropicale, de la forme fi∗​αif_{i}^{*}\alpha_{i}, où fi:Ui→Tif_{i}\colon U_{i}\rightarrow T_{i} est un moment. Soit (λi)(\lambda_{i}) une partition de l’unité subordonnée au recouvrement (Ůi)(\mathring{U}_{i}) formée de fonctions lisses. Il n’est pas restrictif de supposer que le moment fif_{i} raffine le moment f|Uif|_{U_{i}}, c’est-à-dire qu’il existe un morphisme affine de tores gi:Ti→Tg_{i}\colon T_{i}\rightarrow T tel que f|Ui=gi∘fif|_{U_{i}}=g_{i}\circ f_{i}. Posons alors vi=v∘gi,tropv_{i}=v\circ g_{i,{\text{trop}}} ; c’est une fonction continue sur gi,trop−1​(ftrop​(X))g_{i,{\text{trop}}}^{-1}(f_{\text{trop}}(X)) ; sa restriction à chaque face maximale de fi,trop​(Ui)f_{i,{\text{trop}}}(U_{i}) est convexe. On a alors

⟨d′​d′′⁡[f∗​v],ω⟩=∑i⟨d′​d′′⁡[fi∗​gi∗​u],λi​fi∗​αi⟩=∑i∫Uiλi​fi∗​(d′​d′′⁡ui∧αi).\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[f^{*}v],\omega\rangle=\sum_{i}\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[f_{i}^{*}g_{i}^{*}u],\lambda_{i}f_{i}^{*}\alpha_{i}\rangle=\sum_{i}\int_{U_{i}}\lambda_{i}f_{i}^{*}(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u_{i}\wedge\alpha_{i}).

Pour tout ii, soit ViV_{i} un domaine affinoïde contenu dans l’intérieur de UiU_{i} qui tropicalise λi\lambda_{i} et contenant le support de λi​fi∗​(d′​d′′⁡ui∧αi)\lambda_{i}f_{i}^{*}(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u_{i}\wedge\alpha_{i}). Quitte à changer les notations et à raffiner le moment fif_{i}, on se ramène au cas où λi=fi∗​θi\lambda_{i}=f_{i}^{*}\theta_{i}. Soit μi\mu_{i} le calibrage canonique de fi,trop​(Vi)f_{i,{\text{trop}}}(V_{i}) ; on a donc

⟨d′​d′′⁡[f∗​v],ω⟩=∑i∫fi,trop​(Vi)⟨d′​d′′⁡ui∧θi​αi,μi⟩.\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[f^{*}v],\omega\rangle=\sum_{i}\int_{f_{i,{\text{trop}}}(V_{i})}\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u_{i}\wedge\theta_{i}\alpha_{i},\mu_{i}\rangle.

Puisque uiu_{i} est convexe sur toute face maximale de fi,trop​(Vi)f_{i,{\text{trop}}}(V_{i}), d′​d′′⁡ui\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u_{i} est une (1,1)(1,1)-forme fortement positive sur chacune de ces faces, et d′​d′′⁡ui∧θi​αi\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u_{i}\wedge\theta_{i}\alpha_{i} est une (n,n)(n,n)-forme positive. Ainsi, ⟨d′​d′′⁡[f∗​v],ω⟩\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[f^{*}v],\omega\rangle est une somme d’intégrales de formes positives, donc est positive.

Démontrons maintenant la réciproque en supposant que d′​d′′⁡[f∗​v]\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[f^{*}v] est un courant positif. Soit FF une face maximale de ftrop​(X)f_{\text{trop}}(X) ; prouvons que la restriction de vv à F̊\mathring{F} est convexe. Soit θ\theta une fonction positive ou nulle sur FF, nulle sur ∂F\partial F. Pour toute forme positive α\alpha de type (n−1,n−1)(n-1,n-1) sur ⟨F⟩\langle F\rangle, θ​α\theta\alpha s’étend en une forme positive β\beta sur ftrop​(V)f_{\text{trop}}(V) et la condition ⟨d′​d′′⁡[f∗​v],β⟩≥0\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}[f^{*}v],\beta\rangle\geq 0 entraîne que ∫⟨F⟩⟨d′​d′′⁡v∧θ​α,μF⟩≥0\int_{\langle F\rangle}\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}v\wedge\theta\alpha,\mu_{F}\rangle\geq 0. D’après la proposition 2.5 de [43], il en résulte que vv est convexe sur F̊\mathring{F}, d’où la proposition. ∎

\remaname 5.5.4.

Le maximum de deux fonctions tropicalement continues et psh est tropicalement continue et psh. En effet, le maximum de deux fonctions convexes continues l’est encore.

5.6 Produits de courants positifs

\lemmname 5.6.1.

Soit u1,…,upu^{1},\dots,u^{p} des fonctions psh lisses sur XX, soit α∈𝒜cn−p,n−p​(X)\alpha\in\mathscr{A}^{n-p,n-p}_{\text{c}}(X). Alors, pour tout j∈{1,…,p}j\in\{1,\dots,p\},

∫Xd′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α=∫Xuj​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡uj^∧⋯∧d′​d′′⁡up∧d′​d′′⁡α.\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha=\int_{X}u^{j}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\widehat{\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{j}}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha.
Démonstration.

Comme les formes de bidegré (k,k)(k,k) commutent, il suffit de traiter le cas où j=1j=1. Alors

d′′⁡(u1​d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α)OPEN=d′′⁡u1∧d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α)+u1​d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧d′′⁡α,\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}(u^{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha)\\ =\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha)+u^{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha,

puis

d′​d′′⁡(u1​d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α)\displaystyle\hskip-28.45274pt\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}(u^{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha)\hskip-170.71652pt
OPEN=d′​d′′⁡u1∧d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α)−d′′⁡u1∧d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧d′′⁡α\displaystyle=\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha)-\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha
+d′u1d′​d′′u2∧⋯∧d′​d′′up∧d′′α−u1d′​d′′u2∧⋯∧d′​d′′up∧d′​d′′α\displaystyle\quad+\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}u^{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha-u^{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha
OPEN=d′​d′′⁡u1∧d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α)−u1​d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡up∧d′​d′′⁡α.\displaystyle=\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha)-u^{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha.

L’assertion résulte alors de la formule de Green. ∎

\propname 5.6.2.

Soit α∈𝒜cn−p,n−p​(X)\alpha\in\mathscr{A}^{n-p,n-p}_{\text{c}}(X) une forme lisse, soit VV un voisinage compact de son support. Il existe un nombre réel CC tel que pour toutes fonctions psh lisses u1,…,upu^{1},\dots,u^{p} sur XX et toute fonction lisse u0u^{0} sur XX, on ait

|∫Xu0​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α|≤C​∥u0∥V​…​∥up∥V.\left|{\int_{X}u^{0}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha}\right|\leq C\mathopen{\|}{u^{0}}\mathclose{\|}_{V}\dots\mathopen{\|}{u^{p}}\mathclose{\|}_{V}.
Démonstration.

La preuve est par récurrence sur pp. Soit UU un voisinage du support de α\alpha qui est contenu dans Int⁡(X)∩V̊\operatorname{Int}(X)\cap\mathring{V}.

Définissons une suite (α0,…,αp)(\alpha_{0},\dots,\alpha_{p}) de formes fortement positives à support contenu dans UU de la façon suivante. Considérons des formes β0\beta_{0} et β0′\beta^{\prime}_{0}, fortement positives et à support contenu dans UU telles que α=β0−β0′\alpha=\beta_{0}-\beta^{\prime}_{0} ; posons α0=β0+β0′\alpha_{0}=\beta_{0}+\beta^{\prime}_{0}. Soit j∈{1,…,p}j\in\{1,\dots,p\} tel que αj−1\alpha_{j-1} est construite. Considérons des formes βj\beta_{j} et βj′\beta^{\prime}_{j}, fortement positives, à support compact contenu dans UU, telles que d′​d′′⁡αj−1=βj−βj′\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha_{j-1}=\beta_{j}-\beta^{\prime}_{j} et posons αj=βj+βj′\alpha_{j}=\beta_{j}+\beta^{\prime}_{j}.

On commence par écrire

∫Xu0​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α=∫Xu0​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧β0−∫Xu0​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧β0′.\int_{X}u^{0}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha\\ =\int_{X}u^{0}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\beta_{0}-\int_{X}u^{0}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\beta^{\prime}_{0}.

Le produit des formes fortement positives d′​d′′⁡u1,…,d′​d′′⁡up,β0\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1},\dots,\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p},\beta_{0} est une forme positive et son support est contenu dans UU. Par suite, le premier terme est majoré par

supU(u0)​∫Xd′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧β0.\sup_{U}(u^{0})\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\beta_{0}.

Un raisonnement analogue avec l’autre terme, ainsi qu’avec −u0-u^{0}, fournit la majoration

|∫Xu0​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α|≤∥u0∥U​∫Xd′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧β0.\left|{\int_{X}u^{0}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha}\right|\leq\mathopen{\|}{u^{0}}\mathclose{\|}_{U}\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\beta_{0}.

Appliquons alors le lemme précédent ; on obtient

|∫Xu0​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α|≤∥u0∥U​∫Xu1∧d′​d′′⁡u2∧⋯∧d′​d′′⁡α.\left|{\int_{X}u^{0}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha}\right|\leq\mathopen{\|}{u^{0}}\mathclose{\|}_{U}\int_{X}u^{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{2}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha.

Par récurrence, il vient

|∫Xu0​d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up∧α|≤∥u0∥U​∥u1∥V​…​∥up∥V​∫Xαp,\left|{\int_{X}u^{0}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}\wedge\alpha}\right|\leq\mathopen{\|}{u^{0}}\mathclose{\|}_{U}\mathopen{\|}{u^{1}}\mathclose{\|}_{V}\dots\mathopen{\|}{u^{p}}\mathclose{\|}_{V}\int_{X}\alpha_{p},

d’où la proposition puisque U⊂VU\subset V. ∎

\definame 5.6.3.

On dit qu’une fonction uu sur un espace analytique XX est localement psh-approchable si tout point de XX possède un voisinage UU sur lequel uu est limite uniforme de fonctions psh lisses.

On dit qu’une fonction uu est localement approchable si elle est localement la différence de deux fonctions localement psh-approchables.

Les fonctions localement approchables forment un sous-faisceau en 𝐑\mathbf{R}-espaces vectoriels du faisceau des fonctions continues. Il est engendré par le faisceau des fonctions localement psh-approchables qui en forme un sous-faisceau en cônes réels.

\remaname 5.6.4.

Je ne sais pas si toute fonction continue psh est localement psh-approchable, ni même localement approchable. Je ne suis même pas sûr que ce soit vrai : les techniques de régularisation standard (du côté réel) laissent penser que c’est le cas si uu est tropicale et psh (mais encore, passer d’un espace vectoriel à un espace PL ne semble trivial), elle est localement approchable, mais le cas général résiste.

Dans le cas des courbes, je crois avoir prouvé que si uu est psh, et si KK est un compact formé de points de type II ou III, alors uu est limite uniforme sur KK de fonctions psh lisses avec pôles.

\coroname 5.6.5.

Soit u1,…,upu^{1},\dots,u^{p} des fonctions localement psh-approchables sur XX.

Alors, il existe un unique courant positif

d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}

sur XX tel que pour tout ouvert UU, toute forme lisse α∈𝒜cn−p,n−p​(U)\alpha\in\mathscr{A}^{n-p,n-p}_{\text{c}}(U), et toute famille (unj)(u^{j}_{n}) de suites de fonctions lisses psh sur UU telle que unju^{j}_{n} converge uniformément vers uj|Uu^{j}|_{U},

⟨d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up,α⟩=limn∫Xd′​d′′⁡un1∧⋯∧d′​d′′⁡unp∧α.\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p},\alpha\rangle=\lim_{n}\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}_{n}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}_{n}\wedge\alpha.
Démonstration.

Soit UU un ouvert de XX, soit α∈𝒜cn−p,n−p​(U)\alpha\in\mathscr{A}^{n-p,n-p}_{\text{c}}(U) et soit (unj)(u^{j}_{n}) une famille de suites de fonctions lisses psh sur UU telle que unju^{j}_{n} converge uniformément vers uj|Uu^{j}|_{U}. Il découle de la proposition précédente que la suite (∫Xd′​d′′⁡un1∧⋯∧d′​d′′⁡unp∧α)n(\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}_{n}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}_{n}\wedge\alpha)_{n} est de Cauchy, donc converge. Sa limite ne dépend pas des suites (unj)(u^{j}_{n}) choisies : considérons une autre famille (vnj)(v^{j}_{n}) de suites approximantes et construisons la suite dont les termes pairs sont fournis par les suites (unj)(u^{j}_{n}) et les termes impairs par les suites (vnj)(v^{j}_{n}) ; cette suite est encore de Cauchy, donc converge. Il en résulte que (∫Xd′​d′′⁡un1∧⋯∧d′​d′′⁡unp∧α)n(\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}_{n}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}_{n}\wedge\alpha)_{n} et (∫Xd′​d′′⁡vn1∧⋯∧d′​d′′⁡vnp∧α)n(\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}v^{1}_{n}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}v^{p}_{n}\wedge\alpha)_{n} ont même limite. Notons TU​(α)T_{U}(\alpha) cette limite.

L’application α↦TU​(α)\alpha\mapsto T_{U}(\alpha) est linéaire. Supposons que α\alpha soit faiblement positive. Pour tout nn, les formes d′​d′′⁡un1,…,d′​d′′⁡unp\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}_{n},\dots,\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}_{n} sont fortement positives (elles sont de type (1,1)(1,1)), donc d′​d′′⁡un1∧⋯∧d′​d′′⁡unp∧α\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}_{n}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}_{n}\wedge\alpha est faiblement positive. En particulier, ∫Xd′​d′′⁡un1∧⋯∧d′​d′′⁡unp∧α≥0\int_{X}\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}_{n}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}_{n}\wedge\alpha\geq 0 pour tout nn, donc TU​(α)≥0T_{U}(\alpha)\geq 0. Il résulte alors du lemme 5.4.4 que l’application α↦TU​(α)\alpha\mapsto T_{U}(\alpha) est un courant positif.

Soit VV un ouvert de XX sur lequel les fonctions uju^{j} sont localement psh-approchables. Par construction, les restrictions à U∩VU\cap V des courants TUT_{U} et TVT_{V} coïncident avec le courant TU∩VT_{U\cap V}.

Puisque XX est recouvert par des ouverts sur lesquels les fonctions uju^{j} sont localement psh-approchables, il existe un unique courant TT sur XX dont la restriction à UU est égale à TUT_{U}, pour tout ouvert UU sur lequel les fonctions uju^{j} sont localement psh-approchables. ∎

\coroname 5.6.6.

Soit XX un espace analytique. Il existe un unique morphisme pp-linéaire symétrique

(u1,…,up)↦d′​d′′⁡u1∧⋯∧d′​d′′⁡up(u^{1},\dots,u^{p})\mapsto\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{1}\wedge\dots\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u^{p}

défini sur le faisceau des fonctions continues localement approchables à valeurs dans le faisceau des mesures sur Int⁡(X)\operatorname{Int}(X), et qui prolonge l’application précédemment définie lorsque u1,…,upu^{1},\dots,u^{p} sont localement psh-approchables.

\definame 5.6.7.

Si uu est une fonction localement approchable sur XX, la mesure (d′​d′′⁡u)n(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u)^{n} est appelée mesure de Monge-Ampère de uu, et notée MA⁡(u)\operatorname{MA}(u).

Si uu est localement psh-approchable, cette mesure est positive (corollaire 5.6.5).

5.6.8

Dans [5], Bedford et Taylor définissent ∏(d′​d′′⁡(uj))\prod(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}(u^{j})) par récurrence, si uju^{j} est psh localement bornée. Plus généralement, si TT est un courant positif fermé (symétrique, éventuellement), on pose d′​d′′⁡u∧T=d′​d′′⁡(u​T)\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}u\wedge T=\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}(uT). Autrement dit, on pose ⟨d′​d′′⁡(u​T),α⟩=⟨u​T,d′​d′′⁡α⟩\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}(uT),\alpha\rangle=\langle uT,\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\rangle. Comme TT est un courant positif, l’application f↦⟨f​T,α⟩f\mapsto\langle fT,\alpha\rangle est une mesure (signée) à support compact sur XX, donc s’étend aux fonctions mesurables bornées. L’application α↦⟨u​T,α⟩\alpha\mapsto\langle uT,\alpha\rangle est alors un courant sur XX, positif si uu est positive. On définit d′​d′′⁡(u​T)\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}(uT) comme le courant α↦⟨u​T,d′​d′′⁡α⟩\alpha\mapsto\langle uT,\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}\alpha\rangle. Pour prouver qu’il est positif, il faudrait démontrer que uu est limite décroissante de fonctions psh lisses. Il est aussi fermé (c’est évident).

5.7 Un calcul d’opérateur de Monge-Ampère (cas réel)

\lemmname 5.7.1.

Soit UU un ouvert de 𝐑n\mathbf{R}^{n} et soit h:U→𝐑h\colon U\rightarrow\mathbf{R} une fonction de classe 𝒞2\mathscr{C}^{2}. Alors,

(d′​d′′⁡h)n=n!​det(∂2∂xi​∂xj)​d′⁡x1∧d′′⁡x1​…​d′⁡xn∧d′′⁡xn.(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}h)^{n}=n!\det\big(\frac{\partial^{2}}{\partial x_{i}\partial x_{j}}\big)\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{1}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{1}\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{n}\wedge\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{n}.
Démonstration.

Partons de la formule

d′​d′′⁡h=∑i,j=1n∂2∂xi​∂xj​d′⁡xi​d′′⁡xj.\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}h=\sum_{i,j=1}^{n}\frac{\partial^{2}}{\partial x_{i}\partial x_{j}}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{i}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{j}.

Alors, dans l’expression

(d′​d′′⁡h)n=∑i1,…,inj1,…,jn∏k=1n∂2∂xik​∂xjk​d′⁡xik​d′′⁡xjk,(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}h)^{n}=\sum_{\begin{subarray}{c}i_{1},\dots,i_{n}\\ j_{1},\dots,j_{n}\end{subarray}}\prod_{k=1}^{n}\frac{\partial^{2}}{\partial x_{i_{k}}\partial x_{j_{k}}}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{i_{k}}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{j_{k}},

tous les termes pour lesquels {i1,…,in}≠{1,…,n}\{i_{1},\dots,i_{n}\}\neq\{1,\dots,n\} ou {j1,…,jn}≠{1,…,n}\{j_{1},\dots,j_{n}\}\neq\{1,\dots,n\} sont nuls. Ainsi,

(d′​d′′⁡h)n=∑σ,τ∈𝔖n∏k=1n∂2∂xσ⁡(k)​∂xτ⁡(k)​d′⁡xσ⁡(1)​d′′⁡xτ⁡(1)​…​d′⁡xσ⁡(n)​d′′⁡xτ⁡(n).(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}h)^{n}=\sum_{\sigma,\tau\in\mathfrak{S}_{n}}\prod_{k=1}^{n}\frac{\partial^{2}}{\partial x_{\sigma(k)}\partial x_{\tau(k)}}\,\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{\sigma(1)}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{\tau(1)}\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{\sigma(n)}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{\tau(n)}.

Remarquons aussi que

d′⁡xσ⁡(1)​d′′⁡xτ⁡(1)​…​d′⁡xσ⁡(n)​d′′⁡xτ⁡(n)=ε⁡(σ)​ε​(τ)​d′⁡x1​d′′⁡x1​…​d′⁡xn​d′′⁡xn,\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{\sigma(1)}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{\tau(1)}\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{\sigma(n)}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{\tau(n)}=\varepsilon(\sigma)\varepsilon(\tau)\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{1}\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{n}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{n},

où ε⁡(⋅)\varepsilon(\cdot) désigne la signature d’une permutation. En outre, si ψ=τ∘σ−1\psi=\tau\circ\sigma^{-1}, on a

∏k=1n∂2∂xσ⁡(k)​∂xτ⁡(k)=∏k=1n∂2∂xk​∂xψ⁡(k)\prod_{k=1}^{n}\frac{\partial^{2}}{\partial x_{\sigma(k)}\partial x_{\tau(k)}}=\prod_{k=1}^{n}\frac{\partial^{2}}{\partial x_{k}\partial x_{\psi(k)}}

et

ε⁡(σ)​ε​(τ)=ε⁡(ψ).\varepsilon(\sigma)\varepsilon(\tau)=\varepsilon(\psi).

Par suite,

(d′​d′′⁡h)n=n!​∑ψ∈𝔖n∏k=1n∂2∂xk​∂xψ⁡(k)​ε​(ψ)​d′⁡x1​d′′⁡x1​…​d′⁡xn​d′′⁡xn,(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}h)^{n}=n!\sum_{\psi\in\mathfrak{S}_{n}}\prod_{k=1}^{n}\frac{\partial^{2}}{\partial x_{k}\partial x_{\psi(k)}}\varepsilon(\psi)\,\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{1}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{1}\dots\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}x_{n}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}x_{n},

ainsi qu’il fallait démontrer. ∎

\lemmname 5.7.2.

La fonction x↦max⁡(x1,…,xn)x\mapsto\max(x_{1},\dots,x_{n}) de 𝐑n\mathbf{R}^{n} dans 𝐑\mathbf{R} est convexe.

Soit a=(a1,…,an)a=(a_{1},\dots,a_{n}) une famille de nombres réels strictement positifs. La fonction faf_{a} de 𝐑n\mathbf{R}^{n} dans 𝐑\mathbf{R} donnée par

fa​(x)=log⁡(∑i=1nai​exp⁡(xi))f_{a}(x)=\log\big(\sum_{i=1}^{n}a_{i}\exp(x_{i})\big)

est convexe. Lorsque ε→0+\varepsilon\rightarrow 0^{+}, on a

limε→0+ε​fa​(x/ε)=max⁡(x1,…,xn),\lim_{\varepsilon\rightarrow 0^{+}}\varepsilon f_{a}(x/\varepsilon)=\max(x_{1},\dots,x_{n}),

la limite étant uniforme sur 𝐑n\mathbf{R}^{n}.

Démonstration.

La première propriété résulte de ce qu’un maximum de fonctions convexes est convexe. La fonction faf_{a} est lisse sur 𝐑n\mathbf{R}^{n} ; pour démontrer qu’elle est convexe, il suffit de démontrer que sa hessienne est positive. On a en effet

∂2∂xi​∂xj​fa=∂∂xi​aj​exp⁡(xj)∑ak​exp⁡(xk)=ai​exp⁡(xi)∑ak​exp⁡(xk)​δi​j−ai​aj​exp⁡(xi)​exp⁡(xj)(∑ak​exp⁡(xk))2.\frac{\partial^{2}}{\partial x_{i}\partial x_{j}}f_{a}=\frac{\partial}{\partial x_{i}}\frac{a_{j}\exp(x_{j})}{\sum a_{k}\exp(x_{k})}=\frac{a_{i}\exp(x_{i})}{\sum a_{k}\exp(x_{k})}\delta_{ij}-\frac{a_{i}a_{j}\exp(x_{i})\exp(x_{j})}{(\sum a_{k}\exp(x_{k}))^{2}}.

Par suite, pour tout y∈𝐑ny\in\mathbf{R}^{n}, on a

D2​fa​(y,y)=∑i=1nai​yi2​exp⁡(xi)∑ak​exp⁡(xk)−ai​yi​aj​yj​exp⁡(xi)​exp⁡(xj)(∑ak​exp⁡(xk))2.D^{2}f_{a}(y,y)=\sum_{i=1}^{n}\frac{a_{i}y_{i}^{2}\exp(x_{i})}{\sum a_{k}\exp(x_{k})}-\frac{a_{i}y_{i}a_{j}y_{j}\exp(x_{i})\exp(x_{j})}{(\sum a_{k}\exp(x_{k}))^{2}}.

Posons ui=ai​exp⁡(xi)u_{i}=a_{i}\exp(x_{i}). Comme la fonction y↦y2y\mapsto y^{2} est convexe, on a

(∑ui​yi2)​(∑ui)≥(∑ui​yi)2,(\sum u_{i}y_{i}^{2})(\sum u_{i})\geq(\sum u_{i}y_{i})^{2},

si bien que D2​fa​(y,y)≥0D^{2}f_{a}(y,y)\geq 0.

Soit x∈𝐑nx\in\mathbf{R}^{n}. Pour tout i∈{1,…,n}i\in\{1,\dots,n\}, on a

fa​(x)≥log⁡(ai​exp⁡(xi))=log⁡(ai)+xi,f_{a}(x)\geq\log(a_{i}\exp(x_{i}))=\log(a_{i})+x_{i},

si bien que

fa​(x)\displaystyle f_{a}(x) ≥min⁡(log⁡(a1),…,log⁡(an))+max⁡(x1,…,xn)\displaystyle\geq\min(\log(a_{1}),\dots,\log(a_{n}))+\max(x_{1},\dots,x_{n})
=min⁡(log⁡(a1),…,log⁡(an))+f⁡(x),\displaystyle=\min(\log(a_{1}),\dots,\log(a_{n}))+f(x),

tandis que

fa​(x)≤log⁡(∑i=1nai​exp⁡(max⁡(x1,…,xn)))≤log⁡(∑i=1nai)+f⁡(x).f_{a}(x)\leq\log\big(\sum_{i=1}^{n}a_{i}\exp(\max(x_{1},\dots,x_{n}))\big)\leq\log\big(\sum_{i=1}^{n}a_{i}\big)+f(x).

Par conséquent, si ε>0\varepsilon>0, on a

ε​min⁡(log⁡(a1),…,log⁡(an))+f⁡(x)≤ε​fa​(x/ε)≤ε​log⁡(∑i=1nai)+f⁡(x),\varepsilon\min(\log(a_{1}),\dots,\log(a_{n}))+f(x)\leq\varepsilon f_{a}(x/\varepsilon)\leq\varepsilon\log\big(\sum_{i=1}^{n}a_{i}\big)+f(x),

ce qui entraîne que ε​fa​(x/ε)\varepsilon f_{a}(x/\varepsilon) converge uniformément vers f⁡(x)f(x) lorsque ε\varepsilon tend vers 00 par valeurs supérieures. ∎

5.7.3

Soit VV un espace affine réel de dimension finie et soit (fi)i∈I(f_{i})_{i\in I} une famille non vide de formes affines sur VV. Les conditions suivantes sont équivalentes :22 2 conditions vraisemblablement équivalentes dont je ne sais laquelle doit être mise en évidence. Le seul but est d’introduire une terminologie qui permet la non-nullité du coefficient devant une masse de Dirac.

(i) Soit j∈Ij\in I. La famille (fi→−fj→)(\overrightarrow{f_{i}}-\overrightarrow{f_{j}}) de formes linéaires sur V→\overrightarrow{V} contient une base de l’espace dual V→∗\overrightarrow{V}^{*}.

(ii) La famille (fi→)(\overrightarrow{f_{i}}) contient un repère affine de l’espace des formes linéaires sur V→\overrightarrow{V}.

(iii) La famille (fi(mod𝐑))(f_{i}\pmod{\mathbf{R}}) contient un repère affine de l’espace des formes affines sur VV modulo le sous-espace des formes constantes.

Nous dirons alors que la famille (fi)(f_{i}) est très séparante. Si c’est le cas, l’ensemble des points xx de VV tels que fi​(x)=fj​(x)f_{i}(x)=f_{j}(x) pour tous i,ji,j est de cardinal au plus 11.

(Preuves : (v)⇔\Leftrightarrow(ii). Si ∑λi​fi≡c\sum\lambda_{i}f_{i}\equiv c, avec ∑λi=1\sum\lambda_{i}=1 et c∈𝐑c\in\mathbf{R}, on a ∑i≠jλi​(fi−fj)=c\sum_{i\neq j}\lambda_{i}(f_{i}-f_{j})=c, puis ∑i≠jλi​fi→−fj→=0\sum_{i\neq j}\lambda_{i}\overrightarrow{f_{i}}-\overrightarrow{f_{j}}=0. Et inversement. Donc les fif_{i} sont affinement liés modulo constantes ssi les fi→−fj→\overrightarrow{f_{i}}-\overrightarrow{f_{j}} sont linéairement dépendants.

(iv)⇔\Leftrightarrow(v). Car ∑λi​fi→=0\sum\lambda_{i}\overrightarrow{f_{i}}=0 ssi ∑λi​fi\sum\lambda_{i}f_{i} est constante.

(v)⇒\Rightarrow rabiot. Soit x,yx,y tel que fi​(x)=fj​(x)f_{i}(x)=f_{j}(x) pour tous i,ji,j, et fi​(y)=fj​(y)f_{i}(y)=f_{j}(y). Alors, fi→−fj→\overrightarrow{f_{i}}-\overrightarrow{f_{j}} s’annule en x−yx-y. Si ces formes linéaires contiennent une base du dual de V→\overrightarrow{V}, il en résulte x=yx=y.)

\propname 5.7.4.

Soit VV un espace affine réel de dimension nn, soit μ\mu un vecteur-volume sur VV. Soit (f1,…,fm)(f_{1},\dots,f_{m}) une famille de formes affines sur VV et soit g=max⁡(f1,…,fm)g=\max(f_{1},\dots,f_{m}).

Pour x∈Vx\in V, soit IxI_{x} l’ensemble des i∈{1,…,m}i\in\{1,\dots,m\} tels que g​(x)=fi​(x)g(x)=f_{i}(x). Soit SS l’ensemble des points xx de VV tels que la famille (fi)i∈Ix(f_{i})_{i\in I_{x}} soit très séparante. L’ensemble SS est fini et il existe une famille (λx)x∈S(\lambda_{x})_{x\in S} de nombres réels positifs ou nuls, à support fini, telle que

⟨(d′​d′′⁡g)n,μ⟩=∑x∈Sλx​δx.\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n},\mu\rangle=\sum_{x\in S}\lambda_{x}\delta_{x}.

En outre, λx\lambda_{x} ne dépend que de la famille (fi)i∈Ix(f_{i})_{i\in I_{x}} et du vecteur-volume μ\mu.

Démonstration.

Soit II une partie non vide de {1,…,m}\{1,\dots,m\} telle que la famille (fi)i∈I(f_{i})_{i\in I} sépare VV. Fixons i∈Ii\in I. Chaque équation fj​(x)=fi​(x)f_{j}(x)=f_{i}(x), pour j∈Ij\in I (j≠ij\neq i), définit une hyperplan affine de VV ; par hypothèse, l’intersection de ces hyperplans est de cardinal au plus 11. Par suite, l’ensemble SS est fini.

Soit xx un point de VV. Au voisinage de xx, on a donc g=maxi∈Ix⁡fig=\max_{i\in I_{x}}f_{i}. Autrement dit, si yy est assez petit, on a

g⁡(x+y)=maxi∈Ix⁡fi​(x+y)=g⁡(x)+maxi∈Ix⁡fi→​(y),g(x+y)=\max_{i\in I_{x}}f_{i}(x+y)=g(x)+\max_{i\in I_{x}}\overrightarrow{f_{i}}(y),

où fi→\overrightarrow{f_{i}} est la forme linéaire associée à fif_{i}. D’après le lemme 5.7.2 qu’au voisinage de xx, gg est limite uniforme d’une famille (gε)(g_{\varepsilon}) de fonctions convexes lisses provenant de l’espace affine VxV_{x} image de VV par les formes fif_{i}, pour i∈Ixi\in I_{x}. Si cet espace est de dimension <n<n, on a donc (d′​d′′⁡gε)n=0(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{\varepsilon})^{n}=0, d’où (d′​d′′⁡g)n=0(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n}=0 au voisinage de xx.

Cela démontre que le support de la mesure (d′​d′′⁡g)n(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n} est contenu dans SS, d’où la proposition. La dernière assertion est évidente. ∎

La preuve du lemme suivant contient une formule explicite pour ces coefficients λx\lambda_{x}.

\lemmname 5.7.5.

Soit VV un espace vectoriel réel de dimension nn, soit μ∈|Λn​V|\mu\in\mathopen{|}{\Lambda^{n}V}\mathclose{|} un vecteur-volume sur VV. Soit (f1,…,fm)(f_{1},\dots,f_{m}) une famille de formes linéaires sur VV et soit g=max⁡(f1,…,fm)g=\max(f_{1},\dots,f_{m}). Il existe un nombre réel c≥0c\geq 0 tel que

⟨(d′​d′′⁡g)n,μ⟩=c​δ0;\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n},\mu\rangle=c\delta_{0};

de plus, c=0c=0 si (f1,…,fm)(f_{1},\dots,f_{m}) ne contient pas de base de V∗V^{*}.

Démonstration.

Soit a=(a1,…,am)a=(a_{1},\dots,a_{m}) une famille de nombres réels strictement positifs. Rappelons que gε​(x)=ε​fa​(x/ε)g_{\varepsilon}(x)=\varepsilon f_{a}(x/\varepsilon) est une fonction convexe, lisse, qui converge uniformément vers g⁡(x)g(x) quand ε→0+\varepsilon\rightarrow 0^{+}. On a donc ⟩(d′​d′′g)n,μ⟩=limε→0+⟨(d′​d′′gε)n,⟩\rangle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n},\mu\rangle=\lim_{\varepsilon\rightarrow 0^{+}}\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{\varepsilon})^{n},\rangle. Remarquons que

d′​d′′⁡gε\displaystyle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{\varepsilon} =ε−1​∑i=1nai​exp⁡(fi​(x/ε)CLOSE∑ai​exp⁡(fi​(x/ε))​d′⁡fi​d′′⁡fi\displaystyle=\varepsilon^{-1}\sum_{i=1}^{n}\frac{a_{i}\exp(f_{i}(x/\varepsilon)}{\sum a_{i}\exp(f_{i}(x/\varepsilon))}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}f_{i}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}f_{i}
−ε−1∑i,j=1nai​exp⁡(fi​(x/ε)CLOSE∑ai​exp⁡(fi​(x/ε))aj​exp⁡(fj​(x/ε)CLOSE∑aj​exp⁡(fj​(x/ε))d′fid′′fj\displaystyle\qquad-\varepsilon^{-1}\sum_{i,j=1}^{n}\frac{a_{i}\exp(f_{i}(x/\varepsilon)}{\sum a_{i}\exp(f_{i}(x/\varepsilon))}\frac{a_{j}\exp(f_{j}(x/\varepsilon)}{\sum a_{j}\exp(f_{j}(x/\varepsilon))}\mathop{\mathrm{d^{\prime}}}f_{i}\mathop{\mathrm{d}^{\prime\prime}}f_{j}

Par suite, pour toute fonction φ\varphi sur VV qui est lisse à support compact, on a

∫Vφ⁡⟨(d′​d′′⁡g)n,μ⟩\displaystyle\int_{V}\varphi\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n},\mu\rangle =limε→0+∫Vφ⁡(x)​⟨d′​d′′⁡gε​(x)n,μ⟩=limε→0+∫Vφ⁡(ε​x)​⟨(d′​d′′⁡g1)n,μ⟩\displaystyle=\lim_{\varepsilon\rightarrow 0^{+}}\int_{V}\varphi(x)\langle\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{\varepsilon}(x)^{n},\mu\rangle=\lim_{\varepsilon\rightarrow 0^{+}}\int_{V}\varphi(\varepsilon x)\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n},\mu\rangle
=φ⁡(0)​∫V⟨(d′​d′′⁡g1)n,μ⟩.\displaystyle=\varphi(0)\int_{V}\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n},\mu\rangle.

Cela démontre l’égalité annoncée, avec c=∫V⟨(d′​d′′⁡g1)n,μ⟩c=\int_{V}\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n},\mu\rangle. Si elle pourrait être établie directement (soit par un calcul, soit par des propriétés générales, cf. [43], Proposition 3.9), la convergence de cette dernière intégrale résulte aussi de ce calcul. En effet, prenons pour φ\varphi une fonction positive ou nulle, égale à 11 dans un voisinage BB de 00. Comme g1g_{1} est convexe, (d′​d′′⁡g1)n(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n} est une mesure positive. Alors,

∫Vφ⁡⟨(d′​d′′⁡g)n,μ⟩\displaystyle\int_{V}\varphi\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n},\mu\rangle =limε→0+∫Vφ⁡(ε​x)​⟨(d′​d′′⁡g1)n,μ⟩\displaystyle=\lim_{\varepsilon\rightarrow 0^{+}}\int_{V}\varphi(\varepsilon x)\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n},\mu\rangle
≥lim sup∫ε−1​B⟨(d′​d′′⁡g1)n,μ⟩\displaystyle\geq\limsup\int_{\varepsilon^{-1}B}\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n},\mu\rangle
=∫V⟨(d′​d′′⁡g1)n,μ⟩.\displaystyle=\int_{V}\langle(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n},\mu\rangle.

La positivité du courant (d′​d′′⁡g)n(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g)^{n} entraîne que c≥0c\geq 0. Si l’on soustrait f1f_{1} de toutes les fif_{i}, cela remplace gg et gεg_{\varepsilon} par g−f1g-f_{1} et gε−f1g_{\varepsilon}-f_{1}, donc ne modifie pas d′​d′′⁡g\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g et d′​d′′⁡gε\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{\varepsilon}. Cela permet de supposer que f1=0f_{1}=0. Si (f2→−f1→,…,fm→−f1→)(\overrightarrow{f_{2}}-\overrightarrow{f_{1}},\dots,\overrightarrow{f_{m}}-\overrightarrow{f_{1}}) ne contient pas de base du dual de V→\overrightarrow{V}, g1g_{1} provient d’une fonction lisse sur un espace vectoriel de dimension <n<n. Par suite, (d′​d′′⁡g1)n=0(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}g_{1})^{n}=0. ∎

\lemmname 5.7.6.

Soit UU un ouvert convexe de 𝐑n\mathbf{R}^{n} et soit h:U→𝐑h\colon U\rightarrow\mathbf{R} une fonction lisse, strictement convexe. L’application ∇h:U→𝐑n\nabla h\colon U\rightarrow\mathbf{R}^{n} est injective et ∫U(d′​d′′⁡h)n=n!​vol⁡∇h​(U)\int_{U}(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}h)^{n}=n!\operatorname{vol}\nabla h(U).33 3 Si hh est convexe, mais pas strictement convexe, ∇h\nabla h n’est plus forcément injective, mais la seconde formule semble toujours vraie. La raison est que pour ε>0\varepsilon>0, hε:x↦h⁡(x)+ε​∥x∥2h_{\varepsilon}\colon x\mapsto h(x)+\varepsilon\mathopen{\|}{x}\mathclose{\|}^{2} est strictement convexe et que vol⁡∇hε​(U)→vol⁡∇h​(U)\operatorname{vol}\nabla h_{\varepsilon}(U)\rightarrow\operatorname{vol}\nabla h(U) quand ε→0\varepsilon\rightarrow 0. Faut-il plutôt mettre cet énoncé?

Démonstration.

Soit xx et yy des points distincts de UU. Comme la fonction f:y↦h⁡(x+t⁡(y−x))f\colon y\mapsto h(x+t(y-x)) est strictement convexe sur [0,1][0,1], on a f′​(1)>f′​(0)f^{\prime}(1)>f^{\prime}(0) puis d’où ⟨∇h​(y)−∇h​(x),y−x⟩>0\langle\nabla h(y)-\nabla h(x),y-x\rangle>0. En particulier, ∇h​(x)≠∇h​(y)\nabla h(x)\neq\nabla h(y).

La matrice jacobienne Jac⁡(∇h)\operatorname{Jac}(\nabla h) de l’application ∇h:U→𝐑n\nabla h\colon U\rightarrow\mathbf{R}^{n} n’est autre que la matrice hessienne ℋ⁡(h)\mathscr{H}(h) de l’application hh. D’après la formule de changement de variables dans les intégrales multiples, on a donc

∫U(d′​d′′⁡h)n=n!​∫Udetℋ⁡(h)=n!​∫UdetJac⁡(∇h)=n!​vol⁡(∇h​(U)),\int_{U}(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}h)^{n}=n!\int_{U}\det\mathscr{H}(h)=n!\int_{U}\det\operatorname{Jac}(\nabla h)=n!\operatorname{vol}(\nabla h(U)),

puisque, hh étant convexe, detℋ⁡(h)≥0\det\mathscr{H}(h)\geq 0. ∎

\remaname 5.7.7.

Soit (f1,…,fm)(f_{1},\dots,f_{m}) une famille de formes linéaires sur 𝐑n\mathbf{R}^{n} qui contient une repère affine de l’espace affine 𝐑n\mathbf{R}^{n}. Posons f=max⁡(f1,…,fm)f=\max(f_{1},\dots,f_{m}) ; c’est une fonction strictement convexe sur 𝐑n\mathbf{R}^{n}. Si les fjf_{j} sont définies sur 𝐐\mathbf{Q}, la fonction ff est donc la fonction d’appui d’un fibré en droites ample LL sur une variété torique XX de tore 𝐆mn\mathbf{G}_{\mathrm{m}}^{n}. Dans ce cas, l’application ∇(h)\nabla(h) est appelée « application moment » et l’image de VV est un polytope convexe de 𝐑n\mathbf{R}^{n} correspondant à la variété torique polarisée (X,L)(X,L). On sait alors que vol⁡(∇(h)​(V))=degL⁡(X)/n!\operatorname{vol}(\nabla(h)(V))=\deg_{L}(X)/n!. Le courant (d′​d′′⁡f)n(\mathop{\mathrm{d}^{\prime}\mathrm{d}^{\prime\prime}}f)^{n} est donc égal à degL⁡(X)​δ0\deg_{L}(X)\delta_{0}. Cela redonne une formule de Lagerberg ([43], Exemple 3.2 et Proposition 5.12). Le lien entre supercourants et théorie de l’intersection apparaîtra clairement dans la suite de ce texte.

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