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5.1 Formes positives en géométrie tropicale [01SY]

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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.…).

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