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3.8 Intégrales et intégrales de bord sur les domaines d’un bon espace k -analytique [01QG]

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3.8 Intégrales et intégrales de bord sur les domaines d’un bon espace kk-analytique

3.8.1

Soit XX un espace kk-analytique, purement de dimension nn, et soit ω\omega une forme de type (n,n)(n,n) (resp. (n−1,n)(n-1,n)) à coefficients mesurables sur XX.

On appellera atlas intégral sur XX adapté à ω\omega une famille (Xi,λi,Yi)(X_{i},\lambda_{i},Y_{i}) où :

∙\bullet (Xi)(X_{i}) est une famille d’ouverts relativement compacts de XX qui recouvre supp⁡(ω)\operatorname{supp}(\omega)  ;

∙\bullet (λi)(\lambda_{i}) est une partition de l’unité lisse sur ⋃Xi\bigcup X_{i}, subordonnée à (Xi)(X_{i}), et les λi\lambda_{i} sont à support compact  ;

∙\bullet YiY_{i} est pour tout ii un voisinage analytique compact de supp⁡(λi​ω|Xi)\operatorname{supp}(\lambda_{i}\omega|_{X_{i}}) dans XiX_{i} qui tropicalise λi\lambda_{i} et ω\omega.

Notons que s’il existe un atlas intégral (Xi,λi,Yi)(X_{i},\lambda_{i},Y_{i}) sur YY adapté à ω\omega, il existe pour tout domaine analytique fermé ZZ de XX un atlas intégral sur ZZ adapté à ω\omega (c’est-à-dire, plus rigoureusement, à ω|Z\omega|_{Z}) : il suffit de prendre (Xi∩Z,λi|Z∩⋃Xi,Yi∩Z)(X_{i}\cap Z,\lambda_{i}|_{Z\cap\bigcup X_{i}},Y_{i}\cap Z), que l’on notera plus simplement (Xi,λi,Yi)|Z(X_{i},\lambda_{i},Y_{i})|_{Z}.

3.8.2

Supposons que XX est bon et que supp⁡(ω)∩Y\operatorname{supp}(\omega)\cap Y est fortement paracompact dans XX  ; il existe alors un atlas intégral sur YY adapté à ω\omega.

En effet, choisissons un voisinage ouvert paracompact Ω\Omega de supp⁡(ω)∩Y\operatorname{supp}(\omega)\cap Y dans XX.

Il existe une famille (Vi)i∈I(V_{i})_{i\in I} de domaines affinoïdes de Ω\Omega telle que les V̊i\mathring{V}_{i} recouvrent Ω\Omega. Soit (λi)i∈I(\lambda_{i})_{i\in I} une partition de l’unité lisse sur Ω\Omega subordonnée au recouvrement (V̊i)i(\mathring{V}_{i})_{i}.

Pour tout i∈Ii\in I, le support de λi​ω\lambda_{i}\omega est constitué de points xx tels que dk​(x)=nd_{k}(x)=n (lemme 3.2.5). D’après la proposition 3.4.4, il existe un voisinage affinoïde UiU_{i} du support de λi​ω\lambda_{i}\omega dans ViV_{i} qui tropicalise λi\lambda_{i} et ω\omega.

La famille (V̊i∩Y,λi|Ω∩Y,Ui∩Y)(\mathring{V}_{i}\cap Y,\lambda_{i}|_{\Omega\cap Y},U_{i}\cap Y) est alors un atlas intégral sur YY adapté à ω\omega.

Notons qu’on peut également, étant donné un ensemble fini ℱ\mathscr{F} de formes mesurables sur XX, imposer de surcroît aux UiU_{i}, et a fortiori aux Ui∩YU_{i}\cap Y, de tropicaliser les formes appartenant à ℱ\mathscr{F}.

3.8.3

On fait l’hypothèse qu’il existe un atlas intégral (Xi,λi,Yi)(X_{i},\lambda_{i},Y_{i}) sur XX qui est adapté à ω\omega.

On pose ∫X|ω|=∑∫Yiλi​|ω|\int_{X}|\omega|=\sum\int_{Y_{i}}\lambda_{i}|\omega|

(resp.​∫∂X|ω|=∑∫∂Yiλi​|ω|​).\text{(resp.}\;\;\int_{\partial X}|\omega|=\sum\int_{\partial Y_{i}}\lambda_{i}|\omega|\;\;\text{)}.

On dira que la forme ω\omega est intégrable sur XX (resp. sur ∂X\partial X) si ∫X|ω|<+∞\int_{X}|\omega|<+\infty (resp. ∫∂X|ω|<+∞\int_{\partial X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}<+\infty).

Si c’est le cas, λi​ω\lambda_{i}\omega est intégrable sur YiY_{i} (resp. sur ∂Yi\partial Y_{i}) pour tout ii, et la famille (∫Yiλi​ω)i(\int_{Y_{i}}\lambda_{i}\omega)_{i} (resp. ∫∂Yiλi​ωi\int_{\partial Y_{i}}\lambda_{i}\omega_{i}) est sommable. On pose alors

∫Xω=∑i∫Yiλi​ωi,\int_{X}\omega=\sum_{i}\int_{Y_{i}}\lambda_{i}\omega_{i},
OPEN(resp.​∫∂Xω=∑i∫∂Yiλi​ω)i​).\text{(resp.}\;\int_{\partial X}\omega=\sum_{i}\int_{\partial Y_{i}}\lambda_{i}\omega)_{i}\;\text{)}.

Les valeurs de ∫X|ω|\int_{X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|} (resp. ∫∂X|ω|\int_{\partial X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}), et de ∫Xω\int_{X}\omega (resp. ∫∂Xω\int_{\partial X}\omega) dans le cas intégrable semblent dépendre de notre choix d’atlas intégral. Il n’en est en réalité rien, comme le montre le lemme ci-dessous – ce qui justifie a posteriori nos notations.

\lemmname 3.8.4.

Les valeurs de ∫X|ω|\int_{X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|} (resp. ∫∂X|ω|\int_{\partial X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}), et de ∫Xω\int_{X}\omega (resp. ∫∂Xω\int_{\partial X}\omega) dans le cas intégrable, ne dépendent pas de l’atlas intégral choisi.

Démonstration.

Supposons tout d’abord que ω\omega est de type (n,n)(n,n).

Insensibilité au choix des YiY_{i}. Supposons donnée la famille (Xi,λi)(X_{i},\lambda_{i}), et fixons ii. L’élément ∫Yiλi​|ω|\int_{Y_{i}}\lambda_{i}|\omega| de [0;+∞][0;+\infty] et, le cas échéant, le réel ∫Yiλi​ω\int_{Y_{i}}\lambda_{i}\omega ne dépendent pas du choix de YiY_{i}.

Pour le voir, on choisit un (autre) domaine analytique compact (Yi′)(Y^{\prime}_{i}) de XiX_{i} qui est un voisinage de supp⁡(λi​ω)\operatorname{supp}(\lambda_{i}\omega) dans XiX_{i}.

On a alors en vertu de l’assertion 2) de la proposition 3.7.2 les égalités

∫Yiλi​|ω|=∫Yi∩Yi′λi​|ω|=∫Yi′λi​|ω|,\int_{Y_{i}}\lambda_{i}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\int_{Y_{i}\cap Y^{\prime}_{i}}\lambda_{i}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\int_{Y^{\prime}_{i}}\lambda_{i}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|},

et les mêmes sans valeurs absolues en cas d’intégrabilité, ce qu’on souhaitait établir.

Insensibilité au choix de tout l’atlas. On suppose donné l’atlas intégral (Xi,λi,Yi)(X_{i},\lambda_{i},Y_{i})  ; soit (Xi′,λi′,Yi′)(X^{\prime}_{i},\lambda^{\prime}_{i},Y^{\prime}_{i}) un autre atlas intégral sur YY adapté à ω\omega.

On peut modifier les YiY_{i} (ce qui, par ce qui précède, ne change pas les intégrales en jeu) de sorte que pour tout ii, le domaine analytique compact YiY_{i} tropicalise tous les λj′\lambda^{\prime}_{j} : cela provient du fait que si ii est fixé, presque toutes les fonctions λj′\lambda^{\prime}_{j} sont nulles sur XiX_{i} (qui est relativement compact). De même, pour tout jj, on modifie Yj′Y^{\prime}_{j} de sorte qu’il tropicalise toutes les fonctions lisses λi\lambda_{i}. Posons U=⋃XiU=\bigcup X_{i} et U′=⋃Xj′U^{\prime}=\bigcup X^{\prime}_{j}.

Comme les λi\lambda_{i} et les λj′\lambda_{j}^{\prime} sont à support compact (dans UU et U′U^{\prime} respectivement), on les prolonge par 00 en des fonctions lisses sur YY tout entier.

Fixons ii et jj. L’intégrale ∫Yj′λj′​|ω|\int_{Y^{\prime}_{j}}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|} est alors égale à ∑i∫Yi∩Yj′λi​λj′​|ω|\sum_{i}\int_{Y_{i}\cap Y^{\prime}_{j}}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|} (notons qu’ici la somme est finie, puisque les λi\lambda_{i} sont presque toutes nulles au voisinage du compact Yj′Y^{\prime}_{j}).

En effet, ∑λi=1\sum\lambda_{i}=1 sur UU. Il existe donc un voisinage analytique compact Ω\Omega de (supp⁡ω)∩Yj′(\operatorname{supp}\omega)\cap Y^{\prime}_{j} dans Yj′Y^{\prime}_{j} sur lequel ∑λi=1\sum\lambda_{i}=1 (notons que par compacité de Ω\Omega cette somme est finie).

En vertu de l’assertion 2) de la proposition 3.7.2, il vient

∫Z​Yjλj′​|ω|=∫Ωλj′​|ω|=∑i∫Ωλi​λj′​|ω|\int_{ZY_{j}}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\int_{\Omega}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\sum_{i}\int_{\Omega}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}
=∑i∫Ω∩Yiλi​λj′​|ω|=∑i∫Yj′∩Yiλi​λj′​|ω|,=\sum_{i}\int_{\Omega\cap Y_{i}}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\sum_{i}\int_{Y^{\prime}_{j}\cap Y_{i}}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|},

comme annoncé. On a de même pour tout couple (i,j)(i,j) l’égalité

∫Yiλi​|ω|=∑j∫Yi∩Yj′λi​λj′​|ω|.\int_{Y_{i}}\lambda_{i}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\sum_{j}\int_{Y_{i}\cap Y^{\prime}_{j}}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}.

On peut dès lors écrire

∑j∫Yj′λj′​|ω|=∑i,j∫Yj′λi​λj′​|ω|=∑j∑i∫Yi∩Yj′λi​λj′​|ω|=∑j∑i∫Yiλi​λj′​|ω|=∑i∫Yiλi​|ω|\sum_{j}\int_{Y^{\prime}_{j}}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\sum_{i,j}\int_{Y^{\prime}_{j}}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\sum_{j}\sum_{i}\int_{Y_{i}\cap Y^{\prime}_{j}}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}\\ =\sum_{j}\sum_{i}\int_{Y_{i}}\lambda_{i}\lambda^{\prime}_{j}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}=\sum_{i}\int_{Y_{i}}\lambda_{i}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}

ce qui prouve que ∫X|ω|\int_{X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|} ne dépend pas pas du choix d’un l’atlas intégral adapté à ω\omega.

Lorsque ω\omega est intégrable, l’intégrale ∫Xω\int_{X}\omega ne dépend pas non plus des choix faits : pour le prouver, on décalque la démonstration ci-dessus en remplaçant partout |ω|\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|} par ω\omega.

La preuve du lemme lorsque ω\omega est une (n−1,n)(n-1,n)-forme est en tout point similaire à celle que l’on vient de donner pour les (n,n)(n,n)-formes, à ceci près qu’elle se fonde sur l’assertion 2) de la proposition 3.7.3 au lieu de l’assertion 2) de la proposition 3.7.2. ∎

3.8.5 Compatibilité avec les définitions précédentes

Supposons maintenant que XX est compact, et que ω\omega est tropicale.

Les définitions ci-dessus de ∫X|ω|\int_{X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|} (resp. ∫∂X|ω|\int_{\partial X}\mathopen{|}{\omega}\mathclose{|}), et de ∫Xω\int_{X}\omega (resp. ∫∂Xω\int_{\partial X}\omega) dans le cas intégrable, coïncident avec celles données au paragraphe 3.7 : on le voit en choisissant comme atlas intégral adapté à ω\omega la famille singleton {(X​,1,X)}\{(X,1,X)\}.

Original mathematics by the credited authors. Source-backed reader collection; mathematical self-containment is not assessed.