Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres P IERRE S AMUEL Généralités sur l’algèbre locale Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres, tome 5-6 (1951-1953), exp. no 1, p. 1-9 <http://www.numdam.org/item?id=SD_1951-1953__5-6__A1_0> © Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres (Secrétariat mathématique, Paris), 1951-1953, tous droits réservés. L’accès aux archives de la collection « Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ 1-01 Faculté des Sciences de Paris ..;..;..;.. Séminaire A. CHATELET et P. DUBREIL ot THEORIE DES NOMBRES) THEORIE DES IDÉAUX Anné es 1951-1953 I. GÉNÉRALITÉS SUR L’ ALGÈBRE LOCALE par Pierre SAMUEL L’algèbre locale s’ occupe des problèmes du type suivant : "étude d’une courbe (ou d’une variété) au voisinage d’un point"* Comme chacun sait, l’outil principal d’une telle étude ost le développement de Taylor. Plus précisément. on considère les fonctions (rationnelles ou méromorphes) sur la INTRODUCTION. - courbe un C qui anneau ~~1 sont pas infinies ne (par exemple point considéré P ; au forment telles l’anneau des fractions rationnelles cet anneau A est b(0) ~ 0 , s’il s’agit de l’origine sur la droite un anneau local c’est-à-dire que ses éléments non inversibles (ici les fonctions nulles en P) forment un idéal ~ ~ qui est alors le plus grand des idéaux que non triviaux de des éléments de A. D’autre A en part, on considère les développements de Taylor fonction d’un certain nombre de paramètres (ti) entières (indépendants ou non) ; ceux-ci appartiennent en les (t.) qui sont convergentes au voisinage de P ; or il se trouve que les (t.) forment un système de générateurs de 1 t idéal maximal M de A J donc, si l’onmunit A de la topologie pour laquelle les idéaux 1~ forment un tème fondamental de voisinages de 0 ~ et ::y’ de la topologie analogie définie l’anneau A est partout dense dans par les idéaux L’avantage de A’ sur A est que diverses opérations. qui feraient sortir de A , ne à l’anneau il’ . font pas sortir de A’ des séries . C ~ qui n’étaient par exemple, algébrique plane, A’ possède des diviseurs D’autre part diverses particularités du voisinage de P sur le deviennent dans l’ anneau pas visibles dans l’anneau lorsque P l’anneau A de zéro nulles est est un point double un anneau ordinaire d’une courbe d’intégrité, (les fonctions holomorphes sur l’autre)* Dans tout ceci la convergentes au propriété voisinage. singulièrement heureux, car il nulles sur que les séries P de mais l’anneau entières: éléments de C et non sont d’importance secondaire. Ce fait est nous permettre d’opérer sur un corps de base est va l’une des branches de où les notions de voisinage et de convergence n’auront plus de sens. P sur une on pourra toujours définir l’anneau local d’un point quelconque, Dans ce cas M variété sur une pour la anneau de séries formelles tient A’ (en l’analogie analytiquement réductible (ou A a maux avec le on irréductible) au voisinage au on de la introduit le non), ou c’est un et il con- propriétés voisinage classique, cas on dira que les V de A idéal maximal. indépendantes des variables propriétés analytiques sont les et pour suivre exemple, son convergentes en les (ti) , topologie définie pe.r les idéaux existe. Par définition lorsque A’ l’anneau  M cet anneau, des séries At A de complété A A V . Soient de l’anneau place l’anneau local d’une sous-variété algébrique C ~ et, plus généralement, courbe de de par dira que V est W lorsque l’anneau (ou n’ a mini- de A seront appelés les pas) de diviseurs de zéro ; dans ce cas les idéaux premiers (qui décrivent la répartition des diviseurs de zéro dans A) nappes (ou branches) analytiques de V au voisinage de Mais la situation que plété A) nombre nous venons rencontre pas seulement ne se et l’anneau premier p ~ (a ~ b entiers, b maximal est son non A multiple (un anneau local géométrie algébrique. de décrire en A et son Considérons a/b des nombres rationnels de la forme p) ; de c’est un anneau complété un local dont l’idéal n’est autre que l’anneau des entiers p-adiques. On peut ainsi dire que l’étude des entiers p-adiques est "l’étude analytique de l’ensemble des nombres premiers au voisinage du nombre premier p" . Zp part l’anneau local complété A peut qu61quefois S’obt6nir directement, soit à partir de l’anneau R des fonctions polynômes sur V ~ soit à partir de l’anneau Z des entiers, par conplétion par rapport à la topologie définie par les idéaux In (I : idéal des fonctions de R nulles au point P 1 ou idéal engendré par p) ; par exemple l’anneau des séries formelles à n variables sur un corps K D’autre s’obtient par complétion de l’anneau des amène à la situation plus A f) tel que Mn = polynômes générale suivante ; (0) . Les idéaux Mn à n variables on a un anneau définissent alors A une K . Ceci sur et nous idéal M de un topologie séparée n==l sur A ; on M-adique ; dit que on M-adiques vantes : on a un polynômes sur V V muni de l’idéal alors former l’anneau peut anneaux veut étudier A~ M et de complété est cette topologie, A un anneau M-adique A . Les de l’anneau ont été introduits par Zariski pour étudier les situtations sui- nombre fini au voisinage et pour M (Pi) de points de chacun des d’une variété P i (on algébrique V ~ et prend alors pour l’idéal des polynômes nuls en l’un au A l’on l’anneau des moins des Pi) ; sous-variété W d’ une variété on a une sur pas de chaque point 1 t anneau complété A complété de 1.J V ; l’anneau sur Dans le reste de cet points de 1. Les anneaux qui vue A Soit exposant sens de exposée et s est l’anneau des fonctions Zariski) nous Modique. Pour un seul tel q ue appelée est allons passer rapidement initiales, tout a ~ élément MS, o, nul MS+1 ; ~ la forme initiale de la forme initiale de non on dit que est l’ anneau Lorsque 1 filtré ; est obtient anneau sur xy et les divers locaux et de cf. un F(M) une il existe A, Z la classe y A de de ayant x dans a et ne M (La. étendant en directe structure d’anneau de formes de l’idéal procédé général rentre dans le d’ un qui Etant donnés des éléments a. x a que F(M) = Mn/Mn+1 , F(M) en revue anneaux de x et 00FF . Ceci définit le produit de x linéarité cette multiplication aux éléments de la somme dépend V sur chaque point de W). en et des éléments pour formes on A distinct de l’anneau local est de formes. x E par A M-adique sont montrés féconds dans l’étude des 93 un anneau dans - V ~~I de de l’anneau "holomorphes" (au Sont un et l’on veut étudier (on prend pour A l’anneau des polynômes V i et pour M i’ idéal des polynômes nuls sur ~~~ ~ alors, lorsque M n’est un point (c’est-à-dire lorsque l’idéal premier M n’est pas voisinage au algébrique V ~ commutatif : construction de de formation d’un anneau gradué à partir LERAY, CARTAN). idéal fermé de l~ ~ est un anneau ( (M + dont l’anneau de formes est le (idéal engendré Les propriétés par quotient de F(M) par l’idéal "directeur" de les formes initiales d’éléments de I). suivantes font partie de la théorie élémentaire des anneaux I de formes : F(M) est un anneau d’intégrité, il fausse). En particulier, si I est un idéal teur soit premier, I est premier. a. () Si Pour les démonstrations des résultats des Sciences en est de fermé de mentionnés, même de A A (réciproque dont l’idéal direc- voir : Algèbre locale. - Paris, Gauthier-Villars 1953 (Mémorial mathématiques n° 123). b. Si tout idéal tégrité est fermée et si F(M) est (si y/x on montre que y E- Ax par approximations successives). Ceci l’anneau local d’un point simple est intégralement clos. est un anneau d’intégrité intégralement a un A Si est système générateurs, fini de est noethérien puis M-adique complet, un anneau en A alors archimédiens, clos est entier A c. si est d’in- un anneau intersection d’anneaux de valuations à groupes des ordres A alors A de principal sur montre que noethérien, II et si (on remarque que de polynômes sur A/M ; des éléments (b.) d’un est noethérien tant que quotient d’un anneau montre par approximations successives que, si idéal B de l’anneau complet A sont tels que l’idéal directeur de B soit engendré en parti- on culier par les qu’un anneau il semble que (b.) engendrent B) . alors les de séries formelles sur un anneau soit là la démonstration la ce La théorie fine des anneaux Ceci montre noethérien est plus naturelle de noethérien ; théorème. ce de formes comprend essentiellement l’étude des polynômes caractéristiques. On suppose ici que A/M est un anneau de longueur finie (au sens Jordan-Hölder). Alors la longueur de A/lvf (c’ est-à-dire aussi celle de est un polynôme en n pour n assez grande soit Si M et ~1’ définissent la même topologie sur A ~ les polynômes P M et ont même degré d ~ appelé la dimens ion de A . Le terme de plus haut degré ~ de est de la forme e(M) est un entier, appelé la ~ où multiplicité passage des choisi; égale au de l’idéal anneaux quotients de la forme et l’on montre que, nombre minimum de (CHEVALLEY) mal =M’ . On étudie les dimensions et emboités de A lorsque générateurs A x est un anneau multiplicités par étant convenablement local, sa dimension est d’un idéal primaire pour son idéal maxiet aussi à la longueur d’une chaîne maximum d’idéaux premiers on obtient aussi une caractérisation de certaines multiplicités ; cité de M enfin l’on constate que, dans certains cas simples, la multi est égale à la longueur de A/M. Tout ceci peut servir dans la théorie des multiplicités d’intersection des variétés algébriques et p li- algébroides. 2. Les idéaux fermés. On se borne ici au cas où A est théorème suivant de Krull : soient A, ne pour que Mn = (0) , soit diviseur de zéro dans un anneau -. noethérien noethérien et un anneau il faut et il suffit ~~ . et l’on utilise le M qu’aucun élément un de idéal de 1 + M On déduit que, pour en qu’un idéal P. 1 + M ~ A il faut et il suffit que l’ on ait 1 . Plus santes En l’adhérence de généralement que tout idéal particulier,pour soit inversible. On dit Un ment 1 - qu’un tel M-adique noethérien anneau 1 de m + ~I I A M-adique fermé, soit et 1 admet M-adique complet est + + m + est pour + ?.1 de Zarisld . un anneau un anneau ... 1 que tout élément de ou encore anneau exemple dt anneau de Zariski Un autre satisfait à premier associé de l’ anneau A~ ~ est-àoooodire le radical de de de P. 1 soit contenu dans l’intersection des idéaux maximaux M il faut et il suffit que pour est l’intersection de celles des compo- I dont 1‘ idéal I de Qi primaires fermé, M-adique A soit tout idéal premier de l’anneau I l’ élé- (car de Zariski inverse) . A est le suivant : est un anneau noethé- ayant un nombre fini d’idéaux maximaux, et M est l’intersection de ceuxci. On dit alors que A est un anneau semi-local, un anneau local est semilocal. Pour qu’ un anneau M-adique de Zariski A soit semi-local, il faut et il suffit que A/M soit un anneau de longueur finie. rien A la théorie des idéaux fermés idéaux de A un anneau M-adique, et de l’ adhérence de A de I idéal et c où est l’idéal M dans Â; A est ÂM engendré lorsque A est un élément d’un particulier si Fi I anneau de Zariski. D’autre anneau de Zariski As on a le ce dernier résultat on se propriété de compacité) : A si est dans un anneau décroissante dl idéaux de s(n) tend qu’un sous-anneau, vers l’infini d’un A 1 telle que avec anneau n. A~ = est et aussi Conne tout idéal est A. _ donc I est l’anneau de Zariski l et J sert du résultat suivant est l’intersection des idéaux maximaux de A semi-local et et si (0) , (I ) est on a ~ A, sont (qui expricomplet, si une suite où Ce résultat est aussi utile pour montrer M-adique en est un un on a complété Lorsque résultat plus précis suivant : Pour démontrer me une M A~ aux Â, part, lorsque il n’est pas diviseur de zéro dans le des idéaux de dans = n’ est pas diviseur de zéro c M-adique, un anneau par relatives et Mn Mn~A . de A (dans A) Mn = A.Mn on a l’adhérence d’un idéal fermé, est A.I en lvl A. Si complété son propriétés rattachent les se sous-espace torologique. 3. Extension finie d’anneaux Soient A un anneau. M-adique, B un anneau contenant A et qui soit un (tout élément de B est alors entier sur A) ; nous .~»module de type fini dirons alors que B est nécessairement élément de I + de Zariski, B . On peut M ne A en complet, quand .~~1 est ainsi important est celui où cas qu’il A n’est diviseur de zéro dans A A ou un anneau est un lorsque n’est pas il en dans qu’aucun est un anneau même de est de sous-espace topologique de B A est semi-local et complet. Un autre aucun élément l’adhérence de ce cas A non nul de B est dans ~ n complété : A , B est extension finie de A , disjoints sur A , et tout élément de A qui est diviseur de zéro dans A semi-local, le déjà B . Mais si est semi-local et où B; B le soit il faut et il suffit soit diviseur de zéro dans demander il A. L’anneau extension finie de une pour ou un anneau se M-adiques. B et ii sont linéairement diviseur de zéro dans B est A. Lorsque A est un anneau M-adique complet, il est assez facile de montrer qu’une extension B de A est finie. En effet, si L est un anneau est extension finie quelconque contenant A ? si MB ~ A = M , et si de A%ï~I ~ alors B est extension finie de A ; et l’on peut prendre pour système de générateurs du A-module B des représentante quelconques des éléments d’un système de générateurs du (démonstration par approximation successives). Ce résultat donne aussitôt l’important théorème suivant ("Vorbereitungssatz formel") : soient R un anneau local complet. V son idéal maximal, B l’anneau de séries formelles 11 [[X]], f(X) un élément de B n’appartenant pas à VB , et b s Xs le terme de plus bas degré de f tel que bs ~ V ; alors tout élément z de B s’écrit, d’ une manière et d’ une seule sous la forme z = encore valable sur un corps valué Cet énoncé reste en ... , Xn séries convergentes marche pas , en uf u E. + lorsque R compl et, Xl’ ... ! ~ n f ~ ~ B r~ est l’anneau des séries et lorsque mais la méthode B est l’ précédente il faut des expressions explicites des séries pouvoir appliquer la méthode des majorantes. Une conséquence du car est que l’anneau des séries formelles un que corps valué complet) est (resp. convergentes) à convergentes u et des ne q pour Vorbereitungssatz sur un corps (resp. unique factorisation ; une autre est des séries convergentes sur un corps valué complet est noethérien. un anneau 4. Structure des On anneaux des résultats complets. complets sur la structure de certains anneaux M-adiques complets. On montre d’abord qu’un anneau semi-local et complet est composé direct d’anneaux locaux complets. Ceci se déduit du résultat plus général suivant : si A a est assez A/M décompose en composé direct de deux idéaux, alors cette décomposition "se prolonge" en une décomposition de A (on obtient les idempotents de la décomposition de A à partir du représentants des idempotents de celle de A/M par approximations successives). Ce théorème de "prolongement des décompositions directes" est intimement lié à l’important lemme M-adique complet, un anneau de Hensel : soient nôme de A/M degré de ses te alors des f = A/M , dans Y A, polynôme soit le g* = ~ il existe pour classe *g’ et racine une simple a mod M . On trouve de nombreux comme 1 a la série formelle Xs(X) Revenons à l’étude des neaux semi-locaux plet, on se a anneaux sur un anneau bornerons au cas un K corps complets. Nous s’efforce de montrer que c’est de nature une racine la racine donnée du lemme de Hen- de anneaux venons entières ; caractéristique / 2 , K[[X]] . de voir que celle des locaux. Pour un anneau local a A contient alors, (c’est un corps A contient le cas an- com- quotient d’un anneau de séries simple. Pour simplifier l’exposé, nous nous un anneau "d’égales caractéristiques", c’est-à-dire celui où l’anneau même caractéristique que son corps quotient A~M ~ autrement dit, celui A simple et dans celle des séries deux racines carrées dans ramène à celle des formelles particulier, si f a de f dans A ayant exemples d’application p-adiques, deux racines carrées dans 1 + se complet, M son idéal maximal, f un polydes polynômes de degrés r et n-r sur ? obtenu à partir de f par réduction et 0) soient premiers entre eux, il exisdegrés r et n -,r sur A tels que = sel dans la théorie des nombres ainsi, local coefficients, et que 0 polynômes g et g’ de et que gg’ , un anneau sur que 03B303B3’ tels mod M n A et si dans les applications géométriques). On local où montre, mod M " "corps complet représentants c’est-à-dire un sous-corps K , isomorphe à A/M, par l’homomorphisme canonique de A sur A/M . Dans ce cas, si (x.) désigne une base de M, A est un de l’anneau de séries formelles quotient et on a un théorèK[[X1 , .. que me de structure pour K est sur facile, les des classes A . La démonstration d’existence du corps de représentants lorsque A et A/M sont de caractéristique 0 : On "zornifie" sous-corps de tra ti 0 n est de un A , encore assez et applique simple, lorsque on le lemme A et de H e n s e 1. La A/M sont de démons- caractéristique p :/ parfait (on utilise les "représentants multiplicatifs" Hasse). ~~jais c’est effroyablement compliqué lorsque A/M est imparfait de 0 et que est (N.B. - Depuis par GEDDES). 1952 la démonstration Le théorème de structure a été notablement simplifiée par NARITA et simplifie lorsque A se est local un anneau régulier c’est-à-dire lorsque M est engendré par d éléments, d étant la dimension de A J alors ces éléments sont analytiquement indépendants sur K , et A est un anneau de séries formelles d’une variété est donc anneau son algébrique complété est un 5. Anneaux à noyau et La structure des qui sont utiles locaux Les Géométrie) en complets est beaucoup moins bien connue complets. Jusqu’ici beaucoup de propriétés d’anneaux pour les applications géométriques n’ont pu être démontrées (contenant d’ailleurs tous les dont la définition est constructive et considérés sont anneaux spécial (les "noyaux") et simples, géométriques. non que pour certaines classes d’anneaux contrés simple de séries formelles. locaux que celle des anneaux locaux locaux par définition des sous-variétés régulier anneaux anneaux K . L’anneau local d’une sous-variété sur ceux qui contiennent des assez sous-anneaux anneaux ren- artificielle. de type très certain sens, sont assez proches de ces à noyau, Le noyau c~’ un anneau à noyau n’ est qui, en un noyaux ; on les appelle les anneaux nullement déterminé de façon unique. D’autre part, dans les théorèmes utiles démontrés pour les qui servi à la démonstration n’appara1t, anneaux ni dans les à noyau, le noyau a hypothèses, ni dans la conclusion. Tout ceci montre que cette partie de la théorie est encore dans un état fort peu satisfaisant. Aussi serons-nous assez Soit K brefs. corps d’ exposc.nts un On appelle noyaux les premier (xl’ ... , caractéristique p suivants : l’anneau des fractions de l’idéal de l’anneau de polynômes (c’est... , x) K[x1 , a(x)/b(x) S’ il existe un réguliers. noyau B soit extension finie de maximal de A . Alors C, A a et On dit et B~ qu’aucun qu’un un anneau anneau x] telles que K(x 1 a locaux soit fini. anneaux à-dire l’anneau des fractions rationnelles l.’ anneau de séries formelles ... , anneaux ~K ; tel que Ce sont des ..., xn]]. local intermédiaire A A est C(B ~~ b(0) ~ 0) J à noyau tels que C un anneau C LA) soit l’anneau des fractions d’un idéal élément non nul do B ne soit diviseur de zéro dans que même dimension que le noyau B . 1-09 Les opérations complétion, suivantes font pas sortir de la classe des anneaux à noyeu, ne formation de l’anneau des fractions d’un idéal l’anneau quotient par un idéal équidimensionnel. Les application répétée passage à obtenus à partir des premier, anneaux opérations de complétion, formation de l’ anneau des fractions d’un idéal premier, passage au quotient par un idéal premier forment une sous-classe de celle des anneaux à noyau, et sont appelés les anneaux locaux géométriques. noyaux par Les principales propriétés des des ques sont des relations entre les anneaux. à noyau et des algébriques aux variétés algébroïdes), de 11associativité des intersections de théorème de transition montre anneaux géométri.. locaux de certains idéaux de certains multiplicités Citons parmi elles le théorème de transition des variétés (source anneaux en (qui permet le passage et la formule d’associativité géométrie). Un cas particulier géométrique n’a pas d’éléments nilpotents, en termes géométriques ceci signifie que la décomposition locale d’une variété algébrique en variétés algébroïdes n’est pas plus compliquée au sens de la 6. Diverses qu’un théorie des idéaux qu’elle propriétés d’anneaux anneau ne l’est intégralement local au sens ensembliste. clos et à unique factorisation (ou "factoriels"). Le complété d’un anneau d’intégrité à noyau et intégralement clos est d’intégrité intégralement clos (ZARISKI). Géométriquement : une variété lement normale est analytiquement irréductible variété algébro ide. Un local anneau et localement normale régulier et régulier à noyan est factoriel. complet est factoriel (au en moins dans le un anneau tent que cas d’égales caractéristiques). Un anneau local Il existe des anneaux locaux géométriques factoriels qui ne sont pas réguliers*