Formes d`inertie et complexe de Koszul associés

Formes d’inertie et complexe de Koszul
associ´es `a des polynˆomes plurihomog`enes
Azzouz AWANE, Abdelouahab CHKIRIBA,
and Michel GOZE
UFR de G´eom´etrie Diff´erentielle et Applications
Facult´e des Sciences Ben M’sik
B.P. 7955. Boulevard Driss Harti
Casablanca — Maroc
[email protected] [email protected]
Facult´e des Sciences et Techniques
Universit´e de Haute Alsace
4, rue des Fr`eres Lumi`ere
F. 68093 Mulhouse Cedex
[email protected]
Recibido: 3 de Noviembre de 2003
Aceptado: 14 de Octubre de 2004
ABSTRACT
The existence of common zero of a family of polynomials has led to the study
of inertial forms, whose homogeneous part of degree 0 constitutes the ideal
resultant. The Kozsul and ˇ Cech cohomologies groups play a fundamental role
in this study. An analogueous of Hurwitz theorem is given, and also, one finds
a N. H. McCoy theorem in a particular case of this study.
Key words: plurihomogeneous polynomials, inertial forms, Koszul complex, local coho-
mology.
2000 Mathematics Subject Classification: 13D45, 14XX, 14KXX.
1. Introduction
La notion de formes d’inertie (Tr¨agheitsformen) due `a F. Mertens [13] au XIX-i`eme
si`ecle, est li´ee au probl`eme fondamental de la th´eorie de l’´elimination, c’est-`a-dire, `a
l’existence des z´eros communs d’une famille donn´ee de polynˆomes.
Ce travail a ´et´e ´elabor´e avec l’aide de la coop´eration franco-marocaine Action in´etgr´ee A.I.
MA/02/32 et du programm PAS 27/2001 financ´e par l’AUPELF.
Rev. Mat. Complut.
2005, 18; N´um. 1, 243–260 243 ISSN: 1139-1138

A. Awane/A. Chkiriba/M. Goze Formes d’inertie et complexe de Koszul. . .
Ce probl`eme a ´et´e abord´e par plusieurs auteurs avant Mertens comme J. J. Sylves-
ter ou Cayley dans le cas o`u le nombre des polynˆomes co¨ıncide avec celui des variables
en utilisant la notion de r´esultant, qui est ici, une forme d’inertie de degr´e z´ero.
En consid´erant des polynˆomes g´en´eriques (les coefficients sont des ind´etermin´ees)
homog`enes, A. Hurwitz a ´etudi´e dans [8] l’id´eal gradu´e associ´e `a des formes d’inertie
ce qui correspond `a l’homologie du complexe de Koszul d´efinie par ces polynˆomes.
Cette ´etude a ´et´e reprise par J. P. Jouanolou [9, 10] dans le cadre de la th´eorie des
sch´emas, en utilisant notamment des m´ethodes homologiques.
Dans ce travail on introduit l’id´eal des formes d’inertie relatives `a des polynˆomes
f1, . . . , frg´en´eriques plurihomog`enes c’est `a dire homog`enes par rapport `a spaquets
de variables X1, . . . , Xs, dont la partie plurihomog`ene Ade multidegr´e (0, . . . , 0) est
l’id´eal r´esultant. On donne un certain nombre de caract´erisations qui nous permettent
de retrouver les formules de Perron et de Perrin donn´ees dans le cas s= 1.
En adoptant ici les m´ethodes utilis´ees par J. P. Jouanolou [10], nous d´efinissons
le complexe de Koszul K•par les polynˆomes (fi) et le complexe de ˇ Cech C•par les
monˆomes
(σi1,...,is=X1,i1· · · Xs,is)i1,...,is.
Ceci nous permet d’´etudier deux suites spectrales 0 Eet 00 Eassoci´ees au bicomplexe
K•⊗AC•et conduit `a l’´etude de la cohomologie de Koszul et `a la cohomologie locale,
cette derni`ere n’est autre que la cohomologie de ˇ Cech.
Nous donnons enfin, un r´esultat analogue au th´eor`eme de Hurwitz [8] et dans un
cas particulier nous retrouvons un th´eor`eme de N. H. McCoy [12].
2. Donn´ees et notations
Soient Kun anneau commutatif int`egre et X1, . . . , Xsdes paquets de variables
avec
Xj= (Xj,1, . . . , Xj,nj+1)
pour tout 1 ≤j≤s. On suppose de plus que ns≥ns−1≥ · · · ≥ n1≥1.
Soit r∈Nfix´e et di,1, . . . , di,s avec i= 1, . . . , r des entiers naturels non nuls. Pour
tout i= 1, . . . , r, on consid`ere le polynˆome g´en´erique homog`ene par rapport `a chaque
paquet de variables Xjde degr´e di,j donn´e par
fi=XUi,α1,...,αsXα1
1. . . Xαs
s,(1)
la sommation ´etant prise pour α1∈Nn1+1 tel que |α1|=di,1, . . . , αs∈Nns+1 avec
|αs|=di,s et o`u les Ui,α1,...,αssont des ind´etermin´ees sur Ket
Xαj
j=Xαj,1 j,1· · · Xαj,nj+1 j,nj+1 .
On d´esigne par A=K[Ui,α1,...,αs] (1 ≤i≤ret |αj|=di,j pour tout j= 1, . . . , s),
l’anneau des coefficients universels.
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Pour tout j= 1, . . . , s, l’alg`ebre de polynˆomes Cj=A[Xj,1, . . . , Xj,nj+1] est
not´ee A[Xj]. Si l’on consid`ere que deg(Xj,l) = 1 pour 1 ≤l≤nj+ 1, cette alg`ebre
est naturellement N-gradu´ee. L’alg`ebre C=C1⊗A· · · ⊗ACs=A[X1, . . . , Xs] est
Ns-gradu´ee par :
deg(a) = (0, . . . , 0) ∈Ns,pour tout a∈A,
deg(Xj,l) = (0, . . . , 0,1,0, . . . , 0) ∈Ns(ici 1 est situ´e sur la j-i`eme position),(2)
pour tout j= 1, . . . , s et 1 ≤l≤nj+ 1
D´efinition 2.1. Tout polynˆome de Chomog`ene par rapport `a la Ns-graduation ainsi
d´efinie est dit polynˆome plurihomog`ene.
Les polynˆomes f1, . . . , frsont donc plurihomog`enes de degr´e deg(fi) = di=
(di,1, . . . , di,s), en particulier l’alg`ebre quotient B=C
(f1,...,fr)de Cpar l’id´eal
(f1, . . . , fr) engendr´e par f1, . . . , frest Ns-gradu´ee.
On note par Ml’id´eal de C=A[X1, . . . , Xs] engendr´e par les qmonˆomes :
σi1···is=X1,i1· · · Xs,iso`u (i1, . . . , is)∈
s
Y
j=1
[1, nj+ 1] (3)
o`u q=Qs
j=1(1 + nj) et on notera σq=X1,n1+1 · · · Xs,ns+1.
3. Formes d’inerties
Comme l’alg`ebre Cest Ns-gradu´ee et les polynˆomes f1, . . . , frplurihomog`enes,
alors l’alg`ebre quotient Best Ns-gradu´ee. Notons par Bσi1···isle localis´e de Bpar
σi1···ismuni de la Zs-graduation provenant de la Ns−graduation de B. Alors la
surjection canonique p:C−→ Bet le morphisme de A-alg`ebres π:b7−→ (b
1, . . . , b 1)
de B`a valeurs dans Q
i1,...,is
Bσi1···issont gradu´es de degr´e (0, . . . , 0) ∈Ns. On a donc
Ker π={b∈B| ∀m∈M,∃ν∈N, mνb= 0 }.
D´efinition 3.1. L’image r´eciproque T=p−1(Ker π) est appel´ee l’id´eal des formes
d’inertie des polynˆomes f1, . . . , fr, et la partie plurihomog`ene T(0,...,0) =T ∩ A=A
de degr´e (0, . . . , 0) est appel´ee l’id´eal r´esultant de f1, . . . , fr.
Les formes d’inertie, c’est-`a-dire les polynˆomes de Tsont caract´eris´ees par la
proposition suivante :
Proposition 3.2. Pour tout f∈Cles propri´et´es suivantes sont ´equivalentes :
(i) fest une forme d’inertie.
(ii) Il existe ν∈Ntel que σν
i1···isfest dans l’id´eal engendr´e par f1, . . . , fr, quels que
soient i1, . . . , is.
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(iii) Il existe ν∈Net il existe i1, . . . , istels que σν
i1···isfest dans l’id´eal engendr´e
par f1, . . . , fr.
(iv) Il existe des entiers naturels ν1, . . . , νstels que, pour tout (α1, . . . , αs)∈
Qs
j=1 Nnj+1 avec |αj|=νj(1≤j≤s), le polynˆome Xα1
1. . . Xαs
sfest dans
l’id´eal engendr´e par f1, . . . , fr.
On ´ecrit σν
i1···isf= 0 dans Bpour exprimer que σν i1···isfest dans l’id´eal engendr´e
par f1, . . . , fr.
La d´emonstration de cette proposition repose sur le lemme suivant :
Lemme 3.3. Pour tout i1, . . . , ison a Ker π= Ker(can : B−→ Bσi1···is), o`u can
d´esigne la projection canonique de Bsur Bσi1···is.
D´emonstration. Il suffit de montrer que
Ker(can : B−→ Bσi1···is) = Ker(can : B−→ Bσj1···js)
pour tous monˆomes σi1···iset σj1···js(3). En effet, le diagramme
B
can
can //Bσi1···is
γ2
Bσj1···js
γ1//Bσi1···isσj1···js
est commutatif, et puisque σj1···jsn’est pas un diviseur de z´ero dans Bσi1···is, alors
les homomorphismes γ1et γ2sont injectifs, par cons´equent on a
Ker(can : B−→ Bσi1···is) = Ker(can : B−→ Bσj1···js).
D’o`u le lemme.
Remarque 3.4.Il r´esulte aussitˆot de la caract´erisation de l’id´eal des formes d’inertie
et du fait que les polynˆomes sont plurihomog`enes, que l’id´eal Test Ns−gradu´e.
Soit i1, . . . , istels que 1 ≤ij≤nj+ 1. Pour tous i= 1, . . . , r et j= 1, . . . , s, on
d´esigne par Ui,i1,...,isle coefficient de Xdi,1
1,i1. . . Xdi,s s,isdans fi, et on notera dans toute
la suite :
εi=Ui,n1+1,...,ns+1
τi=Xdi,1
1,n1+1 · · · Xdi,s s,ns+1
hi=fi−εiτi
˜
Xj= (Xj,1, . . . , Xj,nj,1) (on substitue 1 `a Xj,nj+1)
˜
f=f(˜ X1. . . , ˜ Xs),
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o`u fest un polynˆome de C=A[X1, . . . , Xs], que l’on regardera dans la suite sous
la forme suivante f=f(ε1, . . . , εr, X1, . . . , Xs)∈A0[ε1, . . . , εr, X1, . . . , Xs] et A0=
K[Ui,α1,...,αs] avec Ui,α1,...,αs6=εi(1 ≤i≤r). Dans ces nouvelles notations, on a une
deuxi`eme caract´erisation des formes d’inertie :
Proposition 3.5. Pour tout polynˆome fplurihomog`ene dans Cde degr´e (ν1, . . . , νs)
les assertions suivantes sont ´equivalentes :
(i) f∈ T ,
(ii) f
Xν1
1,n1+1···Xνs s,ns+1
= 0 dans (Bσq)(0,...,0),
(iii) f(−˜ h1, . . . , −˜ hr,˜ X1, . . . , ˜ Xs) = 0 dans C.
Montrons tout d’abord le lemme suivant :
Lemme 3.6. Pour tout i1, . . . , is, il existe un isomorphisme de A0[X1, . . . , Xs]-alg`e-
bre :
Bσi1...is−→ A0[X1, . . . , Xs]σi1···is.
D´emonstration. On peut supposer que i1=n1+ 1, . . . , is=ns+ 1, c’est `a dire
σi1...is=σq.
Soit donc ϕl’homomorphisme de A0[X1, . . . , Xs]-alg`ebres
ϕ:C=A0[X1, . . . , Xs][ε1, . . . , εr]−→ A0[X1, . . . , Xs]σq
d´efini par ϕ(εi) = −hi
τi, o`u τi=Xdi,1
1,n1+1 · · · Xdi,s s,ns+1 et hi=fi−εiτi.
L’homomorphisme ϕest bien d´efini, car τiest inversible dans A0[X1, . . . , Xs]σq, et
puisque ϕ(fi) = 0, pour tout i= 1, . . . , r, et ϕ(σq) est inversible dans A0[X1, . . . , Xs]σq,
alors ϕinduit un homomorphisme de A0[X1, . . . , Xs]-alg`ebres
ψ:Bσq−→ A0[X1, . . . , Xs]σq.
Soit ψ0l’homomorphisme compos´e
ψ0:A0[X1, . . . , Xs]σq
j
−→ Cσq
p
−→ Bσq
o`u jest l’injection canonique et pet l’homomorphisme induit de la surjection cano-
nique de Cdans B=C
(f1,...,fr). On d´eduit que ψ◦ψ0= IdA0[X1,...,Xs]σq, de mˆeme on
aψ0◦ψ= IdBσq.
D´emonstration de la proposition. Il r´esulte de la premi`ere caract´erisation des formes
d’inertie que les deux premi`eres assertions sont ´equivalentes.
Soit f∈ T , plurihomog`ene, de degr´e (ν1, . . . , νs). On a
f=f(ε1, . . . , εr, X1, . . . , Xs) = 0
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