Slices Etales
1 Pr´eliminaire
1.1 D´efinition
Soit Kun corps alg´ebriquement clos de caract´eristique 0 et Xune vari´et´e affine sur K.
On suppose que l’alg`ebre de affine K[X] est une alg`ebre de type finie non n´ecessairement
int`egre ni r´eduite.
Soit Gun groupe r´eductif, i.e., un groupe alg´ebrique affine dont le radical unipotent est
r´eduit `a l’´el´ement neutre. On suppose que Gop`ere sur Xmorphiquement, i.e., l’action
σ:G×XX; (g, x)7→ g.x est un morphisme de vari´et´es.
Fait 1.1. Sous l’hypoth`ese ci-dessus, on a
1. K[X]GK[X]est un type fini sur K.
On peut d´efinir un quotient X/G0: la vari´et´e affine K[‘X/G0] = K[X]G.
L’inclusion K[X]GK[X]induit un morphisme πX:XX/G0.
2. Pour tout id`eal bde K[X]G, on a (K[X]b)G=b.πX: surjectif.
3. a1,a2K[X]id´eals G-stables tels que a1+a2=K[X].
Alors, on a aG
1+aG
2=K[X]G.
Les invariants s´eparent les ferm´es G-stables disjoints.
Soit ξX/G0.
Par 2.,π1
x(ξ) est non-vide, ferm´e et G-stable. Donc, toute orbite de dimension minimale
dans π1
X(ξ) est ferm´ee dans X.
Par 3.,π1
x(ξ) contient unique orbite ferm´ee, que l’on note par T(ξ).
En particulier, pour tout xπ1
X(ξ), on a G(x)T(ξ), ce qui signifie que ‘X/G0
param`etre les G-orbites ferm´ees de X.
Remarque 1.1. 1. Le quotient X/G0est un quotient cat´egorique, i.e., pour tout
morphisme ψ:XZtel que ψσ=ψpr2, o`u pr2:G×XXest la projection
canonique, il existe un seul morphisme χ: ‘X/G0Ztel que ψ=χπX.
2. Comme on suppose que car.K= 0, ce quotient Y:= ‘X/G0est universel, i.e., pour
tout morphisme Y0Y,Y0est le quotient cat´egorique de X0:= X×YY0par G.
Pour cette raison, on souvent ´ecrit X//G au lieu de X/G0.
D’ici, on ´ecrit X/G au lieu de ‘X/G0. Pour le d´etail, voir [Mum].
Soient Yune autre G-vari´et´e affine et ϕ:XYun G-morphisme. Il induit le
moprhisme ϕ/G :X/G Y/G tel que πYϕ= (ϕ/G)πX.
1
1.2 Th´eor`eme de Matsushima ( )
Soit Xune vari´et´e affine sur laquelle un groupe r´eductif Gop`ere. Soit xXun point.
Proposition 1.1. Si l’orbite G(x)est ferm´ee, le groupe d’isotropie Gxest r´eductif.
Ici, on montrera cette proposition, en admettant le lemma suivant:
Lemme 1.2. Soit Gun groupe r´eductif et DGun sous-groupe alg´ebrique, isomorphe
au groupe additif Ga
=K. Alors, il existe un sous-groupe alg´ebrique simple SGde
dimension 3, qui contient D.
(On remarque que Sest isomorphe `a SL(2,K) ou P SL(2,K).) Ceci est une cons´equence
du Lemme de Jacobson-Morozov:
Soit gune alg`ebre de Lie simple de dimension finie sur K. Soit xg
nilpotent. Alors, il existe un morphisme d’alg`ebres de Lie ϕ:sl2(K)g
tel que ϕµµ0 1
0 0¶¶=x.
Remarque 1.2. Le lemme de Jacobson-Morozov est valable pour un corps de car-
act´eristique >3(h1), o`u hest le num´ero de Coxeter.
D´emonstration( de Prop.) On sait qu’il existe un espace vectoriel de dimension finie
sur Ktel que
1. Gop`ere sur Mlin´eairement,
2. X M: immersion ferm´ee G-´equivariante.
(Voir, e.g., [Bo], pour la d´emonstration.) Donc, il suffit de d´emontrer pour une repr´esentation
lin´eaire G GL(M).
Supposons que le radical unipotent RxGxest non-trivial. Alors, il existe un sous-
groupe DRxalg´ebrique tel que D
=Ga. Par le Lemme 1.2, il existe un sous-groupe
alg´ebrique simple SGde dimension 3 qui contient D.
Soit ϕ:SL(2,K)Sun isomorphisme ou un revˆetement `a deux-feuillle tel que
ϕµ½µ1β
0 1¯¯¯¯βK¾¶=D.
On d´ecompose Men une somme directe
M=M
iZ
Mi, Mi=½mM¯¯¯¯µα0
0α1.m =αim¾.
Soit x=PixiMla d´ecomposition de xsuivant les Mi. Comme DGx, i.e.,
µ1β
0 1.x =x, on a xi= 0 pour i < 0. Posons
T:= ϕµ½µα0
0α1¯¯¯¯αK¾¶.
2
Par d´efinition, on a T(x) = {Pi0αixi|αK}qui implique x0T(x). Comme
G(x) est suppos´e d’ˆetre ferm´ee, on voit que x0G(x). Par d´efinition, on a TGx0.
Diff´erentiant µ1β
0 1.x =x, on obtient µ0 1
0 0.x = 0, en particulier, µ0 1
0 0.x0= 0,
i.e., DGx0. Ceci implique que Kx0est un module trivial sur SL(2,K), i.e., SGx0.
L’ensemble U:= {sx0|sGt.q. dim(SRsx0)=0}est un voisinage de x0dans
G(x0) = G(x). Comme, x0T(x), il existe tTtel que tx U, i.e., dim(SRtx) = 0.
Mais, Tnormalise D, i.e., D=tDt1tRxt1=Rtx, ce qui est absurde ! 2
1.3 Fibr´es
Ici, on rappelle la d´efinition du syst`eme fibr´e au sens ´etale. La r´ef´erence fondamentale
est [Ser].
A la topologie alg´ebrique, par exemple, un revˆetement non-ramifi´e ou un espace
homog`ene ne sont pas localement trivial, donc, ils ne sont des espaces fibr´es dans le sens
de A. Weil. C’est la raison pour laquelle on veut g´en´eraliser la notion de ’espaces fibr´es’,
comme ci-dessous.
Soit X, Y vari´et´es alg´ebriques et π:YXun morphisme de vari´et´es alg´ebqirues.
D´efinition 1.1. Yest un revˆetement de X, s’il existe un recouvrement ouvert affine
{Xi}de Xtel que, pour tout i,1) Yi:= π1(Xi)soit affine et que 2) K[Yi]soit un
K[Xi]-module de type fini.
C’est ´equivalent de dire que πest un morphisme propre et que les fibres sont finies.
On d´esigne le faisceau structural de X(resp. Y) par OX(resp. OY).
D´efinition 1.2. Soit π:YXest un revˆetement.
1. πest non-ramifi´e en y, un point ayant pour l’image x=π(y), si l’homomorphisme
bπ:b
OX,x b
OY,y est un isomorphisme. (Ici, b
OX,x (resp. b
OY,y) est la compl´etion
de l’anneau des germes OX,x (resp. OY,y) par les puissances de son id´eal maximal.)
2. πest non-ramifi´e en xXsi πest non-ramifi´e en tout point dans la fibre
π1(x)Y.
3. πest non-ramifi´e s’il est non-ramifi´e en tout point.
Soit Pune vari´et´e alg´ebrique sur laquelle un groupe alg´ebrique Gop`ere `a droite. Soit
Xune autre vari´et´e alg´ebrique et π:PXun morphisme.
D´efinition 1.3. 1. (G, P, X)est un syst`eme fibr´e si π(x.g) = π(x)pour tout xP
et gG.
2. (G, P, X)est isotrivial (ou trivial au sens ´etale) s’il existe un revˆetement non-
ramifi´e f:X0Xtel que fP=X0×XPest trivial.
3. (G, P, X)est localement isotrivial si tout xXposs`ede un voisinage Uau-
dessus duquel Pest isotrivial. Un syst`eme fibr´e (G, P, X)est aussi applel´e un
espace fibr´e principal de base Xet de groupe G.
3
Remarque 1.3. Soit (G, P, X)un syst`eme fibr´e. Pour qu’il soit localement isotrivial,
il faut et il suffit que le syst`eme satisfasse les conditions suivantes:
1. Gop`ere sur Plibrement,
2. Pour tout xX, il existe un voisinage UXde x, un revˆetement non-ramifi´e
f:U0Uet un morphisme s:U0Ptels que πs=f.
Voici des exemples:
Exemple 1.1. 1. Soit Xune vari´et´e alg´ebrique sur laquelle un groupe fini Gop`ere
sans points fix´e, i.e., Gx={e}pour tout xX. Alors, XX/G est un
revˆetement non-ramifi´e et localement isotrivial. En faite, on a X×X/G X
=G×X.
2. Soient Gun groupe alg´ebrique et HGun sous-groupe alg´ebrique ferm´e. Alors,
(H, G, G/H)est un espace principal de base X=G/H et de groupe H. En faite,
soit G0le composante connexe de l’´el´ement neutre de Get H0=G0H, et X0:=
G0/H0. Alors, les vari´et´es G0et X0sont irr´eductibles, et X0est la composante
connexe de l’´el´ement origine de X. On sait que l’extension K(G0)/K(X0)des
corps de fonctions rationelles est s´eparable; il s’ensuit qu’il existe une sous-vari´et´e
irr´eductible Yde G0, de mˆeme dimension que X, et telle que la projection YX0
d´efinisse une extension finie s´eparable. Donc, il existe un ouvert non vide UX
dont l’image r´eciproque VYconstitue un revˆetement non-ramifi´e. La deuxi`eme
propri´et´e de la Remarque 1.3 est satisfaite au-dessus de U. Par translation, on en
d´eduit qu’elle est v´erifi´ee partout.
Soit Yune vari´et´e affine sur laquelle un groupe r´eductif Hop`ere. Soit Gun groupe
r´eductif qui contient Hcomme un sous-groupe alg´ebrique. Le groupe Hop`ere `a droite
sur G×Ypar (g, y).h = (gh, h1.y). On note le quotient de G×Y/H par G×HY.
Lemme 1.3. SoitX0une sous-vari´et´e ferm´ee G-stable de X=G×HY. Alors, il existe
une sous-vari´et´e ferm´ee Y0H-stable telle que X0
=G×HY0.
D´emonstration Soient a0(K[G]K[Y])Hl’id´eal associ´e `a X0et aK[G]K[Y]
l’id´eal engendr´e par a0. Soit bK[Y] l’id´eal des fK[Y] tel que 1 fa. Comme
1b=a1K[Y], on a 1) H.bb, 2) a=K[G]b.
Soit Y0Yla sous-vari´et´e affine telle que K[Y0] = K[Y]/b. Par d´efinition, on a la suite
exacte
0a=K[G]bK[G]K[Y]K[G]K[Y0]0.
Comme Hest r´eductif, le foncteur (·)Hest exacte, i.e., on obtient la suite exacte suivante:
0aH=a0(K[G]K[Y])H(K[G]K[Y0])H0,
i.e. X0
=G×HY0.2
4
2 Slices Etales
2.1 Etales G-morphismes
Le lemme suivant est une ´etape essentielle:
Lemme 2.1 (FONDAMENTAL).Soient X, Y vari´et´es affines sur lesquelles un groupe
r´eductif Gop`ere et ϕ:XYun G-morphisme. Soit xXun point tel que
1. ϕ: ´etale en x,2. X: normale en xou Y: normale en y,
3. G(x), G(ϕ(x)): ferm´ees, 4. ϕ|G(x): injective.
Alors, il existe un ouvert affine UXtel que
I) xUet U: satur´e pour πX,II)ϕ|Uet ϕ/G|πX(U): ´etales,
III) V:= ϕ(U)Y: un ouvert affine, satur´e pour πY,
IV) ϕ|U:UVet πX|U:U³U/G induisent un G-isom. χ:U
=V×V/G U/G.
D´emonstration La d´emonstration demande plusieurs pr´eparations. Ici, on va indiquer
chaque ´etape, bri`evement:
1er ´etape: On peut supposer i)X, Y : normales et ii) les fibres de ϕsont finies.
( La normalit´e est une condition ouverte.)
2`eme ´etape: Soient Ala fermeture int´egrale de K[Y] dans K[X] et e
Xla vari´et´e affine
telle que K[e
X] = A. On a i)e
Xest une G-vari´et´e normale, ii) la relation K[X]K[e
X]´
K[Y] induit X e
XY, o`u le premier morphisme est une G-immersion ouverte et
le deuxi`eme morphisme est un G-morphisme fini. (C’est la version G-´equivariante du
th´eor`eme principal de Zariski.) En particulier, il implique que
1. il existe fK[e
X]GK[X]Gtelle que
i. e
Xf=XfX, ii. πX(x)(e
X/G)f
=(X/G)f: irr´eductibles,
iii. ϕ|Xfet ϕ/G|(X/G)fsont ´etales,
et que
2. il existe gK[Y]Gtelle que G(ϕ(x)) Ygϕ(Xf).
3`eme ´etape: On pose U:= Xfϕ1(Yg) et V:= Yg. Alors, il est facile de v´erifier I)
III) de ce lemme et que ϕ|U:UVenvoie les orbites ferm´ees de Usur des orbites
ferm´ees de V, ce qui signifie que χest fini.
4`eme ´etape: Comme ϕ= (id ×ϕ/G)χ, on en d´eduit que χest ´etale, en particulier,
χest un revˆetement. Par la 4`eme hypoth`ese de ce lemme et la 2`eme propori´et´e de f, on
voit que χest un revˆetement `a une feuille, i.e., un isomorphisme. 2
Le lemme suivant est technical, mais il sera utilis´e:
Lemme 2.2. Soient X, Y vari´et´es affines sur lesquelles un groupe r´eductif Gop`ere.
Soient Y0Yune sous-G-vari´et´e ferm´ee et ϕ:XYun G-morphisme. On pose
X0:= Y0×YXet ϕ0:= idY×ϕ:X0=Y0×YXY0×YY=Y0. On suppose
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