LE GROUPE FONDAMENTAL ´ETALE D`UN ESPACE - IMJ-PRG

LE GROUPE FONDAMENTAL ´
ETALE D’UN ESPACE HOMOG `
ENE
D’UN GROUPE ALG ´
EBRIQUE LIN ´
EAIRE
CYRIL DEMARCHE
R´
ESUM ´
E. Soit Xun espace homog`
ene d’un groupe alg´
ebrique lin´
eaire connexe Gsur un
corps kalg´
ebriquement clos d’exposant caract´
eristique p. Soit x∈X(k). On d´
esigne par H
le stabilisateur de xdans Get on suppose Hconnexe ou ab´
elien.
Dans ce texte, on calcule explicitement la partie premi`
ere `
apdu groupe fondamental
´
etale π´
et
1(X,x)de X, en termes des groupes de caract`
eres de Get H.
On donne une application de cette formule `
a une variante de la conjecture des sections
pour les espaces homog`
enes.
ABSTRACT. Let Xbe a homogeneous space of a connected linear algebraic group G
defined over an algebraic closed field kof characteristic exponent p. Let x∈X(k). We
denote by Hthe stabilizer of xin Gand we assumed that His connected or abelian.
In this text, we compute explicitely the prime-to-p-part of the ´
etale fundamental group
π´
et
1(X,x)in terms of the character groups of Gand H.
As an application, we prove a variant of the section conjecture for homogeneous spaces.
0. INTRODUCTION
Soit kun corps alg´
ebriquement clos d’exposant caract´
eristique p≥1. Le groupe
fondamental ´
etale des groupes alg´
ebriques connexes sur ket de leurs espaces homog`
enes
a´
et´
e´
etudi´
e r´
ecemment par Brion et Szamuely dans [BrSz]. Ces auteurs ont notamment
d´
ecrit les revˆ
etements galoisiens premiers `
apde ces espaces homog`
enes et en ont d´
eduit
une majoration du rang de leur groupe fondamental premier `
ap(voir [BrSz], th´
eor`
eme
1.2).
Dans ce texte, on s’int´
eresse au cas o`
u le groupe ambiant est lin´
eaire, et on pr´
ecise les
r´
esultats sus-mentionn´
es, en d´
emontrant une formule explicite pour le groupe fondamental
d’un espace homog`
ene (sous une certaine hypoth`
ese de connexit´
e sur les stabilisateurs).
Si Xest un espace homog`
ene sur kd’un k-groupe lin´
eaire connexe G`
a stabilisateur H
connexe ou ab´
elien, notre formule fait intervenir les groupes de caract`
eres de Get H.
0.1. Dans les trois premi`
eres parties de ce texte, kest un corps alg´
ebriquement clos
d’exposant caract´
eristique p≥1, et une vari´
et´
e sur kest un k-sch´
ema int`
egre, s´
epar´
e et
de type fini. Par convention, tous les revˆ
etements ´
etales galoisiens sont suppos´
es connexes.
Soit Xune vari´
et´
e sur k, et soit x∈X(k).
On d´
esigne par π´
et
1(X,x)le groupe fondamental ´
etale de la vari´
et´
e point´
ee (X,x);
voir Szamuely [Sz, Section 5.4]. C’est un groupe topologique profini. On pose b
Z(1) =
π´
et
1(Gm,k,1).
On pose ´
egalement
π´
et
1(X,x)(−1):=Homcont(b
Z(1),π´
et
1(X,x)),
2010 Mathematics Subject Classification. Primary: 14F35, 14M17, 20G20.
Key words and phrases. ´
Etale fundamental group, homogeneous space, linear algebraic group.
L’auteur a b´
en´
efici´
e d’une aide de l’Agence Nationale de la Recherche portant la r´
ef´
erence ANR-12-BL01-
0005.
1
2 CYRIL DEMARCHE
l’ensemble point´
e des homomorphismes continus de b
Z(1)vers π´
et
1(X,x).
Si on suppose que le groupe π´
et
1(X,x)est ab´
elien, alors π´
et
1(X,x)(−1)est
canoniquement un groupe ab´
elien, qui est non canoniquement isomorphe au groupe
π´
et
1(X,x)(l’isomorphisme d´
epend du choix d’un isomorphisme entre b
Z(1)et b
Z).
Par fonctorialit´
e, un morphisme de k-vari´
et´
es point´
ees f:(Gm,k,1)→(X,x)d´
efinit un
´
el´
ement
f´
et
∗∈Homcont(b
Z(1),π´
et
1(X,x)) = π´
et
1(X,x)(−1).
De mˆ
eme, on note π´
et
1(X,x)(p0)le quotient maximal premier `
apdu groupe fondamental
´
etale de Xet on d´
efinit
π´
et
1(X,x)(p0)(−1) = Homcont(π´
et
1(Gm,k,1)(p0),π´
et
1(X,x)(p0)).
On note enfin Z(p0)le produit direct des anneaux Zpour 6=p.
Notations 0.2. Soit Gun groupe alg´
ebrique lin´
eaire connexe d´
efini sur k. On utilise les
notations suivantes :
Guest le radical unipotent de G;
Gred =G/Gu, qui est un groupe r´
eductif ;
Gss = [Gred,Gred], qui est semi-simple ;
Gsc est le revˆ
etement universel de Gss, il est simplement connexe ;
Gtor =Gred/Gss, qui est un tore ;
Gssu =ker[G→Gtor], qui est une extension d’un groupe semi-simple connexe par un
groupe unipotent.
On remarque que Gtor est le plus grand quotient torique de Get que Gssu est connexe et
sans caract`
eres.
Si Test un tore sur k, on ´
ecrit T∗pour le groupe des cocaract`
eres de T, c’est-`
a-dire T∗:=
Homk(Gm,k,T). On a en particulier T∗∼
=Hom(b
T,Z), o`
ub
Test le groupe des caract`
eres de
T.
Si Hun groupe alg´
ebrique lin´
eaire sur k, on ´
ecrit π0(H) = H/H0, o`
uH0est la
composante neutre de H.
0.3. Soit Xun espace homog`
ene d’un groupe alg´
ebrique lin´
eaire connexe Gd´
efini sur k.
On choisit un k-point x∈X(k)et on pose H=StabG(x). On d´
esigne par Hmult le groupe
quotient maximal de Hde type multiplicatif. On pose Hkercar :=ker[H→Hmult]. Alors
Hkercar est l’intersection des noyaux de tous les caract`
eres χ:H→Gm,kde H. On suppose :
(i) Pic(G) = 0,
(ii) Hkercar est connexe.
On remarque que (i) est satisfait si et seulement si Gss est simplement connexe (voir Sansuc
[S], Lemme 6.9 et Remarques 6.11.3) et que (ii) est satisfait si Hest connexe ou si kest de
caract´
eristique 0 et Hest ab´
elien.
On note b
G:=Hom(G,Gm,k)et b
H:=Hom(H,Gm,k). On ´
ecrit aussi
Ext0
Z(b
G→b
H,Z):=Ext0
Z([ b
Gi∗
−−→ b
Hi,Z),
o`
u[b
Gi∗
−−→ b
Hiest un complexe en degr´
es 0 et 1, et l’homomorphisme i∗est induit par
l’inclusion i:H→G(voir §2.1 ci-dessous pour la definition de Ext0
Z).
En utilisant des r´
esultats de Brion et Szamuely [BrSz], on d´
emontre dans ce texte le
th´
eor`
eme suivant :
Th´
eor`
eme 0.4 (Th´
eor`
eme 3.1).Soit k un corps alg´
ebriquement clos d’exposant
caract´
eristique p ≥1. Soit G/k un groupe lin´
eaire connexe lisse et X/k un espace
homog`
ene de G. Soit x ∈X(k), on pose H :=StabG(x). On suppose que Pic(G) = 0, H
est lisse et Hkercar est connexe. Alors il existe un isomorphisme canonique de groupes
topologiques ab´
eliens :
Ext0
Z(b
G→b
H,Z)⊗ZZ(p0)
∼
→π´
et
1(X,x)(p0)(−1).
GROUPE FONDAMENTAL D’UN ESPACE HOMOG `
ENE 3
Le th´
eor`
eme 0.4 g´
en´
eralise et pr´
ecise le cas particulier du th´
eor`
eme 1.2(b) de [BrSz] o`
u
Gest un groupe lin´
eaire, et a ´
et´
e inspir´
e par ce th´
eor`
eme de Brion et Szamuely. Remarquons
´
egalement que l’hypoth`
ese de lissit´
e sur Hpeut ˆ
etre enlev´
ee (voir [BrSz], d´
ebut de la
section 3). Notons enfin que si kest de caract´
eristique nulle (i.e. p=1) et si H=1, alors
ce th´
eor`
eme est un r´
esultat classique de Merkurjev (voir [Me, §10.1]) et Borovoi (voir
[B3], proposition 1.13).
Dans la derni`
ere partie de ce texte, on applique le th´
eor`
eme 0.4 `
a une variante de la
conjecture des sections pour les espaces homog`
enes (voir le th´
eor`
eme 4.6). Ce r´
esultat
g´
en´
eralise des travaux de Stix (voir [St], chapitre 13).
1. PAIRES AUXILIAIRES
Dans cette partie, on rappelle les constructions de groupes et d’espaces homog`
enes
auxiliaires, dont nous avons besoin pour notre d´
emonstration du th´
eor`
eme 0.4. L’objectif
est d’associer `
a un espace homog`
ene Xd’un k-groupe alg´
ebrique Gv´
erifiant les hypoth`
eses
du th´
eor`
eme 0.4, des espaces homog`
enes Y,Zet Wde certains k-groupes (GY,GZet GW
respectivement), avec des morphismes de paires
(G,X)←(GY,Y)→(GZ,Z)→(GW,W),
qui vont permettre (dans les sections suivantes) de d´
emontrer le th´
eor`
eme 0.4
successivement pour W,Z,Yet enfin pour X. On utilise pour cela des constructions de
[B2], [BCTS] et [BoSc].
1.1. Construction de l’espace homog`
ene Y . Soit Xun espace homog`
ene d’un k-groupe
alg´
ebrique lin´
eaire connexe lisse Gd´
efini sur un corps alg´
ebriquement clos kde
caract´
eristique quelconque. On suppose que Pic(G) = 0.
On choisit un k-point x∈X(k). On note Hle stabilisateur de xdans G. Pour l’´
etude du
groupe fondamental de X, on peut supposer sans perte de g´
en´
eralit´
e que Hest lisse (voir
[BrSz], d´
ebut de la section 3). On ne suppose pas en revanche que Hest connexe.
On dispose d’un homomorphisme canonique Hmult →Gtor, qui n’est g´
en´
eralement pas
injectif.
Choisissons un plongement j:Hmult →Qde Hmult dans un k-tore Q. On consid`
ere le
plongement
j∗:H→G×kQ,h7→ (h,j(m(h))),
o`
um:H→Hmult est l’´
epimorphisme canonique. On pose
GY=G×kQ,HY=j∗(H)⊂GY,Y=GY/HY,y=1·HY∈Y(k).
La projection π:GY=G×Q→Gsatisfait π(HY) = H, et elle induit une application
π∗:Y→Xtelle que π∗(y) = x. On voit ais´
ement que Yest un torseur sur Xsous le tore Q.
On obtient un morphisme de paires
(GY,Y)→(G,X).
On remarque que l’homomorphisme Hmult
Y→Gtor
Yest injectif, donc
HY∩Gssu
Y=Hkercar
Y∼
=Hkercar.
1.2. Construction de l’espace homog`
ene Z. On pose GZ=Gtor
Y=GY/Gssu
Y, o`
uGssu
Y:=
ker[GY→Gtor
Y]. On a un homomorphisme canonique µ:GY→GZ. Alors GZest un k-tore
et on a c
GZ=c
GY.
L’inclusion i:H→Ginduit un homomorphisme imult :Hmult →Gmult =Gtor. On
obtient un plongement
ι:Hmult →Gtor ×kQ,h7→ (imult(h),j(h)).
On pose
Z=Y/Gssu
Y= (Gtor ×kQ)/ι(Hmult),
4 CYRIL DEMARCHE
alors on a une application µ∗:Y→Z, dont la fibre au-dessus du k-point z:=µ∗(y)∈Z(k)
est isomorphe `
a
Gssu
Y/(HY∩Gssu
Y)∼
=Gssu/Hkercar.
La vari´
et´
eZest un espace homog`
ene du tore GZde stabilisateur HZ=Hmult
Y⊂Gtor
Y=GZ.
On remarque que
c
HZ=[
Hmult
Y=c
HY.
Enfin, on a un morphisme de paires
(GY,Y)→(GZ,Z).
1.3. Construction de l’espace homog`
ene W . On pose GW=GZ/HZ,W=Z,w=z, alors
West un espace principal homog`
ene du tore GW. On a un morphisme naturel de paires
(GZ,Z)→(GW,W).
2. CAS D’UN STABILISATEUR CONNEXE
Dans cette section, on s’int´
eresse `
a un cas particulier du th´
eor`
eme 0.4 (voir le th´
eor`
eme
2.4 ci-dessous), qui admet une preuve plus simple que ce dernier, via une suite exacte de
fibration.
On commence par d´
efinir quelques notations.
2.1. Soit K•un complexe born´
e dans une cat´
egorie ab´
elienne A, et soit Bun objet de A.
On d´
efinit
Exti
A(K•,B):=HomDb(A)(K•,B[i]),
o`
uDb(A)est la cat´
egorie deriv´
ee des complexes born´
es dans A, et B[i]est le complexe
constitu´
e d’un objet Ben degr´
e−i. Si Aest un objet de A, on a
Exti
A(A[0],B) = HomDb(A)(A[0],B[i]) =: Exti
A(A,B),
voir [GM, Def. III.5.3]. Par d´
efinition Ext0
A(A,B) = HomA(A,B).
On consid`
ere la cat´
egorie des Z-modules (groupes ab´
eliens), et on ´
ecrit Exti
Zpour Ext
dans cette cat´
egorie. Soit Aun groupe ab´
elien. On ´
ecrit Ators pour le sous-groupe de torsion
de A, et on pose As.t.:=A/Ators, alors As.t.est sans torsion. Il est clair que Ext0
Z(A,Z) =
Hom(A,Z) = Hom(As.t.,Z).
Lemme 2.2 (bien connu).Soit A un groupe ab´
elien de type fini, alors Ext1
Z(A,Z)∼
=
Hom(Ators,Q/Z).
Id´
ee de la preuve. En utilisant la r´
esolution injective de Z
0→Z→Q→Q/Z→0,
on montre que
Ext1
Z(A,Z)∼
=coker[Hom(A,Q)→Hom(A,Q/Z)],
mais
coker[Hom(A,Q)→Hom(A,Q/Z)] = coker[Hom(As.t.,Q)→Hom(A,Q/Z)]
=Hom(A,Q/Z)/Hom(As.t.,Q/Z) = Hom(Ators,Q/Z).
On poursuit cette section par le lemme crucial suivant :
Lemme 2.3. Soient G,G0deux k-groupes alg´
ebriques connexes et f :(G,X,x)→
(G0,X0,x0)un morphisme d’espaces homog`
enes `
a stabilisateurs respectifs H :=StabG(x)et
H0:=StabG0(x0), de sorte que le morphisme G →G0soit surjectif. On note G0:=ker(G→
G0)et X0:=f−1(x0). On suppose que H0, H et G0sont connexes. Alors on a une suite
exacte de groupes :
π´
et
1(X0,x)(p0)→π´
et
1(X,x)(p0)f∗
−→ π´
et
1(X0,x0)(p0)→1.
GROUPE FONDAMENTAL D’UN ESPACE HOMOG `
ENE 5
D´
emonstration. On d´
efinit les k-groupes lin´
eaires G1:=G×G0H0et H1:=H×GG1. Alors
on a une suite exacte canonique
1→G0→G1→H0→1,
donc en particulier le groupe G1est connexe. V´
erifions maintenant que X0est naturellement
un espace homog`
ene de G1, de stabilisateur H1: en restreignant l’action de G1sur X`
a la
sous-vari´
et´
eX0, on obtient un morphisme m:G1×X0→X. V´
erifions que X0est stable par
cette action de G1, c’est-`
a-dire que le morphisme mse factorise en un morphisme G1×
X0→X0. L’image de G1par le morphisme G→G0est le sous-groupe H0de G0, et l’image
de X0par le morphisme fest le point x0, dont le stabilisateur dans G0est exactement H0.
Par cons´
equent, on voit que le morphisme compos´
eG1×X0
m
−→ Xf
−→ X0est le morphisme
constant ´
egal `
ax0(i.e. il se factorise par x0: Spec(k)→X0), ce qui assure que le morphisme
mse factorise par l’inclusion X0=f−1(x0)→X, et donc md´
efinit bien une action de G1
sur X0. Il est alors clair que cette action est transitive et que le stabilisateur de xpour cette
action est exactement le sous-groupe H1=H×GG1de G1.
Montrons la surjectivit´
e de f∗. En utilisant [SGA1], expos´
e IX, corollaire 5.6, il suffit
de v´
erifier que fest un morphisme universellement submersif `
a fibres g´
eom´
etriquement
connexes, ce qui r´
esulte du fait que fest fid`
element plat et quasi-compact (voir [SGA3],
expos´
e VIB, proposition 9.2.(xiii).a) : les deux morphismes G→G0et G0→X0sont
fid`
element plats et de pr´
esentation finie), ainsi que du fait que G1est connexe.
Montrons maintenant l’exactitude de la suite en π´
et
1(X)(p0). Pour cela, on utilise le th´
eor`
eme
1.2 de [BrSz]. En effet, suivant [Sz], corollaire 5.5.9, il suffit de montrer que pour tout
revˆ
etement ´
etale galoisien Y→X, de degr´
e premier `
ap, tel que Y×XX0ait une section
sur X0, il existe un revˆ
etement ´
etale fini connexe Y0→X0, de degr´
e premier `
ap, tel qu’une
composante connexe de Y0×X0Xsoit munie d’un X-morphisme surjectif vers Y. Soit donc
un revˆ
etement ´
etale galoisien Y→X(de degr´
e premier `
ap) tel que Y0:=Y×XX0admette
une section s0:X0→Y0. Comme Hest connexe, le th´
eor`
eme 1.2 de [BrSz] assure qu’il
existe un groupe lin´
eaire connexe e
G, une isog´
enie centrale e
G→Get un relev´
ee
Hde H
dans e
Gtel que Y=e
G/e
H. On a donc un diagramme commutatif exact de la forme :
1//µ//e
G//
G//
1
Y=e
G/e
H//X=G/H,
o`
uµest un k-groupe fini de type multiplicatif, central dans e
G.
On d´
efinit alors le k-groupe f
G1:=e
G×GG1.
Consid´
erons le diagramme commutatif suivant :
e
G//
G
f
G1//
@@
G1
@@
Y//X
Y0//
>>
X0
>>
,
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