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EMES DE COFINALIT´
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EORIE
(D’APR`
ES THOMASON)
DENIS-CHARLES CISINSKI
Ces notes ne concernent que des assertions bien connues : elles ´etablissent des
r´esultats de cofinalit´e “non stricte” pour la K-th´eorie des cat´egories de Wald-
hausen. Ces derniers permettent une preuve du th´eor`eme de Gillet-Waldhausen
affirmant que pour toute petite cat´egorie exacte A, la fl`eche canonique
Ki(A)//Ki(Cb(A)) , i 0,
est un isomorphisme, ce qui n’est d´emontr´e par Thomason [2] que dans le cas o`u
Aest karoubienne.
1.D’une mani`ere g´en´erale, le foncteur nerf ´etant pleinement fid`ele, les petites
cat´egories seront not´ees de la mˆeme mani`ere, qu’elles soient vues comme des
cat´egories o`u comme des ensembles simpliciaux.
Si Aest une cat´egorie de Waldhausen, cAd´esigne la sous-cat´egorie des cofi-
brations, iAcelle des isomorphismes, et wA, celle des ´equivalences faibles.
Les cofibrations (resp. les ´equivalences faibles) sont not´ees
////(resp. //
).
Une suite exacte de Aest un diagramme de la forme
X////X////X′′
tel que le carr´e ci-dessous soit cocart´esien (0 d´esignant l’objet nul de A).
X////
X
0////X′′
SAest la cat´egorie de Waldhausen simpliciale d´efinie dans [3, §1.3].
Pour i0, on pose KiA=πi+1wSA.
2.Si Aest une cat´egorie de Waldhausen, le groupe K0Apeut ˆetre d´ecrit comme le
groupe (n´ecessairement ab´elien) libre engendr´e par les symboles [X], XOb A,
avec les relations :
Si X//
Yest une ´equivalence faible, alors [X] = [Y].
Si X////X////X′′ est une suite exacte, alors [X] = [X] + [X].
Cela implique en particulier que si Xet Ysont deux objets de A, on a l’´egalit´e
[XY] = [X] + [Y] (XYd´esignant la somme cat´egorique de Xet de Y). En
outre, tout ´el´ement de K0Aest de la forme [X][Y] o`u X, Y Ob A.
Date: 13 septembre 2002.
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3. D´efinition. Soit Aune cat´egorie de Waldhausen. Un sous-groupe Nde K0A
est cofinal (sous-entendu, dans A) si pour tout objet Xde A, il existe un objet
Yde Atels que [X] + [Y]N.
4. Remarque. Si Aest une cat´egorie de Waldhausen v´erifiant l’axiome de satu-
ration et l’axiome du cylindre, alors tout sous-groupe de K0Aest cofinal.
L’´enonc´e fondamental suivant est une l´eg`ere g´en´eralisation d’un th´eor`eme dˆu
`a Thomason (cf. [2, Cofinality Theorem, 1.10.1]).
5. Th´eor`eme (cofinalit´e galoisienne).On consid`ere une cat´egorie de Waldhau-
sen Aet un sous-groupe cofinal Nde K0A. On note ANla sous-cat´egorie de
Waldhausen de Aform´ee des objets Xtels que [X]N. Alors on a des isomor-
phismes canoniques
KiAN//
KiApour i1,
et K0AN//
NK0A.
D´emonstration. En vertu de [3, corollaire 1.5.7], on a une suite homotopiquement
fibr´ee
wSAN//wSA//wSF(A,AN).
On remarque aussitˆot que Im(K0AN//K0A) = N, et si on pose G=K0A/N,
on voit qu’il s’agit de construire une ´equivalence faible d’ensembles simpliciaux
wSF(A,AN)//
BG .
En consid´erant Gcomme un ensemble simplicial discret, on d´efinit des mor-
phismes
wSnF(A,AN)//
πGn,n0
comme suit. Pour p, q 0, on consid`ere l’application
wpSnFq(A,AN)//w0SnF0(A,AN) = snA
induite par les inclusions 0pet 0q. On a une application
snA//
ϕK0An
d´efinie par
ϕX = ([X0,1],[X1,2],... ,[Xn1,n])
= ([X0,1],[X0,2][X0,1],... ,[X0,n][X0,n1])
On obtient ainsi une application par composition
wpSnFq(A,AN)//snA//K0An//Gn.
On va montrer que πest une ´equivalence faible. Pour p0, wpSnF(A,AN) est
une cat´egorie, not´ee pour abr´eger Cp. Explicitement, Cpest la sous-cat´egorie de
cwpSnAdont les fl`eches sont les cofibrations X////Ytelles que Y/X soit
un objet de cwpSnAN(o`u on note pour toute cat´egorie de Waldhausen Aet
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tout entier k0, wpAla cat´egorie de Walhausen dont les objets sont les suite
d’´equivalences faibles de longueur k,i.e. des diagrammes de la forme
X0//
X1//
··· //
Xk,
dont les morphismes sont les diagrammes commutatifs ´evidents, et dont les ´equi-
valences faibles et les cofibrations sont d´efinies argument par argument). Il suffit
de montrer que les morphismes d’ensembles simpliciaux (ou de cat´egories)
Cp//
πGn
sont des ´equivalences faibles. Comme Gnest discret, il suffit encore de montrer
que pour tout gGn,π1(g) est contractile. Pour g= 0 = (0,... ,0), π1(0) =
cwpSnANest une cat´egorie admettant un objet initial et donc est contractile.
Pour en d´eduire une propri´et´e analogue, on commence par le lemme suivant.
6. Lemme. Pour tout ´el´ement gde Gn, il existe un objet Xde Cptel que πX =
g.
D´emonstration du lemme. L’application canonique Ob A//Gest surjective.
En effet, tout ´el´ement de K0Aest de la forme [X][Y] pour X, Y Ob A.
Comme Nest cofinal, tout objet Xde Aadmet un inverse modulo Ndans K0A.
Soit g= (g1,... ,gn)Gn. Chaque giest donc repr´esent´e par un objet Yide
A. La suite de cofibrations
0////Y1////Y1Y2////··· ////Y1 · · · Yn
d´efinit un objet Yde SnA. On note Xl’objet de wpSnAefini par la suite
d’´equivalences faibles
Y//
=Y//
=··· //
=Y .
On v´erifie imm´ediatement que πX =g.
Pour en revenir `a la preuve du th´eor`eme, consid´erons un ´el´ement gde Gn. On
peut donc choisir un repr´esentant X(resp. X) de g(resp. de g) dans Ob Cp.
On obtient deux foncteurs
π1(0) //
?Xπ1(g)et π1(g)//
?X
π1(0)
et les morphismes naturels (en Y)
Y////YXXet Y////YXX
montrent que ce sont des ´equivalences d’homotopie inverses l’une de l’autre. On
a ainsi montr´e que πest une ´equivalence faible, et en passant `a la diagonale, on
obtient de la sorte une ´equivalence faible
wSF(A,AN)//
BG ,
ce qui ach`eve la d´emonstration.
4 DENIS-CHARLES CISINSKI
7. D´efinition. Soient Aune cat´egorie de Waldhausen, et Aune sous-cat´egorie
de Waldhausen.
Aest stable par extensions si pour toute suite exacte
X////X////X′′ X, X′′ Ob A
Xest isomorphe `a un objet de A.
Aest pr´ecofinale si pour tout objet Xde A, il existe un objet Xde Atel que
XXsoit isomorphe `a un objet de A.
Aest cofinale si elle est `a la fois stable par extensions et pr´ecofinale.
8. Remarque. Si Aest pr´ecofinale dans A, alors Im(K0A//K0A) est un
sous-groupe cofinal dans A.
9. Lemme (l’astuce de Grayson).Soient Aune cat´egorie avec cofibrations, et
Aune sous-cat´egorie cofinale de A. On d´efinit une relation d’´equivalence sur
Ob Apar :
XYsi et seulement s’il existe deux objets Xet Yde Atels que XX
et YYsoient isomorphes.
On pose G=Ob A/, et on note X//< X > l’application canonique de
Ob Asur G. Alors la formule < X > +< Y >=< X Y > d´efinit une structure
de groupe ab´elien sur G. En outre, on a un isomorphisme canonique
coker(K0A//K0A)//
G .
D´emonstration. On reproduit ici en substance la preuve de [1, th´eor`eme 1.1].
Il est imm´ediat que Gest ainsi muni d’une structure de mono¨ıde commutatif et
que pour tout objet Xde A, on a < X >= 0. La pr´ecofinalit´e de Aimplique en
outre que Gest un groupe. D’autre part, si X////X////X′′ est une suite
exacte de A, alors < X >=< X>+< X′′ >. En effet, il existe deux objets Y
et Y′′ tels que XYet X′′ Y′′ soient isomorphes `a des objets de A. La suite
exacte
XY////XYY′′ ////X′′ Y′′
et la stabilit´e de Apar extensions dans Aimpliquent que XYY′′ est
isomorphe `a un objet de A. On en d´eduit les relations ci-dessous dans G.
0 =< X YY′′ >=< X > +< Y >+< Y ′′ >=< X > < X>< X′′ >
L’isomorphisme annonc´e s’en d´eduit aussitˆot (grˆace `a la description explicite du
foncteur K0).
10. Th´eor`eme (cofinalit´e discr`ete).Soient Aune cat´egorie avec cofibrations, et
Aune sous-cat´egorie cofinale de A. On note Nl’image du morphisme canon-
ique de K0Avers K0A. Alors le foncteur d’inclusion de Adans Ainduit des
isomorphismes KiAKiA,i1, et K0ANK0A.
D´emonstration. En vertu du th´eor`eme de cofinalit´e galoisienne et du th´eor`eme
de cofinalit´e stricte de Waldhausen [3], il suffit de montrer que pour tout objet
Xde AN, il existe un objet Xde Atel que XXsoit isomorphe `a un objet
de A. Or cela r´esulte facilement de l’astuce de Grayson.
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11. Corollaire. Soit Aune cat´egorie exacte. On note A+sa karoubiannis´ee.
Alors le foncteur d’inclusion induit des isomorphismes KiA ≃ KiA+,i1, et
une inclusion K0A ⊂ K0A+.
12. Th´eor`eme (cofinalit´e localis´ee).Soit Aune cat´egorie de Waldhausen v´erifi-
ant l’axiome de saturation ainsi que l’axiome du cylindre, et dont les ´equivalences
faibles soient stables par extensions. On consid`ere une sous-cat´egorie de Wald-
hausen cofinale Adans A, telle que le cylindre de Ase restreigne en un cylindre
sur A. Le foncteur d’inclusion induit des isomorphismes KiAKiA,i1, et
un monomorphisme K0AK0A.
La preuve de cet ´enonc´e utilise le r´esultat suivant (on rappelle que Awesigne
la sous-cat´egorie de Waldhausen de Aform´ee des objets asph´eriques, i.e. des
objets Xdont la fl`eche vers l’objet nul est une ´equivalence faible).
13. Lemme (cofinalit´e asph´erique).Sous les hypoth`eses ci-dessus, si Xest un
objet de Aw, et Yun objet de A(resp. de A) tels que XYsoit isomorphe `a
un objet de A, alors il existe un objet Yde Aw(resp. de Aw) tel que XY
soit isomorphe `a un objet de Aw.
D´emonstration. Soit Tun cylindre ad´equat de A, Σ d´esignant le foncteur de
suspension associ´e. On pose Z=T(Y//0), puis on d´efinit Y=ZΣX
(resp. Y=Z). On sait que Zest asph´erique et on a par construction une suite
exacte Y////Z////ΣY. En consid´erant la suite exacte
XY////XY////ΣXΣY
(resp. XY////XY////ΣY)
et la stabilit´e de Apar extensions, on en d´eduit que Yv´erifie la propri´et´e
escompt´ee.
D´emonstration du th´eor`eme de cofinalit´e localis´ee. Le lemme de cofinalit´e asph´e-
rique montre en particulier que Awest cofinale dans Aw. D’autre part, le th´eor`eme
de localisation de Waldhausen (cf. [3, Fibration Theorem]) implique que les deux
lignes horizontales du diagramme commutatif
iSAw//
iSA//
wSA
iSAw//iSA//wSA
sont des fibrations homotopiques. En passant aux longues suites exactes de grou-
pes d’homotopie, on en d´eduit aussiot grˆace au th´eor`eme de cofinalit´e discr`ete
des isomorphismes KiAKiApour i2, et une inclusion K1AK1A.
Si Fd´esigne la fibre homotopique du morphisme wSA//wSA, on obtient
d’autre part le diagramme commutatif suivant dont toutes les lignes et colonnes
sont exactes (on note K iAla K-th´eorie de Avue comme une cat´egorie avec
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