Groupe de Travail Angers-Nantes 2006-2007
Expos´e 5 : Champ topologique
Jean-Claude Thomas
May 28, 2007
Cet expos´e est une introduction `a la th´eorie des champs topologiques. Le mat´eriel expos´e ici est issu de [9]
et de [10].
1 Introduction
1.1 Histoire
La notion de champ alg´ebrique `a ´et´e introduite par A. Grothendieck, d´evelopee par P. Deligne
et D. Mumford en 1969 et ´etendue par M. Artin en 1974. Le livre de G. Laumon et L. Moret-
Bailly, [6], constitue un expos´e complet de cette th´eorie. Les travaux de J.-P. Serre et H. Bass
sur les graphes de groupes, ceux de W. Thurston sur les l’´etude des orbi-vari´et´es et les r´esultats
r´ecents de Freed-Hopkins-Teleman ont motiv´e l’introduction de la notion de champ topologique
et celle de champ diff´erentiable (Voir par exemple, [4], [8], [12], [2], [1], [3],... ).
1.2 Qu’est-ce qu’un champ topologique?
Dans l’expos´e 4 nous avons d´efini un champ sur un espace topologique Xcomme un 2-foncteur
(appel´ee aussi cat´egorie fibr´e sur X)
ˆ
O(X)op Grpo¨ıde
qui v´erifie les axiomes de recollement des objets et des fl`eches.
La cat´egorie des ouverts de X, not´ee O(X), est un exemple de site (Cf ci-dessous). Citons
d’autres exemples de sites :
a) la cat´egorie Tdes espaces topologiques de Tychonoff `a base d´enombrable. C’est une petite
cat´egorie qui est ferm´ee par limites et colimites finies. (Top n’est pas une petite cat´egorie)
b) la cat´egorie Vdes vari´et´es diff´erentiables dont l’espace topologique sous-jacent est un espace
s´epar´e `a base d´enombrable. C’est une petite cat´egorie. (Var est ferm´ee par produits et copro-
duits finis mais pas par pullbacks ni par pushouts.)
c) Sch la cat´egorie des scemas.
Une extension de la d´efinition de champ sur un espace topologique conduit `a celle de champ
sur un site arbitraire. Un champ topologique (resp. diff´erentiable, alg´ebrique) est un champ sur
le site T, (resp. V,Sch) qui admet une “carte qui est une fibration localement triviale”.
Le reste de l’expos´e consiste `a expliciter ces derni`eres lignes dans le cas topologique . Pour
le cas alg´ebrique (resp. diff´erentiable) nous renvoyons `a [11], [5] ou [6] (resp. [9], [8]).
1
2 Rappels des notations introduites dans l’expos´e 4
Toute cat´egorie Cpeut ˆetre consid´er´ee comme une 2-cat´egorie
ˆ
C:
Objets : ceux de C
1-morphismes : les fl`eches de C
2-morphismes : les seules idf:f=f
et ˆ
Cop :
Objets : ceux de C
1-morphismes : les fl`eches de Cop
2-morphismes : les seules idf:f=f
Grpo¨ıde la 2-cat´egorie
Objets : groupo¨ıdes G,H, ...
1-morphismes : GΦ
H(foncteur) ,(x7→ Φ(x)
ϕ7→ Φ(ϕ)
2-morphismes : Φ τ
=Ψ (transformation naturelle)
Soient C:(Objets :X, Y
Fl`eches :Xf
Xun cat´egorie et ˆ
Cla 2-cat´egorie associ´ee.
Une cat´egorie fibr´ee au-dessus de Cest un 2-foncteur
ˆ
Cop F
Grpo¨ıde
X7→ F(X) (F(X) est un groupo¨ıde)
(Yf
X)7→ F(X)f:=F(f)
F(Y)(fest un foncteur)
(Zg
Yf
X)7→ (fg)F(f,g)
=gf(F(f, g) est un isomorphisme naturel)
tel que pour tout Wh
Zle diagramme ()
(fgh)F(fg,h)+3
F(f,gh)
k(fg)
hF(f,g)
(gh)f
F(g,h)f+3hgf
commute.
Etant donn´e deux cat´egories fibr´ees ˆ
Cop F
Grpo¨ıde et ˆ
Cop G
Grpo¨ıde, un morphisme de
cat´egories fibr´ees (un 1-morphisme) est la donn´ee
FF
G
XC0,F(X)FX
G(X)(un foncteur) (x7→ FX(x)
ϕ7→ FX(ϕ)
fC(Y, X),FYfFf
=fFX(un isomorphisme naturel)
3 Champ sur un site
3.1 Site
Fixons une cat´egorie C.
(1) Etant donn´e un objet Xde Cun crible sur X(sieve en anglais) est une famille de fl`eches
de but X, not´ee S, telle que si iSet si j//
ij
33
i//Xexiste alors ijS.
(2) Etant donn´e une fl`eche kC(Y, X) le pull-back du crible Sle long de kest le crible
kS={j , t(j) = Y , k jS}.
(3) Le crible maximal sur Xest tX:= {i , t(i) = X}.
(4) Une topologie de Grothendieck sur Cest la donn´ee pour chaque objet Xde Cd’une famille
de cribles, not´ee J(X), telle que :
1. tXJ(X),
2. Si SJ(X) alors pour toute fl`eche kC(Y, X) nous obtenons kSJ(Y)
2
3. Soit SJ(X). Pour tout crible Rsur Xv´erifiant, pour toute fl`eche kC(Y, X),
kR(, X)J(Y) alors R(, X)J(X).
(5) Un site est une petite cat´egorie qui poss`ede une topologie de Grothendieck.
(6) Une famille couvrante de Xest une famille de fl`eches de Cde but Xqui v´erifie :
1. si i:YXest un iso alors {i}est une famille couvrante de X.
2. si {iα:XαX}αΛest une famille couvrante de Xalors pour tout αΛ et tout
jC(Z, X) le pullback
Xα×iα,j Z
π1
α
π2
α//Z
j
Xαiα//X
existe dans Cet (Xα×iα,j Zπ2
α//Z)αΛ
est une famille couvrante de Z.
3. Si {iα:XαX}αΛest une famille couvrante de Xet si pour chaque αΛ il existe
une famille couvrante {jα,β :Xα,β Xα}βαde Yαalors {iαjα,β :Xα,β X}αΛαest
une famille couvrante de X.
(7) Une base de la topologie Jde Cest la donn´ee pour chaque objet Xde Cd’un ensemble
K(X) de familles couvrantes satisfaisant :
SJ(X) ssi RK(X) tel que RS .
Exemples.
1) O(X) est un site.
Un crible de Xest la donn´ee d’un ouvert Ude Xainsi que tous les ouverts VU.
L’ensemble, not´e tU, des ouverts de Xcontenu dans Uest appel´e la topologie de U. C’est le
crible maximal de U.
U7→ J(U) = {tU}d´efinit une topologie de Grothendieck car 2. signifie que les inclusions sont
continues et 3. que si VUalors un ouvert de Vest un ouvert de U.
Une famille couvrante de Uest la donn´ee d’un recouvrement ouvert de Uainsi que tous ses
raffinements.
2) Soit Xun objet de Talors la cat´egorie des objets sur X, not´ee T/X est un crible.
Prenons comme famille couvrante de l’objet Yu
Xune famille, index´ee par αΛ, de triangles
commutatifs
Yα
iα//
uα
A
A
A
A
A
A
A
AY
u
~
~
~
~
~
~
~
~
X
telle que chaque iαsoit un plongement ouvert et [
αΛ
iα(Yα) =
Y. Lorsque X={∗} alors T/X =Test un site.
3) Soit Xun objet de Valors la cat´egorie des objets sur X, not´ee V/X est un crible.
Une famille couvrante est d´efinie comme ci-dessus mais ici l’existence du pull-back dans l’axiome
2. est `a ´etablir, [9, Lemma 71].
Lorsque X={∗} alors V/X =Vest un site.
3.2 Faisceau d’ensembles sur un site
1) Un pr´efaisceau sur une cat´egorie Cest un foncteur F:Cop Ens
2) Soit (C, J) un site et Fun pr´efaisceau sur C. Une famille d’´el´ements compatibles sur un
objet Xde Cest un une famille {iα, xα}αΛo`u
a ) {Xα
iα//X}αΛest une famille couvrante de X
3
b) pour chaque αΛ, d’un objet xαde F(Xα) v´erifiant, pour tout α, β Λ,
F(iα
α,β)(xα) = F(iβ
α,β)(xβ) lorsque l’on consid`ere les pullbacks
Xα,β
iα
α,β
iβ
α,β //Xβ
iβ
.
Xαiα//X
3) Un pr´efaisceau s´epar´e d’ensembles (resp. un faisceau d’ensemble ) sur un site (C, J) est
un pr´efaisceau Ftel que pour tout objet Xet tout famille{xα}αΛd’´el´ements compatibles sur
Xil existe au plus un (resp. un et un seul) ´el´ement x∈ F(X) tel que
F(fα)(x) = xα.
Exemple. La notion de faisceau associ´e `a un pr´efaisceau se g´en´eralise ais´ement.
3.3 Cat´egorie de descente
Soient (C, J) un site, Xun objet de Cet ˆ
Cop F
Grpo¨ıde une cat´egorie fibr´ee.
A une famille couvrante {Xα
iα//X}αΛd’un objet Xde Csont associ´es les diagrammes
Xα,β
iα
α,β //
iβ
α,β
Xα
iα
Xα,β
iα,β
++
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
iα,β
α,β;;
v
v
v
v
v
v
v
v
viα,γ
α,β//
iβ
α,β
Xα,γ
iα
α,γ <<
z
z
z
z
z
z
z
z
iγ
α,γ
Xβiβ
//X
Xβiγ
α,γ
//
iβ
β;;
v
v
v
v
v
v
v
v
vXγ
iγ
<<
z
z
z
z
z
z
z
z
z
,F(Xα,β)
(iα,β
α,β)
xxrrrrrrrrrr
F(Xα)
(iα
α,β )
oo
yyttttttttt
F(Xα,β)F(Xα,γ )
(iα,γ
α,β)
oo
F(Xβ)
(iβ
β)
xxrrrrrrrrrr
(iβ
α,β )
OO
F(X)
i
β
oo
i
γ
yyttttttttt
i
α
OO
F(Xβ)
(iα,β
α,β)
OO
F(Xγ)
(iγ
β)
oo
(iγ
α,γ )
OO
o`u les faces de celui de gauche sont des pullbacks et le diagramme de droite est non commutatif.
Exemples. En consid´erant la face post´erieure et i
α(x)φα//i
α(y) ou la face sup´erieure et
(iβ
α,β)(xβ)ψα,β //(iα
α,β)(xα), nous d´efinissons une restriction φα|Xα,β (d´efinies `a isomorphisme
naturel pr`es) et la restriction ψα,β |Xα,β
`a l’aide des diagrammes ci-dessous o`u les fl`eches verti-
cales sont des isomorphismes naturels :
(iα
α,β)i
α(x)(iα
α,β )(φα)//(iα
α,β)i
α(y)
(iα,β)(x)
=
OO
φ0
α|Xα,β --(iα,β)(y)
=
OO
(iα,β)(x)
=
φ00
α|Xα,β
11
KS
(iα,β)(y)
=
(iβ
α,β)i
β(x)(iβ
α,β )(φα)//(iβ
α,β)i
β(y)
,
(iα,β
α,β)(iβ
α,β)(xβ)(iα,β
α,β)(ψα,β )
//(iα,β
α,β)(iα
α,β)(xα)
(iβ
α,β)(xβ)
=
OO
ψα,β |Xα,β//(iα
α,β)(xα)
=
OO
Fixons un site (C, J) et une cat´egorie fibr´ee ˆ
Cop F
Grpo¨ıde. A chaque objet Xde C
associons la cat´egorie, not´ee Desc.(X), telle que :
4
a) un objet est le syst`eme ({iα}αΛ,{xα}αΛ},{ψα,β }α,βΛ}) o`u
{Xα
iα//X}αΛest une famille couvrante de X
chaque xαest un objet de F(Xα)
chaque ψα,β est un isomorphisme de F(Xα,β )i
α,β(xβ), i
α,β(xα)qui v´erifie
la condition de cocycle ψα,β|Xα,β
ψβ|Xα,β
=ψα,γ |Xα,β
b) une fl`eche ({iα}αΛ,{xα}αΛ},{ψα,β}α,βΛ})//({iα}αΛ,{yα}αΛ},{ϕα,β }α,βΛ})est
une famille de fl`eches φα∈ F(Xα)(xα, yα) telle que chaque diagramme commute :
(iβ
α,β)(xβ)
ψα,β
(iβ
α,β )(φβ)//(iβ
α,β)(yβ)
ϕα,β
(iα
α,β)(xα)(iα
α,β )(φα)//(iα
α,β)yα)
3.4 Champs sur un site
Un pr´echamp (resp. un champ) sur un site (C, J) est une cat´egorie fibr´ee ˆ
Cop F
Grpo¨ıde telle
que pour chaque objet Xde Cle foncteur
DX:F(X)Desc.(X),
DX(x) = {i
α}αΛ, i
α(x)}αΛ,{((iα
α,β)(iα))1(iβ
α,β)(iβ)}αΛ
DX(xf//y) = {i
α(x)i
α(f)//i
α(x)}αΛ!
est un foncteur plein et fid`ele (resp. une ´equivalence de cat´egories).
Rappelons qu’un foncteur F:CDest :
a) plein (resp. fid`ele ) si ´etant donn´e deux objets cet c0de Cet une fl`eche gD(F(c), F (c0))
il existe au moins une (resp. au plus une) fl`eche fC(c, c)0telle que F(f) = g.
b) une ´equivalence de cat´egories s’il existe un foncteur G:DCtel que GF IdCet
F G IdD.
La notion de pr´echamp sur un site est “plus rigide” que celle de champ. Le lemme 3 de
l’expos´e 4 se g´en´eralise ais´ement.
Les champs au-dessus d’un site (C, J) forment une bicat´egorie, not´ee Champ(C,J), qui est
une sous-bicat´egorie pleine de FibcatC.
Exemples.
1) Les exemples 1, 2, 3, 4 et de l’expos´e 4 §5.2 sont des champs sur le site O(X).
2)Champ associ´e `a un espace topologique. Soit Mun objet fix´e de T. Le champ associ´e `a
Mest : ˆ
Top M
Grpo¨ıde
X7→ M(X) :=<T(X, M )>
Yf
X7→
<T(X, M )>Mf=(uf
7→uf)
<T(Y, M)>
Zg
Yf
X7→ (fg)Mf,g gf!
Le foncteur TChampT(M7→ M
(Mu
N)7→ (Mu
N)o`u ud´esigne le morphisme de
champs
M(X)uX
N(X)(f7→ uX(f) = uf
idf7→ uX(idf) = iduf
(Yg
X)7→ uYgugguX, est un plongement fid`ele de cat´egories.
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