GROUPES D’AUTOMORPHISMES ET ´
EQUIVALENCES STABLES OU
D´
ERIV´
EES
RAPHA¨
EL ROUQUIER
Version pr´eliminaire : manquent la compatibilit´e avec les d´erivations, l’extension `a une base k“g´en´erale” et le
cas o`u les alg`ebres sont remplac´ees par des sch´emas
1. Introduction
Nous montrons que la composante connexe de l’identit´e du sch´ema en groupes des auto-
morphismes ext´erieurs d’une alg`ebre de dimension finie sur un corps alg´ebriquement clos est
invariante par diff´erentes sortes d’´equivalences.
Nous d´eveloppons un formalisme pour les familles alg´ebriques d’automorphismes (resp. d’au-
tomorphismes ext´erieurs) aux §3.3–3.4. L’invariance dans le cas d’´equivalences de Morita est
alors obtenue §4.1. L’invariance par ´equivalence d´eriv´ee est `a peine plus compliqu´ee : elle ne
n´ecessite en plus qu’une propri´et´e du support de la cohomologie de complexes parfaits. Cette
invariance a ´et´e obtenue ind´ependemment, et par des m´ethodes diff´erentes, par B. Huisgen-
Zimmermann et M. Saorin.
Le cas d’´equivalences stables entre alg`ebres auto-injectives est plus d´elicat. La rigidit´e des
modules projectifs est bien connue, celle de facteurs directs projectifs n’est pas nouvelle non
plus. Ces propri´et´es sont de nature locale et nous avons besoin d’un crit`ere qui nous assure de
la pr´esence globale d’un facteur direct projectif. C’est l’objet de la proposition 2.7.
On prend pour kun corps alg´ebriquement clos. Par vari´et´e, on entend un sch´ema s´epar´e de
type fini sur k. Par groupe alg´ebrique, on entend un sch´ema en groupe s´epar´e de type fini sur
k. On ´ecrira pour k.
Je remercie M. Brou´e et J.-P. Serre pour leurs commentaires et leurs suggestions.
2. Modules projectifs et rigidit´
e
Soit Aune k-alg`ebre finie et Xune vari´et´e sur k. Pour xpoint de X, on note k(x) le corps
r´esiduel en x(corps des fractions de Ox/x). Pour Fun OX-module, on note F(x) = FxOxk(x)
On ´ecrira parfois xX” pour “xest un point ferm´e de X”.
Les OX-modules consid´er´es seront toujours suppos´es coh´erents.
2.1. Support de complexes parfaits.
Lemme 2.1. Soit Cun complexe parfait de OX-modules et xun point ferm´e de Xtel que
Hi(CL
OXk(x)) = 0 pour i6= 0. Alors, il existe un voisinage ouvert de xtel que Hi(C|) = 0
pour i6= 0.
D´emonstration. Soit f:MNun morphisme entre OX-modules libres de type fini.
Si fOXk(x) est surjectif, alors fest surjectif dans un voisinage ouvert de x. Par dualit´e,
on en d´eduit que si fOXk(x) est injectif, alors fest une injection scind´ee dans un voisinage
ouvert de x.
Date: Mars 2000.
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Cela d´emontre le lemme lorsque Cest un complexe born´e de OX-modules libres de type fini.
On en d´eduit alors le lemme lorsque Cest parfait, puisque qu’il existe un voisinage ouvert Ude
xtel que C|Uest quasi-isomorphe `a un complexe born´e de OU-modules libres de type fini.
2.2. Rigidit´e des modules projectifs. Soit Mun (A⊗ OX)-module. On note ρMl’ap-
plication canonique HomA⊗OX(M, A ⊗ OX)HomA⊗OX(M, A/J(A)⊗ OX). On pose ¯
M=
M/ Tfim ρMker f. C’est un (A/JA ⊗ OX)-module.
Si Pest un A-module projectif et M=P⊗ OX, alors ρMest surjectif et ¯
M= hd(P)⊗ OX.
Lemme 2.2. Soit Mun (AOX)-module, localement libre comme OX-module. Soit xun point
ferm´e de Xtel que P=MOXk(x)est projectif. Alors, il existe un voisinage ouvert de x
tel que M|est isomorphe `a P⊗ O.
D´emonstration. On peut supposer X= Spec Raffine connexe. Consid´erons le morphisme f:
MP=M/xM 'MRR/x. Le morphisme canonique PRPR/x =Pse factorise
par fen g:PRM. Comme fg est surjectif, il existe un voisinage ouvert Ω de xtel que
g|est surjectif. Puisque le rang de Msur Rest la dimension de MRR/x, c’est aussi le rang
de PRsur R. Ainsi, g|est un isomorphisme.
2.3. Rigidit´e des facteurs projectifs.
2.3.1. Cas ponctuel. Nous rappelons comment trouver un facteur direct projectif maximal
lorsque la base Xest le spectre d’un corps.
Le quotient ¯
Mde Mest le plus grand tel que l’application canonique M¯
Mest projective :
Lemme 2.3. Supposons que Xest le spectre d’un corps. Le module Ma un facteur direct
projectif si et seulement si ρMest non nulle.
Soit P¯
Mune enveloppe projective de ¯
M. Alors, l’application canonique M¯
Mse
factorise en un morphisme surjectif MPdont le noyau n’a pas de facteur direct projectif.
2.3.2. Rigidit´e locale. Pour le reste de §2.3, nous supposerons Aauto-injective.
Le r´esulat suivant est classique (cf [DoFl, Corollaire 16] et [Da, Th´eor`eme 3.16]).
Lemme 2.4. Soit Mun (AOX)-module, localement libre comme OX-module. Soit xun point
ferm´e de Xet soit Pun A-module projectif facteur direct de M(x). Alors, il existe un voisinage
ouvert de xtel que P⊗ Oest facteur direct de M|.
D´emonstration. On peut supposer X= Spec Raffine. On a Ext1
AR(M, P x)'Ext1
R(PA
M, x). Puisque Aest auto-injective, Pest un A-module `a droite projectif. On en d´eduit
que PAMest un R-module projectif, donc le groupe d’extensions consid´er´e est nul. Par
cons´equent, un morphisme surjectif MP=PR/x se rel`eve en morphisme MP⊗ OX.
Ce morphisme est alors surjectif (et donc scind´e) dans un voisinage ouvert Ω de x.
Remarque 2.5. Le r´esultat n’est pas vrai pour des alg`ebres non auto-injectives, mˆeme lorsque
X= Spec Ravec Rlocale.
Prenons pour Al’alg`ebre des matrices triangulaires sup´erieures 2 ×2 sur k,R=k[t](t)et
M={µa
bt |a, b R}. Alors, Mest un (AR)-module ind´ecomposable et R-libre, mais
MRkest somme directe des deux A-modules simples, l’un d’eux ´etant projectif.
Plus g´en´eralement, soit Aune alg`ebre qui n’est pas auto-injective et soit Pun A-module
projectif ind´ecomposable non injectif. Soit f:PIune enveloppe injective et N= coker f.
Soit ζExt1
A(N, P ) d´etermin´e par l’extension. Soit ξ=Ext1
AR(NR, P R) et Mle
(AR)-module extension de NRpar PRd´etermin´e par cette classe. Alors, le facteur
direct projectif Pde MRkne se remonte pas en un facteur direct projectif de M.
VERSION DU 20 avril 2000 3
2.3.3. Cas g´en´eral.
Lemme 2.6. Soit Rune k-alg`ebre commutative, Iun id´eal nilpotent de Ret Mun (AR)-
module, projectif comme R-module. Alors, tout facteur direct projectif de MRR/I se rel`eve
en un facteur direct projectif de M.
D´emonstration. Les (AR/I)-modules projectifs se rel`event en des (AR)-modules projectifs.
Soit donc Nun (AR)-module projectif et f:MNRR/I un morphisme surjectif. On a
Ext1
AR(M, N RI)'Ext1
R(HomR(N, R)ARM, I) et on d´eduit comme dans la preuve du
lemme 2.4 que fse rel`eve en un morphisme surjectif MN.
Sous certaines hypoth`eses, on peut “recoller” les facteurs directs projectifs.
Proposition 2.7. Supposons Xaffine. Soit Mun (A⊗ OX)-module, localement libre comme
OX-module et soit Pun A-module projectif. Supposons
(i) pour tout point ferm´e x, le A-module Pest facteur direct de M(x)
(ii) pour tout point g´en´erique ηd’une composante irr´eductible de X, le A⊗ Oη-module Mη
n’a pas de facteur direct projectif contenant strictement P⊗ Oη.
Alors, il existe un (A⊗ OX)-module projectif Qfacteur direct de Mtel que Q(x)'Ppour
tout point ferm´e x.
D´emonstration. D’apr`es le lemme 2.6, on peut supposer Xeduit. Soit xun point ferm´e de X.
D’apr`es le lemme 2.4, il existe un (A⊗ Ox)-module M0tel que Mx'M0P⊗ Ox. Si ηest un
point g´en´erique dont l’adh´erence contient x, alors le morphisme ρM0
ηest nul puisque M0
ηn’a pas
de facteur direct projectif (lemme 2.3). On en d´eduit que ρM0est nul, puisque Oxest r´eduit.
Par cons´equent, ¯
Mx'hd(P)⊗ Ox.
Le (A⊗ OX)-module ¯
Mest donc un OX-module projectif. Puisqu’il est A-semi-simple, il
est somme directe de modules SFS, o`u Sd´ecrit les classes d’isomorphisme de A-modules
simples et FSest un OX-module projectif ou nul. Fixons alors un morphisme surjectif h:Q=
LSPSFS¯
M, o`u PSest une enveloppe projective de S. Ce morphisme se factorise par la
surjection canonique M¯
Men g:QM. Le morphisme HomOX(g, OX) est surjectif, car il
l’est en tout point ferm´e. Puisque HomOX(Q, OX) est projectif, le morphisme HomOX(g, OX)
est donc une surjection scind´ee et finalement gest une injection scind´ee.
Remarque 2.8. L’hypoth`ese aux points g´en´eriques n’est pas superflue.
Soit X=UVun recouvrement ouvert de Xavec U, V 6=Xet M0, M00 des (A⊗ OX)-
modules ind´ecomposables, OX-projectifs mais non (A⊗ OX)-projectifs, tels que M0
|U'P⊗ OU
et M00
|V'P⊗ OVpour un A-module projectif P. Alors, M=M0M00 ne poss`ede pas de
facteur direct projectif, bien que Psoit facteur direct de M(x) pour tout point ferm´e x.
3. Groupes d’automorphismes d’alg`
ebres
3.1. Soit Gun groupe alg´ebrique d’automorphismes de A. Soit ∆A:AAOGle morphisme
associ´e. Alors, ∆Aest un morphisme d’alg`ebres (en particulier, g·(ab) = (g·a)(g·b) pour gG
et a, b A). En outre, on a un diagramme commutatif
AA//
A
²²
A⊗ OG
1
²²
A⊗ OGA1
//A⊗ OG⊗ OG
o`u ∆ : OG→ OG OGest la comultiplication (en particulier, g·(g0·a) = (gg0)·apour g, g0G
et aA).
4 RAPHA¨
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3.2. Structure.
3.2.1. On a une suite exacte de groupes alg´ebriques :
11 + J(A)A×(A/J(A))×1
et 1 + J(A) est le radical unipotent de A×. On a une filtration 1 + J(A)1 + J2(A) · · ·
dont les quotients successifs sont des groupes unipotents commutatifs Gr
a.
Soit Sune sous-alg`ebre semi-simple maximale de A,i.e., l’image d’une section du morphisme
d’alg`ebres AA/J(A). On a alors A×= (1 + J(A)) oS×.
Soit Aut(A) le groupe d’automorphismes de A(vu comme sch´ema en groupe sur k). On note
Int(A) son groupe d’automorphismes int´erieurs, image de A×par le morphisme canonique de
conjugaison ad : A×Aut(A). C’est un sous-groupe ferm´e distingu´e lisse et connexe.
On a une suite exacte
1(ZA)×A×Int(A)1.
Elle fournit une d´ecomposition
Int(A) = ((1 + J(A))/(1 + J(ZA))) o(S×/(ZA)×S×).
Lemme 3.1. Soit Hun sous-groupe ferm´e distingu´e d’un groupe alg´ebrique Get f:GG/H
le morphisme quotient. Si Hest extension de groupes additifs Gaet de groupes multiplicatifs
Gm, alors, fest localement scind´e comme morphisme de vari´et´es.
D´emonstration. (cf [Se, VII §1.6]) Il suffit de d´emontrer le lemme lorsque G/H est connexe.
Soit ηle point g´en´erique de G/H. Son image inverse dans Gest un espace homog`ene principal
sous H, donc est trivial, i.e., poss`ede un point rationnel sur k(η) (car un espace homog`ene
principal sous un groupe Gaou Gmest trivial). Un tel point fournit une section rationnelle du
morphisme f.
Il r´esulte du lemme 3.1 que
Proposition 3.2. Le morphisme canonique de vari´et´es A×Int(A)est localement scind´e.
3.2.2. Soit Out(A) le quotient Aut(A)/Int(A).
La composante connexe de l’identit´e Aut0(A) de Aut(A) est contenue dans le sous-groupe des
´el´ements qui fixent les classes d’isomorphismes de modules simples (=qui agissent int´erieurement
sur A/JA).
Si A=A1A2, alors Out0(A) = Out0(A1)×Out0(A2). Si Aest simple, alors Out(A) = 1.
Soit F(A) le sous-groupe ferm´e distingu´e de Aut0(A) form´e des ´el´ements qui agissent trivia-
lement sur A/J(A).
Puisque le morphisme d’alg`ebres AA/J(A) est scind´e et que Aut0(A/J(A)) = Int(A/J(A)),
on en d´eduit que l’on a une suite exacte scind´ee
1F(A)Aut0(A)Int(A/J(A)) 1
et Aut0(A) = F(A)·Int(A), i.e., le morphisme canonique F(A)Out0(A) est surjectif.
On a
F(A)Int(A) = ((1 + J(A))/(1 + J(ZA))) o((ZS)×/(ZA)×S×).
On d´eduit du lemme 3.1 que le morphisme canonique F(A)Out0(A) est localement scind´e,
donc que
Proposition 3.3. Le morphisme de vari´et´es Aut(A)Out(A)est localement scind´e.
3.3. Familles alg´ebriques d’automorphismes.
VERSION DU 20 avril 2000 5
3.3.1. Soit Xune vari´et´e. Se donner un morphisme πde Xdans l’espace des endomorphismes
de k-espace vectoriel de Arevient `a se donner un morphisme de faisceaux de k-espaces vectoriels
sur X,ρ:AA⊗ OX. Demander que le morphisme πsoit `a valeur dans l’espace des
endomorphismes d’alg`ebre revient `a demander que ρsoit un morphisme d’alg`ebres. Demander
que fsoit `a valeurs dans la vari´et´e des endomorphismes inversibles revient `a demander que le
morphisme ρ1 : A⊗ OXA⊗ OXsoit un isomorphisme (i.e., pour tout point ferm´e xde
X, le morphisme compos´e Aρ
A⊗ OXAk(x) = Aest un isomorphisme).
On munit la cat´egorie des vari´et´es au-dessus de Aut(A) de la structure mono¨ıdale donn´ee
par
(X, π)(X0, π0) = (X×X0, m ·(π×π0))
o`u m: Aut(A)×Aut(A)Aut(A) est la multiplication. L’´el´ement neutre en est l’´el´ement
unit´e de Aut(A), Spec kAut(A).
La correspondance d´efinie pr´ec´edemment est un isomorphisme de cat´egories mono¨ıdales entre
la cat´egorie des vari´et´es au-dessus de Aut(A) et la cat´egorie Dconstruite comme suit.
Ses objets sont les paires (X, ρ) o`u Xest une vari´et´e et ρ:AA⊗ OXun morphisme
d’alg`ebres tel que ρ1 : A⊗ OXA⊗ OXest un isomorphisme.
Les morphismes de (X, ρ) vers (X0, ρ0) sont les morphismes φ:XX0tels que ρ=φ(ρ0).
Le produit tensoriel est donn´e par
(X, ρ)(X0, ρ0) = (X×X0, ρ00)
o`u ρ00 =ρAρ0:A(AOX)A(AOX0)
AOX×X0. L’´el´ement neutre est (Spec k, IdA).
3.4. Automorphismes et bimodules.
3.4.1. On d´efinit maintenant une cat´egorie C.
Les objets de Csont les triplets (X, M, f) o`u Xest une vari´et´e, Mun (AAOX)-module,
libre de rang 1 comme (A⊗ OX)-module et comme (A⊗ OX)-module et fun isomorphisme
de A⊗ OXvers la restriction de M`a (A⊗ OX).
Un morphisme de (X, M, f) vers (X0, M0, f 0) est un morphisme φ:XX0tel que l’isomor-
phisme de (A⊗ OX)-modules φ(f0)f1:M
φM0commute `a l’action de A(i.e., est un
isomorphisme de (AA⊗ OX)-modules).
On munit la cat´egorie Cd’un produit par
(X, M, f)(X, M 0, f0) = (X×X0, M AM0, f Af0).
Avec l’´el´ement neutre (k, A, IdA), on fait de Cune cat´egorie mono¨ıdale.
3.4.2. Soit (X, ρ) dans D. Soit Mle (AA⊗ OX)-module A⊗ OXo`u l’action de Ase fait
via ρet l’action de A⊗ OXpar multiplication.
Le module Mest libre de rang 1 comme (A⊗ OX)-module et comme (A⊗ OX)-module. On
a construit un objet (X, M, IdM) de C.
Soit (X0, ρ0) dans Det φ:XX0. Alors, ρ=φ(ρ0) si et seulement si φ(f0)f1:M
φM0commute `a l’action de A. Par cons´equent, on a une ´egalit´e entre les sous-ensembles
Hom((X, ρ),(X0, ρ0)) et Hom((X, M, IdM),(X0, M0,IdM0)) de Hom(X, X0).
La correspondance (X, ρ)7→ (X, M, IdM) d´efinit un foncteur pleinement fid`ele F0:D → C.
Soit (X, M, f) un objet de C.
On a un isomorphisme canonique (multiplication `a gauche)
A⊗ OX
EndA⊗OX(A⊗ OX).
Via f, il induit un isomorphisme
α:A⊗ OX
EndA⊗OX(M).
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