G´eom´etrie alg´ebrique/Algebraic Geometry
Un lemme de descente
Arnaud BEAUVILLE et Yves LASZLO
R´esum´e Soient A un anneau, fun ´el´ement simplifiable de A , b
A le s´epar´e
compl´et´e de A pour la topologie (f)-adique. Nous prouvons que la donn´ee d’un fibr´e
vectoriel sur Spec(A) ´equivaut `a celle d’un fibr´e sur l’ouvert f6= 0 de Spec(A) et sur
Spec(b
A) , et d’un isomorphisme de leurs images r´eciproques sur l’ouvert f6= 0 de Spec(b
A) .
A descent lemma
Abstract – Let A be a ring, fa nonzero divisor in A , b
A the completion of A for
the (f)-adic topology. We prove that the data of a vector bundle on Spec(A) is equivalent
to the data of a vector bundle on the open subset f6= 0 of Spec(A) and on Spec(b
A) ,
together with an isomorphism of their pull back to the open subset f6= 0 of Spec(b
A) .
Abridged English Version: Let A be a ring, fa nonzero divisor in A , b
A the
completion of A for the (f)-adic topology. We denote by Afand b
Afthe ring of
fractions A[1/f] and b
A[1/f] . To any A-module we can associate an Af-module
F = Mf, an b
A-module G = b
AAM and an b
Af-isomorphism ϕ:b
AAFGf.
Conversely, can we recover an A-module from the data (F,G, ϕ) ? This turns out
to be true under the assumption that M is f-regular, i.e. that the homothety fM
is injective:
THEOREM .Suppose given:
– an Af-module F;
– an f-regular b
A-module G;
– an b
Af-linear isomorphism ϕ:b
AAFGf.
Then there exists a f-regular A-module Mand isomorphisms α: MfF,
β:b
AAMGsuch that ϕis the composition of
b
AAF1α1
b
AAMf
βf
Gf.
The triple (M, α, β)is uniquely determined up to a unique isomorphism.
If Fand Gare finitely generated (resp. flat, resp. projective and finitely
generated), then Mhas the same property.
Though this looks like a classical descent problem, it does not seem to follow
directly from Grothendieck’s faithfully flat descent theory: if A is not noetherian,
the map A b
A is not flat.
Proof: Put B = Af×b
A , and let ρ: A B be the canonical map. The homomor-
phism ρis faithful, which means that for each nonzero A-module M the B-module
1
BAM is nonzero. This implies that a homomorphism u: M N is surjective if
and only if u(B) : M(B) N(B) is surjective.
Let us prove the unicity first. The canonical map Af/Ab
AA(Af/A) is
easily seen to be an isomorphism. Therefore we have an exact sequence
0AAfb
Af/b
A0.
Let (M, α, β) be a triple as in the Theorem. Since M is f-regular one has
TorA
1(A/fnA,M) = 0 for each n, and therefore TorA
1(Af/A,M) = 0 , so we get an
exact sequence
0MMf(b
AfAM)/(b
AAM) 0.
Using the isomorphisms αand βwe can write this as
0MFϕ
Gf/G0,
where ϕis deduced from ϕin the obvious way. This implies the unicity assertion.
Conversely, starting from a triple (F,G, ϕ) , we consider the A-linear map
ϕ: F Gf/G deduced from ϕ; we claim that it is surjective. Since ρis faithful
and AfA(Gf/G) = 0 , it is enough to check this after tensor product with b
A .
But 1b
Aϕ:b
AAFGf/G is the composition of the isomorphism ϕand the
canonical surjection π: GfGf/G , hence our assertion.
We put M = Ker ϕ, so that we have an exact sequence
0Mi
Fϕ
Gf/G0.
By tensor product with Afwe see that if: MfF is an isomorphism: we denote
it by α. One checks that TorA
1(b
A,Gf/G) = 0 , so tensor product with b
A gives an
exact sequence
0b
AAM1i
b
AAFπϕ
Gf/G0,
therefore the map β:= ϕ(1b
Ai) is an isomorphism of b
AAM onto G . By
construction βf(1b
Aα1) coincides with ϕ.
The last assertions can be deduced without difficulty from the fact that ρis
faithful.
Remarks .1) In categorical terms, the theorem can be formulated in the following
elegant way (due to [F-R]). For each ring R , let us denote by M(R) the category of
R-modules; for fR , let Mf(R) be the full subcategory of M(R) whose objects
are the f-regular R-modules. Then the diagram of categories
2
Mf(A) Mf(b
A)
y
y
M(Af)M(b
Af)
where the arrows are the natural base extension functors, is cartesian.
2) The theorem can be easily generalized to a global situation. Let us just
mention here the following corollary, which was our original motivation (the proof
we gave in [B-L] is rather sketchy). Let X be an algebraic curve over a field k,pa
smooth rational point of C , za local coordinate at p, R a k-algebra. Then there
is a functorial bijection between the set of isomorphism classes of triples (E, τ, σ),
where Eis a rank rvector bundle on XRand τ,σtrivializations of Eover
(X p)Rand DRrespectively, and the group GLrR((z)).
Version fran¸caise:
1. INTRODUCTION. – Soient A un anneau commutatif, fun ´el´ement simplifiable
de A , b
A le s´epar´e compl´et´e de A pour la topologie (f)-adique. Notons comme
d’habitude Afet b
Afles anneaux de fractions A[1/f] et b
A[1/f] . A chaque A-
module M on associe un Af-module F = Mf, un b
A-module G = b
AAM et un
b
Af-isomorphisme ϕ:b
AAFGf. Dans cette note nous consid´erons le probl`eme
inverse: peut-on reconstruire un A-module `a partir des donn´ees (F,G, ϕ) ?
Il s’agit d’un probl`eme de descente tel que l’on en rencontre fr´equemment en
g´eom´etrie alg´ebrique, o`u ce genre de technique joue un rˆole fondamental. Cepen-
dant, comme nous l’ont fait observer V. Drinfeld et M. Rapoport, l’´enonc´e ne ren-
tre pas directement dans le cadre de la descente fid`element plate d´evelopp´ee par
A. Grothendieck. Dans celle-ci, la donn´ee de descente sur F ×G n’est pas constitu´ee
seulement de l’isomorphisme ϕ, mais aussi d’un isomorphisme b
AAGGAb
A .
Plus s´erieusement, si A n’est pas noeth´erien, l’homomorphisme A b
A n’est pas
n´ecessairement plat 1, ce qui exclut tout recours `a la descente fid`element plate.
Il est possible que l’´enonc´e r´esulte d’une g´en´eralisation convenable de la th´eorie
de Grothendieck. Nous nous contenterons ici d’une solution ´el´ementaire du probl`eme
sp´ecifique que nous venons de d´ecrire. Cette approche ´etait d´ej`a indiqu´ee dans [B-L,
prop. 1.4], mais dans un cadre plus restreint, et avec fort peu de d´etails; c’est ce qui
nous a sembl´e justifier cette note.
1Voir remarque 4 ci-dessous.
3
2. HOMOMORPHISMES FID`
ELES. – Nous conservons les notations de l’introduction,
qui se r´esument dans le diagramme suivant
b
Ab
Af
x
x
AAf.
Il est important de remarquer que l’´el´ement fest encore simplifiable dans b
A ;
on peut le voir par exemple en ´ecrivant l’homoth´etie fb
Acomme la limite du syst`eme
projectif d’applications injectives A/fnA×f
A/fn+1A . Rappelons que par con-
struction de b
A , l’homomorphisme A b
A induit pour tout nun isomorphisme
A/fnAb
A/fnb
A .
Disons qu’un homomorphisme d’anneaux ρ: A B est fid`ele si pour tout
A-module non nul M le B-module B AM est non nul.
Lemme 1.Soit Mun A-module dont tout ´el´ement est annul´e par une puissance
de f. Alors l’application canonique Mb
AAMest bijective. En particulier,
l’homomorphisme ρ: A Af×b
Aest fid`ele.
Pour tout entier n, notons M(n) le sous-module de M form´e des ´el´ements
annul´es par fn. Puisque l’homomorphisme A/fnAb
A/fnb
A est bijectif, l’appli-
cation canonique M(n)b
AAM(n) est un isomorphisme pour tout n; on en
d´eduit la premi`ere assertion du lemme par passage `a la limite inductive. Comme
l’hypoth`ese sur M ´equivaut `a Mf= 0 , la seconde assertion en r´esulte.
Certaines propri´et´es de finitude descendent par un homomorphisme fid`ele:
Lemme 2.Soient ρ: A Bun homomorphisme fid`ele, M,Ndeux A-modules,
u: M Nune application A-lin´eaire.
a) Si u(B) : M(B) N(B) est surjective, il en est de mˆeme de u.
b) Si le B-module M(B) est de type fini, le A-module Mest de type fini.
c) Si Mest plat et le B-module M(B) de pr´esentation finie, Mest de pr´esentation
finie (donc projectif).
a) Le B-module Coker u(B) est canoniquement isomorphe `a (Coker u)(B) , d’o`u
a); l’assertion b) r´esulte de a). Sous les hypoth`eses de c), M est de type fini (par
b)); consid´erons une presentation
0RAnM0.
Comme M est plat, on obtient par produit tensoriel avec B une suite exacte
0R(B) BnM(B) 0.
4
Puisque M(B) est de pr´esentation finie, R(B) est de type fini, donc R est de type
fini par b).
3. LE R´
ESULTAT PRINCIPAL. – Soit M un A-module; nous supposerons que M est
f-r´egulier, c’est-`a-dire que l’homoth´etie fMest injective. Alors TorA
1(M,A/fA)
est nul, de sorte que le b
A-module b
AAM est aussi f-r´egulier. Les b
Af-modules
(b
AAM)fet b
AAMfsont naturellement isomorphes. R´eciproquement:
TH´
EOR`
EME .Supposons donn´es:
– Un Af-module F;
– un b
A-module f-r´egulier G;
– un isomorphisme b
Af-lin´eaire ϕ:b
AAFGf.
Il existe alors un A-module f-r´egulier Met des isomorphismes α: MfF,
β:b
AAMGtels que ϕsoit l’application compos´ee
b
AAF1α1
b
AAMf
βf
Gf.
Le triplet (M, α, β)est unique `a un isomorphisme unique pr`es.
Si Fet Gsont de type fini (resp. plat, resp. projectifs de type fini),Ma la
mˆeme propri´et´e.
Prouvons d’abord l’assertion d’unicit´e. D’apr`es le lemme 1 l’application cano-
nique Af/Ab
AA(Af/A) est un isomorphisme; on a donc une suite exacte
0AAfb
Af/b
A0.
Soit (M, α, β) un triplet poss´edant les propri´et´es de l’´enonc´e. Puisque M est
f-r´egulier, on a TorA
1(A/fnA,M) = 0 pour chaque n. Comme Af/A s’identifie `a
la limite inductive des A/fnA , on en d´eduit TorA
1(Af/A,M) = 0 , d’o`u une suite
exacte
0MMf(b
AfAM)/(b
AAM) 0.
A l’aide des isomorphismes αet βcelle-ci s’´ecrit
0MFϕ
Gf/G0,
o`u ϕest l’homomorphisme d´eduit de ϕ. L’assertion d’unicit´e r´esulte de l`a.
Inversement, partons d’un triplet (F,G, ϕ) , et consid´erons l’application A-
lin´eaire ϕ: F Gf/G d´eduite de ϕ; montrons qu’elle est surjective. Comme
AfA(Gf/G) est nul, il suffit d’apr`es les lemmes 1 et 2 de v´erifier que l’application
1b
Aϕ:b
AAFGf/G est surjective. Or elle est compos´ee de l’isomorphisme
ϕet de la surjection canonique π: GfGf/G , d’o`u notre assertion.
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