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Introduction aux valuations

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par Abdelhak BELKHADIR
Université Chouaib Doukkali-El Jadida - Maroc - Master en mathématiques fondamentales 2013
  

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3.4 Valuations sur les algèbres à involution

Soient D un anneau à division de dimension finie sur son centre Z(D) = F, F un groupe abélien totalement ordonné divisible.

Soit w : D ? F U {oo} une valuation sur D . On associe à la valuation w :

- Son groupe de valeurs FD = w(Dx) où Dx = D ' {0} est le groupe des unités de D ;

- Son anneau de valuation VD ;

- L'unique idéal maximal à gauche( et à droite), MD de VD. ;

- L'anneau à division résiduel, D = VD/MD.

Une autre structure clé est l'anneau gradué associé. Pour ã E F on pose,

D''-ã = {d E D, w(d) ''- ã} et D>ã = {d E D, w(d) > ã}.

®

Dest un sous groupe de D''-ã. Soit Dã = D''-ã/D>ã , et posons grw(D) = ãEF Dã Soient ã et ä dans F , la multiplicaton dans D induit une multiplication bien définie de Dã x Dä dans Dã+ä par : (c + D>ã).(d + D) = cd +D>ã+ä. En effet, soient c' E D''-ã et d' E D''-ä tels que c' + D>ã = c + D>ã , d' + D= d + D, c c' et d d'. Comme w(c - c') > ã , w(d - d') > ä ; alors, w(cd - c'd') = w(c(d - d') + (c - c')d') ''-min{w(c(d - d')),w((c - c')d')}.

Or, w(c(d - d')) = w(c) + w(d - d') > ã + ä, et w((c - c')d') = w(c - c') + w(d') > ã + ä ; alors w(cd - c'd') > ã + ä.

D'où cd +D+ä = c'd' +D+ä .i.e. cd +D+ä ne dépend pas du choix de c et d.

Cette multiplication peut être prolongée bi-additivement à grw(D) tout entier, et permet d'y définir une structure d'anneau gradué.

49 A.Belkhadir

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

®

grw(D) = ã?r Dã est appelé l'anneau gradué associé à D relativement à la valuation w. On écrit aussi gr(D) pour désigner grw(D) s'il n'y a pas de confusion à craindre.

rgr(D) = {ã ? r, Dã # 0} est le groupe des grades de gr(D).

Remarque 3.4.1. :

1. rgr(D) = rD.

2. D0 , la composante de gr(D) de degré 0, est D0 = D=0/D>0 = VD/MD = D l'anneau de division résiduel.

3. On note d l'image de d dans gr(D) .i.e. d = d + D>w(d) ? Dw(d). Les éléments homogènes de gr(D) sont les éléments de Uã?r Dã.

4. gr(D) est un anneau à division gradué, i.e. tout élément homogène non nul de gr(D) est inversible. En effet,

si d ? Dã , avec d * 0, alors w(d) = ã (sinon w(d) > ã .i.e. d = 0).

w(d) = ã entraine que d * 0 . D'où (d + D>ã).(d-1 + D>-ã) = (d-1 + D>-ã).(d + D>ã) = 1+D>0 = 1+MD = 1? D0.

De même si D = F est un corps (commutatif) , gr(F) est dit corps gradué (i.e., tout élément homogène non nul est inversible).

3.4.1 Normes et jauges sur les espaces vectoriels

D est un anneau à division et v une valuation sur D.

Définition 3.4.1. Soit M un espace vectoriel à droite de dimension finie sur D. Une application á : M ? r ? {8} est dite fonction de valeur( relativement à v sur D) si pour tout m, n ? M et d ? D, on a :

á(m) = 8 ssi m = 0; (3.2)

á(md) = á(m) + v(d). (3.3)

á(m + n) = min(á(m)(n)).
·
(3.4)

Remarque 3.4.2. :

50 A.Belkhadir

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

· á(-m) = á(m);

· á(m + n) = á(m - n) = min(á(m)(n)) si á(m) * á(n) ;

· rM = {á(m)|m E M,m * 0} g r.

Pour tout y E r, on définit les groupes abéliens M'-y et M>y et My de la même façon que pour D :

M'-y = {m E M|á(m) '- 0}, M>y = {m E M|á(m) > 0}, My = M'-y/M>y.

®

On définit gr(M) = yEr My. Quand on veut spécifier la fonction de valeur, on écrit grá(M).

L'action de module de D sur M induit une action My X Ds -p My+s de gr(D) sur gr(M) donnée par : (m + M>y).(d + D>s) = md + My+s et qui définit sur gr(M) une structure de gr(D)-module gradué à droite . On sait que tout module gradué sur un anneau à division gradué est un module libre qui possède une base homogène, et deux bases quelconques ont le même cardinal, ce qui justifie la terminologie «espace vectoriel gradué» pour un module gradué sur un anneau à division gradué. Pour tout m E M , on écrit m pour l'image m + M(m) de m dans Má(m). On écrit ÔM = 0 dans gr(M) . Il est clair que pour tout m E M et d E D ,

fmd = m d.

On a pour tout m, n E M :

m+n=

{

m si á(m) < á(n)

n si á(m) > á(n)

m + n si á(m) = á(n) et m + n * 0.

(3.5)

gr(M) est dit l'espace vectoriel gradué associé de( á sur) M. On écrit dimgr(D)(gr(M)) pour le cardinal de toute base de gr(D) - module de gr(M).

®

Si N = yEr Ny est un autre gr(D)-espace vectoriel à droite, on dit que M et N sont gradués isomorphes et on écrit M -g N , s'il existe un isomorphisme de gr(D)-espaces vectoriels f : M -p N tel que f (My) = Ny pour tout y E r.

On peut construire une fonction de valeur sur M de la manière suivante : considérons une base {m1,m2,...,mk} de M comme D-espace vectoriel, et y1,y2,...,yk E r

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

arbitraires; définissons ensuite á : M - U{00} par : á

?

??????

k

E

i=1

?

??

midi ?? ??

= min (yi + v(di)). 1<i<k

On a alors á(mi) = yi et,

k

á(L

i=1

midi) = min (á(mi) +v(di)) pour tout d1,d2,...,dK E D. (3.6)

1<i<k

On peut montrer facilement que á vérifie les axiomes d'une fonction de valeur sur M.

Définition 3.4.2. Soit á une fonction de valeur sur M. Une base {m1,m2,...,mk} de M pour laquelle la formule (3.6) est satisfaite, est dite base de décomposition (splitting base) de á. On dit que la fonction de valeur á est une norme sur M(relativement à la valuation v) si M admet une base de décomposition pour á. á est dite aussi D-norme ou á-norme.
·

Une v-fonction de valeur á est dite surmultiplicative sur A si á(1) = 0 et á(xy) >_ á(x) + á(y) pour tout x, y E A .

Si maintenant, á est une fonction de valeur surmultiplicative sur une F-algèbre A, avec (F,v) un corps valué, alors grá(A) est une algèbre sur gr(F) où la multiplication est définie pour tout a et b dans A par :

ab = ab + A(a)+á(b) =

{

ab si á(ab) = á(a) + á(b);

(3.7)

0 si á(ab) > á(a) +á(b).

51 A.Belkhadir

On peut appliquer suffisemment de restrictions sur á pour pouvoir relier la structure de gr(A) à celle de A.

Si K est un corps gradué alors :

4 Une K-algèbre graduée B de dimension finie est dite graduée simple si B ne contient aucun idéal bilatère homogène autre que B et {0}.

4 On dit que B est graduée semi-simple si B est un produit direct d'un nombre fini de K-algèbres graduées simples. Cette définition est équivalente à : B ne contient aucun idéal homogène , nilpotent et non nul .

52 A.Belkhadir

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

? Si B est une algèbre (resp. Algèbre graduée) sur un corps (resp. Corps gradué) K , on écrit [B : K] pour dimK(B) .

Dans tout ce qui suit, toutes les algèbres semi-simples (resp. Graduées semi-simples) sont supposées de dimensions finies.

Définition 3.4.3. soient (F,v) un corps valué, a une fonction de valeur surmultiplicative sur une F-algèbre A. On dit que a est une F-jauge ( ou v-jauge) sur A si les deux conditions suivantes sont satisfaites :

t) a est une F-norme sur A (i.e., [gr(A) : gr(F)] = [A : F]) ; tt) gr(A) est une gr(F)-algèbre graduée semi-simple.
·

Remarque 3.4.3. -- Si A possède une F-jauge, alors A devrait être semi-simple. En effet, si A contient un idéal N non nul tel que N2 = {0}, alors gr(N) sera un idéal non nul de gr(A) tel que gr(N)2 = {0}.

Définition 3.4.4. On dit qu'une F-jauge a sur une F-algèbre A semi-simple de dimension finie est plate si Z(gr(A)) = gr(Z(A)) et Z(gr(A)) est séparable sur gr(F).
·

3.4.2 Jauges spéciales

Soient (F,v) un corps valué, A une F-algèbre. Une involution F-linéaire sur A est une application F-linéaire a : A -p A telle que :

- a(x + y) = a(x) + a(y) pour x, y E A ;

- a(xy) = a(y)a(x) pour x, y E A ;

- a2(x) = x pour x E A .

La F-linéarité implique que a | F = idF.

Une v-fonction de valeur surmultiplicative çp : A -p U {0} est dite invariante par a si :

çp(a(x)) = çp(x), V x E A. (3.8)

53 A.Belkhadir

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

Si l'équation (3.8) est satisfaite, alors l'involution ó préserve la filtration définie par ? dans A , et elle induit sur gr?(A) une involution ó telle que:

ó(x) = ó(x), V x A; (3.9)

ó est bien définie; en effet, soient x et y deux éléments homogènes de gr?(A) tels que

x =

y ;

On a : ?(x) = ?(y) = ?(ó(x)) = ?(ó(y)), en outre,

?(x - y) > ?(x) implique ?(ó(x) - ó(y)) = ?(ó(x - y)) > ?(ó(x)) Par conséquent:

gó(x) =

ó(y).

On déduit directement du fait que ó est une involution que ó l'est. u

? On dit que l'involution ó est non isotrope (ou anisotrope) s'il n'existe aucun élément non nul x A tel que ó(x)x = 0. De même, ó est dite non isotrope s'il n'existe aucun élément homogène non nul î gr?(A) tel que ó(î)î = 0.

Il est clair que si ó est non isotrope, alors ó est non isotrope.

Proposition 3.4.1. Soit ? une v-fonction de valeur surmultiplicative et ó une involution F-linéaire sur A. Les conditions suivantes sont équivalentes:

a) ?(ó(x)x) = 2?(x)

b) ? est invariante par ó, et ó est anisotrope.

Ces conditions montrent que si x et y sont deux éléments de A tels que : ó(x)y = 0 ou xó(y) = 0, alors,

?(x+ y) = min(?(x),?(y)); (3.10)

En plus, si ces conditions équivalentes sont satisfaites, alors ó est non isotrope et la gr(F)-algèbre gr?(A) ne contient aucun nilidéal à gauche ou à droite, homogène et non nul. .

Démonstration. -- a) b) : Si ó(x)x = 0, alors la condition (a) montre que ?(x) = oo et x = 0, ainsi ó est non isotrope.

Par surmultiplicativité de ? on a :

?(ó(x)x) ~ ?(ó(x)) + ?(x), pour tout x A;

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

d'où (a) implique ?(x) > ?(ó(x)), pour tout x E A.

En remplaçant x par ó(x) dans cette inégalité on obtient : ?(ó(x)) > ?(x), pour tout x E A. Parsuite, ?(ó(x)) = ?(x), pour tout x E A, et ? est invariante par ó.

La condition (a) peut être reformulée comme suit : ?(ó(x)x) = ?(x)+?(x) = ?(ó(x))+ ?(x) , on a ainsi, ?(ó(x)x) = ?(ó(x))+ ?(x) , et par définition de la multiplication dans gr?(A) on obtient :

e

ó(x)x = (ó(x)x) pour tout x E A

e

Si : 6(x)x = 0 , alors ó(x)x = 0. i.e : (ó(x)x) = 0, d'où ó(x)x = 0, et comme ó est non isotrope, alors x = 0.

b) a) : Pour tout x E A on a :

eó(x)x =

{

e

(ó(x)x) si ?(ó(x)x) = ?(ó(x)) + ?(x), (3.11)

0 si ?(ó(x)x) > ?(ó(x)) + ?(x).

Vérifions que le premier cas de (3.11) a toujours lieu : En effet, ó étant non isotrope d'après la condition (b) de la proposition, on a, ó(x) = 0 ssi x = 0 ssi x = 0. Dans ce

e

. Parsuite, 6(x)x = (ó(x)x)

cas on a aussi : 6(Ô)Ô= (ó(0)0)e

pour tout x E A

54 A.Belkhadir

Ainsi, : pour tout x E A on a : ?(ó(x)x) = ?(ó(x)) + ?(x) = ?(x) + ?(x) = 2?(x) d'après (3.11)

Pour le reste de la preuve, on suppose que les assertions (a) et (b) sont satisfaites.Il est clair que ó est non isotrope (car ó l'est).

D'autre part, ona : ?(ó(x).(x + y)) > ?(ó(x)) + ?(x + y); car ? est surmultiplicative. Or ? est invariante par ó alors,

?(ó(x).(x + y)) > ?(x) + ?(x + y). (3.12)

Si ó(x)y = 0 , alors :

?(ó(x).(x + y)) = ?(ó(x)x) = 2?(x). (3.13)

En combinant (3.12) et (3.13) on obtient : ?(x) > ?(x+ y). De même, en échangeant x et y on trouve : ?(y) > ?(x+ y). D'où

min(?(x),?(y)) > ?(x+ y).

Or ?(x+ y) > min(?(x),?(y))), par définition d'une fonction de valeur, alors :

?(x+ y) = min(?(x),?(y)). (3.14)

55 A.Belkhadir

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

On a prouvé (3.10) quand ó(x)y = 0. Si xó(y) = 0, alors l'égalité (3.14) sera vérifiée pour ó(x) et ó(y) (car ó(ó(x))ó(y) = xó(y) = 0). Remplaçons alors x par ó(x) et y par ó(y) dans (3.14) et utilisons l'invariance de ? par ó,alors :

?(ó(x) + ó(y)) = min(?(ó(x)),?(ó(y))); ?(ó(x + y)) = min(?(x),?(y));

?(x + y) = min(?(x),?(y)).

Pour compléter la preuve, on suppose que I c gr?(A) est un nilidéal à gauche (resp. à droite) homogène, et î E A est un élément homogène non nul. Soit ç = ó(î)î (resp. ç = îó(î)).Alors, ó(ç) = ó(ó(î)î) = ó(î)ó2(î) = ó(î)î = ç. D'où ç est ó-symétrique. ç est non nul car ó est non isotrope d'après l'assertion (b) de la proposition.

ç est homogène. En effet, î est un élément homogène non nul, donc î = x avec x E A non nul. Or, d'après (b) on a : ?(ó(x)x) = 2?(x) = ?(ó(x)) +ó(x); alors,

ç= ó(î)î = ó(x)x = ó(x)x = (ó(x)x) .

Comme I est un nilidéal, il existe un entier k >_ 1 tel que çk 0 et çk+1 = 0. Pour æ = çk,

on a :

ó(æ)æ = ó(çk)æ = (ó(ç))k

= ó(ó(î)î)k

= (ó(î)î)k

=çk= æ2 = ç2k

= 0.

Or ó est non isotrope, alors æ = 0. Contradiction.

Définition 3.4.5. -- Une v-fonction de valeur surmultiplicative ? sur une algèbre simple centrale A à involution ó est dite ó-spéciale si elle vérifie les assertions (a) et (b) de la proposition (3.4.1).

3.4.3 Jauges sur les produits tensoriels

On rappelle que si P et Q sont deux espaces vectoriels gradués sur un corps gradué K, alors la graduation sur P OK Q est donnée par :

X

(POK Q)ã =

ãE

Pä OK0 Qã-ä.

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

Proposition 3.4.2. soient (F,v) un corps valué, M et N deux F-espaces vectoriels. Soient á une F-norme sur M et j3 une F-fonction de valeur sur N. Il existe sur M?F N une unique F-fonction de valeur notée á ?j3 telle que l'application:

Q : grá?j3(M ?F N) ? grá(M) ?gr(F) grj3(N) m ] ? n 7? m? n

pour tout m ? M et n ? N, soit un isomorphisme de gr(F)-espaces vectoriels. Ainsi, (á? j3)(m?n) = á(m) + j3(n).

Si de plus j3 est une F-norme, alors á ? j3 est aussi une F-norme.

(3.15)

Pour une démonstration on peut consulter [9, Prop. 1.23]. Remarque 3.4.4. :

? L'isomorphisme d'espaces vectoriels gradués grá?j3(M?F N) grá(M)?gr(F) grj3(N) peut être vu comme une identification.

? La fonction de valeur á? j3 peut être définie comme suit : soit (ei)n i=1 une base de décomposition pour á dans M. Alors

(á? j3)(

Xn i=1

ei ? y) = min (á(ei) + j3(yi)) , pour tout y1, y2,..., yn ? N; 1=i=n

56 A.Belkhadir

et (á? j3)(x? y) = á(x) + j3(y) , pour tout x ? M et y ? N. (3.16)

En plus, par analogie à [9, cor 1.26], si (w,j3) est un corps valué extension de (F,v) alors á ? j3 est une j3-norme sur M ?F W et, grá?j3(M ?F W) grá(M) ?gr(F) grj3(W) est un grj3(W)-isomorphisme d'espaces vectoriels.

Proposition 3.4.3. [10] -- Soient ó et T deux involutions F-linéaires sur les F-algèbres A et B respectivement. Soit á (resp. j3) une fonction de valeur surmultiplicative sur A (resp. B) invariante par ó (resp. T ). On suppose que A est de dimension finie et que á est une v-norme. Alors á ? j3 est une fonction de valeur surmultiplicative sur A ?F B, invariante

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

par l'involution ó ? ô, et l'isomorphisme canonique Ù de (3.15) est un gr(F)-isomorphisme d'algèbres graduées à involutions :

?

~ ~ ??O

grá?â(A?F B), ó] ? ô = ?????grá(A)

gr(F)

grâ(B), 6?z

.

Démonstration. -- Soient (ei)ni=1 une base de décomposition de A pour á. Pour x, y ? A?gr(F)B on peut écrire x = Eni=1 ei?xi et y = Enj=1 ej? yj pour x1,x2,...,xn, y1, y2,..., yn ? B. Alors :

· á ? â est surmultiplicative ; en effet :

(á ?â)(x ? y) = (á ?â)

((n

i=1

ei ?xi)

E .

n ???? ? j=1

ej ? yj

11

 

57 A.Belkhadir

= (á ?â)

??

???

?X ?

???? eiej ?xiyj

?? ??? i,j

 

1min ((á ?â)(eiej ?xiyj)) = 1min (á(eiej)+â(xiyj)). (définition de fonction de valeur)

Comme á et â sont surmultiplicatives, alors á(eiej) = á(ei) + á(ej) et â(xiyj) = â(xi) + â(yj). Parsuite,

(á ? â)(x ? y) = min

(á(ei) + á(ej) + â(xi) + â(yj))

4j

= m

in(á(ei) + â(xi)) + min (á(ej) + â(yj))

= (á? â)(x)+(á? â)(y)

En outre, on a (á?â)(1?1) = á(1)+â(1) = 0.

· Soit

Ù : grá?â(M ?F N) ? grá(M) ?gr(F) grâ(N)

m]?n 7? m? n

l'isomorphisme d'espaces vectoriels gradués qui détermine á ? â. Pour monter que Ù est un isomorphisme d'anneaux, on le cherche pour Ù-1. Considérons les homo-morphismes canoniques de F-algèbres

iA : A -? A?F B iB : B -? A?F B

a 7-? a?1 b 7-? 1?b

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

On a : (á?â)(a?1) = á(a)+â(1) = á(a) et (á?â)(1?b) = á(1)+â(b) pour tout a ? A et b ? B. autrement dit iA et iB préservent les valeurs. Donc ils induisent des homomorphismes de gr(F)-algèbres graduées :

iA : grá(A) -? grá?â(A?F B) iB : grâ(B) -? grá?â(A?F B)

a 7-?

a?1

b7-?

1?b

 

iA(a) = iA(a)

iB(

b) =

giB(b).

 

D'après (3.16) on a, pour tout a ? A et b ? B,

(á ? â)((a ? 1).(1 ?b)) = (á ? â)(a ?b) = á(a) + â(b)

= (á ? â)(a ?1) + (á ?â)(1? b).

D'où,

e e

a?1. 1?b = [(a?1).(1?b)] = a?b = [(1?b).(a?1)] = 1?b. a ?1.

Ainsi,

iA(a).

iB(

b) =

iB(

b).iA(a) pour tout a ? A et b ? B. Il existe alors un homo-

 

58 A.Belkhadir

morphisme de gr(F)-algèbres induit :

grá(A) ?gr(F) grâ(B) -? grá?â(A ?F B) ea ?eb 7-? a?1. 1?b = a?b.

Cet homomorphisme d'algèbres est exactement Q-1. D'où Q est un isomorphisme de gr(F)-algèbres.

· Pour montrer que á ?â est invariante par ó ? ô on vérifie d'abord que (ó(ei))ni=1 est aussi une base de décomposition de A pour á. Soient c1,c2,...,cn ? F , comme á est invariante par ó et les ci sont centrals dans A fixés par ó (ó|F = idF), alors :

á

n

?X??? ?

i=1

 

= á

?

??????

ó

In

i=1

il)

= á

?

??????

Xn i=1

(ei))

 

?

??

ó(ei)ei ?? ??

= á

In

i=1

?

??

ciei ?? ??

= á

In

i=1

?

??

eici ?? ??

 

= min (á(ei) + v(ci)) 1=i=n

= min (á(ó(ei)) + v(ci)). 1=i=n

3.4. VALUATIONS SUR LES ALGÈBRES À INVOLUTION

D'où (ó(ei))ni=1 est une base de décomposition pour á. Parsuite,

(á®â)((ó®ô)(x)) =(á®â)((ó ® ô)(óei ®xi))

= (á®â)

n

?X??? ?

i=1

?

??

ó(ei) ® ô(xi) ?? ??

 

= min {á(ó(ei)) + â(ô(xi))} d'après (3.16)

1<i<n

= min {á(ei) +â(xi)} , á et â sont invariantes par ó et ô (resp)

1<i<n

= (á®â)(x).

D'où á ® â est invariante par ó ® ô , ce qui induit une involution ó]®ô sur grá®â(A ® B).

· Il reste à montrer que Ù est un isomorphisme d'algèbres à involutions .i.e.

Ùo(ó®ô) = (6®z)oÙ.

Pour tout a E A et b E B on a :

] e

(ó® ô) (a ® b) =[(ó®ô)(a®b)]

= ó(a) ®ô(b)

D'où,

~

Ù ~(ó ] ®ô)(a ® ] b) = Ù ~ó(a) ® ] ô(b) == gó(a) ®gô(b)

=eó(eaeô(

b) =eó®eô(_a®eb)

~ ~

= eó ®eô Ù( ag ®b) .

grâ(B), -5-®E ????? , est un isomorphisme

Finalement, Ù o (ó ®]ô) = (6 ®'z) o Ù. ?

~ ~ ??O

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