\ifx\danslelivre\undefined \documentclass[9pt]{../configuration/smfart} \input{../configuration/commun} \input{../configuration/smf} \input{../configuration/adresse} \input{../configuration/gadgets} \input{../configuration/francais} \input{../configuration/numerotation} \input{../configuration/formules} \input{../configuration/encoredesmacros} \synctex=1 \usepackage{stmaryrd} \usepackage{graphics} \usepackage[usenames,dvipsnames]{xcolor} \usepackage{srcltx} \usepackage{tikz} \usetikzlibrary{matrix} \usetikzlibrary{calc} \title{Anneaux de valuation discrète, anneaux de Dedekind} \externaldocument{extensions-algebriques} \externaldocument{correspondance-galois} \externaldocument{formes-tordues} \externaldocument{spectre} \externaldocument{verselles} \externaldocument{corps-finis} \externaldocument{entiers} \externaldocument{categories} %\textwidth16cm %\hoffset-1.5cm \usepackage[a4paper,left=2cm,right=2cm,marginpar=0.2cm,marginparsep=0.6cm,vmargin=2.4cm]{geometry} \begin{document} \begin{center} Anneaux de valuation discrète, anneaux de Dedekind \end{center} \tableofcontents \else \chapter{Anneaux de valuation discrète, anneaux de Dedekind} \fi \section{Anneaux de valuation, places et valeurs absolues : généralités} \subsection{Anneaux de valuation} \subsubsection{}Relation de domination\index{domination, relation de} entre anneaux locaux \begin{théorème2} Soient $K$ un corps et $A$ un sous-anneau de $K$. Les conditions suivantes sont équivalentes : \begin{enumerate} \item $A$ est maximal pour la relation d'ordre de domination ; \item pour tout $x ∈ K-\{0\}$, ou bien $x ∈ A$ ou bien $1/x ∈ A$ ; \item $K=\Frac(A)$ et l'ensemble des idéaux de $A$ est totalement ordonné pour l'inclusion. \end{enumerate} \end{théorème2} \begin{définition2} \XXX Anneau de valuation \index{anneau de valuation} si intègre et [...] \end{définition2} \begin{proposition2} \XXX Un anneau de valuation est local, intégralement clos dont tout idéal de type fini est principal. \end{proposition2} \begin{proposition2} Si $L\bo K$ est une extension. La clôture intégrale de $A$ dans $L$ est l'intersection des anneaux de valuation de $L$ contenant $A$. \end{proposition2} \begin{démo} \XXX [AC Ch.VI, §1, n.3, Cor.3] \end{démo} \begin{théorème2} \XXX Tout $A$-module de type fini sans torsion est libre. Tout $A$-module sans torsion est plat. \end{théorème2} \begin{démo} \XXX [AC. Ch.VI, §3, n.6, Lemme 1] \end{démo} \begin{théorème2} \XXX Tout $A$-module de présentation fini de torsion est isomorphe à un $A$-module de la forme \[ A/a₁ ⊕ \cdots ⊕ A/a_n. \] \end{théorème2} \begin{démo} \XXX Gabber-Ramero, Almost, 6.1.14. \end{démo} \subsection{Places} \subsubsection{Droite projective}\XXX Si $k$ est un corps, $\gtilde{k}=k ∪ \{∞\}$ et [...] \begin{définition2} \XXX Place : $K → \gtilde{k}$. \end{définition2} En conflit avec Weil [BNT]. critère d'intégralité en terme de places. \subsection{Valuations} \XXX Groupe abélien totalement ordonné $Γ$. Valuation\index{valuation} : $v:A → Γ ∪\{∞\}$. \begin{proposition2} \XXX Anneau de valuation=place (modulo isom.)=valuation (modulo isom). \end{proposition2} \begin{proposition2} \XXX \[\dim(A)=\text{rang convexe}(Γ) ≤ \rang(Γ ⊗ 𝐐).\] (Bijection explicite.) \end{proposition2} Le rang convexe est appelé hauteur par Bourbaki. \begin{démo} Gabber-Ramero, 6.1.20—6.1.23. \end{démo} \begin{définition2} \XXX Rang\index{rang d'une valuation} d'une valuation. \end{définition2} \subsection{Anneaux de valuation discrète} \begin{proposition2} \XXX Un anneau local nœthérien normal de dimension $1$ est un anneau de valuation discrète. [à énoncer sous forme de conditions équivalentes] \end{proposition2} Deux AVD de même corps des fractions sont égaux. Un $A$-module de type fini est libre si et seulement si il est sans torsion. (Cas particulier des résultats précédents.) \begin{proposition2} \XXX Si $K$ est complet à corps résiduel parfait $k$ et d'égale caractéristique, $K=k((t))$. \end{proposition2} \begin{démo} \XXX Relèvement de Teichmüller ; cf. p. ex. [ANAF] chap. 10, th. 1. \end{démo} Cas d'égale caractéristique. \begin{proposition2} Si corps résiduel fini, c'est une extension finie de $𝐐_p$. \end{proposition2} \begin{démo} [ANAF], chap. 10, fin §1. \end{démo} \begin{théorème2} \XXX Cas général (Witt). \end{théorème2} \begin{démo} Utiliser si possible les constructions du chapitre sur KASW. \end{démo} \subsection{Valeurs absolues}\XXX Valeurs absolues\index{valeur absolue}. Corps valué\index{corps valué} Cas ultramétrique. \begin{proposition2} Toute valeur absolue est équivalente à un valeur absolue satisfaisant l'inégalité triangulaire. \end{proposition2} La définition n'est pas parfaitement standardisée. % ☡ Lien avec valuation de rang $1$ (cas ultramétrique). \begin{théorème2} \XXX Le théorème d'approximation. \end{théorème2} Cf. Artin [ANAF]. \subsection{Exemples} Exemple : valuation de Gauß sur $k(X)$ (\cite[VI]{Local@Cassels}). \begin{proposition2} \XXX Ostrowski. \end{proposition2} \begin{proposition2} \XXX $k(X)$. \end{proposition2} \begin{proposition2} \XXX Formule du produit [cas particulier ?] \end{proposition2} \begin{théorème2} \label{théorème de plongement dans Qp} Soit $K$ une extension de type fini de $𝐐$ et soit $E ⊆ K^×$ un sous-ensemble fini. Il existe une infinité de nombres premiers $p$ pour lesquels il existe un plongement $ι:K ↪ 𝐐_p$, tel que pour chaque $e ∈ E$, $|ι(e)|=1$. \end{théorème2} \begin{démo} \XXX Cf. \cite[V.1.1]{Local@Cassels}. \end{démo} \section{Théorie élémentaire de la ramification} Artin [theory of algebraic numbers], §3. Bourbaki, AC. Voir aussi Gabber-Ramero (Almost ring theory). \subsection{Prolongement des valuations} Valeurs absolues : cf. \cite[VII]{Cassels}. \subsection{Hensélisation et complétion} \subsection{Indice de ramification} \begin{définition2} indice de ramification \end{définition2} \begin{théorème2} \XXX $L\bo K$ extension finie, $K$ valué, $B$ clôture intégrale de $A=K^+$ dans $L$. Alors, \[ ∑_{𝔭 ∈ \Specmax(B)} (Γ_𝔭 : Γ)[κ(𝔭) : κ] ≤ [L:K]. \] \end{théorème2} \begin{proposition2} \XXX Cas galoisien : \[ efn ≤ [L:K]. \]. Cas hensélien : \[ ef ≤ [L:K] \] \end{proposition2} \begin{proposition2} \XXX Cas d'égalité : valuation discrète et extension séparable. \end{proposition2} \begin{démo} \XXX AC, ch.VI, §8, n.5, Cor.1 \end{démo} \begin{exemple2} \XXX Cas inséparable : cf. Gabber-Ramero 6.2.7 (iii). \end{exemple2} \begin{définition2} \XXX Extension totalement ramifiée ; extension non ramifiée. \end{définition2} Voir Artin, [ANAF] chap. IV. \begin{proposition2} \XXX Extension d'Eisenstein. \end{proposition2} Notamment : \begin{proposition2} \XXX Soient $A$ un anneau de valuation discrète complet, $K$ son corps des fractions, et $L/K$ une extension séparable de degré $n$. Soit $B$ la normalisation de $A$ dans $K$ ; on suppose que l'indice de ramification $e=n$ \cad que l'extension est \emph{totalement ramifiée}. Alors, si $x$ est une uniformisante de $B$, et $f=\mathrm{Irr}_K(x)$ on a : \begin{itemize} \item $f$ est d'Eisenstein \cad unitaire $a_i\in \MM_A$ et le terme constant $a_0\notin \MM_A^2$, \item $$\begin{array}{l}A[X]/f→ B\\ X\mapsto x\end{array}$$ est un isomorphisme. En particulier $A[X]/f$ est local. \end{itemize} \end{proposition2} \begin{proof} \XXX Écrivons $f=X^n+a_{n-1}X^{n-1}+\cdots+a_n$. Ses coefficients sont entiers sur $A$ et dans $K$. [...] Autre argument : comme la valuation $\MM_A$-adique étendue de $x$ est $1/n$, le polygone de Newton a pour unique pente $-\frac{1}{n}$ (cf. \ref{Newton}). Il en résulte que $v(a_0)=1$ et que $v(a_i)\geq 1$. Enfin, $A[X]/f$ est local (cf. $A[X]/f\otimes_A A/\MM_A$) et de corps des fractions $L$. \end{proof} \subsection{Lemme de Krasner et applications} \begin{proposition2} \XXX Lemme de Krasner (dans cas valué complet). \end{proposition2} \begin{théorème2} \XXX Formule de masse de Krasner-Serre (1978) : \[ ∑_{L\bo K \text{tot. ramif. deg } n} 1/q^{c(L)}=n. \] \end{théorème2} \begin{démo} Serre, Œuvres 115. \end{démo} \begin{corollaire2} $𝐂_p$ est algébriquement clos. (Énoncé général.) \end{corollaire2} \begin{démo} Fontaine-\jap{欧阳}, §3.1 \end{démo} \begin{proposition2} \XXX Ax-Sen \end{proposition2} \begin{démo} Fontaine-\jap{欧阳}, §3.1 \end{démo} \subsection{Sorites} \begin{proposition2} \XXX Extension composée de deux extensions nr (modérée) est nr (modérée). \end{proposition2} \subsection{Structure du groupe de Galois} \subsubsection{}Supposons $A$ hensélien, $L\bo K$ finie. On a un accouplement $I× ( Γ_E \bo Γ_K) → μ(λ)$, où $λ$ est le corps résiduel de $L^+$. \begin{théorème2} Si $κ$ est séparablement clos, $I=\Gal(L\bo K)$ et $I → \Hom_𝐙(Γ_E \bo Γ_K, μ(κ))$ est surjectif, de noyau un $p$-groupe. \end{théorème2} \begin{démo} \XXX Gabber-Ramero, 6.2.12. \end{démo} Théorie de Kummer : \begin{corollaire2} Si $(p,[L:K])=1$, on a $\Gal(L\bo K) ≃ \Hom_𝐙(Γ_E \bo Γ_K, μ(κ))$. De plus, si $Γ_E \bo Γ_K=⨁ 𝐙/n_i$, il existe des $a_i ∈ K^×$ tels que $L=K[a_i^{1/n_i}]$. \end{corollaire2} \subsection{Cas d'un anneau de valuation discrète} \begin{théorème2} \XXX Soit $A$ un anneau de valuation discrète complet de corps des fractions $K$ et $L\bo K$ une extension finie \emph{séparable}. La clôture intégrale $B$ de $A$ dans $K$ est un $A$-module libre de rang $[L:K]$ et est un anneau de valuation discrète complet. Il existe un entier $e ≥ 1$, divisant $[L:K]$, tel que la restriction de $v_B$ à $A$ soit égale à $\frac{1}{e}v_A$. \end{théorème2} \begin{définition2} \XXX Soient $A$ un anneau de valuation discrète complet de corps des fractions $K$, $L/K$ une extension galoisienne totalement ramifiée de groupe $G$ et $B$ le normalisé de $A$ dans $L$. Soit $\pi_L$ une uniformisante de $B$. On pose, pour $i\ge -1$, $$ G_i:=\{\sigma\in G,\ v_L(\sigma(\pi_L)-\pi_L)\geq i+1\} $$ Ce sont les sous-groupes de \emph{ramification} de $G$. Ils forment une filtration décroissante de $G$. \end{définition2} [généralisation : cas extension résiduelle séparable.] \begin{exercice2} Interprétation géométrique dans le cas d'une courbe affine et d'un automorphisme : la longueur du lieu des points fixes (supposés isolés) est la somme des $v_x(g π - π)$. \end{exercice2} \begin{proposition2} \XXX Introduisons une filtration décroissante du groupe des unités de $B$, $B^{\times}=:U^{(0)}_L$, notée $U^{(i)}_L:=1+\MM_B^i$ pour $i\geq 1$. \begin{enumerate} \item $G_0⥲ G$, \item Chaque $G_i$ est un sous-groupe de $G$, indépendant du choix de $\pi_L$, \item L'application $$\left\{\begin{array}{l}G_i→ U^{(i)}_L/U^{(i+1)}_L\\ \sigma\mapsto \frac{\sigma(\pi_L)}{\pi_L}\end{array}\right.$$ est indépendante du choix de $\pi_L$, et induit une injection canonique $$ G_i/G_{i+1}↪ U^{(i)}_L/U^{(i+1)}_L. $$ \item On a des isomorphismes canoniques : $$ \begin{array}{l} U^{(0)}_L/U^{(1)}_L⥲ k_L^{\times}\\ U^{(i)}_L/U^{(i+1)}_L⥲ \MM_B^i/\MM_B^{i+1} \end{array} $$ pour tout $i\geq 1$. De plus, $\MM_B^i/\MM_B^{i+1}≃ k_L$, non canoniquement. \end{enumerate} \end{proposition2} \begin{démo} \XXX 1) Montrons que l'extension étant totalement ramifiée, $G_0⥲ G$. Soit $\sigma\in G$. Comme $B$ est local, $\sigma(\MM_B)=\MM_B$ et $\sigma$ induit donc un automorphisme de $k_L$ sur $k_K$, nécessairement trivial (car $k_L=k_K$). Ainsi $\sigma(x)=x \mod \MM_B$ pour tout $x$, \cad $v_L(\sigma(x)-x)\geq 1$ et, en prenant $x=\pi_L$, $\sigma\in G_0$. Remarquons que comme, d'après la proposition précédente, $B=A[\pi_L]$, réciproquement, si $\sigma\in G_i$, pour tout $x\in B$, on a $v_L(\sigma(x)-x)\geq i+1$. 2) Pour $\sigma,\sigma'\in G_i$, l'égalité $$\sigma'\sigma(\pi_L)-\pi_L=\sigma'\big(\sigma(\pi_L)-\pi_L\big)+\big(\sigma(\pi_L)-\pi_L\big), $$ où deux termes de droite appartiennent à $\MM_L^{i+1}$, suffit à montrer que $G_i\subset G$ est un sous-groupe. 3) Montrons que pour chaque $\sigma\in G_i$, la quantité $\frac{\sigma(\pi_L)}{\pi_L}\in U^{(i)}_L$ est, modulo $U_L^{(i+1)}$, indépendante du choix de l'uniformisante $\pi_L$. Soit $u\in B^{\times}$ une unité. L'égalité $$ \frac{\sigma(u\pi_L)}{u\pi_L}=\frac{\sigma(\pi_L)}{\pi_L}\frac{\sigma(u)}{u}. $$ jointe au fait que pour un tel $\sigma$, $\sigma(u)-u\in \MM_L^{i+1}$, et donc $\frac{\sigma(u)}{u}\in 1+ \MM_L^{i+1}$, montre que modulo $U_L^{(i+1)}$ cette image est bien indépendante du choix de l'unité $u$. Pour tout $\sigma\in G$, $\sigma(\pi_L)$ est une uniformisante. Il en résulte que pour chaque $\sigma'\in G_i$, $$ \frac{\sigma'\big(\sigma(\pi_L)\big)}{\sigma(\pi_L)}= \frac{\sigma'(\pi_L)}{\pi_L} \mod U^{(i+1)}_L. $$ Ainsi, pour $\sigma,\sigma'\in G_i$, l'égalité $$ \frac{\sigma'\sigma(\pi_L)}{\pi_L}=\frac{\sigma'\sigma(\pi_L)}{\sigma(\pi_L)} \frac{\sigma(\pi_L)}{\pi_L} $$ entraîne que $G_i→ U^{(i)}_L/U^{(i+1)}_L$ est un morphisme de groupe ; son noyau est par définition $G_{i+1}$. 4) L'anneau $B$ étant local, la surjection canonique $B↠ k_L$ induit un isomorphisme $B^{\times}→ 1+\MM_B→ k_L^{\times}$. Enfin, $$ \begin{array}{l} U^{(i)}_L/U^{(i+1)}_L→ \MM_B^{i}/\MM_B^{i+1}\\ 1+x\mapsto x \end{array} $$ est un isomorphisme de groupes (multiplicatif à gauche et additif à droite). Comme $\MM_B$ est principal, le terme de droite est un $k_L$-espace vectoriel de dimension $1$. \end{démo} \begin{corollaire2} \XXX Sous les hypothèses précédentes : \begin{enumerate} \item $G_0/G_1$ est cyclique d'ordre premier à la caractéristique de $k_K$, \item si $\mathrm{car}(k_K)=0$, $G_1=\{1\}$ et $G_0$ est cyclique. \end{enumerate} \end{corollaire2} \begin{démo} \XXX Comme $G_0/G_1$ est isomorphe à un sous-groupe fini de $k^{\times}$, il est cyclique et d'ordre premier à la caractéristique. Enfin, pour $i\geq 1$, $U^{(i)}_L / U^{(i+1)}_L≃ k_L$ n'a pas de sous-groupe fini si $k_L$ est de caractéristique nulle. En particulier $G_i/G_{i+1}=\{1\}$, pour tout $i>0$. Comme $G_i=\{1\}$ pour $i\geq N:=\max_{\sigma\in G-\{e\}} v_L(\sigma(\pi_L)- \pi_L)$, on a bien $G_1=G_2=\cdots = G_N=\{1\}$. \end{démo} \section{Discriminant et différente} \begin{définition2} \XXX Différente $𝔇_{L\bo K}$. \end{définition2} \begin{proposition2} \XXX $𝔇_{L\bo K}=B$ si et seulement si $L\bo K$ est non ramifiée. \end{proposition2} \begin{démo} Artin [ANAF] chap. V. \end{démo} \begin{proposition2} Formule de transitivité : $𝔇_{M\bo K}=𝔇_{M\bo L} 𝔇_{L\bo K}$. \end{proposition2} \begin{proposition2}[Euler] \XXX $\Tr(x^i/f ′(x))=0$ si $i