From cd27ebbd64c50d235bb6b8da9b444290c91af3f7 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "David A. Madore" Date: Mon, 14 Apr 2025 20:18:32 +0200 Subject: Draft of a test for 2025. --- controle-20250416.tex | 466 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 1 file changed, 466 insertions(+) create mode 100644 controle-20250416.tex diff --git a/controle-20250416.tex b/controle-20250416.tex new file mode 100644 index 0000000..b382d2b --- /dev/null +++ b/controle-20250416.tex @@ -0,0 +1,466 @@ +%% This is a LaTeX document. Hey, Emacs, -*- latex -*- , get it? +\documentclass[12pt,a4paper]{article} +\usepackage[a4paper,margin=2.5cm]{geometry} +\usepackage[french]{babel} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage[T1]{fontenc} +%\usepackage{ucs} +\usepackage{times} +% A tribute to the worthy AMS: +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{amsthm} +% +\usepackage{mathrsfs} +\usepackage{wasysym} +\usepackage{url} +% +\usepackage{graphics} +\usepackage[usenames,dvipsnames]{xcolor} +\usepackage{tikz} +\usetikzlibrary{matrix,calc} +\usepackage{hyperref} +% +%\externaldocument{notes-accq205}[notes-accq205.pdf] +% +\theoremstyle{definition} +\newtheorem{comcnt}{Whatever} +\newcommand\thingy{% +\refstepcounter{comcnt}\smallskip\noindent\textbf{\thecomcnt.} } +\newcommand\exercise{% +\refstepcounter{comcnt}\bigskip\noindent\textbf{Exercise~\thecomcnt.}\par\nobreak} +\let\exercice=\exercise +\renewcommand{\qedsymbol}{\smiley} +%\renewcommand{\thefootnote}{\fnsymbol{footnote}} +% +\newcommand{\id}{\operatorname{id}} +\newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} +\newcommand{\ord}{\operatorname{ord}} +\newcommand{\norm}{\operatorname{N}} +% +\DeclareUnicodeCharacter{00A0}{~} +\DeclareUnicodeCharacter{A76B}{z} +% +\DeclareMathSymbol{\tiret}{\mathord}{operators}{"7C} +\DeclareMathSymbol{\traitdunion}{\mathord}{operators}{"2D} +% +\newcommand{\spaceout}{\hskip1emplus2emminus.5em} +\newif\ifcorrige +\corrigetrue +\newenvironment{corrige}% +{\ifcorrige\relax\else\setbox0=\vbox\bgroup\fi% +\smallbreak\noindent{\underbar{\textit{Corrigé.}}\quad}} +{{\hbox{}\nobreak\hfill\checkmark}% +\ifcorrige\par\smallbreak\else\egroup\par\fi} +% +% +% +\begin{document} +\ifcorrige +\title{FMA-4AC05-TP / ACCQ205\\Contrôle de connaissances — corrigé\\{\normalsize Courbes algébriques}} +\else +\title{FMA-4AC05-TP / ACCQ205\\Contrôle de connaissances\\{\normalsize Courbes algébriques}} +\fi +\author{} +\date{2025-04-16} +\maketitle + +\pretolerance=8000 +\tolerance=50000 + +\vskip1truein\relax + +\noindent\textbf{Instructions.} + +Les exercices sont indépendants sauf dans la mesure où le contraire +est précisé. Ils pourront être traités dans un ordre quelconque, mais +on demande de faire apparaître de façon très visible dans les copies +où commence chaque exercice. + +La longueur de l'énoncé ne doit pas décourager : les exercices ont été +formulés de manière à rappeler le contexte et certaines notions du +cours, si bien que les réponses attendues sont souvent plus courtes +que les questions. + +\medbreak + +L'usage de tous les documents (notes de cours manuscrites ou +imprimées, feuilles d'exercices, livres) est autorisé. + +L'usage des calculatrices électroniques est interdit. + +Les réponses peuvent être écrites en français ou en anglais. + +\ifcorrige +Ce corrigé comporte \textcolor{red}{XXX} pages (page de garde incluse). +\else +Cet énoncé comporte \textcolor{red}{XXX} pages (page de garde incluse). +\fi + +\vfill +{\noindent\tiny +\immediate\write18{sh ./vc > vcline.tex} +Git: \input{vcline.tex} +\immediate\write18{echo ' (stale)' >> vcline.tex} +\par} + +\pagebreak + +% +% +% + +\exercice + +Soit $k$ un corps de caractéristique $\neq 2,3$, et $C$ la variété +algébrique d'équation +\[ +x^3 + y^3 + z^3 = 0 +\] +dans $\mathbb{P}^2$ de coordonnées $(x{:}y{:}z)$ sur $k$. + +(1) Montrer que $\frac{\partial f}{\partial x}$, $\frac{\partial + f}{\partial y}$ et $\frac{\partial f}{\partial z}$, où $f := x^3 + +y^3 + z^3$, n'ont pas de zéro commun dans $\mathbb{P}^2$. On rappelle +que ceci nous permet de conclure que $C$ est une courbe (plane). + +(2) Quels sont les points géométriques de $C$ situés la droite +$\{z=0\}$ ? On pourra noter $\omega$ une racine primitive cubique de +l'unité dans la clôture algébrique $k^{\alg}$ de $k$. Par symétrie, +on donnera aussi les points géométriques de $C$ sur les droites +$\{x=0\}$ et $\{y=0\}$. + +(3) Quelle est l'équation affine de la partie de $C$ située dans +l'espace affine $\mathbb{A}^2$ complémentaire de la droite $\{z=0\}$ +dans $\mathbb{P}^2$ ? On appellera $u,v$ les coordonnées affines sur +ce $\mathbb{A}^2$, qu'on exprimera par rapport aux coordonnées +homogènes $x,y,z$ sur $\mathbb{P}^2$. + +(4) Calculer la droite tangente à $C$ au point $(0{:}-1{:}1)$. Quel +est l'ordre d'annulation la fonction $\frac{x}{z}$ en ce point ? En +déduire quel est l'ordre d'annulation de la fonction $\frac{y}{z}+1$ +en ce point. (On recommande de faire les calculs dans $\mathbb{A}^2$, +et éventuellement de faire une translation pour se ramener à l'origine +de $\mathbb{A}^2$.) + +(5) Quels sont les diviseurs principaux associés aux fonctions +rationnelles $\frac{x}{z}$ et $\frac{y}{z}+1$ sur $C$ ? On vérifiera +que le degré est bien ce qu'il doit être. + + +% +% +% + +\exercice + +Soit $K = k(C)$ le corps de fonctions\footnote{I.e., le corps des +fonctions rationnelles sur $C$.} d'une courbe $C$ sur un corps $k$. +Soit $P$ un point géométrique de $C$. Pour $f \in K$, on notera $v(f) +:= \ord_P(f)$ l'ordre d'annulation de $f$ en $P$ (aussi appelé +« valuation » de $f$ en $P$). + +On rappelle que $v \colon K \to \mathbb{Z}\cup\{+\infty\}$ vérifie +notamment les propriétés suivantes : +\begin{itemize} +\item $v(f) = +\infty$ ssi $f=0$, et $v(c)=0$ si $c\in k^\times$ ; +\item $v(f+g) \leq \min(v(f),v(g))$ avec égalité si $v(f)\neq v(g)$ ; +\item $v(fg) = v(f)+v(g)$. +\end{itemize} + +\smallskip + +Soit $z \in K$ une uniformizante en $P$ (autrement dit, $v(z) = 1$). +Soit enfin $d \geq 2$ un entier naturel. + +On cherche à montrer que la variété algébrique projective définie dans +$\mathbb{P}^{d-1}$ de coordonnées homogènes $(x_0{:}\cdots{:}x_{d-1})$ +par l'équation +\[ +x_0^d + z x_1^d + z^2 x_2^d + \cdots + z^{d-1} x_{d-1}^d = 0 +\] +n'a pas de $K$-point, c'est-à-dire que l'équation ci-dessus +(algébrique homogène de degré $d$ en $d$ +indéterminées\footnote{Attention, $z$ est un élément de $K$, ce n'est +pas une indéterminée !} $x_0,\ldots,x_{d-1}$) n'a pas de solution +dans $K$ autre que $(0,\ldots,0)$. + +\smallskip + +Pour cela, on va raisonner sur la valuation $v(x_j)$ des $x_j$ : +expliquer pourquoi, si $x \in K^\times$ alors $v(z^i x^d)$ est congru +à $i$ modulo $d$ ; en déduire que deux termes de la somme $x_0^d + z +x_1^d + z^2 x_2^d + \cdots + z^{d-1} x_{d-1}^d$ n'ont jamais la même +valuation, et conclure. + +\smallskip + +On pourra au préalable prouver l'affirmation suivante : si dans la +somme $g_1 + \cdots + g_m$ d'éléments de $K$ un des termes a une +valuation \emph{strictement plus petite} que tous les autres, alors la +somme n'est pas nulle. + +\begin{corrige} +On remarque que si $x \in K^\times$, alors $v(x^d) = d\,v(x)$ est un +multiple de $d$. Par conséquent, $v(z^i x^d) = i + d\,v(x)$ est +congru à $i$ modulo $d$. Par conséquent, dans la somme $x_0^d + z +x_1^d + z^2 x_2^d + \cdots + z^{d-1} x_{d-1}^d$, il est impossible que +deux termes aient la même valuation (puisqu'elles sont congrues à des +valeurs différentes modulo $d$) sauf si cette valuation est $\infty$, +c'est-à-dire que les termes sont nuls. Donc dès lors que tous les +termes ne sont pas nuls, il y en a un qui a une valuation +\emph{strictement} plus petite que tous les autres. La somme ne peut +pas être nulle, ce qui prouve le résultat voulu. +\end{corrige} + + +% +% +% + +\exercice + +Dans cet exercice, on \emph{admet} le résultat suivant. Soit $k$ un +corps \emph{algébriquement clos}, soient $n \geq m$ des entiers +naturels, et soient $f_1,\ldots,f_m \in k[t_0,\ldots,t_n]$ des +polynômes \emph{homogènes} de degrés\footnote{Non supposés égaux.} +tous $\geq 1$ en les indéterminées $t_0,\ldots,t_n$. +Alors\footnote{L'explication intuitive est que chaque polynôme $f_j$ +fait tomber la dimension d'au plus $1$ et comme on part de +$\mathbb{P}^n$ qui est de dimension $n$ et qu'on considère $m\leq n$ +polynômes, il reste forcément quelque chose à la fin.} la variété +algébrique projective $Z_{\mathbb{P}^n}(f_1,\ldots,f_m)$ définie dans +$\mathbb{P}^n$ par les équations $f_1 = \cdots = f_m = 0$ n'est pas +vide, c'est-à-dire que $f_1,\ldots,f_m$ ont un zéro commun autre que +le zéro trivial $(0,\ldots,0)$. + +\smallskip + +Soit maintenant $k$ un corps \emph{algébriquement clos}, et soit $K$ +le corps de fonctions d'une courbe $C$ sur $k$ (dans les questions +(1) et (2), on supposera même que cette courbe est $\mathbb{P}^1$). + +\smallskip + +On considère $f \in K[t_0,\ldots,t_n]$ un polynôme \emph{homogène} en +les indéterminées $t_0,\ldots,t_n$ dont le degré total $d$ vérifie $0 +< d \leq n$. Le but de l'exercice est de montrer que la variété +algébrique projective $Z_{\mathbb{P}^n}(f)$ définie dans +$\mathbb{P}^n$ de coordonnées homogènes $(x_0{:}\cdots{:}x_n)$ par +l'équation $f(x_0,\ldots,x_n) = 0$, a un $K$-point, c'est-à-dire que +l'équation $f(x_0,\ldots,x_n) = 0$ a une solution avec +$(x_0,\ldots,x_n$ dans $K$ qui soit non-triviale, i.e. différente +de $(0,\ldots,0)$. + +\smallbreak + +(1) \emph{Dans un premier temps,} on suppose que $K$ est simplement +égal au corps $k(z)$ des fractions rationnelles en une +indéterminée $z$, et on suppose de plus que $f$, qui \textit{a priori} +vit dans $k(z)[t_0,\ldots,t_n]$, est en fait dans +$k[z,t_0,\ldots,t_n]$ (et toujours de degré $0