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From: "David A. Madore" <david+git@madore.org>
Date: Mon, 17 May 2010 19:16:25 +0200
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-% A tribute to the worthy AMS:
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-\theoremstyle{definition}
-\newtheorem{comcnt}{Tout}[subsection]
-\newcommand\thingy{%
-\refstepcounter{comcnt}\smallbreak\noindent\textbf{\thecomcnt.} }
-\newtheorem{defn}[comcnt]{Définition}
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-\begin{document}
-\title{\underline{Brouillon} de notes de cours\\de géométrie algébrique}
-\author{David A. Madore}
-\maketitle
-
-\centerline{\textbf{MDI349}}
-
-%
-%
-%
-
-\section*{Conventions}
-
-Sauf précision expresse du contraire, tous les anneaux considérés sont
-commutatifs et ont un élément unité (noté $1$).
-
-Si $k$ est un anneau, une \textbf{$k$-algèbre} (là aussi :
-implicitement commutative) est la donnée d'un morphisme d'anneaux $k
-\buildrel\varphi\over\to A$ (appelé \emph{morphisme structural} de
-l'algèbre).  On peut multiplier un élément de $A$ par un élément
-de $k$ avec : $c\cdot x = \varphi(c)\,x \in A$ (pour $c\in k$ et $x\in
-A$).
-
-
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-%
-
-\section{Introduction / motivations}
-
-Qu'est-ce que la géométrie algébrique ?  En condensé :
-\begin{itemize}
-\item\textbf{But :} Étudier les solutions de systèmes d'équations
-  polynomiales dans un corps ou un anneau quelconque, ou des objets
-  apparentés.  (Étudier = étudier leur existence, les compter, les
-  paramétrer, les relier, définir une structure dessus, etc.)
-\item\textbf{Géométrie :} Voir de tels systèmes d'équations comme des
-  objets géo\-mé\-triques, soit plongés dans un espace ambiant (espace
-  affine, espace projectif), soit intrinsèques ; leur appliquer des
-  concepts de géométrie (espace tangent, étude locale de singularités,
-  etc.).
-\item\textbf{Moyens :} L'étude locale de ces objets passe par les
-  fonctions définies dessus, qui sont des anneaux tout à fait
-  généraux, donc l'\emph{algèbre commutative} (étude des anneaux
-  commutatifs et de leurs idéaux).
-\end{itemize}
-
-\smallbreak
-
-Problèmes \emph{géométriques} = étude de solutions sur des corps
-algébriquement clos (e.g., $\mathbb{C}$ : géométrie algébrique
-complexe ; $\bar{\mathbb{F}}_p$) ou « presque » (e.g., $\mathbb{R}$ :
-géométrie algébrique réelle).  Problèmes \emph{arithmétiques} = sur
-des corps loin d'être algébriquement clos (e.g., $\mathbb{Q}$ :
-géométrie arithmétique), ou des anneaux plus gé\-né\-raux
-(e.g., $\mathbb{Z}$ : idem, « équations diophantiennes »).
-
-Applications : cryptographie et codage (géométrie sur $\mathbb{F}_q$),
-calcul formel, robotique (géométrie sur $\mathbb{R}$), analyse
-complexe (géométrie sur $\mathbb{C}$), théorie des nombres
-(sur $\mathbb{Q}$, corps de nombres...), etc.
-
-\smallbreak
-
-\textbf{Un exemple :} Pour tout anneau $k$, on définit $C(k) =
-\{(x,y)\in k^2 : x^2+y^2 = 1\}$.  Interprétation géométrique : ceci
-est un cercle !  Il est plongé dans le « plan affine » $\mathbb{A}^2$
-défini par $\mathbb{A}^2(k) = k^2$ pour tout anneau $k$.
-
-\begin{itemize}
-\item Sur $\mathbb{R}$, les solutions forment effectivement un cercle,
-  au sens naïf.
-\item (Sur $\mathbb{C}$, les solutions dans $\mathbb{C}^2$ forment une
-  surface, qui ressemblerait plutôt à une sphère privée de deux
-  points.)
-\item Sur $\mathbb{F}_q$, on peut compter les solutions : on peut
-  montrer qu'il y en a $q-1$ ou $q+1$ selon que $q \equiv 1\pmod{4}$
-  ou $q \equiv 3\pmod{4}$ (ou encore $q$ pour $q = 2^r$).
-\item Sur $\mathbb{Q}$, il n'est pas complètement évident de trouver
-  des solutions autres que $(\pm 1,0)$ et $(0,\pm 1)$.  Un exemple :
-  $(\frac{4}{5},\frac{3}{5})$ (Pythagore, Euclide...).
-\end{itemize}
-
-Paramétrage des solutions :
-
-\begin{center}
-\begin{tikzpicture}[scale=3]
-\draw[step=.2cm,help lines] (-1.25,-1.25) grid (1.25,1.25);
-\draw[->] (-1.15,0) -- (1.15,0); \draw[->] (0,-1.15) -- (0,1.15);
-\draw (0,0) circle (1cm);
-\draw (1,-1.15) -- (1,1.15);
-\coordinate (P) at (0.8,0.6);
-\coordinate (Q) at (1,0.6666666667);
-\draw (0.8,0) -- (P);
-\draw (-1,0) -- node[sloped,auto] {$\scriptstyle\mathrm{pente}=t$} (Q);
-\fill[black] (P) circle (.5pt);
-\fill[black] (Q) circle (.5pt);
-\fill[black] (-1,0) circle (.5pt);
-\node[anchor=west] at (Q) {$\scriptstyle (1,2t)$};
-\node[anchor=north east] at (-1,0) {$\scriptstyle (-1,0)$};
-\node[anchor=east] at (P) {$\scriptstyle (\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2})$};
-\end{tikzpicture}
-\end{center}
-
-Un petit calcul géométrique (cf. les formules exprimant
-$\cos\theta,\sin\theta$ en fonction de $\tan\frac{\theta}{2}$),
-valable sur tout corps $k$ de caractéristique $\neq 2$ (ou en fait
-tout anneau dans lequel $2$ est inversible\footnote{C'est-à-dire, une
-  $\mathbb{Z}[\frac{1}{2}]$-algèbre, où $\mathbb{Z}[\frac{1}{2}] =
-  \{\frac{a}{2^r}:a\in\mathbb{Z},r\in\mathbb{N}\}$}), permet de
-montrer que toute solution $(x,y) \in C(k)$ autre que $(-1,0)$ peut
-s'écrire de la forme $(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2})$ avec $t
-\in k$ (uniquement défini, et vérifiant $t^2\neq -1$).
-
-\emph{Remarques :} (a) ceci correspond à un point
-$(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2}) \in C(k(t))$ où $k(t)$ est le
-corps des fonctions rationnelles à une indéterminée sur $k$ ; (b) ceci
-permet, par exemple, de trouver de nombreuses solutions
-sur $\mathbb{Q}$, ou d'en trouver rapidement sur
-$\mathbb{F}_q$ ($q$ impair) ; (c) on a, en fait, défini un
-« morphisme » d'objets géométriques de la droite affine $\mathbb{A}^1$
-vers le cercle $C$ (privé du point $(-1,0)$).
-
-On peut aussi définir une structure de \emph{groupe} (abélien) sur les
-points de $C(k)$ pour n'importe quel anneau $k$ : si $(x,y) \in C(k)$
-et $(x',y') \in C(k)$, on définit leur composée $(x,y)\star (x',y') =
-(x'',y'')$ par
-\[
-\left\{\begin{array}{c}
-x'' = xx'-yy'\\
-y'' = xy'+yx'\\
-\end{array}\right.
-\]
-(cf. les formules exprimant
-$\cos(\theta+\theta'),\sin(\theta+\theta')$ en fonction de
-$\cos\theta,\sin\theta$ et $\cos\theta',\sin\theta'$).  Élément
-neutre : $(1,0)$ ; inverse de $(x,y)$ : $(x,-y)$.
-
-(Les fonctions trigonométriques, ``transcendantes'', servent à motiver
-ces formules, mais les formules sont parfaitement valables sur
-$\mathbb{F}_q$ bien que $\cos\theta,\sin\theta$ n'aient pas de sens !)
-
-\emph{Remarque :} Tout élément $f$ de l'anneau
-$\mathbb{R}[x,y]/(x^2+y^2-1)$ définit une fonction réelle sur le
-cercle $C(\mathbb{R})$ : ces fonctions s'appellent « polynômes
-  trigonométriques ».  Tout élément de l'anneau
-$\mathbb{Z}[x,y]/(x^2+y^2-1)$ définit une fonction (à valeurs
-dans $k$) sur \emph{n'importe quel} $C(k)$.  On verra aussi plus loin
-qu'un élément de $C(k)$ peut se voir comme un morphisme d'anneaux
-$\mathbb{Z}[x,y]/(x^2+y^2-1) \to k$.
-
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-
-\section{Prolégomènes d'algèbre commutative}
-
-\subsection{Anneaux réduits, intègres}
-
-Anneau \textbf{réduit} = anneau dans lequel $x^n = 0$ implique $x =
-0$.  En général, un $x$ (dans un anneau $A$) tel que $x^n = 0$ pour un
-certain $n \in \mathbb{N}$ s'appelle un élément \textbf{nilpotent}.
-
-Anneau \textbf{intègre} = anneau non nul dans lequel $xy = 0$ implique
-$x=0$ ou $y=0$ (remarque : la réciproque vaut dans tout anneau).  En
-général, un $x$ (dans un anneau $A$) tel qu'il existe $y \neq 0$ tel
-que $xy = 0$ s'appelle un \textbf{diviseur de zéro}.
-
-Élément \textbf{inversible} (ou \emph{unité}) d'un anneau $A$ =
-élément $x$ tel qu'il existe $y$ vérifiant $xy = 1$.  L'ensemble
-$A^\times$ ou $\mathbb{G}_m(A)$ des tels éléments forme un
-\emph{groupe}, appelé groupe multiplicatif des inversibles de $A$.  Un
-\textbf{corps} est un anneau tel que $A^\times = A\setminus\{0\}$.
-
-Un corps est un anneau intègre.  Un anneau intègre est un anneau
-réduit.
-
-\smallbreak
-
-Idéal \textbf{maximal} d'un anneau $A$ = un idéal $\mathfrak{m} \neq
-A$ tel que si $\mathfrak{m} \subseteq \mathfrak{m}'$ (avec
-$\mathfrak{m}'$ un autre idéal) alors soit
-$\mathfrak{m}'=\mathfrak{m}$ soit $\mathfrak{m}'=A$).  Propriété
-équivalente : c'est un idéal $\mathfrak{m}$ tel que $A/\mathfrak{m}$
-soit un corps.
-
-Idéal \textbf{premier} d'un anneau $A$ = un idéal $\mathfrak{p} \neq
-A$ tel que si $x,y\not\in\mathfrak{p}$ alors $xy \not\in
-\mathfrak{p}$.  Propriété équivalente : c'est un idéal $\mathfrak{p}$
-tel que $A/\mathfrak{p}$ soit intègre.
-
-Idéal \textbf{radical} d'un anneau $A$ = un idéal $\mathfrak{r}$ tel
-que si $x^n \in \mathfrak{r}$ alors $x \in \mathfrak{r}$.  Propriété
-équivalente : c'est un idéal $\mathfrak{r}$ tel que $A/\mathfrak{r}$
-soit réduit.
-
-\emph{Exemples :} L'idéal $7\mathbb{Z}$ de $\mathbb{Z}$ est maximal
-(le quotient $\mathbb{Z}/7\mathbb{Z}$ est un corps), donc \textit{a
-  fortiori} premier et radical.  L'idéal $0$ de $\mathbb{Z}$ est
-premier mais non maximal (le quotient $\mathbb{Z}/0\mathbb{Z} =
-\mathbb{Z}$ est un anneau intègre mais non un corps).  L'idéal
-$6\mathbb{Z}$ de $\mathbb{Z}$ est radical mais n'est pas premier.
-L'idéal $9\mathbb{Z}$ de $\mathbb{Z}$ n'est pas radical.
-
-\smallbreak
-
-Un anneau est un corps ssi son idéal $(0)$ est maximal.  Un anneau est
-intègre ssi son idéal $(0)$ est premier.  Un anneau est réduit ssi son
-idéal $(0)$ est radical.
-
-Un anneau est dit \textbf{local} lorsqu'il a un unique idéal maximal.
-(En particulier, un corps est un anneau local.)  Le quotient d'un
-anneau local par son idéal maximal s'appelle son \emph{corps
-  résiduel}.  \emph{Exercice :} l'anneau $A$ des rationnels de la
-forme $\frac{a}{b}$ avec $a,b \in \mathbb{Z}$ et $b$ impair est un
-anneau local dont l'idéal maximal $\mathfrak{m}$ est formé des
-$\frac{a}{b}$ avec $a$ pair.  (Quel est le corps résiduel ?)
-
-\smallbreak
-
-On admet le résultat ensembliste suivant :
-\begin{lem}[principe maximal de Hausdorff]
-Soit $\mathscr{F}$ un ensemble de parties d'un ensemble $A$.  On
-suppose que $\mathscr{F}$ est non vide et que pour toute partie non
-vide $\mathscr{T}$ de $\mathscr{F}$ totalement ordonnée par
-l'inclusion (c'est-à-dire telle que pour $I,I' \in \mathscr{T}$ on a
-soit $I \subseteq I'$ soit $I \supseteq I'$) la réunion $\bigcup_{I
-  \in \mathscr{T}} I$ soit contenue dans un élément de $\mathscr{F}$.
-Alors il existe dans $\mathscr{F}$ un élément $\mathfrak{M}$ maximal
-pour l'inclusion (c'est-à-dire que si $I \supseteq \mathfrak{M}$ avec
-$I \in \mathscr{F}$ alors $I=\mathfrak{M}$).
-\end{lem}
-
-\begin{prop}
-Dans un anneau $A$, tout idéal strict (=autre que $A$) est inclus dans
-un idéal maximal.
-\end{prop}
-\begin{proof}
-Si $I$ est un idéal strict de $A$, on applique le principe maximal de
-Hausdorff à $\mathscr{F}$ l'ensemble des idéaux stricts de $A$
-contenant $I$.  Si $\mathscr{T}$ est une chaîne (=partie totalement
-ordonnée pour l'inclusion) de tels idéaux, la réunion $\bigcup_{I \in
-  \mathscr{T}} I$ en est encore un\footnote{La réunion de deux idéaux
-  n'est généralement pas un idéal, car si $x\in I$ et $x' \in I'$, la
-  somme $x+x'$ n'a pas de raison d'appartenir à $I\cup I'$.  En
-  revanche, si $\mathscr{T}$ est une famille d'idéaux totalement
-  ordonnée par l'inclusion, alors $\bigcup_{I \in \mathscr{T}} I$ est
-  un idéal : si $x\in I$ et $x' \in I'$, où $I,I'\in \mathscr{T}$, on
-  peut écrire soit $I \subseteq I'$ soit $I'\subseteq I$, et dans un
-  cas comme dans l'autre on a $x+x' \in \bigcup_{I \in \mathscr{T}}
-  I$.} (pour voir que la réunion est encore un idéal strict, remarquer
-que $1$ n'y appartient pas).  Le principe maximal de Hausdorff permet
-de conclure.
-\end{proof}
-
-\begin{prop}
-Dans un anneau, l'ensemble des éléments nilpotents est un idéal :
-c'est le plus petit idéal radical.  Cet idéal est précisément
-l'intersection des idéaux premiers de l'anneau.  On l'appelle le
-\textbf{nilradical} de l'anneau.
-\end{prop}
-\begin{proof}
-L'ensemble des nilpotents est un idéal car si $x^n=0$ et $y^n=0$ alors
-$(x+y)^{2n}=0$ en développant.  Il est inclus dans tout idéal radical,
-et il est visiblement lui-même radical : c'est donc le plus petit
-idéal radical.  Étant inclus dans tout idéal radical, il est \textit{a
-  fortiori} inclus dans tout idéal premier.  Reste à montrer que si
-$z$ est inclus dans tout idéal premier, alors $x$ est nilpotent.
-
-Supposons que $z$ n'est pas nilpotent.  Considérons $\mathfrak{p}$ un
-idéal maximal pour l'inclusion parmi les idéaux ne contenant aucun
-$z^n$ : un tel idéal existe d'après le principe maximal de Hausdorff
-(il existe un idéal ne contenant aucun $z^n$, à savoir $\{0\}$).
-Montrons qu'il est premier : si $x,y \not \in \mathfrak{p}$, on veut
-voir que $xy \not\in \mathfrak{p}$.  Par maximalité de $\mathfrak{p}$,
-chacun des idéaux\footnote{On rappelle que si $I,J$ sont deux idéaux
-  d'un anneau, l'ensemble $I + J = \{u+v : u\in I, v\in J\}$ est un
-  idéal, c'est l'idéal engendré par $I\cup J$, c'est-à-dire, le plus
-  petit idéal contenant $I$ et $J$ ; on l'appelle idéal somme de $I$
-  et $J$.  Dans le cas particulier où $J = (x)$ est engendré par un
-  élément, c'est donc l'idéal engendré par $I\cup\{x\}$.}
-$\mathfrak{p}+(x)$ et $\mathfrak{p}+(y)$ doit rencontrer $\{z^n\}$,
-c'est-à-dire qu'on doit pouvoir trouver deux éléments de la forme
-$f+ax$ et $g+by$ avec $f,g\in\mathfrak{p}$ et $a,b\in A$, qui soient
-des puissances de $z$ ; leur produit est alors aussi une puissance
-de $z$, donc n'est pas dans $\mathfrak{p}$, donc $abxy
-\not\in\mathfrak{p}$ (car les trois autres termes sont
-dans $\mathfrak{p}$), et a plus forte raison $xy \not\in
-\mathfrak{p}$.
-\end{proof}
-
-En appliquant ce résultat à $A/I$, on obtient :
-\begin{prop}
-Si $A$ est un anneau et $I$ un idéal de $A$, l'ensemble des éléments
-tels que $z^n \in I$ pour un certain $n \in \mathbb{N}$ est un idéal :
-c'est le plus petit idéal radical contenant $I$.  Cet idéal est
-précisément l'intersection des idéaux premiers de $A$ contenant $I$.
-On l'appelle le \textbf{radical} de l'idéal $I$ et on le note $\surd
-I$.
-\end{prop}
-
-L'intersection des idéaux maximaux d'un anneau s'appelle le
-\textbf{radical de Jacobson} de cet anneau : il est, en général,
-strictement plus grand que le nilradical.
-
-%
-\subsection{Modules}
-
-Un \textbf{module} $M$ sur un anneau $A$ est un groupe abélien muni
-d'une multiplication externe $A \times M \to M$ vérifiant :
-\begin{itemize}
-\item $a(x+y) = ax + ay$
-\item $1x = x$
-\item $(ab)x = a(bx)$
-\item $(a+b)x = ax + bx$
-\end{itemize}
-(Exercice : $a0 = 0$, $a(-x) = -(ax)$, $0x = x$, $(-a)x = -(ax)$...)
-
-Un \textbf{sous-module} $M'$ d'un module $M$ est un sous-groupe $M'$
-de $M$ tel que $ax \in M'$ dès que $x\in M'$ et $a\in A$.
-
-Tout anneau est un module sur lui-même de façon évidente.  Un
-sous-$A$-module de $A$ est la même chose qu'un idéal de $A$.  Si $B$
-est une $A$-algèbre, c'est-à-dire si on se donne un morphisme
-d'anneaux $A \buildrel\varphi\over\to B$, on peut voir $B$ comme un
-$A$-module (par $a\cdot b = \varphi(a)\,b$).
-
-Module de type fini = il existe une famille \emph{finie} $(x_i)$
-d'éléments de $M$ qui engendre $M$ comme $A$-module, c'est-à-dire que
-tout $x \in M$ peut s'écrire $\sum_i a_i x_i$ pour certains $a_i \in
-A$.
-
-Module libre = il existe une base $(x_i)$, c'est-à-dire une famille
-(non né\-ces\-sairement finie) telle que tout $x \in M$ peut s'écrire
-\emph{de façon unique} comme $\sum_i a_i x_i$ pour certains $a_i \in
-A$ tous nuls sauf un nombre fini (de façon unique, c'est-à-dire que
-$\sum_i a_i x_i = 0$ implique $a_i = 0$ pour tout $i$).
-
-%
-\subsection{Anneaux noethériens}
-
-Anneau \textbf{noethérien} : c'est un anneau $A$ vérifiant les
-proprités équivalentes suivantes :
-\begin{itemize}
-\item toute suite croissante pour l'inclusion $I_0 \subseteq I_1
-  \subseteq I_2 \subseteq \cdots$ d'idéaux de $A$ stationne
-  (c'est-à-dire est constante à partir d'un certain rang) ;
-\item tout idéal $I$ de $A$ est de type fini : il existe une famille
-  \emph{finie} $(x_i)$ d'éléments de $I$ qui engendre $I$ comme idéal
-  (= comme $A$-module) (c'est-à-dire que tout $x \in I$ peut s'écrire
-  $\sum_i a_i x_i$ pour certains $a_i \in A$) ;
-\item plus précisément, si $I$ est l'idéal engendré par une famille
-  $x_i$ d'éléments, on peut trouver une sous-famille finie des $x_i$
-  qui engendre le même idéal $I$ ;
-\item un sous-module d'un $A$-module de type fini est de type fini.
-\end{itemize}
-
-L'essentiel des anneaux utilisés en géométrie algébrique (en tout cas,
-auxquels on aura affaire) sont noethériens.  L'anneau $\mathbb{Z}$ est
-noethérien.  Tout corps est un anneau noethérien.  Tout quotient d'un
-anneau noethérien est noethérien (attention : il n'est pas vrai qu'un
-sous-anneau d'un anneau noethérien soit toujours noethérien).  Et
-surtout :
-\begin{prop}[théorème de la base de Hilbert]
-Si $A$ est un anneau noethérien, alors l'anneau $A[t]$ des polynômes à
-une indéterminée sur $A$ est noethérien.
-\end{prop}
-\begin{proof}
-Soit $I \subseteq A[t]$ un idéal.  Supposons par l'absurde que $I$
-n'est psa de type fini.  On construit par récurrence une suite
-$f_0,f_1,f_2,\ldots$ d'éléments de $I$ comme suit.  Si
-$f_0,\ldots,f_{r-1}$ ont déjà été choisis, comme l'idéal
-$(f_0,\ldots,f_{r-1})$ qu'ils engendrent n'est pas $I$, on peut
-choisir $f_r$ de plus petit degré possible parmi les éléments de $I$
-non dans $(f_0,\ldots,f_{r-1})$.
-
-Appelons $c_i$ le coefficient dominant de $f_i$.  Comme $A$ est
-supposé noethérien, il existe $m$ tel que $c_0,\ldots,c_{m-1}$
-engendrent l'idéal $J$ engendré par tous les $c_i$.  Montrons qu'en
-fait $f_0,\ldots,f_{m-1}$ engendrent $I$ (ce qui constitue une
-contradiction).
-
-On peut écrire $c_m = a_0 c_0 + \cdots + a_{m-1} c_{m-1}$.  Par
-ailleurs, le degré de $f_m$ est supérieur ou égal au degré de chacun
-de $f_0,\ldots,f_{m-1}$ par minimalité de ces derniers.  On peut donc
-construire le polynôme $g = \sum_{i=0}^{m-1} a_i f_i t^{\deg f_m -
-  \deg f_i}$, qui a les mêmes degré et coefficient dominant que $f_m$,
-et qui appartient à $(f_0,\ldots,f_{m-1})$.  Alors, $f_m - g$ est de
-degré strictement plus petit que $f_m$, il appartient à $I$ mais pas
-à $(f_0,\ldots,f_{m-1})$ : ceci contredit la minimalité dans le choix
-de $f_m$.
-\end{proof}
-
-En itérant ce résultat, on voit que si $A$ est noethérien, alors
-$A[t_1,\ldots,t_d]$ l'est pour tout $d\in\mathbb{N}$.  Comme un
-quotient d'un anneau noethérien est encore noethérien :
-
-\begin{defn}
-Une $A$-algèbre $B$ est dite \textbf{de type fini} (comme $A$-algèbre)
-lorsqu'il existe $x_1,\ldots,x_d \in B$ (qu'on dit \emph{engendrer}
-$B$ comme $A$-algèbre) tel que tout élément de $B$ s'écrive
-$f(x_1,\ldots,x_d)$ pour un certain polynôme $f \in
-A[t_1,\ldots,t_d]$.
-\end{defn}
-
-\danger\textbf{Attention :} Cela ne signifie pas que $B$ soit de type
-fini comme $A$-module.  Lorsque c'est le cas, on dit que $B$ est une
-$A$-algèbre \emph{finie}, ce qui est plus fort car cela signifie que
-$f$ serait de degré $1$.  (Par exemple, $k[t]$ est une $k$-algèbre de
-type fini, engendrée par $t$, mais pas finie.)
-
-Dire que $B$ est une $A$-algèbre de type fini engendrée par
-$x_1,\ldots,x_d$ signifie donc que le morphisme $\xi\colon
-A[t_1,\ldots,t_d] \to B$ défini par $f \mapsto f(x_1,\ldots,x_d)$ est
-\emph{surjectif}.  Par conséquent, si $I$ désigne le noyau de ce
-morphisme (c'est-à-dire l'ensemble des $f \in A[t_1,\ldots,t_d]$ qui
-s'annulent en $(x_1,\ldots,x_d)$) alors $\xi$ définit un isomorphisme
-$A[t_1,\ldots,t_d]/I \buildrel\sim\over\to B$.  On peut donc dire :
-une $A$-algèbre de type fini est un quotient de $A[t_1,\ldots,t_d]$
-(pour un certain $d$).
-
-\begin{cor}
-Une algèbre de type fini sur un anneau noethérien, et en particulier
-sur un corps ou sur $\mathbb{Z}$, est un anneau noethérien.
-\end{cor}
-
-%
-\subsection{Notes sur les morphismes}
-\label{section-note-morphismes}
-
-Si $A,B$ sont deux $k$-algèbres (où $k$ est un anneau), c'est-à-dire
-qu'on se donne deux morphismes $\varphi_A \colon k\to A$ et $\varphi_B
-\colon k\to B$, on note $\Hom_k(A,B)$ (ou bien
-$\Hom_{k\traitdunion\mathrm{Alg}}(A,B)$ s'il y a
-ambiguïté\footnote{Par exemple pour bien distinguer de l'ensemble
-  $\Hom_{k\traitdunion\mathrm{Mod}}(A,B)$ des applications
-  $k$-linéaires, ou morphismes de $k$-modules, entre $A$ et $B$ vus
-  comme des $k$-modules.}) l'ensemble des morphismes de $k$-algèbres
-$A\to B$, c'est-à-dire l'ensemble des morphismes d'anneaux
-$A\buildrel\psi\over\to B$ « au-dessus de $k$ », ou faisant commuter
-le diagramme :
-\begin{center}
-\begin{tikzpicture}[auto]
-\matrix(diag)[matrix of math nodes,column sep=2.5em,row sep=5ex]{
-A&&B\\&k&\\};
-\draw[->] (diag-2-2) -- node{$\varphi_A$} (diag-1-1);
-\draw[->] (diag-2-2) -- node[swap]{$\varphi_B$} (diag-1-3);
-\draw[->] (diag-1-1) -- node{$\psi$} (diag-1-3);
-\end{tikzpicture}
-\end{center}
-
-Remarque : une $\mathbb{Z}$-algèbre est la même chose qu'un anneau, et
-un morphisme de $\mathbb{Z}$-algèbres qu'un morphisme d'anneaux.
-
-\begin{prop}
-\begin{itemize}
-\item $\Hom_k(k,A)$ est un singleton pour toute $k$-algèbre $A$.
-\item $\Hom_k(k[t],A)$ est en bijection avec $A$ en envoyant
-  $\psi\colon k[t]\to A$ sur $\psi(t)$.
-\item De même, $\Hom_k(k[t_1,\ldots,t_d],A)$ est en bijection avec
-  l'ensemble $A^d$ (en envoyant $\psi$ sur
-  $(\psi(t_1),\ldots,\psi(t_d))$).
-\item Si $I$ est un idéal de $R$, alors $\Hom_k(R/I, A)$ est en
-  bijection avec le sous-ensemble de $\Hom_k(R,A)$ formé des
-  $\psi\colon R\to A$ qui s'annulent sur $I$ (la bijection envoyant
-  $\hat\psi \colon R/I \to A$ sur $\psi \colon R\to A$ composé de
-  $\hat\psi$ avec la surjection canonique $R \to R/I$).
-\item (En particulier,) si $I = (f_1,\ldots,f_r)$ est un idéal de
-  $k[t_1,\ldots,t_d]$ et si $R = k[t_1,\ldots,t_d]/I$, alors
-  $\Hom_k(R, A)$ est en bijection avec l'ensemble $\{(x_1,\ldots,x_d)
-  \in A^d :\penalty0 (\forall j)\,f_j(x_1,\ldots,x_d) = 0\}$ (noté
-  $Z(I)(A)$ ou $Z_A(I)$).
-\end{itemize}
-\end{prop}
-
-À titre d'exemple, dans l'introduction on avait posé $C(T) =
-\{(x,y)\in T^2 : x^2+y^2 = 1\}$ pour tout anneau $T$.  Un élément de
-$C(T)$ peut donc se voir comme un morphisme
-$\mathbb{Z}[x,y]/(x^2+y^2-1) \to T$.
-
-\textbf{Exercice :} Si on note $k[x,x^{-1}] = k[x,y]/(xy-1)$, à quoi
-peut-on identifier l'ensemble $\Hom_k(k[x,x^{-1}], A)$ ?
-
-\smallbreak
-
-Si $\beta\colon B \to B'$, on définit une application
-$\Hom_k(A,\beta)\colon \Hom_k(A,B) \to \Hom_k(A,B')$ par $\psi \mapsto
-\beta\circ\psi$ ; si $\alpha \colon A' \to A$ (attention au sens de la
-flèche !), on définit de même une application $\Hom_k(\alpha,B) \colon
-\Hom_k(A,B) \to \Hom_k(A',B)$ par $\psi \mapsto \psi\circ\alpha$.  Ces
-applications $\Hom_k(A,\beta)$ et $\Hom_k(\alpha,B)$ commutent au sens
-où $\Hom_k(\alpha,B') \circ \Hom_k(A,\beta) = \Hom_k(A',\beta) \circ
-\Hom_k(\alpha,B) \penalty0\colon \Hom_k(A,B) \to \Hom_k(A',B')$ (c'est
-trivial : composer $\psi$ à droite par $\alpha$ puis à gauche
-par $\beta$ revient à le composer à gauche par $\beta$ puis à droite
-par $\alpha$).  De façon à peine moins triviale :
-
-\begin{prop}[lemme de Yoneda]
-Soient $B,B'$ deux $k$-algèbres.  On suppose que pour toute
-$k$-algèbre $A$ on se donne une application $\beta_A\colon \Hom_k(A,B)
-\to \Hom_k(A,B')$ telle que si $\alpha\colon A'\to A$ alors
-$\Hom_k(\alpha,B') \circ \beta_A = \beta_{A'} \circ \Hom_k(\alpha,B)$.
-Alors il existe un unique morphisme $\beta\colon B \to B'$ de
-$k$-algèbres tel que $\beta_A = \Hom_k(A,\beta)$ pour toute
-$k$-algèbre $A$.
-
-Dans l'autre sens : si $A,A'$ sont deux $k$-algèbres, et si pour toute
-$k$-algèbre $B$ on se donne une application $\alpha_B\colon
-\Hom_k(A,B) \to \Hom_k(A',B)$ telle que $\alpha_{B'} \circ
-\Hom_k(A,\beta) = \Hom_k(A',\beta) \circ \alpha_B$, alors il existe un
-unique morphisme $\alpha\colon A'\to A$ de $k$-algèbres tel que
-$\alpha_B = \Hom_k(\alpha,B)$ pour toute $k$-algèbre $B$.
-\end{prop}
-\begin{proof}
-Prendre pour $\beta$ l'image de l'identité $\id_B$ par $\beta_B$, ou
-pour $\alpha$ l'image de l'identité $\id_A$ par $\alpha_A$.
-\end{proof}
-
-%
-\subsection{Localisation}
-
-On dit qu'une partie $S$ d'un anneau $A$ est \emph{multiplicative}
-lorsque $1\in S$ et $s,s'\in S \limp ss'\in S$.  Par exemple, le
-complémentaire d'un idéal premier est, par définition,
-multiplicative ; en particulier, dans un anneau intègre, l'ensemble
-des éléments non nuls est une partie multiplicative.
-
-Dans ces conditions, on construit un anneau noté $A[S^{-1}]$ (ou
-$S^{-1}A$) de la façon suivante : ses éléments sont notés $a/s$ avec
-$a\in A$ et $s \in S$, où on identifie\footnote{Ce racourci de langage
-  signifie qu'on considère la relation d'équivalence $\sim$ sur
-  $A\times S$ définie par $(a,s) \sim (a',s')$ lorsqu'il existe $t \in
-  S$ tel que $t(a's-as') = 0$, on appelle $A[S^{-1}]$ le quotient
-  $(A\times S)/\sim$, et on note $a/s$ la classe de $(a,s)$ pour cette
-  relation ; il faudrait encore vérifier que toutes les opérations
-  proposées ensuite sont bien définies.} $a/s = a'/s'$ lorsqu'il
-existe $t \in S$ tel que $t(a's-as') = 0$.  L'addition est définie par
-$(a/s)+(a'/s') = (a's+as')/(ss')$ (le zéro par $0/1$, l'opposé par
-$-(a/s) = (-a)/s$) et la multiplication par $(a/s)\cdot (a'/s') =
-(aa')/(ss')$ (l'unité par $1/1$).  Cet anneau est muni d'un morphisme
-naturel $A \buildrel\iota\over\to A[S^{-1}]$ donné par $a \mapsto
-a/1$.  On l'appelle le \textbf{localisé} de $A$ inversant la partie
-multiplicative $S$.  Si $A$ est une $k$-algèbre (pour un certain
-anneau $k$) alors $A[S^{-1}]$ est une $k$-algèbre de façon évidente
-(en composant le morphisme structural $k\to A$ par le morphisme
-naturel $A \to A[S^{-1}]$).
-
-\begin{prop}
-\begin{itemize}
-\item Le morphisme naturel $A \buildrel\iota\over\to A[S^{-1}]$ est
-  injectif si et seulement si $S$ ne contient aucun diviseur de zéro.
-  (Extrême inverse : si $S$ contient $0$, alors $A[S^{-1}]$ est
-  l'anneau nul.)
-\item Tout idéal $J$ de $A[S^{-1}]$ est de la forme $J = I[S^{-1}] :=
-  \{a/s : a\in I,\penalty0 s \in S\}$ où $I$ est l'image réciproque
-  dans $A$ (par le morphisme naturel $\iota\colon A \to A[S^{-1}]$) de
-  l'idéal $J$ considéré.  Autrement dit, $J \mapsto \iota^{-1}(J)$
-  définit une injection des idéaux de $A[S^{-1}]$ dans ceux de $A$.
-\item Un idéal $I$ de $A$ est de la forme $\iota^{-1}(J)$ pour un
-  idéal $J$ de $A[S^{-1}]$ (né\-ces\-sai\-rement $J = I[S^{-1}]$ d'après le
-  point précédent) ssi aucun élément de $S$ n'est diviseur de zéro
-  dans $A/I$.
-\item En particulier, $\mathfrak{p} \mapsto \iota^{-1}(\mathfrak{p})$
-  définit une bijection entre les idéaux premiers de $A[S^{-1}]$ et
-  ceux de $A$ ne rencontrant pas $S$.
-\item Si $A$ est une $k$-algèbre, $\Hom_k(A[S^{-1}],B)$ s'identifie,
-  via $\Hom_k(\iota,B)\colon\penalty0 \Hom_k(A[S^{-1}],B) \to
-  \Hom_k(A,B)$, au sous-ensemble de $\Hom_k(A,B)$ formé des morphismes
-  $\psi\colon A\to B$ tels que $\psi(s)$ soit inversible pour
-  tout $s\in S$.
-\end{itemize}
-\end{prop}
-
-Cas particuliers importants : si $\mathfrak{p}$ est premier et $S =
-A\setminus\mathfrak{p}$ est son com\-plé\-men\-taire, on note
-$A_{\mathfrak{p}} = A[S^{-1}]$ ; c'est un anneau local (dont l'idéal
-maximal est $\mathfrak{p}[S^{-1}] = \{a/s : a\in \mathfrak{p}, s
-\not\in \mathfrak{p}\}$) : on l'appelle le localisé de $A$
-\textbf{en} $\mathfrak{p}$.  Si $A$ est un anneau intègre et $S = A
-\setminus\{0\}$ l'ensemble des éléments non nuls de $A$, on note
-$\Frac(A) = A[S^{-1}]$ : c'est un corps, appelé \textbf{corps des
-  fractions} de $A$.  Par exemple, $\Frac(\mathbb{Z}) = \mathbb{Q}$ et
-$\Frac(k[t]) = k(t)$ pour $k$ un corps.
-
-Toute partie $\Sigma$ de $A$ engendre une partie multiplicative $S$
-(c'est l'intersection de toutes les parties multiplicatives
-contenant $\Sigma$, ou simplement l'ensemble de tous les produits
-possibles d'éléments de $\Sigma$) : on note généralement
-$A[\Sigma^{-1}]$ pour $A[S^{-1}]$.  En particulier, lorsque $\Sigma$
-est le singleton d'un élément $\sigma$, on note $A[\sigma^{-1}]$ ou
-$A[\frac{1}{\sigma}]$.
-
-%
-\subsection{TODO}
-
-Lemme de Nakayama ?
-
-
-%
-%
-%
-
-\section{Variétés algébriques affines sur un corps algé\-bri\-que\-ment clos}
-
-Pour le moment, $k$ est un corps, qui sera bientôt algébriquement
-clos.
-
-%
-\subsection{Une question d'idéaux maximaux}
-
-On commence par une remarque : si $x = (x_1,\ldots,x_d)$ est un point
-de $k^d$, on dispose d'un \emph{morphisme d'évaluation en $x$},
-$k[t_1,\ldots,t_d] \to k$, donné par $f \mapsto f(x_1,\ldots,x_d)$
-(pour $f$ un polynôme à $d$ indéterminées), qui à $f$ associe sa
-valeur en $d$.  Ce morphisme est évidemment surjectif (tout $c \in k$
-est l'image du polynôme constant $c$).  Si on appelle $\mathfrak{m}_x$
-son noyau, c'est-à-dire, l'ensemble (donc l'idéal) des polynômes $f$
-s'annulant en $x$, alors l'évaluation définit un isomorphisme
-$k[t_1,\ldots,t_d]/\mathfrak{m}_x \buildrel\sim\over\to k$.  Par
-conséquent, $\mathfrak{m}_x$ est un idéal \emph{maximal}
-de $k[t_1,\ldots,t_d]$.  Notons que $\mathfrak{m}_x$ est l'idéal
-$(t_1-x_1,\ldots,t_d-x_d)$ engendré par tous les $t_i - x_i$.
-
-Si $k$ n'est pas algébriquement clos, il n'est pas vrai que tout idéal
-maximal de $k[t_1,\ldots,t_d]$ soit de la forme $\mathfrak{m}_x$ pour
-un certain $x \in k^d$ (par exemple, si $k = \mathbb{R}$, l'idéal
-qu'on pourrait noter $\mathfrak{m}_{\{\pm i\}}$ de $\mathbb{R}[t]$ et
-formé des $f \in \mathbb{R}[t]$ tels que $f(i) = 0$, ou, de façon
-équivalente, $f(-i) = 0$, c'est-à-dire l'idéal engendré par $t^2+1$,
-n'est pas de cette forme, et d'ailleurs le quotient
-$\mathbb{R}[t]/(t^2+1)$ est isomorphe à $\mathbb{C}$ et pas
-à $\mathbb{R}$).  En revanche, si $k$ \emph{est} algébriquement clos,
-on va voir ci-dessous que tout idéal maximal de $k[t_1,\ldots,t_d]$
-est l'idéal $\mathfrak{m}_x$ des polynômes s'annulant en un certain
-point $x$.
-
-%
-\subsection{Correspondance entre fermés de Zariski et idéaux}
-
-\textbf{Comment associer une partie de $k^d$ à un idéal de
-  $k[t_1,\ldots,t_d]$ ?}
-
-Si $\mathscr{F}$ est une partie de $k[t_1,\ldots,t_d]$, on définit un
-ensemble $Z(\mathscr{F}) = \{(x_1,\ldots,x_d) \in k^d :\penalty0
-(\forall f\in \mathscr{F})\, f(x_1,\ldots,x_d) = 0\}$ (on devrait
-plutôt noter $Z(\mathscr{F})(k)$ ou $Z_k(\mathscr{F})$, surtout si $k$
-n'est pas algébriquement clos, mais il le sera bientôt).  Plus
-généralement, pour toute $k$-algèbre $A$, on définit
-$Z(\mathscr{F})(A) = \{(x_1,\ldots,x_d) \in A^d :\penalty0 (\forall
-f\in \mathscr{F})\, f(x_1,\ldots,x_d) = 0\}$.
-
-Remarques évidentes : si $\mathscr{F} \subseteq \mathscr{F}'$ alors
-$Z(\mathscr{F}) \supseteq Z(\mathscr{F}')$ (la fonction $Z$ est
-« décroissante pour l'inclusion ») ; on a $Z(\mathscr{F}) = \bigcap_{f\in
-  \mathscr{F}} Z(f)$ (où $Z(f)$ est un racourci de notation pour
-$Z(\{f\})$).  Plus intéressant : si $I$ est l'idéal engendré par
-$\mathscr{F}$ alors $Z(I) = Z(\mathscr{F})$.  On peut donc se
-contenter de regarder les $Z(I)$ avec $I$ idéal
-de $k[t_1,\ldots,t_d]$.  Encore un peu mieux : si $\surd I = \{f :
-(\exists n)\,f^n\in I\}$ désigne le radical de l'idéal $I$, on a
-$Z(\surd I) = Z(I)$ ; on peut donc se contenter de considérer les
-$Z(I)$ avec $I$ idéal radical.
-
-On appellera \textbf{fermé de Zariski} dans $k^d$ une partie $E$ de
-$k^d$ vérifiant le premier point, c'est-à-dire de la forme
-$Z(\mathscr{F})$ pour une certaine partie $\mathscr{F}$
-de $k[t_1,\ldots,t_d]$, dont on a vu qu'on pouvait supposer qu'il
-s'agit d'un idéal radical.
-
-Le vide est un fermé de Zariski ($Z(1) = \varnothing$) ; l'ensemble
-$k^d$ tout entier est un fermé de Zariski ($Z(0) = k^d$) ; tout
-singleton est un fermé de Zariski ($Z(\mathfrak{m}_x) = \{x\}$, par
-exemple en voyant $\mathfrak{m}_x$ comme $(t_1-x_1,\ldots,t_d-x_d)$).
-Si $(E_i)_{i\in \Lambda}$ sont des fermés de Zariski, alors
-$\bigcap_{i\in \Lambda} E_i$ est un fermé de Zariski : plus
-précisément, si $(I_i)_{i\in \Lambda}$ sont des idéaux
-de $k[t_1,\ldots,t_d]$, alors $Z(\sum_{i\in\Lambda} I_i) =
-\bigcap_{i\in\Lambda} Z(I_i)$.  Si $E,E'$ sont des fermés de Zariski,
-alors $E \cup E'$ est un fermé de Zariski : plus précisément, si
-$I,I'$ sont des idéaux de $k[t_1,\ldots,t_d]$, alors $Z(I\cap I') =
-Z(I) \cup Z(I')$ (l'inclusion $\supseteq$ est évidente ; pour l'autre
-inclusion, si $x \in Z(I\cap I')$ mais $x \not\in Z(I)$, il existe
-$f\in I$ tel que $f(x) \neq 0$, et alors pour tout $f' \in I'$ on a
-$f(x)\,f'(x) = 0$ puisque $ff' \in I\cap I'$, donc $f'(x) = 0$, ce qui
-prouve $x \in Z(I')$).
-
-\medbreak
-
-\textbf{Comment associer un idéal de $k[t_1,\ldots,t_d]$ à une partie
-  de $k^d$ ?}
-
-Réciproquement, si $E$ est une partie de $k^d$, on note
-$\mathfrak{I}(E) = \{f\in k[t_1,\ldots,t_d] :\penalty0 (\forall
-(x_1,\ldots,x_d)\in E)\, f(x_1,\ldots,x_d)=0\}$.  Vérification
-facile : c'est un idéal de $k[t_1,\ldots,t_d]$, et même un idéal
-radical.  Remarque évidente : si $E \subseteq E'$ alors
-$\mathfrak{I}(E) \supseteq \mathfrak{I}(E')$ ; on a $\mathfrak{I}(E) =
-\bigcap_{x\in E} \mathfrak{m}_x$ (où $\mathfrak{m}_x$ désigne l'idéal
-maximal $\mathfrak{I}(\{x\})$ des polynômes s'annulant en $x$), et en
-particulier $\mathfrak{I}(E) \neq k[t_1,\ldots,t_d]$ dès que $E \neq
-\varnothing$.
-
-On a de façon triviale $\mathfrak{I}(\varnothing) =
-k[t_1,\ldots,t_d]$.  De façon moins évidente, si $k$ est infini (ce
-qui est en particulier le cas lorsque $k$ est algébriquement clos), on
-a $\mathfrak{I}(k^d) = (0)$ (démonstration par récurrence sur $d$,
-laissée en exercice).
-
-\danger Sur un corps fini $\mathbb{F}_q$, on a
-$\mathfrak{I}({\mathbb{F}_q}^d) \neq (0)$.  Par exemple, si $t$ est
-une des in\-dé\-ter\-mi\-nées, le polynôme $t^q-t$ s'annule en tout
-point de ${\mathbb{F}_q}^d$.
-
-\medbreak
-
-\textbf{Le rapport entre ces deux fonctions}
-
-On a $E \subseteq Z(\mathscr{F})$ ssi $\mathscr{F} \subseteq
-\mathfrak{I}(E)$ (les deux signifiant « tout polynôme dans
-  $\mathscr{F}$ s'annule en tout point de $E$ »).  En particulier, en
-appliquant ceci à $\mathscr{F} = \mathfrak{I}(E)$, on a $E \subseteq
-Z(\mathfrak{I}(E))$ pour toute partie $E$ de $k^d$ ; et en
-l'appliquant à $E = Z(\mathscr{F})$, on a $\mathscr{F} \subseteq
-\mathfrak{I}(Z(\mathscr{F}))$.  De $E \subseteq Z(\mathfrak{I}(E))$ on
-déduit $\mathfrak{I}(E) \supseteq \mathfrak{I}(Z(\mathfrak{I}(E)))$
-(car $\mathfrak{I}$ est décroissante), mais par ailleurs
-$\mathfrak{I}(E) \subseteq \mathfrak{I}(Z(\mathfrak{I}(E)))$ en
-appliquant l'autre inclusion à $\mathfrak{I}(E)$ : donc
-$\mathfrak{I}(E) = \mathfrak{I}(Z(\mathfrak{I}(E)))$ pour toute partie
-$E$ de $k^d$ ; de même, $Z(\mathscr{F}) =
-Z(\mathfrak{I}(Z(\mathscr{F})))$ pour tout ensemble $\mathscr{F}$ de
-polynômes.  On a donc prouvé :
-
-\begin{prop}
-Avec les notations ci-dessus :
-\begin{itemize}
-\item Une partie $E$ de $k^d$ vérifie $E = Z(\mathfrak{I}(E))$ si et
-  seulement si elle est de la forme $Z(\mathscr{F})$ pour un
-  certain $\mathscr{F}$ (=: c'est un fermé de Zariski), et dans ce cas
-  on peut prendre $\mathscr{F} = \mathfrak{I}(E)$, qui est un idéal
-  radical.
-\item Une partie $I$ de $k[t_1,\ldots,t_d]$ vérifie $I =
-  \mathfrak{I}(Z(I))$ si et seulement si elle est de la forme
-  $\mathfrak{I}(E)$ pour un certain $E$, et dans ce cas on peut
-  prendre $E = Z(I)$, et $I$ est un idéal radical
-  de $k[t_1,\ldots,t_d]$.
-\item Les fonctions $\mathfrak{I}$ et $Z$ se restreignent en des
-  bijections décroissantes réci\-proques entre l'ensemble des parties
-  $E$ de $k^d$ vérifiant le premier point ci-dessus et l'ensemble des
-  idéaux radicaux $I$ de $k[t_1,\ldots,t_d]$ vérifiant le second.
-\end{itemize}
-\end{prop}
-
-On a appelé \textbf{fermé de Zariski} une partie $E$ de $k^d$
-vérifiant le premier point, c'est-à-dire de la forme $Z(\mathscr{F})$
-pour une certaine partie $\mathscr{F}$ de $k[t_1,\ldots,t_d]$ : on a
-vu qu'on pouvait supposer qu'il s'agit d'un idéal radical, et on vient
-de voir qu'on peut écrire précisément $E = Z(I)$ où $I =
-\mathfrak{I}(E)$.  (On ne donne pas de nom particulier aux idéaux
-vérifiant le second point (=être dans l'image de la
-fonction $\mathfrak{I}$), mais on va voir que pour $k$ algébriquement
-clos il s'agit de tous les idéaux radicaux.)
-
-\medbreak
-
-\textbf{Fermés irréductibles et idéaux premiers}
-
-On dit qu'un fermé de Zariski $E \subseteq k^d$ non vide est
-\textbf{irréductible} lorsqu'on ne peut pas écrire $E = E' \cup E''$,
-où $E',E''$ sont deux fermés de Zariski (forcément contenus
-dans $E$...), sauf si $E'=E$ ou $E''=E$.
-
-\emph{Contre-exemple :} $Z(xy)$ (dans le plan $k^2$ de
-coordonnées $x,y$) n'est pas ir\-ré\-duc\-tible, car $Z(xy) = \{(x,y)
-\in k^2 : xy=0\} = \{(x,y) \in k^2 :
-x=0\penalty0\ \textrm{ou}\penalty0\ y=0\} = Z(x) \cup Z(y)$ est
-réunion de $Z(x)$ (l'axe des ordonnées) et $Z(y)$ (l'axe des
-abscisses) qui sont tous tous les deux strictement plus petits
-que $Z(xy)$.
-
-\begin{prop}
-Un fermé de Zariski $E \subseteq k^d$ est irréductible si, et
-seulement si, l'idéal $\mathfrak{I}(E)$ est premier.
-\end{prop}
-\begin{proof}
-Supposons $\mathfrak{I}(E)$ premier : on veut montrer que $E$ est
-irréductible.  Supposons $E = E' \cup E''$ comme ci-dessus (on a vu
-que $E = Z(\mathfrak{I}(E))$, $E' = Z(\mathfrak{I}(E'))$ et $E'' =
-Z(\mathfrak{I}(E''))$) : on veut montrer que $E' = E$ ou $E'' = E$.
-Supposons le contraire, c'est-à-dire $\mathfrak{I}(E) \neq
-\mathfrak{I}(E')$ et $\mathfrak{I}(E) \neq \mathfrak{I}(E'')$.  Il
-existe alors $f' \in \mathfrak{I}(E') \setminus \mathfrak{I}(E)$ et
-$f'' \in \mathfrak{I}(E'') \setminus \mathfrak{I}(E)$.  On a alors
-$f'f'' \not\in \mathfrak{I}(E)$ car $\mathfrak{I}(E)$ est premier, et
-pourtant $f'f''$ s'annule sur $E'$ et $E''$ donc sur $E$, une
-contradiction.
-
-Réciproquement, supposons $E$ irréductible : on veut montrer que
-$\mathfrak{I}(E)$ est premier.  Soient $f',f''$ tels que $f'f'' \in
-\mathfrak{I}(E)$ : posons $E' = Z(\mathfrak{I}(E) + (f'))$ et $E'' =
-Z(\mathfrak{I}(E) + (f''))$.  On a $E' \subseteq E$ et $E'' \subseteq
-E$ puisque $E = Z(\mathfrak{I}(E))$, et en fait $E' = E \cap Z(f')$ et
-$E'' = E \cap Z(f'')$ ; on a par ailleurs $E = E' \cup E''$ (car si $x
-\in E$ alors $f'(x)\,f''(x) = 0$ donc soit $f'(x)=0$ soit $f''(x)=0$,
-et dans le premier cas $x \in E'$ et dans le second $x \in E''$).
-Puisqu'on a supposé $E$ irréductible, on a, disons, $E' = E$,
-c'est-à-dire $E \subseteq Z(f')$, ce qui signifie $f' \in
-\mathfrak{I}(E)$.  Ceci montre bien que $\mathfrak{I}(E)$ est premier.
-\end{proof}
-
-%
-\subsection{Le Nullstellensatz}
-
-(Nullstellensatz, littéralement, « théorème du lieu d'annulation », ou
-« théorème des zéros de Hilbert ».)
-
-On suppose maintenant que $k$ est algébriquement clos !
-
-\begin{prop}[Nullstellensatz faible]
-Soit $k$ un corps algébriquement clos.  Si $I$ est un idéal de
-$k[t_1,\ldots,t_d]$ tel que $Z(I) = \varnothing$, alors $I =
-k[t_1,\ldots,t_d]$.
-\end{prop}
-\begin{proof}[Démonstration dans le cas particulier où $k$ est indénombrable.]
-Supposons par contraposée $I \subsetneq k[t_1,\ldots,t_d]$.  Alors il
-existe un idéal maximal $\mathfrak{m}$ tel que $I \subseteq
-\mathfrak{m}$, et on a $Z(\mathfrak{m}) \subseteq Z(I)$.  On va
-montrer $Z(\mathfrak{m}) \neq \varnothing$.
-
-Soit $K = k[t_1,\ldots,t_d]/\mathfrak{m}$.  Il s'agit d'un corps, qui
-est de dimension au plus dénombrable (=il a une famille génératrice
-dénombrable, à savoir les images des monômes dans les $t_i$) sur $k$.
-Mais $K$ ne peut pas contenir d'élément transcendant $\tau$ sur $k$
-car, $k$ ayant été supposé indénombrable, la famille des
-$\frac{1}{\tau - x}$ pour $x\in k$ serait linéairement indépendante
-(par décomposition en élément simples) dans $k(\tau)$ donc dans $K$.
-Donc $K$ est algébrique sur $k$.  Comme $k$ était supposé
-algébriquement clos, on a en fait $K=k$.  Les classes des
-indéterminées $t_1,\ldots,t_d$ définissent alors des éléments
-$x_1,\ldots,x_d \in k$, et pour tout $f \in \mathfrak{m}$, on a
-$f(x_1,\ldots,x_d) = 0$.  Autrement dit, $(x_1,\ldots,x_d) \in
-Z(\mathfrak{m})$, ce qui conclut.
-\end{proof}
-
-En fait, dans le cours de cette démonstration, on a montré (dans le
-cas particulier où on s'est placé, mais c'est vrai en général) :
-\begin{prop}[{idéaux maximaux de $k[t_1,\ldots,t_d]$}]
-Soit $k$ un corps algé\-bri\-que\-ment clos.  Tout idéal maximal
-$\mathfrak{m}$ de $k[t_1,\ldots,t_d]$ est de la forme
-$\mathfrak{m}_{(x_1,\ldots,x_d)} := \{f : f(x_1,\ldots,x_d) = 0\}$
-pour un certain $(x_1,\ldots,x_d) \in k^d$.
-\end{prop}
-\begin{proof}
-En fait, on a prouvé que si $\mathfrak{m}$ est un idéal maximal, il
-existe $(x_1,\ldots,x_d) \in k^d$ tels que $(x_1,\ldots,x_d) \in
-Z(\mathfrak{m})$, ce qui donne $\mathfrak{m} \subseteq
-\mathfrak{I}(\{(x_1,\ldots,x_d)\})$, mais par maximalité de
-$\mathfrak{m}$ ceci est en fait une égalité.
-\end{proof}
-
-En particulier, le corps quotient $k[t_1,\ldots,t_d]/\mathfrak{m}$ est
-isomorphe à $k$, l'isomorphisme étant donnée par l'évaluation au point
-$(x_1,\ldots,x_d)$ tel que ci-dessus.
-
-\begin{thm}[Nullstellensatz = théorème des zéros de Hilbert]
-Soit $I$ un idéal de $k[t_1,\ldots,t_d]$ (toujours avec $k$ un corps
-algébriquement clos) : alors $\mathfrak{I}(Z(I)) = \surd I$ (le
-radical de $I$).
-\end{thm}
-\begin{proof}
-On sait que $\surd I \subseteq \mathfrak{I}(Z(I))$ et il s'agit de
-montrer la réciproque.  Soit $f \in \mathfrak{I}(Z(I))$ : on veut
-prouver $f\in I$.  On vérifie facilement que ceci revient à montrer
-que l'idéal $I[\frac{1}{f}]$ de $k[t_1,\ldots,t_d,\frac{1}{f}]$ est
-l'idéal unité.  Or $k[t_1,\ldots,t_d,\frac{1}{f}] =
-k[t_1,\ldots,t_d,z]/(zf-1)$.  Soit $J$ l'idéal engendré par $I$ et
-$zf-1$ dans $k[t_1,\ldots,t_d,z]$ : on voit que $Z(J) = \varnothing$
-(dans $k^{d+1}$), donc le Nullstellensatz faible entraîne $J =
-k[t_1,\ldots,t_d,z]$ : ceci donne $I[\frac{1}{f}] =
-k[t_1,\ldots,t_d,\frac{1}{f}]$.
-\end{proof}
-
-\begin{scho}
-Si $k$ est un corps algébriquement clos, les fonctions $I \mapsto
-Z(I)$ et $E \mapsto \mathfrak{I}(E)$ définissent des bijections
-réci\-proques, décroissantes pour l'inclusion, entre les idéaux radicaux
-de $k[t_1,\ldots,t_d]$ d'une part, et les fermés de Zariski de $k^d$
-d'autre part.
-
-Ces bijections mettent les \emph{points} (c'est-à-dire les singletons)
-de $k^d$ en correspondance avec les idéaux maximaux de
-$k[t_1,\ldots,t_d]$, et les \emph{fermés irréductibles} en
-correspondance avec les idéaux premiers.
-\end{scho}
-
-%
-\subsection{L'anneau d'un fermé de Zariski}
-
-Si $X$ est un fermé de Zariski dans $k^d$ avec $k$ algébriquement
-clos, on a vu qu'il existe un unique idéal radical $I$
-de $k[t_1,\ldots,t_d]$, à savoir l'idéal $I = \mathfrak{I}(X)$ des
-polynômes s'annulant sur $X$, tel que $X = Z(I)$.  Le quotient
-$k[t_1,\ldots,t_d] / I$ (qui est donc un anneau réduit, et intègre ssi
-$X$ est irréductible) s'appelle l'\emph{anneau des fonctions
-  régulières} sur $X$ et se note $\mathcal{O}(X)$.
-
-Pourquoi fonctions régulières ?  On peut considérer un élément $f \in
-\mathcal{O}(X)$ comme une fonction $X \to k$ de la façon suivante : si
-$\tilde f \in k[t_1,\ldots,t_d]$ est un représentant de $f$
-(modulo $I$) et si $x = (x_1,\ldots,x_d) \in X$, la valeur de $\tilde
-f(x_1,\ldots,x_d)$ ne dépend pas du choix de $\tilde f$ représentant
-$f$ puisque tout élément de $I$ s'annule en $x$ ; on peut donc appeler
-$f(x)$ cette valeur.  Dans le cas où $X = k^d$ tout entier (donc $I =
-(0)$), évidemment, $\mathcal{O}(X) = k[t_1,\ldots,t_d]$.
-
-On définit un fermé de Zariski de $X$ comme un fermé de Zariski
-de $k^d$ qui se trouve être inclus dans $X$.  La bonne nouvelle est
-que la correspondance entre fermés de Zariski de $k^d$ et idéaux de
-$k[t_1,\ldots,t_d]$ se généralise presque mot pour mot à une
-correspondance entre fermés de Zariski de $X$ et idéaux
-de $\mathcal{O}(X)$ :
-
-\begin{prop}
-Avec les notations ci-dessus :
-\begin{itemize}
-\item Tout fermé de Zariski de $X$ est de la forme $Z(\mathscr{F}) :=
-  \{x\in X :\penalty0 {(\forall f\in \mathscr{F})}\penalty100\, f(x) =
-  0\}$ pour un certain ensemble $\mathscr{F}$ d'éléments
-  de $\mathcal{O}(X)$.
-\item En posant $\mathfrak{I}(E) := \{f\in \mathcal{O}(X) :\penalty0
-  {(\forall x\in E)}\penalty100\, f(x)=0\}$, les fonctions $I \mapsto
-  Z(I)$ et $E \mapsto \mathfrak{I}(E)$ définissent des bijections
-  réci\-proques, décroissantes pour l'inclusion, entre les idéaux
-  radicaux de $\mathcal{O}(X)$ d'une part, et les fermés de Zariski de
-  $X$ d'autre part : on a $\mathfrak{I}(Z(I)) = \surd I$ pour tout
-  idéal $I$ de $\mathcal{O}(X)$.
-\item Ces bijections mettent les \emph{points} (c'est-à-dire les
-  singletons) de $X$ en correspondance avec les idéaux maximaux de
-  $\mathcal{O}(X)$ (qui sont donc tous de la forme $\mathfrak{m}_x :=
-  \{f \in \mathcal{O}(X) : f(x)=0\}$ pour un $x\in X$) ; et les
-  \emph{fermés irréductibles} en correspondance avec les idéaux
-  premiers.
-\end{itemize}
-\end{prop}
-
-\begin{rmk}
-On a expliqué en \ref{section-note-morphismes} que les pour toute
-$k$-algèbre $A$, l'ensemble $\Hom_{k}(\mathcal{O}(X), A)$ des
-morphismes de $k$-algèbres de $\mathcal{O}(X)$ vers $A$ peut être vu
-comme l'ensemble $Z(I)(A) = \{(x_1,\ldots,x_d) \in A^d :\penalty0
-(\forall f \in I)\,f(x_1,\ldots,x_d) = 0\}$ des $d$-uplets
-$(x_1,\ldots,x_d)$ d'éléments de $A$ sur lesquels tout élément de $I$
-s'annule.  On notera aussi simplement $X(A)$ pour cet ensemble.
-
-En particulier, les points de $X$ peuvent être identifiés avec les
-éléments de $\Hom_{k}(\mathcal{O}(X), k)$ (autrement dit, les
-morphismes $\mathcal{O}(X) \to k$ de $k$-algèbres), le point $x \in X$
-étant identifié avec le morphisme $f \mapsto f(x)$ d'évaluation
-en $x$.  On peut donc noter $X(k)$ cet ensemble, et les appeler
-« $k$-points », pour insister.  La classification des idéaux maximaux
-de $\mathcal{O}(X)$ signifie donc que tout idéal maximal
-de $\mathcal{O}(X)$ est l'ensemble des fonctions régulières s'annulant
-en un $k$-point de $X$.
-\end{rmk}
-
-%
-\subsection{Morphismes de variétés algébriques}
-
-On appelle provisoirement \textbf{variété algébrique affine}
-dans $k^d$ (toujours avec $k$ algébriquement clos) un fermé de Zariski
-$X$ de $k^d$.  Pourquoi cette terminologie redondante ?  Le terme
-« fermé de Zariski » insiste sur $X$ en tant que plongée dans l'espace
-affine $\mathbb{A}^d(k) := k^d$.  Le terme de « variété algébrique
-  affine » insiste sur l'aspect intrinsèque de $X$, muni de ses
-propres fermés de Zariski et de ses propres fonctions régulières.  On
-a vu ci-dessus comment associer à $X$ un anneau $\mathcal{O}(X)$ des
-fonctions régulières, et, pour chaque $k$-algèbre, on a identifié
-l'ensemble $X(A)$ des $A$-points de $X$ avec $\Hom_k(\mathcal{O}(X),
-A)$.
-
-On veut maintenant définir des morphismes entre ces variétés
-algébriques.  Une fonction régulière doit être la même chose qu'un
-morphisme vers la droite affine.  On définit donc :
-\begin{itemize}
-\item un morphisme de $X$ vers l'espace affine $\mathbb{A}^e$ de
-  dimension $e$ est la donnée de $e$ fonctions régulières sur $X$,
-  c'est-à-dire d'un $e$-uplet d'éléments de $\mathcal{O}(X)$,
-\item un morphisme de $X$ vers le fermé de Zariski $Y = Z(J)$ défini
-  dans l'espace affine $\mathbb{A}^e$ par un idéal $J =
-  (g_1,\ldots,g_r)$ est la donnée d'un $e$-uplet $(f_1,\ldots,f_e) \in
-  \mathcal{O}(X)^e$ comme ci-dessus, vérifiant de plus les contraintes
-  $g_j(f_1,\ldots,f_e) = 0$ pour tout $j$ (cela revient à demander
-  $g_j(f_1(x),\ldots,f_e(x)) = 0$ pour tout $j$ et tout $x\in X$) ;
-\item on dit qu'un tel morphisme envoie le point $x \in X$ sur le
-  point $(f_1(x),\ldots,f_e(x)) \in Y$ (c'est-à-dire, le point
-  $(f_1(x),\ldots,f_e(x)) \in k^e$, qui se trouve appartenir à $Y$) ;
-  en pariculier, il définit une fonction $X(k) \to Y(k)$, et plus
-  généralement $X(A) \to Y(A)$ pour toute $k$-algèbre $A$.
-\end{itemize}
-
-À ce moment-là, on doit se rappeler le lemme de Yoneda : se donner
-pour chaque $k$-algèbre $A$ une application $X(A) \to Y(A)$,
-c'est-à-dire $\Hom_k(\mathcal{O}(X),A) \to \Hom_k(\mathcal{O}(Y),A)$,
-quitte à vérifier des commutations aux morphismes $A \to A'$ qu'on
-passera sous silence, c'est la même chose que se donner un morphisme
-$\mathcal{O}(Y) \to \mathcal{O}(X)$.  On peut donc définir tout
-simplement :
-
-\begin{center}
-Un morphisme de $k$-variétés affines $X \to Y$ est la même chose qu'un
-morphisme de $k$-algèbres $\mathcal{O}(Y) \to \mathcal{O}(X)$.
-\end{center}
-
-Concrètement, avec les notations ci-dessus, le morphisme
-$\mathcal{O}(Y) \to \mathcal{O}(X)$ serait celui qui envoie un élément
-$h \in \mathcal{O}(Y)$ sur $h(f_1,\ldots,f_e) \in \mathcal{O}(X)$.
-Réci\-pro\-quement, donné un morphisme $\varphi\colon \mathcal{O}(Y) \to
-\mathcal{O}(X)$ d'anneaux, le morphisme $X \to Y$ qui lui correspond
-est celui qui à un point $x \in X$ associe le $y \in Y$ défini par
-$h(y) = \varphi(h)(x)$ pour tout $h \in \mathcal{O}(Y)$.
-
-\smallbreak
-
-\textbf{Un exemple :} Considérons $C = Z(g)$ où $g = y^2 - x^3 \in
-k[x,y]$ (anneau des polynômes à deux indéterminées $x,y$ sur un corps
-algébriquement clos $k$), et $\mathbb{A}^1$ la droite affine sur $k$.
-On a $\mathcal{O}(C) = k[x,y]/(y^2-x^3)$ et $\mathcal{O}(\mathbb{A}^1)
-= k[t]$.  On définit un morphisme $\mathbb{A}^1 \buildrel f\over\to C$
-par $t \mapsto (t^2,t^3)$ : ce morphisme correspond à un morphisme
-d'anneaux dans l'autre sens, $\mathcal{O}(C) \buildrel f^*\over\to
-\mathcal{O}(\mathbb{A}^1)$, donné par $x \mapsto t^2$ et $y \mapsto
-x^3$.  Ce morphisme n'est pas un isomorphisme car $t$ n'est pas dans
-l'image de $f^*$.  Ceci, bien que $\mathbb{A}^1(k) \to C(k)$ soit une
-bijection au niveau des $k$-points.
-
-%
-\subsection{Ouverts de Zariski et variétés quasi-affines}
-
-On appelle \textbf{ouvert de Zariski} dans $k^d$ (toujours avec $k$ un
-corps algébriquement clos) le complémentaire d'un fermé de Zariski.
-Autrement dit, si $I$ est un idéal de $k[t_1,\ldots,t_d]$, on définit
-$U(I) = \{(x_1,\ldots,x_d) \in k^d :\penalty0 (\forall f\in I)\,
-f(x_1,\ldots,x_d) \neq 0\}$ le complémentaire de $Z(I)$ : un ouvert de
-Zariski de $k^d$ est un ensemble de la forme $U(I)$.  Si $I$ est
-engendré par les éléments $f_1,\ldots,f_r \in k[t_1,\ldots,t_d]$, on
-peut écrire $U(I) = D(f_1) \cup \cdots \cup D(f_r)$ où $D(f_i) :=
-U(\{f_i\})$ est l'ouvert où $f_i$ ne s'annule pas.
-
-
-%
-%
-%
-
-\section{TODO}
-
-Crash-course de théorie de Galois.
-
-Introduction à l'espace projectif.
-
-Un peu d'abstract nonsense.
-
-Bases de Gröbner.
-
-Courbes et corps de dimension $1$.
-
-
-%
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-%
-\end{document}
-- 
cgit v1.2.3

