Bourbaki

§ 2. Dimension des algèbres

1. Dimension et platitude

Soit ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme d’anneaux. On note (PM) la condition suivante : (PM) Il existe un B-module N fidèlement plat sur A tel que, pour tout idéal premier q de B, on ait N⊗Bκ(q)≠0N \otimes_B \kappa(q) \neq 0.

Remarque 1

La condition (PM) est satisfaite lorsqu’il existe un B-module de type fini, fidèlement plat sur A et de support égal à Spec(B). C’est le cas, en particulier, si le A-module B est fidèlement plat.

Remarque 2

L’existence d’un B-module N fidèlement plat sur A implique l’injectivité de ρ (I, § 3, n° 5, prop. 8), et la surjectivité de l’application “ρ : Spec(B) → Spec(A) (II, § 2, n° 5, cor. 4 à la prop. 11).

Remarque 3

Supposons que ρ : A → B soit un homomorphisme local d’anneaux locaux et qu’il existe un B-module N plat sur A et tel que N ⊗_B κ(q) ≠ 0 pour tout idéal premier q de B. Alors N est fidèlement plat sur A et ρ jouit donc de la propriété (PM) : en effet on a N/m_B N = N ⊗_B κ(m_B) ≠ 0, donc N ≠ m_B N et a fortiori N ≠ m_A N, et la conclusion résulte de la prop. 1 de I, § 3, n° 1.

Proposition 1

Soit ρ : A → B un homomorphisme d’anneaux satisfaisant à la condition (PM).

a) Soit h : A → A′ un homomorphisme d’anneaux. Alors l’homomorphisme ρ′ : A′ → A′ ⊗_A B déduit de ρ satisfait à la condition (PM).

b) Soient q un idéal premier de B et p = ρ^{-1}(q). L’homomorphisme canonique ρ_q : A_p → B_q satisfait à la condition (PM).

c) Soient q un idéal premier de B et p = ρ^{-1}(q). Pour tout idéal premier p′ de A contenu dans p, il existe un idéal premier q′ de B au-dessus de p′ et contenu dans q.

Soit N un B-module fidèlement plat sur A et tel que N ⊗_B κ(q) ≠ 0 pour tout idéal premier q de B.

Démontrons a). Le A′-module N′ = A′ ⊗_A N est fidèlement plat (I, § 3, n° 3, prop. 5); soient q′ un idéal premier de B′ = A′ ⊗_A B et q son image réciproque dans B. On a des isomorphismes

N′⊗B′κ(q′)→N⊗Bκ(q′)→(N⊗Bκ(q))⊗κ(q)κ(q′); N' \otimes_{B'} \kappa(q') \to N \otimes_B \kappa(q') \to (N \otimes_B \kappa(q)) \otimes_{\kappa(q)} \kappa(q');

comme on a N ⊗_B κ(q) ≠ 0, on a aussi N′ ⊗_{B′} κ(q′) ≠ 0.

Démontrons b). D’après les prop. 13 et 14 de II, § 3, n° 4, le A_p-modulé N_q est plat. D’autre part, soit b′ un idéal premier de B_q ; il est de la forme bB_q où b est un idéal premier de B contenu dans q (II, § 3, n° 1, prop. 3); on a N ⊗_B κ(b) ≠ 0 vu l’hypothèse faite sur N, et comme N_q ⊗_{B_q} κ(b′) est isomorphe à N ⊗_B κ(b′), on a N_q ⊗_{B_q} κ(b′) ≠ 0. La remarque 3 permet de conclure.

Démontrons c). L’homomorphisme local ρ_q : A_p → B_q déduit de ρ satisfait à la condition (PM) d’après b). L’application Spec(B_q) → Spec(A_p) est donc surjective (remarque 2), ce qu’on voulait démontrer.

Corollaire

Soit F une partie fermée de Spec(A). Si Y est une composante irréductible de l’image réciproque de F par l’application “ρ : Spec(B) → Spec(A), alors l’adhérence de “ρ(Y) est une composante irréductible de F.

Soient en effet a un idéal de A tel que F = V(a) et q l’idéal premier de B tel que Y = V(q). L’image réciproque par “ρ de F est la partie V(ρ(a)B) de Spec(B) et l’adhérence de “ρ(Y) est la partie fermée irréductible V(ρ^{-1}(q)) de Spec(A).

Il s’agit de prouver que si q est minimal parmi les idéaux premiers de B contenant ρ(a)\rho(a), alors ρ−1(q)\rho^{-1}(q) est minimal parmi les idéaux premiers de A contenant a. Dans le cas contraire, il existerait un idéal premier p′p' de A avec a⊂p′⊂ρ−1(q)a \subset p' \subset \rho^{-1}(q) et p′≠ρ−1(q)p' \neq \rho^{-1}(q); d’après la prop. 1, c), il existerait un idéal premier q′q' de B tel que q′⊂qq' \subset q et p′=ρ−1(q′)p' = \rho^{-1}(q'), d’où ρ(a)⊂q′⊂q\rho(a) \subset q' \subset q et q′≠qq' \neq q contrairement à l’hypothèse faite sur q.

Proposition 2

Soit ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme d’anneaux non nuls possédant la propriété (PM). On a l’inégalité

(1)

dim⁡(B)≥dim⁡(A)+inf⁡m∈Sdim⁡(B/mB) \dim(B) \geq \dim(A) + \inf_{m \in S} \dim(B/mB)
où S est l’ensemble des idéaux maximaux de A.

On sait que l’on a dim⁡(A)=sup⁡m∈Sdim⁡(Am)\dim(A) = \sup_{m \in S} \dim(A_m) (§ 1, no 3, prop. 8). Il suffit donc d’établir l’inégalité

(2)

dim⁡(B)≥dim⁡(Am)+dim⁡(B/mB) \dim(B) \geq \dim(A_m) + \dim(B/mB)
pour tout idéal maximal m de A. Autrement dit, il s’agit de prouver l’inégalité

(3)

dim⁡(B)≥n+r \dim(B) \geq n + r
si p0⊂...⊂pnp_0 \subset ... \subset p_n est une chaîne d’idéaux premiers de A contenus dans m et q‾0⊂...⊂q‾r\overline{q}_0 \subset ... \subset \overline{q}_r une chaîne d’idéaux premiers de B/mB. Pour 0≤i≤r0 \leq i \leq r, il existe un idéal premier qn+iq_{n+i} de B au-dessus de m tel que q‾i=qn+i/mB\overline{q}_i = q_{n+i}/mB, et qn⊂...⊂qn+rq_n \subset ... \subset q_{n+r} est une chaîne d’idéaux premiers de B. Posons pi′=pip'_i = p_i pour 0≤i≤n−10 \leq i \leq n-1 et pn′=mp'_n = m, de sorte que p0′⊂...⊂pn′p'_0 \subset ... \subset p'_n est une chaîne d’idéaux premiers de A et que qnq_n est au-dessus de pn′p'_n. Si qiq_i est un idéal premier de B au-dessus de pi′p'_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n), la prop. 1, c) prouve qu’il existe un idéal premier qi−1q_{i-1} de B au-dessus de pi−1′p'_{i-1} et contenu dans qiq_i. Par récurrence descendante, on construit donc une chaîne q0⊂...⊂qnq_0 \subset ... \subset q_n d’idéaux premiers de B telle que qiq_i soit au-dessus de pip_i pour 0≤i≤n0 \leq i \leq n. Comme q0⊂...⊂qn+rq_0 \subset ... \subset q_{n+r} est une chaîne d’idéaux premiers de B, on a prouvé l’inégalité (3).

Remarque 4

Soit ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme local d’anneaux locaux noethériens satisfaisant à la condition (PM). On verra plus loin (§ 3, no 4, prop. 7) qu’on a dans ce cas égalité dans (1). Dans le cas général il peut y avoir inégalité stricte (p. 84, exercice 1).

Corollaire

Pour tout idéal a de A, on a ht(a)≤ht(ρ(a)B)\mathrm{ht}(a) \leq \mathrm{ht}(\rho(a)B).

Soient q un idéal premier de B contenant ρ(a)B\rho(a)B, et p=ρ−1(q)p = \rho^{-1}(q). D’après la prop. 1, l’homomorphisme local ρq:Ap→Bq\rho_q : A_p \to B_q déduit de ρ\rho satisfait à (PM), et l’on a donc dim⁡(Ap)≤dim⁡(Bq)\dim(A_p) \leq \dim(B_q) d’après la prop. 2. D’après la prop. 7 du § 7, no 3, on a ht(a)≤dim⁡(Ap)\mathrm{ht}(a) \leq \dim(A_p) puisque p contient a, d’où ht(a)≤dim⁡(Bq)\mathrm{ht}(a) \leq \dim(B_q) pour tout idéal premier q de B contenant ρ(a)B\rho(a)B. Le corollaire résulte alors de loc. cit.

Lemme 1

Soient ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme d’anneaux et p un idéal premier de A. L’application continue ah:Spec(B⊗Aκ(p))→Spec(B)^a h : \mathrm{Spec}(B \otimes_A \kappa(p)) \to \mathrm{Spec}(B), associée à l’homomorphisme canonique h:B→B⊗Aκ(p)h : B \to B \otimes_A \kappa(p), induit un homéomorphisme de Spec(B⊗Aκ(p))\mathrm{Spec}(B \otimes_A \kappa(p)) sur le sous-espace (αρ)−1(p)(\alpha\rho)^{-1}(p) de Spec(B)\mathrm{Spec}(B) formé des idéaux premiers de BB au-dessus de pp.

L’homomorphisme hh est composé de l’homomorphisme de passage au quotient de BB dans B/ρ(p)B/\rho(p) BB et de l’homomorphisme canonique de B/ρ(p)B/\rho(p) BB dans son anneau de fractions (ρ(A−p))−1(B/ρ(p) B)(\rho(A - p))^{-1}(B/\rho(p) \ B). D’après la remarque et le corollaire à la prop. 13 de II, § 4, no 3, ah^a h induit donc un homéomorphisme de Spec(B⊗Aκ(p))\mathrm{Spec}(B \otimes_A \kappa(p)) sur le sous-espace de Spec(B)\mathrm{Spec}(B) formé des idéaux premiers qq de BB qui contiennent ρ(p)\rho(p) et sont disjoints de ρ(A−p)\rho(A - p), c’est-à-dire qui sont au-dessus de pp.

Remarque 5

D’après la prop. 2 et le lemme 1, on a donc, sous les hypothèses de la prop. 2, l’inégalité

dim⁡(Spec(B))≥dim⁡(Spec(A))+inf⁡p∈Spec(A)dim⁡(αρ−1(p)). \dim(\mathrm{Spec}(B)) \geq \dim(\mathrm{Spec}(A)) + \inf_{p \in \mathrm{Spec}(A)} \dim(\alpha\rho^{-1}(p)) .

2. Dimension d’une algèbre de type fini

Proposition 3

Soit* ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme d’anneaux. Posons n=sup⁡p∈Spec(A)dim⁡(B⊗Aκ(p))n = \sup_{p \in \mathrm{Spec}(A)} \dim(B \otimes_A \kappa(p)). On a l’inégalité

dim⁡(B)+1≤(dim⁡(A)+1).(n+1). \dim(B) + 1 \leq (\dim(A) + 1).(n + 1) .

On peut supposer dim⁡(A)≠−∞\dim(A) \neq -\infty et n<+∞n < +\infty. Soit q0⊂...⊂qmq_0 \subset ... \subset q_m une chaîne d’idéaux premiers de BB; posons pi=ρ−1(qi)p_i = \rho^{-1}(q_i). La suite des pip_i est croissante, donc l’ensemble de ses valeurs est de cardinal ≤dim⁡(A)+1\leq \dim(A) + 1. Pour chaque p∈Spec(A)p \in \mathrm{Spec}(A), l’ensemble des qjq_j tels que pj=pp_j = p est une chaîne de la partie aρ−1(p)^a\rho^{-1}(p) de Spec(B)\mathrm{Spec}(B), donc est de cardinal inférieur à dim⁡(B⊗Aκ(p))+1\dim(B \otimes_A \kappa(p)) + 1 (no 1, lemme 1), et par conséquent à (n+1)(n + 1). Il en résulte que m+1≤(dim⁡(A)+1)(n+1)m + 1 \leq (\dim(A) + 1)(n + 1), d’où la proposition.

Remarque 1

Si les anneaux AA et BB sont noethériens, nous verrons ci-dessous (§ 3, no 4, cor. 2 à la prop. 7) qu’on a l’inégalité dim⁡(B)≤dim⁡(A)+n\dim(B) \leq \dim(A) + n, plus forte que celle de la prop. 3.

Corollaire 1

Supposons qu’on ait* dim⁡(A)<+∞\dim(A) < +\infty et qu’il existe un entier nn tel que dim⁡(B⊗Aκ(p))≤n\dim(B \otimes_A \kappa(p)) \leq n pour tout p∈Spec(A)p \in \mathrm{Spec}(A). Alors on a dim⁡(B)<+∞\dim(B) < +\infty.

Corollaire 2

Soient* AA un anneau et B=A[X]B = A[X] l’anneau des polynômes en une indéterminée à coefficients dans AA. On a :

1+dim⁡(A)≤dim⁡(B)≤1+2dim⁡(A). 1 + \dim(A) \leq \dim(B) \leq 1 + 2\dim(A) .

La première inégalité a déjà été démontrée (§ 1, no 3, exemple 4). Démontrons la seconde. Pour tout idéal premier pp de AA, l’anneau B⊗Aκ(p)B \otimes_A \kappa(p), isomorphe à κ(p)[X]\kappa(p)[X], est principal et n’est pas un corps, donc est de dimension 1 (§ 1, no 3, exemple 2), et l’inégalité résulte de la prop. 3.

Remarque 2

Nous verrons plus loin ( , no 4, cor. 3 à la prop. 7) que, si A est noethérien, on a dim(A[X]) = 1 + dim(A)

Cependant, quels que soient les entiers n et q avec n + 1 ≤ q ≤ 2n + 1, il existe un anneau A de dimension n tel que dim(A[X]) = q (voir p. 84, exerc. 7).

Corollaire 3

Si A est de dimension finie, toute A-algèbre non nulle de type fini est de dimension finie.

On déduit en effet du cor. 2, par récurrence sur n, que l’anneau A[T₁, ..., Tₙ] est de dimension finie si A est de dimension finie ; a fortiori, tout quotient non nul de A[T₁, ..., Tₙ] est de dimension finie (§ 1, no 3, prop. 6).

3. Dimension d’une algèbre entière

Lemme 2

Soit ρ : A → B un homomorphisme d’anneaux tel que, pour tout idéal premier p de A, la κ(p)-algèbre B ⊗ₓₐ κ(p) soit entière (V, § 1, no 1, déf. 2). Soient q et q’ deux idéaux premiers de B tels que q ⊂ q’ et q ≠ q’. Alors ρ⁻¹(q) ≠ ρ⁻¹(q’).

En effet, si q et q’ sont au-dessus d’un même idéal premier p de A, on a dim(B ⊗ₓₐ κ(p)) ≥ 1 d’après le lemme 1 du no 1, ce qui contredit le fait que dim(B ⊗ₓₐ κ(p)) ≤ 0 (§ 1, no 3, exemple 6).

Théorème 1

Soit ρ : A → B un homomorphisme d’anneaux faisant de B une A-algèbre entière.

a) Soit M un A-module de type fini. Alors on a dim_B(M ⊗ₓₐ B) ≤ dim_A(M). En particulier, on a dim(B) ≤ dim(A). Si l’application “ρ : Spec(B) → Spec(A) est surjective, par exemple (V, § 2, no 1, th. 1) si ρ est injectif, on a dim_B(M ⊗ₓₐ B) = dim_A(M), et en particulier dim(B) = dim(A).

b) Soient b un idéal de B et a = ρ⁻¹(b) son image réciproque dans A. On a ht(b) ≤ ht(a) et dim(B/b) = dim(A/a). Si “ρ : Spec B → Spec A est surjective, on a ht(aB) ≤ ht(a) pour tout idéal a de A.

c) Supposons B finie sur A et soit N un B-module de type fini. Alors on a dim_B(N) = dim_A(N). En particulier, on a dim(B) = dim_A(B).

Démontrons a). D’après la prop. 5 de V, § 1, no 1, la κ(p)-algèbre B ⊗ₓₐ κ(p) est entière pour tout idéal premier p de A. Soit q₀ ⊂ ... ⊂ qₘ une chaîne d’idéaux premiers de B ; d’après le lemme 2, les idéaux pᵢ = ρ⁻¹(qᵢ) sont deux à deux distincts, donc p₀ ⊂ ... ⊂ pₘ est une chaîne d’idéaux premiers de A, d’où m ≤ dim(A). On a donc dim(B) ≤ dim(A).

Supposons maintenant que l’application “ρ soit surjective. Soit p₀ ⊂ ... ⊂ pₙ une chaîne d’idéaux premiers de A ; il existe donc un idéal premier q₀ de B au-dessus de p₀. D’après le cor. 2 au premier théorème d’existence (V, § 2, no 1, th. 1), on peut construire, par récurrence sur n, une chaîne q₀ ⊂ ... ⊂ qₙ d’idéaux premiers de B telle que qᵢ soit au-dessus de pᵢ pour 0 ≤ i ≤ n. On a donc n ≤ dim(B) et par suite dim(A) ≤ dim(B).

Cela démontre aa dans le cas où M=AM = A. Dans le cas général, notons aa l’annulateur de MM, de sorte que le support de MM s’identifie à Spec⁡(A/a)\operatorname{Spec}(A/a), et qu’on a dim⁡A(M)=dim⁡(A/a)\dim_A(M) = \dim(A/a). D’après II, § 4, no 4, prop. 19, le support de M⊗ABM \otimes_A B est l’image réciproque par aρ^a\rho du support de MM, donc s’identifie à Spec⁡(B/ρ(a)B)\operatorname{Spec}(B/\rho(a) B), et on a dim⁡B(M⊗AB)=dim⁡(B/ρ(a)B)\dim_B(M \otimes_A B) = \dim(B/\rho(a) B). Il reste à remarquer que l’homomorphisme ρ′:A/a→B/ρ(a)B\rho': A/a \to B/\rho(a) B déduit de ρ\rho fait de B/ρ(a)BB/\rho(a) B une (A/a)(A/a)-algèbre entière, et que “ρ′\rho' est surjectif lorsque aρ^a\rho l’est.

Démontrons bb. D’après la prop. 7 du § 1, no 3, il suffit de prouver que ht⁡(b)≤dim⁡(Ap)\operatorname{ht}(b) \leq \dim(A_p) pour tout idéal premier pp de AA contenant aa; soit pp un tel idéal. D’après V, § 2, no 1, cor. 2 au th. 1, il existe un idéal premier qq de BB au-dessus de pp et contenant bb, et on a ht⁡(b)≤dim⁡(Bq)\operatorname{ht}(b) \leq \dim(B_q) d’après la prop. 7 du § 1, no 3.

Or BqB_q s’identifie à un anneau de fractions de la ApA_p-algèbre entière B⊗AApB \otimes_A A_p, d’où

dim⁡(Bq)≤dim⁡(B⊗AAp)≤dim⁡(Ap) \dim(B_q) \leq \dim(B \otimes_A A_p) \leq \dim(A_p)
d’après la prop. 6 du § 1, no 3 et l’assertion aa ci-dessus. On a ainsi prouvé l’inégalité ht⁡(b)≤ht⁡(a)\operatorname{ht}(b) \leq \operatorname{ht}(a). Par ailleurs, l’homomorphisme de A/aA/a dans B/bB/b déduit de ρ\rho est injectif et fait de B/bB/b une (A/a)(A/a)-algèbre entière; on a donc dim⁡(B/b)=dim⁡(A/a)\dim(B/b) = \dim(A/a) d’après aa. Supposons “ρ\rho surjective et soient aa un idéal de AA et pp un idéal premier de AA contenant aa. Il existe par hypothèse un idéal premier qq de BB au-dessus de pp. On a aB⊂qaB \subset q, d’où ht⁡(aB)≤ht⁡(q)≤ht⁡(p)\operatorname{ht}(aB) \leq \operatorname{ht}(q) \leq \operatorname{ht}(p) d’après ce qui précède. Passant à la borne inférieure, on obtient ht⁡(aB)≤ht⁡(a)\operatorname{ht}(aB) \leq \operatorname{ht}(a).

Enfin, cc résulte de bb appliqué à l’annulateur bb de NN.

Théorème 2

Soient AA un anneau intégralement clos, et BB un anneau contenant AA, entier sur AA. On suppose que BB est un AA-module sans torsion. Pour tout idéal aa de AA, on a ht⁡(a)=ht⁡(aB)\operatorname{ht}(a) = \operatorname{ht}(aB). Soient bb un idéal de BB et a=b∩Aa = b \cap A; on a alors ht⁡(a)=ht⁡(b)\operatorname{ht}(a) = \operatorname{ht}(b).

Soit ρ\rho l’application canonique de AA dans BB. Soient aa un idéal de AA. Si a=Aa = A, la première égalité est claire. Supposons a≠Aa \neq A. Comme ρ\rho est injectif, aρ^a\rho est surjectif (V, § 2, no 1, th. 1). Par suite aB≠BaB \neq B. Soit alors qq un idéal premier de BB contenant aBaB. Posons p=q∩Ap = q \cap A. On a a⊂pa \subset p, d’où ht⁡(a)≤ht⁡(p)\operatorname{ht}(a) \leq \operatorname{ht}(p). Soit p0⊂...⊂pnp_0 \subset ... \subset p_n une chaîne d’idéaux premiers de AA avec pn=pp_n = p. D’après le deuxième théorème d’existence (V, § 2, no 4, th. 3), on construit par récurrence une chaîne q0⊂...⊂qnq_0 \subset ... \subset q_n d’idéaux premiers de BB telle que qn=qq_n = q et qiq_i soit au-dessus de pip_i pour 0≤i≤n0 \leq i \leq n. On a n≤ht⁡(q)n \leq \operatorname{ht}(q), d’où ht⁡(a)≤ht⁡(q)\operatorname{ht}(a) \leq \operatorname{ht}(q). En passant à la borne inférieure on obtient ht⁡(a)≤ht⁡(aB)\operatorname{ht}(a) \leq \operatorname{ht}(aB) (§1§ 1, no 3, prop. 7). L’inégalité ht⁡(aB)≤ht⁡(a)\operatorname{ht}(aB) \leq \operatorname{ht}(a) résulte du th. 1, d’où la première égalité. Soit bb un idéal de BB. Posons a=ρ−1(b)a = \rho^{-1}(b). On a aB⊂baB \subset b, d’où ht⁡(a)=ht⁡(aB)≤ht⁡(b)\operatorname{ht}(a) = \operatorname{ht}(aB) \leq \operatorname{ht}(b). L’inégalité ht⁡(b)≤ht⁡(a)\operatorname{ht}(b) \leq \operatorname{ht}(a) résulte du th. 1, d’où le théorème.

Remarque

Soient AA un anneau intègre et BB un anneau contenant AA, entier sur AA. Soit pp un idéal premier de AA tel que la clôture intégrale de ApA_p soit un anneau local. On peut démontrer que, pour tout idéal premier qq de BB au-dessus de pp, on a ht⁡(p)=ht⁡(q)\operatorname{ht}(p) = \operatorname{ht}(q) (p. 85, exerc. 9) lorsque BB est intègre.

4. Algèbres de type fini sur un corps

Dans ce numéro, kk désigne un corps.

Lemme 3

Soient AA une kk-algèbre de type fini et p0⊂...⊂pmp_0 \subset ... \subset p_m une chaîne maximale d’idéaux premiers de AA. Il existe un entier n≥mn \geq m, une suite (x1,...,xn)(x_1, ..., x_n) d’éléments de AA, algébriquement libre sur kk (A, IV, p. 4), et telle que : a) AA soit entier sur l’anneau B=k[x1,...,xn]B = k[x_1, ..., x_n]; b) pour tout jj tel que 0≤j≤m0 \leq j \leq m, l’idéal pj∩Bp_j \cap B soit engendré par les xkx_k avec 1≤k≤n−m+j1 \leq k \leq n - m + j.

D’après le lemme de normalisation (V, § 3, no 1, th. 1), il existe un entier n≥0n \geq 0, une suite finie (x1,...,xn)(x_1, ..., x_n) d’éléments de AA algébriquement libre et une suite croissante (h(j))0≤j≤m(h(j))_{0 \leq j \leq m} d’entiers ≤n\leq n telle que l’idéal pj∩Bp_j \cap B soit égal à l’idéal premier qjq_j de BB engendré par les xkx_k avec 1≤k≤h(j)1 \leq k \leq h(j), et que AA soit entier sur l’anneau BB. Soit jj un entier tel que 0≤j<m0 \leq j < m. Par passage aux quotients, on déduit de l’injection canonique de BB dans AA un homomorphisme injectif de B/qjB/q_j dans A/pjA/p_j qui fait de A/pjA/p_j une (B/qj)(B/q_j)-algèbre finie. Comme l’anneau B/qjB/q_j est isomorphe à une algèbre de polynômes en n−h(j)n - h(j) indéterminées sur kk, il est intégralement clos (V, § 1, no 3, cor. 3 de la prop. 13). D’après le th. 2 du no 3, on a donc

1=ht(pj+1/pj)=ht(qj+1/qj)≥h(j+1)−h(j). 1 = \mathrm{ht}(p_{j+1}/p_j) = \mathrm{ht}(q_{j+1}/q_j) \geq h(j+1) - h(j) .

Il en résulte que l’on a h(j+1)≤h(j)+1h(j+1) \leq h(j) + 1 et qj+1≠qjq_{j+1} \neq q_j, d’où h(j+1)=h(j)+1h(j+1) = h(j) + 1. Mais on a h(m)=nh(m) = n puisque qmq_m est maximal (V, § 2, no 1, prop. 1), d’où finalement h(j)=n−m+jh(j) = n - m + j.

Théorème 3

Soit AA une kk-algèbre de type fini. a) Pour tout idéal premier minimal pp de AA, toutes les chaînes maximales d’idéaux premiers de AA d’origine pp ont pour longueur l’entier deg⁡.trkκ(p)\deg.\mathrm{tr}_k \kappa(p). b) L’anneau AA est caténaire et sa dimension est la borne supérieure des entiers deg⁡.trkκ(p)\deg.\mathrm{tr}_k \kappa(p), où pp parcourt les idéaux premiers minimaux de AA. c) Si AA est intègre, alors toutes les chaînes maximales d’idéaux premiers de AA ont la même longueur, et la dimension de AA est le degré de transcendance sur kk du corps des fractions de AA.

Supposons AA intègre et considérons une chaîne maximale p0⊂...⊂pmp_0 \subset ... \subset p_m d’idéaux premiers de AA. On a p0=0p_0 = 0. On déduit alors du lemme 3 l’existence d’un homomorphisme injectif φ:k[X1,...,Xm]→A\varphi : k[X_1, ..., X_m] \to A de kk-algèbres qui fait de AA une k[X1,...,Xm]k[X_1, ..., X_m]-algèbre finie. Par suite, le degré de transcendance sur kk du corps des fractions de AA est égal à mm, d’où c). L’assertion a) résulte de l’assertion c) appliquée à l’anneau A/pA/p et l’assertion b) est une conséquence immédiate de a) et de la prop. 5 du § 1, no 2.

Corollaire 1

Soit nn un entier positif. On a

dim⁡(k[X1,...,Xn])=n. \dim(k[X_1, ..., X_n]) = n .

Pour qu’une k-algèbre A de type fini soit de dimension n, il faut et il suffit qu’il existe un k-homomorphisme injectif φ:k[X1,...,Xn]→A\varphi : k[X_1, ..., X_n] \to A faisant de A une algèbre finie sur k[X1,...,Xn]k[X_1, ..., X_n].

Cela résulte du th. 3, du lemme de normalisation (V, § 3, no 1, th. 1) et du th. 1, a) du no 3.

Corollaire 2

Soit A une k-algèbre intègre de type fini. Pour tout idéal premier p de A, on a

ht⁡(p)=dim⁡(Ap)=dim⁡(A)−dim⁡(A/p) \operatorname{ht}(p) = \dim(A_p) = \dim(A) - \dim(A/p)
=dim⁡(A)−deg⁡.tr⁡kκ(p). = \dim(A) - \deg.\operatorname{tr}_k\kappa(p).

En particulier, on a ht⁡(m)=dim⁡(Am)=dim⁡(A)\operatorname{ht}(m) = \dim(A_m) = \dim(A) pour tout idéal maximal m de A.

Cela résulte du th. 3 et de la remarque 4 du § 1, no 3.

Corollaire 3

Soit A une k-algèbre de type fini et soit f un élément de A qui n’appartienne à aucun idéal premier minimal de A (par exemple un élément de A non diviseur de zéro, cf. IV, § 1, no 1, cor. 3 à la prop. 2 et no 3, cor. 1 à la prop. 7). On a dim⁡(A)=dim⁡(Af)\dim(A) = \dim(A_f).

L’application p↦pAfp \mapsto pA_f est une bijection de l’ensemble des idéaux premiers minimaux de A sur l’ensemble des idéaux premiers minimaux de AfA_f. Par ailleurs les anneaux A/pA/p et Af/pAf=(A/p)fA_f/pA_f = (A/p)_f ont même corps des fractions. Il suffit donc d’appliquer le th. 3, b).

Corollaire 4

Soient A une k-algèbre de type fini et p un idéal premier de A.

a) Pour que p soit maximal, il faut et il suffit que le corps des fractions de A/pA/p soit une extension finie de k.

b) Soit f∈A−pf \in A - p; l’idéal p est un idéal maximal de A si et seulement si pAfpA_f est un idéal maximal de AfA_f.

Si p est un idéal maximal de A, alors A/pA/p est un corps, donc un anneau de dimension 0 ; c’est une extension de type fini de k dont le degré de transcendance est 0 (th. 3, c)), c’est donc une extension finie de k. Réciproquement, si le corps des fractions de A/pA/p est une extension finie de k, on a dim⁡(A/p)=0\dim(A/p) = 0 donc p est maximal. L’assertion b) résulte de l’assertion a) compte tenu que A/pA/p et Af/pAfA_f/pA_f ont même corps des fractions.

L’assertion a) du cor. 4 est une forme du théorème des zéros (V, § 3, no 3, prop. 1).

Corollaire 5

Soient A une k-algèbre de type fini, p un idéal premier de A et (pi)i∈I(\mathfrak{p}_i)_{i \in I} la famille des idéaux premiers minimaux de A contenus dans p. On a :

dim⁡p(A)=sup⁡i∈Idim⁡(A/pi) \dim_p(A) = \sup_{i \in I} \dim(A/\mathfrak{p}_i)
=dim⁡(Ap)+dim⁡(A/p) = \dim(A_p) + \dim(A/p)
=dim⁡(Ap)+deg⁡.tr⁡kκ(p). = \dim(A_p) + \deg.\operatorname{tr}_k\kappa(p).

On a dim⁡p(A)=sup⁡i∈Idim⁡p/pi(A/pi)\dim_p(A) = \sup_{i \in I} \dim_{p/p_i}(A/p_i) (§ 1, n° 3, prop. 6). Mais, d’après le cor. 3, on a dim⁡p/pi(A/pi)=dim⁡(A/pi)\dim_{p/p_i}(A/p_i) = \dim(A/p_i), d’où la première égalité. D’après le cor. 2, on a dim⁡(A/pi)=dim⁡((A/pi)p)+dim⁡(A/p)\dim(A/p_i) = \dim((A/p_i)_p) + \dim(A/p). La deuxième égalité du corollaire résulte donc du fait que dim⁡(Ap)=sup⁡i∈Idim⁡((A/pi)p)\dim(A_p) = \sup_{i \in I} \dim((A/p_i)_p) et la troisième du th. 3.

Ainsi dim⁡p(A)\dim_p(A) est la borne supérieure des longueurs des chaînes d’idéaux premiers de AA dont pp est un élément.

Corollaire 6

Soit A une k-algèbre de type fini non réduite à 0, et soit n un entier ⩾0\geqslant 0. Les conditions suivantes sont équivalentes :

a) Pour tout p∈Ass⁡(A)p \in \operatorname{Ass}(A), on a dim⁡(A/p)=n\dim(A/p) = n.

b) Tout idéal premier associé à A est minimal et toutes les composantes irréductibles de Spec(A) sont de dimension n.

c) Il existe un k-homomorphisme injectif φ:k[X1,...,Xn]→A\varphi : k[X_1, ..., X_n] \to A faisant de A un k[X1,...,Xn]k[X_1, ..., X_n]-module de type fini sans torsion.

L’équivalence de a) et b) est immédiate. Montrons que a) implique c). D’après b), l’anneau A est dimension n et il existe donc (cor. 1) un k-homomorphisme injectif φ:k[X1,...,Xn]→A\varphi : k[X_1, ..., X_n] \to A faisant de A un k[X1,...,Xn]k[X_1, ..., X_n]-module de type fini. Pour tout idéal premier p∈Ass⁡(A)p \in \operatorname{Ass}(A), l’anneau A/pA/p est alors entier sur k[X1,...,Xn]k[X_1, ..., X_n], et on a donc n=dim⁡(A/p)=dim⁡(k[X1,...,Xn]/φ−1(p))n = \dim(A/p) = \dim(k[X_1, ..., X_n]/\varphi^{-1}(p)) d’après le th. 1, a) du n° 3, d’où φ−1(p)=0\varphi^{-1}(p) = 0. L’image par l’homomorphisme injectif φ\varphi d’un élément non nul de k[X1,...,Xn]k[X_1, ..., X_n] n’est pas un diviseur de 0 dans A (IV, § 1, n° 1, cor. 3 à la prop. 2), d’où c).

Inversement, supposons la condition c) satisfaite. Pour tout idéal premier p∈Ass⁡(A)p \in \operatorname{Ass}(A), l’homomorphisme k[X1,...,Xn]→A/pk[X_1, ..., X_n] \to A/p déduit de φ\varphi est injectif (loc. cit.). On a donc dim⁡(A/p)=n\dim(A/p) = n d’après le cor. 1.

Remarque 1

D’après le cor. 5, les conditions a), b), c) du cor. 6 impliquent qu’on a dim⁡p(A)=dim⁡(A)\dim_p(A) = \dim(A) pour tout idéal premier pp de A.

Proposition 4

Soient A et B deux k-algèbres de type fini et ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme d’algèbres. Supposons que A soit intègre et que le A-module B soit sans torsion, et notons K le corps des fractions de A. On a

dim⁡(B)=dim⁡(A)+dim⁡(B⊗AK). \dim(B) = \dim(A) + \dim(B \otimes_A K).

Supposons d’abord B intègre. L’algèbre B⊗AKB \otimes_A K est alors un anneau de fractions de B défini par une partie multiplicative ne contenant pas 0. Elle a donc pour corps des fractions le corps des fractions L de B. D’après le th. 3, on a

dim⁡(B)=deg⁡.trkL,dim⁡(A)=deg⁡.trkK, \dim(B) = \deg.\mathrm{tr}_k L,\quad \dim(A) = \deg.\mathrm{tr}_k K,
dim⁡(B⊗AK)=deg⁡.trKL. \dim(B \otimes_A K) = \deg.\mathrm{tr}_K L.

Or on a, d’après le corollaire de A, V, p. 106

deg⁡.trkL=deg⁡.trKL+deg⁡.trkK, \deg.\mathrm{tr}_k L = \deg.\mathrm{tr}_K L + \deg.\mathrm{tr}_k K,

d’où le résultat dans ce cas.

Passons au cas général. Tout idéal premier minimal pp de BB est formé de diviseurs de zéro dans BB, donc est au-dessus de l’idéal 0 de AA. Il en résulte que l’application p↦p.(B⊗AK)p \mapsto p . (B \otimes_A K) est une bijection de l’ensemble des idéaux premiers minimaux de BB sur l’ensemble des idéaux premiers minimaux de B⊗AKB \otimes_A K. La proposition résulte donc de la première partie de la démonstration et de la prop. 6, c) du § 1, no 3.

Corollaire

Soit ρ:A→B\rho : A \to B un homomorphisme injectif de k-algèbres de type fini.* On a dim⁡(A)≤dim⁡(B)\dim(A) \leq \dim(B).

En effet, soit pp un idéal premier minimal de AA tel que dim⁡(A)=dim⁡(A/p)\dim(A) = \dim(A/p). Il existe un idéal premier qq de BB au-dessus de pp (II, § 2, no 6, prop. 16). D’après la prop. 4 appliquée à A/pA/p et B/qB/q, on a dim⁡(A)=dim⁡(A/p)≤dim⁡(B/q)≤dim⁡(B)\dim(A) = \dim(A/p) \leq \dim(B/q) \leq \dim(B), d’où le corollaire.

*Lemme 4. — Soient AA et BB deux k-algèbres intègres, MM un AA-module sans torsion, NN un BB-module sans torsion. Si l’anneau A⊗kBA \otimes_k B est intègre, alors M⊗kNM \otimes_k N est un module sans torsion sur A⊗kBA \otimes_k B.

Soit KK (resp. LL) le corps des fractions de AA (resp. BB). Il existe un ensemble II (resp. JJ) tel que MM (resp. NN) soit isomorphe à un sous-module de K(I)K^{(I)} (resp. L(J)L^{(J)}). Le (A⊗kB)(A \otimes_k B)-module M⊗kNM \otimes_k N est alors isomorphe à un sous-module de K(I)⊗kL(J)K^{(I)} \otimes_k L^{(J)}, qui est isomorphe à (K⊗kL)(I×J)(K \otimes_k L)^{(I \times J)}. Comme K⊗kLK \otimes_k L est un anneau de fractions de l’anneau intègre A⊗kBA \otimes_k B, c’est un module sans torsion sur A⊗kBA \otimes_k B, d’où le lemme.

*PROPOSITION 5. — Soient k′k' une extension de kk, AA une k-algèbre de type fini et BB une k′k'-algèbre de type fini.

a) La k′k'-algèbre A⊗kBA \otimes_k B est de type fini et on a

dim⁡(A⊗kB)=dim⁡(A)+dim⁡(B). \dim(A \otimes_k B) = \dim(A) + \dim(B).

b) Soit rr un idéal premier de A⊗kBA \otimes_k B; notons pp (resp. qq) l’image réciproque de rr dans AA (resp. BB). On a

dim⁡r(A⊗kB)=dim⁡p(A)+dim⁡q(B). \dim_r(A \otimes_k B) = \dim_p(A) + \dim_q(B).

Posons n=dim⁡(A)n = \dim(A) et m=dim⁡(B)m = \dim(B). Il existe d’après le cor. 1 au th. 3 des homomorphismes injectifs d’algèbres φ:k[X1,...,Xn]→A\varphi : k[X_1, ..., X_n] \to A et ψ:k′[Y1,...,Ym]→B\psi : k'[Y_1, ..., Y_m] \to B faisant respectivement de AA et BB des algèbres finies sur k[X1,...,Xn]k[X_1, ..., X_n] et k′[Y1,...,Ym]k'[Y_1, ..., Y_m]. L’homomorphisme φ⊗ψ\varphi \otimes \psi est alors injectif et fait de A⊗kBA \otimes_k B une algèbre finie sur la k′k'-algèbre k[X1,...,Xn]⊗kk′[Y1,...,Ym]k[X_1, ..., X_n] \otimes_k k'[Y_1, ..., Y_m] qui s’identifie à k′[X1,...,Xn,Y1,...,Ym]k'[X_1, ..., X_n, Y_1, ..., Y_m]. On a donc dim⁡(A⊗kB)=n+m\dim(A \otimes_k B) = n + m d’après le cor. 1 au th. 3, ce qui prouve a).

Remarquons que lorsque AA et BB sont intègres, A⊗kBA \otimes_k B est un k′[X1,...,Xn,Y1,...,Ym]k'[X_1, ..., X_n, Y_1, ..., Y_m]-module sans torsion d’après le lemme 4 et qu’on a donc

dim⁡r(A⊗kB)=n+m=dim⁡(A)+dim⁡(B) \dim_r(A \otimes_k B) = n + m = \dim(A) + \dim(B)
pour tout idéal premier rr de A⊗kBA \otimes_k B d’après la remarque 1.

Prouvons maintenant b). Soit r0r_0 un idéal premier minimal de A⊗kBA \otimes_k B contenu dans rr, et notons p0p_0 (resp. q0q_0) l’image réciproque de r0r_0 dans AA (resp. BB). L’anneau

(A \otimes_k B)/r_0 est isomorphe à un quotient de l’anneau (A/p_0) \otimes_k (B/q_0). On a donc, d’après aa,

dim⁡((A⊗kB)/r0)≤dim⁡(A/p0)+dim⁡(B/q0). \dim((A \otimes_k B)/r_0) \leq \dim(A/p_0) + \dim(B/q_0).

Appliquant le cor. 5 au th. 3, on en déduit l’inégalité

dim⁡r(A⊗kB)≤dim⁡p(A)+dim⁡q(B). \dim_r(A \otimes_k B) \leq \dim_p(A) + \dim_q(B).

Inversement, soit p0p_0 (resp. q0q_0) un idéal premier minimal de A (resp. B) contenu dans pp (resp. q). D’après la remarque faite ci-dessus, on a

dim⁡(A/p0)+dim⁡(B/q0)=dim⁡r‾((A/p0)⊗k(B/q0)) \dim(A/p_0) + \dim(B/q_0) = \dim_{\overline{r}}((A/p_0) \otimes_k (B/q_0))

où r‾\overline{r} est l’image de r par la surjection canonique A⊗kB→(A/p0)⊗k(B/q0)A \otimes_k B \to (A/p_0) \otimes_k (B/q_0). Le second membre de l’égalité précédente est évidemment inférieur à dim⁡r(A⊗kB)\dim_r(A \otimes_k B). Appliquant le cor. 5 au th. 3, on en déduit l’inégalité

dim⁡p(A)+dim⁡q(B)≤dim⁡r(A⊗kB), \dim_p(A) + \dim_q(B) \leq \dim_r(A \otimes_k B),

ce qui achève la démonstration.

Corollaire

Soient A une k-algèbre de type fini, k' une extension de k, et A' la k'-algèbre A \otimes_k k'.

a) On a dim⁡(A′)=dim⁡(A)\dim(A') = \dim(A).

b) Soient p' un idéal premier de A' et p son image réciproque dans A ; on a dim⁡p′(A′)=dim⁡p(A)\dim_{p'}(A') = \dim_p(A).

c) Soient p' un idéal premier minimal de A' et p son image réciproque dans A. Alors p est minimal et l’on a dim⁡(A′/p′)=dim⁡(A/p)\dim(A'/p') = \dim(A/p).

Les assertions a) et b) se déduisent de la prop. 5 en y prenant B=k′B = k'. Démontrons c). L’idéal p est minimal (n° 1, prop. 1) et l’on a

dim⁡(A′/p′)=dim⁡p′(A′)=dim⁡p(A)=dim⁡(A/p). \dim(A'/p') = \dim_{p'}(A') = \dim_p(A) = \dim(A/p).

Remarque 2

Supposons l’extension k' de k radicielle. Alors l’application canonique f:Spec(A′)→Spec(A)f : \mathrm{Spec}(A') \to \mathrm{Spec}(A) est un homéomorphisme.

Soit en effet p∈Spec(A)p \in \mathrm{Spec}(A). D’après le lemme 1 du n° 1, l’espace f−1({p})f^{-1}(\{p\}) est homéomorphe à Spec(κ(p)⊗kk′)\mathrm{Spec}(\kappa(p) \otimes_k k'). Or l’ensemble a des éléments nilpotents de κ(p)⊗kk′\kappa(p) \otimes_k k' est un idéal premier (A, V, p. 134, corollaire) et l’anneau quotient (κ(p)⊗kk′)/a(\kappa(p) \otimes_k k')/a, intègre et entier sur κ(p)\kappa(p), est un corps (A, V, p. 16, cor. 1 et p. 10, prop. 1). Par conséquent f−1({p})f^{-1}(\{p\}) est réduit à un élément. Il en résulte que l’application ff est une bijection croissante de Spec(A′)\mathrm{Spec}(A') sur Spec(A)\mathrm{Spec}(A), ces deux ensembles étant ordonnés par l’inclusion des idéaux premiers, donc induit une bijection entre les parties fermées irréductibles de Spec(A)\mathrm{Spec}(A) sur celles de Spec(A′)\mathrm{Spec}(A'). Comme les parties fermées de Spec(A)\mathrm{Spec}(A) (resp. Spec(A′)\mathrm{Spec}(A')) sont les réunions finies de parties fermées irréductibles, ff est un homéomorphisme.

Pour une généralisation, voir l’exerc. 24, p. 98.

Exercices

See the exercises for § 2.

Transcribed from the printed volume. Not translated.