§ 2. Dimension des algèbres
1. Dimension et platitude
Soit 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 .
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
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 , alors est minimal parmi les idéaux premiers de A contenant a. Dans le cas contraire, il existerait un idéal premier de A avec et ; d’après la prop. 1, c), il existerait un idéal premier de B tel que et , d’où et contrairement à l’hypothèse faite sur q.
Proposition 2
Soit un homomorphisme d’anneaux non nuls possédant la propriété (PM). On a l’inégalité
(1)
On sait que l’on a (§ 1, no 3, prop. 8). Il suffit donc d’établir l’inégalité
(2)
(3)
Remarque 4
Soit 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 .
Soient q un idéal premier de B contenant , et . D’après la prop. 1, l’homomorphisme local déduit de satisfait à (PM), et l’on a donc d’après la prop. 2. D’après la prop. 7 du § 7, no 3, on a puisque p contient a, d’où pour tout idéal premier q de B contenant . Le corollaire résulte alors de loc. cit.
Lemme 1
Soient un homomorphisme d’anneaux et p un idéal premier de A. L’application continue , associée à l’homomorphisme canonique , induit un homéomorphisme de sur le sous-espace de formé des idéaux premiers de au-dessus de .
L’homomorphisme est composé de l’homomorphisme de passage au quotient de dans et de l’homomorphisme canonique de dans son anneau de fractions . D’après la remarque et le corollaire à la prop. 13 de II, § 4, no 3, induit donc un homéomorphisme de sur le sous-espace de formé des idéaux premiers de qui contiennent et sont disjoints de , c’est-à-dire qui sont au-dessus de .
Remarque 5
D’après la prop. 2 et le lemme 1, on a donc, sous les hypothèses de la prop. 2, l’inégalité
2. Dimension d’une algèbre de type fini
Proposition 3
Soit* un homomorphisme d’anneaux. Posons . On a l’inégalité
On peut supposer et . Soit une chaîne d’idéaux premiers de ; posons . La suite des est croissante, donc l’ensemble de ses valeurs est de cardinal . Pour chaque , l’ensemble des tels que est une chaîne de la partie de , donc est de cardinal inférieur à (no 1, lemme 1), et par conséquent à . Il en résulte que , d’où la proposition.
Remarque 1
Si les anneaux et sont noethériens, nous verrons ci-dessous (§ 3, no 4, cor. 2 à la prop. 7) qu’on a l’inégalité , plus forte que celle de la prop. 3.
Corollaire 1
Supposons qu’on ait* et qu’il existe un entier tel que pour tout . Alors on a .
Corollaire 2
Soient* un anneau et l’anneau des polynômes en une indéterminée à coefficients dans . On a :
La première inégalité a déjà été démontrée (§ 1, no 3, exemple 4). Démontrons la seconde. Pour tout idéal premier de , l’anneau , isomorphe à , 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 dans le cas où . Dans le cas général, notons l’annulateur de , de sorte que le support de s’identifie à , et qu’on a . D’après II, § 4, no 4, prop. 19, le support de est l’image réciproque par du support de , donc s’identifie à , et on a . Il reste à remarquer que l’homomorphisme déduit de fait de une -algèbre entière, et que “ est surjectif lorsque l’est.
Démontrons . D’après la prop. 7 du § 1, no 3, il suffit de prouver que pour tout idéal premier de contenant ; soit un tel idéal. D’après V, § 2, no 1, cor. 2 au th. 1, il existe un idéal premier de au-dessus de et contenant , et on a d’après la prop. 7 du § 1, no 3.
Or s’identifie à un anneau de fractions de la -algèbre entière , d’où
Enfin, résulte de appliqué à l’annulateur de .
Théorème 2
Soient un anneau intégralement clos, et un anneau contenant , entier sur . On suppose que est un -module sans torsion. Pour tout idéal de , on a . Soient un idéal de et ; on a alors .
Soit l’application canonique de dans . Soient un idéal de . Si , la première égalité est claire. Supposons . Comme est injectif, est surjectif (V, § 2, no 1, th. 1). Par suite . Soit alors un idéal premier de contenant . Posons . On a , d’où . Soit une chaîne d’idéaux premiers de avec . D’après le deuxième théorème d’existence (V, § 2, no 4, th. 3), on construit par récurrence une chaîne d’idéaux premiers de telle que et soit au-dessus de pour . On a , d’où . En passant à la borne inférieure on obtient (, no 3, prop. 7). L’inégalité résulte du th. 1, d’où la première égalité. Soit un idéal de . Posons . On a , d’où . L’inégalité résulte du th. 1, d’où le théorème.
Remarque
Soient un anneau intègre et un anneau contenant , entier sur . Soit un idéal premier de tel que la clôture intégrale de soit un anneau local. On peut démontrer que, pour tout idéal premier de au-dessus de , on a (p. 85, exerc. 9) lorsque est intègre.
4. Algèbres de type fini sur un corps
Dans ce numéro, désigne un corps.
Lemme 3
Soient une -algèbre de type fini et une chaîne maximale d’idéaux premiers de . Il existe un entier , une suite d’éléments de , algébriquement libre sur (A, IV, p. 4), et telle que : a) soit entier sur l’anneau ; b) pour tout tel que , l’idéal soit engendré par les avec .
D’après le lemme de normalisation (V, § 3, no 1, th. 1), il existe un entier , une suite finie d’éléments de algébriquement libre et une suite croissante d’entiers telle que l’idéal soit égal à l’idéal premier de engendré par les avec , et que soit entier sur l’anneau . Soit un entier tel que . Par passage aux quotients, on déduit de l’injection canonique de dans un homomorphisme injectif de dans qui fait de une -algèbre finie. Comme l’anneau est isomorphe à une algèbre de polynômes en indéterminées sur , 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
Il en résulte que l’on a et , d’où . Mais on a puisque est maximal (V, § 2, no 1, prop. 1), d’où finalement .
Théorème 3
Soit une -algèbre de type fini. a) Pour tout idéal premier minimal de , toutes les chaînes maximales d’idéaux premiers de d’origine ont pour longueur l’entier . b) L’anneau est caténaire et sa dimension est la borne supérieure des entiers , où parcourt les idéaux premiers minimaux de . c) Si est intègre, alors toutes les chaînes maximales d’idéaux premiers de ont la même longueur, et la dimension de est le degré de transcendance sur du corps des fractions de .
Supposons intègre et considérons une chaîne maximale d’idéaux premiers de . On a . On déduit alors du lemme 3 l’existence d’un homomorphisme injectif de -algèbres qui fait de une -algèbre finie. Par suite, le degré de transcendance sur du corps des fractions de est égal à , d’où c). L’assertion a) résulte de l’assertion c) appliquée à l’anneau et l’assertion b) est une conséquence immédiate de a) et de la prop. 5 du § 1, no 2.
Corollaire 1
Soit un entier positif. On a
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 faisant de A une algèbre finie sur .
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
En particulier, on 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 .
L’application est une bijection de l’ensemble des idéaux premiers minimaux de A sur l’ensemble des idéaux premiers minimaux de . Par ailleurs les anneaux et 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 soit une extension finie de k.
b) Soit ; l’idéal p est un idéal maximal de A si et seulement si est un idéal maximal de .
Si p est un idéal maximal de A, alors 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 est une extension finie de k, on a donc p est maximal. L’assertion b) résulte de l’assertion a) compte tenu que et 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 la famille des idéaux premiers minimaux de A contenus dans p. On a :
On a (§ 1, n° 3, prop. 6). Mais, d’après le cor. 3, on a , d’où la première égalité. D’après le cor. 2, on a . La deuxième égalité du corollaire résulte donc du fait que et la troisième du th. 3.
Ainsi est la borne supérieure des longueurs des chaînes d’idéaux premiers de dont est un élément.
Corollaire 6
Soit A une k-algèbre de type fini non réduite à 0, et soit n un entier . Les conditions suivantes sont équivalentes :
a) Pour tout , on a .
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 faisant de A un -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 faisant de A un -module de type fini. Pour tout idéal premier , l’anneau est alors entier sur , et on a donc d’après le th. 1, a) du n° 3, d’où . L’image par l’homomorphisme injectif d’un élément non nul de 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 , l’homomorphisme déduit de est injectif (loc. cit.). On a donc d’après le cor. 1.
Remarque 1
D’après le cor. 5, les conditions a), b), c) du cor. 6 impliquent qu’on a pour tout idéal premier de A.
Proposition 4
Soient A et B deux k-algèbres de type fini et 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
Supposons d’abord B intègre. L’algèbre 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
Or on a, d’après le corollaire de A, V, p. 106
d’où le résultat dans ce cas.
Passons au cas général. Tout idéal premier minimal de est formé de diviseurs de zéro dans , donc est au-dessus de l’idéal 0 de . Il en résulte que l’application est une bijection de l’ensemble des idéaux premiers minimaux de sur l’ensemble des idéaux premiers minimaux de . La proposition résulte donc de la première partie de la démonstration et de la prop. 6, c) du § 1, no 3.
Corollaire
Soit un homomorphisme injectif de k-algèbres de type fini.* On a .
En effet, soit un idéal premier minimal de tel que . Il existe un idéal premier de au-dessus de (II, § 2, no 6, prop. 16). D’après la prop. 4 appliquée à et , on a , d’où le corollaire.
*Lemme 4. — Soient et deux k-algèbres intègres, un -module sans torsion, un -module sans torsion. Si l’anneau est intègre, alors est un module sans torsion sur .
Soit (resp. ) le corps des fractions de (resp. ). Il existe un ensemble (resp. ) tel que (resp. ) soit isomorphe à un sous-module de (resp. ). Le -module est alors isomorphe à un sous-module de , qui est isomorphe à . Comme est un anneau de fractions de l’anneau intègre , c’est un module sans torsion sur , d’où le lemme.
*PROPOSITION 5. — Soient une extension de , une k-algèbre de type fini et une -algèbre de type fini.
a) La -algèbre est de type fini et on a
b) Soit un idéal premier de ; notons (resp. ) l’image réciproque de dans (resp. ). On a
Posons et . Il existe d’après le cor. 1 au th. 3 des homomorphismes injectifs d’algèbres et faisant respectivement de et des algèbres finies sur et . L’homomorphisme est alors injectif et fait de une algèbre finie sur la -algèbre qui s’identifie à . On a donc d’après le cor. 1 au th. 3, ce qui prouve a).
Remarquons que lorsque et sont intègres, est un -module sans torsion d’après le lemme 4 et qu’on a donc
Prouvons maintenant b). Soit un idéal premier minimal de contenu dans , et notons (resp. ) l’image réciproque de dans (resp. ). 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 ,
Appliquant le cor. 5 au th. 3, on en déduit l’inégalité
Inversement, soit (resp. ) un idéal premier minimal de A (resp. B) contenu dans (resp. q). D’après la remarque faite ci-dessus, on a
où est l’image de r par la surjection canonique . Le second membre de l’égalité précédente est évidemment inférieur à . Appliquant le cor. 5 au th. 3, on en déduit l’inégalité
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 .
b) Soient p' un idéal premier de A' et p son image réciproque dans A ; on 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 .
Les assertions a) et b) se déduisent de la prop. 5 en y prenant . Démontrons c). L’idéal p est minimal (n° 1, prop. 1) et l’on a
Remarque 2
Supposons l’extension k' de k radicielle. Alors l’application canonique est un homéomorphisme.
Soit en effet . D’après le lemme 1 du n° 1, l’espace est homéomorphe à . Or l’ensemble a des éléments nilpotents de est un idéal premier (A, V, p. 134, corollaire) et l’anneau quotient , intègre et entier sur , est un corps (A, V, p. 16, cor. 1 et p. 10, prop. 1). Par conséquent est réduit à un élément. Il en résulte que l’application est une bijection croissante de sur , ces deux ensembles étant ordonnés par l’inclusion des idéaux premiers, donc induit une bijection entre les parties fermées irréductibles de sur celles de . Comme les parties fermées de (resp. ) sont les réunions finies de parties fermées irréductibles, est un homéomorphisme.
Pour une généralisation, voir l’exerc. 24, p. 98.
Exercices
See the exercises for § 2.