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Détermination finie sur un espace de Stein PDF

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DE´TERMINATION FINIE SUR UN ESPACE DE STEIN MAURICIO GARAY 3 R´esum´e. On g´en´eralisele th´eor`emede d´etermination finie sur les 1 0 singularit´es isol´es au cas des espaces analytiques de Stein. 2 n a Introduction J 1 Lad´emonstration classique duth´eor`eme ded´etermination finie, pour 1 les singularit´es isol´ees, utilise fortement les propri´et´es de l’alg`ebre lo- ] G cale. Elle ne s’adapte donc pas de mani`ere directe au cas des vari´et´es de Stein, `a moins d’hypoth`eses drastiques. Le but de cet article est A d’´etendre et de g´en´eraliser ce th´eor`eme au cas d’une fonction sur une . h vari´et´e de Stein pour un id´eal quelconque. t a m Avant d´enoncer ce th´eor`eme, commenc¸ons par rappeler l’´enonc´e du [ th´eor`eme classique dans un cadre holomorphe. Notons On l’alg`ebre des germes de fonctions analytiques `a l’origine dans Cn. L’id´eal jacobien du 1 v germe f, not´e Jf, est l’id´eal de O engendr´e par les d´eriv´ees partielles n 9 de f. Il revient au mˆeme de dire que l’origine est un point critique isol´e 3 de f ou bien que l’espace vectoriel O /Jf est de dimension finie. Le 4 n 2 nombre . 1 µ(f) := dim O /Jf C n 0 3 est alors appel´e le nombre de Milnor de f. 1 v: L’anneau On est local et on note Mn l’id´eal maximal des germes qui s’annulent en l’origine. La puissance k-i`eme de cet id´eal maximal est i X ´egale aux germes dont le d´eveloppement en s´erie de Taylor a` l’origine r a s’annule `a l’ordre k. Th´eor`eme ([11, 17, 18]). Pour tout germe de fonction holomorphe f ∈ O et tout germe g ∈ Mµ(f)+2, il existe un germe d’application n n biholomorphe ϕ : (Cn,0) −→ (Cn,0) tel que f ◦ϕ = f +g. Parexemple, pourunefonctionf avecunpointcritiquenon-d´eg´en´er´e `a l’origine, on a µ(f) = 1. Le germe f se ram`ene alors `a un polynoˆme dedegr´e 2, par unchangement de variables holomorphe. C’est lelemme de Morse complexe. 1 2 MAURICIO GARAY Consid´erons`apr´esent lecasplusg´en´eralquifaitl’objetdecetarticle. Soit K ⊂ X un compact d’un espace analytique complexe X. Pour tout voisinage U,U′ de K avec U ⊂ U′, la restriction induit un morphisme d’alg`ebres Γ(U′,O ) −→ Γ(U,O ) X X ou` Γ(−,−) d´esigne le foncteur des sections globales. On a ainsi un syst`eme direct dont on note O la limite. Un ´el´ement de O est X,K X,K une fonction holomorphe d´efinie sur un voisinage de K dans X, mais on ne pr´ecise pas quel est ce voisinage. On note M ⊂ O l’id´eal des K X,K fonctions identiquement nulles sur K. On dit que K est un compact de Stein s’il admet un syst`eme fon- damental de voisinages de Stein. Pour tout id´eal I ⊂ O , on a une X,K filtration O ⊃ I ⊃ I2 ⊃ .... X,K Pour tout ´el´ement f de O , on note I(f) l’image de l’application X,K M2 ⊗ Der (I) −→ O , a⊗v 7→ av(f). K OX,K OX,K X,K Th´eor`eme 1. Soit K un compact de Stein d’un espace analytique com- plexe X et f ∈ O un germe de fonction holomorphe. Supposons qu’il X,K existe ν ∈ N tel que Iν soit contenu dans l’id´eal I(f). Pour tout germe g ∈ Iν, il existe un germe d’application biholomorphe ϕ : (X,K) −→ (X,K) tel que f ◦ϕ = f +g. La d´emonstration que je donnerai repose fortement sur les propri´et´es des vari´et´es de Stein. Par cons´equent, je ne sais pas si, a` l’instar du r´esultat classique, ce th´eor`eme reste vrai dans un cadre C∞. En re- vanche, on a une variante analytique r´eelle imm´ediate de ce r´esultat. On d´efinit l’id´eal jacobien de f comme l’image de l’application Der (O ) −→ O , v 7→ v(f). OX,K X,K X,K Pour l’id´eal Mk, on peut am´eliorer la borne ν donn´ee par le th´eor`eme pr´ec´edent : Th´eor`eme 2. Soit K un compact de Stein d’un espace analytique com- plexe X et f ∈ O un germe de fonction holomorphe. Supposons qu’il X,K existe µ ∈ N tel que Mµ soit contenu dans l’id´eal jacobien de f. Pour K tout germe g ∈ Mµ+2, il existe un germe d’application biholomorphe K ϕ : (X,K) −→ (X,K) tel que f ◦ϕ = f +g. Pour tout ideal I de codimension k dans un anneau local A, la puis- sance k-i`eme de l’id´eal maximal est contenue dans I. Ainsi, dans le cas DE´TERMINATION FINIE 3 ou` X = Cn et K est un point, on retrouve le th´eor`eme de d´etermination finie classique. A` titre d’exemple, prenons X = (C/2πZ)×C = {(θ,r)} et soit K le cercle r´eel : K = {(θ,r) ∈ (C/2πZ)×C : θ ∈ R/2πZ, r = 0}. Les ´el´ements de O sont des s´eries de la forme a rmeinθ. Pre- X,K m,n m,n nons P f : (r,θ) 7→ rk. Le th´eor`eme affirme alors que toute s´erie de la forme rk + rk+1g(r,θ) se ram`ene `a rk par un changement de variables biholomorphe. Ce qui se v´erifie directement en utilisant le changement de variables ϕ : (θ,r) 7→ (θ,r k 1+rg(r,θ)). Chacundesth´eor`emespr´ec´edentsppeut-ˆetrereformul´eentermesd’ac- tions de groupes, par exemple : Th´eor`eme 3. Soit I un id´eal de O , f ∈ O et ν tel que Iν ⊂ I(f). X,K X,K L’espace affine f + Iν est contenu dans l’orbite de f sous l’action du groupe des automorphismes de l’alg`ebre O . X,K Le module des d´erivations de l’alg`ebre O constitue l’analogue, en X,K dimension infinie, de l’alg`ebre de Lie de son groupe d’automorphismes. On semble donc reconnaˆıtre un th´eor`eme qui relie l’action d’un groupe avec celle de sa lin´earisation. Ce point de vue heuristique est d´evelopp´e rigoureusement dans cet article, prolongeant ainsi le r´esultat de [5]. §1 La cat´egorie des espaces vectoriels ´echelonn´es 1.1. Echelonnement d’un espace vectoriel topologique. Une S- ´echelle de Banach est une famille d´ecroissante d’espaces de Banach (E ), s ∈]0,S[, telle que les inclusions s E ⊂ E , s ∈]0,S[, σ ∈]0,S−s[ s+σ s soient de norme au plus 1. Soit E un espace vectoriel topologique. Un S-´echelonnementde E est une ´echelle (E ) de sous-espaces de Banach de E telle que s i) E = limE = E ; s s −→ s∈]0,S[ [ ii) la topologie limite directe de la topologie des espaces de Banach E co¨ıncide avec celle de E. s L’intervalle ]0,S[ s’appelle l’intervalle d’´echelonnement. Si F est un sous-espace vectoriel ferm´e d’un espace vectoriel ´echelonn´e E alors E/F est ´echelonn´e par les espaces de Banach E /(E∩F) . s s 4 MAURICIO GARAY La notion d’´echelonnement vise `a transf´erer les propri´et´es de E aux espaces de Banach E , mais l’objet que l’on ´etudie reste E et non pas s l’´echelle de Banach. Lorsque le param`etre S ne joue pas de rˆole par- ticulier, nous parlerons simplement d’´echelle de Banach ou d’espace vectoriel ´echelonn´e. Pour un ensemble A ⊂ Cn, nous noterons ˚A son int´erieur. Une suite croissante de compacts K = (K ), s ∈ [0,S] est appel´e une famille s exhaustive de compacts si K est contenu l’int´erieur de K pour tout s s′ s′,s avec s′ > s. Exemple 1. Soit (K ), s ∈ [0,S] une famille exhaustive de compacts de s Cn. Les espaces vectoriels E := C0(K ,C)∩Γ(K˚,O ) s s s Cn,0 sont des espaces de Banach pour la norme |f| := sup |f(z)|. s z∈Ks Ilsd´efinissent un´echelonnement del’espacevectorieltopologiqueO . Cn,K Les suites (E ), (E ) donnent d’autres exemples d’´echelonnement de s2 3s O , avec les mˆemes espaces de Banach (voir section 4 pour plus de Cn,K d´etails). L’utilisation d’´echelles de Banach en analyse remonte aux fonde- ments de l’analyse fonctionnelle. On la trouve par exemple dans la d´emonstration du th´eor`eme de Cauchy-Kovalevska¨ıa donn´ee en 1942 par Nagumo [12] (voir ´egalement [14]). Elle est ´egalement a` la base de la d´emonstration propos´ee par Kolmogorov du th´eor`eme des tores invariants [8]. Cependant ces auteurs ne consid`erent qu’une ´echelle fixe, l’id´ee de consid´erer toutes les ´echelles possibles d’un sous-espace vectoriel topo- logiqueestd´ej`apr´esentedanslath`esedeGrothendieck[7].Enrevanche, Grothendieckn’utilisepaslechoixd’unparam´etragedel’´echellecomme une donn´ee suppl´ementaire. 1.2. Filtration d’un espace vectoriel ´echelonn´e. Soit E un espace vectoriel ´echelonn´e. Les sous-espaces vectoriels E(k) = {x ∈ E : ∃C,τ, |x| ≤ Csk, ∀s ≤ τ} s filtrent l’espace E : E := E(0) ⊃ E(1) ⊃ E(2) ⊃ ··· . Exemple 2. Consid´erons les polycylindres K = {(z ,z ,...,z ) ∈ Cn : |z | ≤ s,..., |z | ≤ s}. s 1 2 n 1 n Comme pr´ec´edemment, ´echelonnons l’espace vectoriel O := O ,K = {0} ⊂ Cn n Cn,K DE´TERMINATION FINIE 5 par les espaces de Banach E := C0(K ,C)∩Γ(K˚,O ). s s s Cn,0 L’anneau O est local d’id´eal maximal Cn,K M := {f ∈ O : f(0) = 0}. n Cn,K La filtration d’espace vectoriel ´echelonn´e co¨ıncide avec celle donn´ee par les puissances de l’id´eal maximal : (O )(k) = Mk. n n D´efinition 1.1. Soit E un espace vectoriel ´echelonn´e. L’ordre d’un vecteur x ∈ E est le plus grand k ≥ 0 tel que x ∈ E(k). 1.3. Morphismes d’un espace vectoriel´echelonn´e. SoitE,Fdeux espaces vectoriels S-´echelonn´es. Nous dirons d’une application lin´eaire que c’est un morphisme entre des espaces vectoriels ´echelonn´es E,F, si pour tout s′ ∈]0,S[, il existe s ∈]0,S[tel quel’espace deBanachE est envoy´e continuˆment dansF . s′ s Nous avons ainsi d´efinit la cat´egorie des espaces vectoriels ´echelonn´es. Nous d´esignerons par L(E,F) l’espace vectoriel des morphismes de E dans F et lorsque E = F, nous utiliserons la notation L(E) au lieu de L(E,E). Il n’y pas de raison, a priori, pour que L(E,F) co¨ıncide avec l’espace des applications lin´eaires continues de E dans F, mais dans les exemples concrets que nous allons traiter ce sera toujours le cas. Sik·kd´esignelanormed’op´erateursurl’espacedeBanachL(E ,F ), s′ s nous noterons kuk la norme de l’op´erateur d´efini par restriction de u a` E . s′ Le noyau d’un morphisme u : E −→ F entre espaces vectoriels S- ´echelonn´es est un espace vectoriel S-´echelonn´e par : (Keru) = E ∩Keru, s ≤ S. s s Venons-en `a la notion de convergence d’une suite de morphismes. La norme d’op´erateur induit sur les espaces vectoriels L(E ,F ), une s′ s structure d’espace de Banach. D´efinition 1.2. Une suite de morphismes (u ) de L(E,F) converge n vers un morphisme u ∈ L(E,F) si pour tout s′ ∈]0,S[, il existe s ∈ ]0,S[ tel que la restriction de (u ) d´efinisse une suite de L(E ,F ) qui n s′ s converge vers la restriction de u. Un sous-ensemble X de L(E,F) sera dit ferm´e si toute suite conver- gentedepointsdeX`asalimitedansX.(L’utilisationdumot ferm´e est ≪ ≫ l´eg`erement abusive, car il ne s’agit pas a priori du compl´ementaire d’un ouvert.) 6 MAURICIO GARAY Exemple 3. Comme pr´ec´edemment, ´echelonnons l’espace vectoriel O := O ,K = {0} ⊂ Cn n Cn,K par les espaces de Banach E := C0(K ,C)∩Γ(K˚,O ). s s s Cn,0 Fixons λ > 0, l’application z u : O −→ O , f 7→ [z 7→ f( )] n n λ est un morphisme de L(O ) car n f ∈ C0(K ,C)∩Γ(K˚ ,C) =⇒ u(f) ∈ C0(K ,C)∩Γ(K˚ ,C). s s λs λs Plus g´en´eralement, on v´erifie, sans difficult´es, que l’espace vectoriel L(O ) co¨ıncide avec celui des applications lin´eaires continues pour la n topologie forte. 1.4. Morphismes born´es. D´efinition 1.3. Un morphisme u ∈ L(E,F) entre deux espace vectoriel ´echelonn´esestappel´eun τ-morphismesi pour tout s′ ∈]0,τ] etpour tout s ∈]0,s′[, on a l’inclusion u(E ) ⊂ F et u induit par restriction une s′ s application lin´eaire continue u : E −→ F . s′,s s′ s On a alors des diagrammes commutatifs F E us{′{,u{s{|E{{s{′{==// F(cid:15)(cid:15)(cid:127)s_ s′ pour tout s′ ∈]0,τ] et pour tout s ∈]0,s′[, la fl`eche verticale ´etant donn´ee par l’inclusion F ⊂ F. s Exemple 4. L’application u construite dans l’exemple du n˚pr´ec´edent n’est pas un τ-morphisme alors que tout op´erateur diff´erentiel d´efinit un τ-morphisme. D´efinition 1.4. Un τ-morphisme u : E −→ F d’espaces vectoriels S-´echelonn´es est dit k-born´e, k ≥ 0 s’il existe un r´eel C > 0 tel que : |u(x)| ≤ Cσ−k|x| , pour tous s ∈]0,τ[, σ ∈]0,τ −s], x ∈ E . s s+σ s+σ Un morphisme est dit k-born´e (resp. born´e) s’il existe τ (resp. τ et k) pour lequel (resp. lesquels) c’est un τ-morphisme k-born´e. Lorsque E = E et F = F sont des espaces de Banach, on retrouve la d´efinition s s habituelle de morphismes born´es. (Nous n’utiliserons pas la notion plus g´en´erale d’application lin´eaire born´ee d’un espace localement convexe, notre terminologie ne devrait donc pas porter `a confusion.) L’espace DE´TERMINATION FINIE 7 vectoriel des τ-morphismes (resp. des morphismes) k-born´es entre E et F sera not´e Bk(E,F) (resp. Bk(E,F)). On note Nk(u) la plus petite τ τ constante C v´erifiant l’in´egalit´e de la d´efinition 1.4. Exemple 5. Consid´erons, l’´echelonnement de O d´efinit a` l’aide des n polycylindres K . D’apr`es lesin´egalit´es deCauchy, tout op´erateur diff´e- s rentiel d’ordre k est k-born´e. Proposition 1.1. Consid´erons un diagramme exact d’espaces vecto- riels ´echelonn´es F // E // E /F // 0 1 1 1 1 u v (cid:15)(cid:15) (cid:15)(cid:15) (cid:15)(cid:15) F // E // E /F // 0 2 2 2 2 Si u est un τ-morphisme k-born´e alors v est´egalement un τ-morphisme k-born´e et de plus Nk(v) ≤ Nk(u). τ τ La d´emonstration est imm´ediate. 1.5. L’´echelle de Banach (Bk(E,F)). τ Proposition 1.2. Si E,F sont des espaces vectoriels S-´echelonn´es alors les espaces vectoriels norm´es (Bk(E,F),Nk), τ ∈]0,S[, forment τ τ une S-´echelle de Banach. D´emonstration. La seule difficult´e consiste `a montrer que l’espace vec- toriel Bk(E,F) est complet pour la norme Nk, pour tout τ ∈]0,S[. τ τ Je dis que toute suite de Cauchy (u ) ⊂ Bk(E,F) converge vers un n τ morphisme u ∈ L(E,F) au sens de 1.3. Soit donc s′ ∈]0,τ[ et s ∈]0,s′[. Comme les (u ) sont des τ-morphismes, ils induisent, par restriction, n des applications lin´eaires continues v : E −→ F . n s′ s Par d´efinition de la norme Nk, la suite (v ) est de Cauchy dans l’espace τ n de Banach L(E ,F ) donc convergente. Ceci d´emontre l’affirmation. s′ s Montrons `a pr´esent que si une suite de Cauchy (u ) ⊂ Bk(E,F) n τ converge vers un morphisme u ∈ L(E,F) alors u est dans Bk(E,F). τ L’in´egalit´e |Nk(u )−Nk(u )| ≤ Nk(u −u ) τ n τ m τ n m montre que la suite (Nk(u )) est de Cauchy dans R donc major´ee par τ n un constante C > 0. On a alors les in´egalit´es : |u(x)| ≤ |u(x)−u (x)| +Cσ−k|x| , pour tout n, s n s s+σ pour tout x ∈ E , pour tout s ∈]0,τ] et pour tout σ ∈]0,τ − s]. Par s cons´equent, leτ-morphisme limite u est k-born´edenorme auplus´egale (cid:3) `a C. La proposition est d´emontr´ee. 8 MAURICIO GARAY La suite (Bk(E,F),Nk), τ ∈]0,S[ munit l’espace vectoriel Bk(E,F) τ τ d’unestructured’espacevectoriel´echelonn´e. Ainsi,l’´echelonnement des espaces vectoriels E,F se propage `a celui des espaces de morphismes born´es. §2 L’application exponentielle 2.1. Convergence de la s´erie exponentielle. Proposition 2.1. Soit u un τ-morphisme 1-born´e d’un espace vec- toriel ´echelonn´e E. Si l’in´egalit´e 3N1(u) < s est satisfaite pour tout s s ≤ τ alors la s´erie uj eu := j! j≥0 X converge vers un morphisme de E, et plus pr´ecis´ement (3N1(u))j 1 |eux| ≤ s |x| = |x| λs (1−λ)jsj s 1− 3N1s(u) s j≥0 (1−λ)s X pour tous λ ∈]0,1− 3N1s(u)[, s ∈]0,τ] et x ∈ E . s s D´emonstration. Si u,v sont des morphismes, respectivement k et k′ born´e, alors leur composition uv est (k +k′)-born´e et on a l’in´egalit´e Nk+k′(uv) ≤ 2k+k′Nk(u)Nk′(v). τ τ τ En effet : 2k 2k+k′ |(uv)(x)| ≤ Nk(u) |v(x)| ≤ Nk(u)Nk′(v) |x| s τ σk s+σ/2 τ τ σk+k′ s+σ pour tout x ∈ E . Plus g´en´eralement : s+σ Lemme 2.1. Le produit de n morphismes k born´es u , i = 1,...,n, i i est un morphisme k-born´e avec k := n k et i=1 i n P Nk(u ···u ) ≤ nk Nki(u ). τ 1 n τ i i=1 Y De plus si tous les u sont ´egaux `a un morphisme 1-born´e u, on a : i Nn(un) τ ≤ 3nN1(u)n. n! τ D´emonstration. La premi`ere partie du lemme s’obtient en d´ecoupant l’intervalle [s,s+σ] en n parties ´egales, comme nous l’avons fait pr´ec´e- demment pour n = 2. Prenons tous les u ´egaux et 1-born´es. D’apr`es i le lemme, on a alors Nn(un) ≤ nnN1(u)n. τ τ Une variante de la formule de Stirling montre que nn ≤ 3nn!. DE´TERMINATION FINIE 9 En effet, en utilisant l’expression int´egrale suivante de la fonction Γ : +∞ n! = Γ(n+1) = nn+1 en(logt−t)dt. Z0 et l’estimation 1 − (t−1)2 −1 ≤ logt−t, 2 il vient : +∞ Γ(n+1) ≥ nn+1e−n e−21(t−1)2dt ≥ nn+1e−n ≥ nn3−n. Z0 Ceci d´emontre que Nn(un) τ ≤ 3nN1(u)n. n! τ (cid:3) Nous pouvons `a pr´esent conclure la d´emonstration de la proposition. On a 1 |eux| ≤ |ujx| . λs λs j! j≥0 X Le morphisme uj est j-born´e et on a l’in´egalit´e : 1 (3N1(u))j |ujx| ≤ s |x| , j! λs (1−λ)jsj s (cid:3) ce qui d´emontre la proposition. Finalement,remarquonsquedeuxmorphismes1-born´esu,v ∈ B1(E) quicommutentetquisatisfontauxconditionsdelapropositionpr´ec´edente v´erifient l’´egalit´e eu+v = euev. En effet, si u et v commutent alors les suites n uj n vj A := , B = . n n j! j! j=0 j=0 X X v´erifient n (u+v)j A B = n n j! j=0 X et si des suites de morphismes (A ),(B ) convergent respectivement n n vers A,B alors (A B ) converge vers AB. Le cas particulier v = −u n n montre que l’exponentielle d’un morphisme 1-born´e est inversible. Exemple 6. Consid´erons l’espace vectoriel O ´echelonn´e commepr´ec´e- C,0 demment. L’exponentielle de λz∂ converge et donne l’automorphisme z d’alg`ebre (λz∂ )n z 7→ ( z )z = eλz. n! n≥0 X 10 MAURICIO GARAY Plus g´en´eralement, toute d´erivation de la forme zh(z)∂ , h ∈ O z C,0 est exponentiable. En r´esum´e, l’alg`ebre de Lie g des d´erivations de O C,0 est filtr´ee g ⊃ g(1) ⊃ g(2) ⊃ ··· avec g(k) = {zkh(z)∂ , h ∈ O } z C,0 et tout ´el´ement de g(1) est exponentiable. Notons M , l’id´eal maximal de l’anneau local O : C,0 C,0 M = {f ∈ O : f(0) = 0}. C,0 C,0 Lorsque v ∈ g(2) et f ∈ Mk ,on a : C,0 evf = f +v ·f (modMk+1). C,0 Ce qui donne un sens pr´ecis au fait que l’action infinit´esimale de ev est donn´ee par la d´erivation le long de v. En g´en´eral, ce n’est plus vrai si z l’on fait seulement l’hypoth`ese v ∈ g(1). Par exemple pour v = − ∂ z 2 et f = z2, on trouve : z2 z2 evf = z2 −z2 + +···+(−1)n +··· = e−1z2 2! n! alors que f +v(f) = 0. 2.2. Th´eor`eme principal. Th´eor`eme 2.1. Soit E un espace vectoriel ´echelonn´e. Soit (u ) ⊂ n B1(E) une suite de τ-morphismes 1-born´es. Si l’in´egalit´e τ 3 N1(u ) < s s i i≥0 X est v´erifi´ee pour tout s ≤ τ alors la suite (g ) d´efinie par n g := euneun−1 ···eu0 n converge vers un ´el´ement inversible de L(E). D´emonstration. Commen¸cons par le Lemme 2.2. Soit (u ) une suite de τ-morphismes 1-born´es exponen- n tiables. Pour tout s ≤ τ et tout x ∈ E , on a l’in´egalit´e s 1 |g x| ≤ |x| n λs 1− 3 n N1(u ) s (1−λ)s i=0 s i pourvu que P n (1−λ)s N1(u ) < . s i 3 i=0 X

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