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\chapter{Cohomologie étale: les points de départ}\label{I}
\blfootnote{par P.\ Deligne, rédigé par J.F.\ Boutot}
\section{Topologies de Grothendieck}\label{I:1}
A l'origine, les topologies de Grothendieck sont apparues comme sous-jacentes
à sa théorie de la descente (cf. SGA 1 VI, VIII); l'usage des théorie de
cohomologie correspondantes est plus tardif. La même démarche est suivi
ici: en formalisant les notions classiques de localisation, de propriété
locale et de recollement (\ref{I:1-1}, \ref{I:1-2}, \ref{I:1-3}), en dégage le
concept général de topologie de Grothendieck (\ref{I:1-6}); pour en justifier
l'introduction en géométrie algébrique, on démontre un théorème
de descente fidèlement plat (\ref{I:1-4}), généralisation du classique théorème
de Hilbert (\ref{I:1-5}).
Le lecteur trouvera une exposition plus compète, mais concise, du
formalisme dans Giraud \cite{gi64}. Les notes de M. Artin: ``Grothendieck
topologies'' \cite{ar62} (chapitres I à III) restent également utiles. Les
866 pages des exposés I à V de SGA 4 sont précieuses lorsqu'on
considère des topologies exotiques, telle celle qui donne naissance à la
cohomologie cristalline; pour utiliser la topologie étale si proche de
l'intuition classique, il n'est pas indispensable de les lire.
\subsection{Cribles}\label{I:1-1}
Soient $X$ un espace topologique et $f:X\to \dR$ une fonction à valeur
réelles sur $X$. La continuité de $f$ est une propriété de nature
locale; autrement dit, si $f$ est continue sur tout ouvert suffisamment petit
de $X$, $f$ est continue sur $X$ tout entier. Pour formaliser la notion de
``propriété de nature locale,'' nous introduirons quelques définitions.
On dit qu'un ensemble $\cU$ d'ouverts de $X$ est un \emph{crible} si pour tout
$U\in\cU$ et $V\subset U$, on a $V\in\cU$. On dit qu'un crible est
\emph{couvrant} si la réunion de tout les ouverts appartenant à ce crible est
égale à $X$.
Etant donnée une famille $\{U_i\}$ d'ouverts de $X$, le crible engendré par
$\{U_i\}$ est par définition l'ensemble des ouverts $U$ de $X$ tels que $U$
soit contenu dans l'un des $U_i$.
On dit qu'une propriété $P(U)$, définie pour tout ouvert $U$ de $X$, est
\emph{locale} si, pour tout crible couvrant $\cU$ de tout ouvert $U$ de $X$,
$P(U)$ est vraie si et seulement si $P(V)$ est vraie pour tout $V\in \cU$. Par
exemple, étant donné $f:X\to \dR$, la propriété ``$f$ est continue sur $U$''
est locale.
\subsection{Faisceaux}\label{I:1-2}
Précisons la notion de fonction donnée localement sur $X$.
\subsubsection{Point de vue des cribles}\label{I:1-2-1}
Soit $\cU$ un crible d'ouverts de $X$. On appelle fonction donnée
$\cU$-localement sur $X$ la donnée pour tout $U\in \cU$ d'une fonction $f_U$
sur $U$ telle que, si $V\subset U$, on ait $f_V=f_U|V$.
\subsubsection{Pointe de vue de Čech}\label{I:1-2-2}
Si le crible $\cU$ est engendré par une famille d'ouverts $U_i$ de $X$, se
donner une fonction $\cU$-localement revient à se donner une fonction $f_i$
sur chaque $U_i$, telle que $f_i|{U_i\cap U_j} = f_j|{U_i\cap U_j}$.
Autrement dit, si $Z=\coprod U_i$, se donner une fonction $\cU$-localement
revient à se donner une fonction sur $Z$ qui soit constante sur les fibres de
la projection naturelle $Z\to X$.
\subsubsection{}\label{I:1-2-3}
Les fonctions continues forment un faisceau; cela signifie que pour tout crible
couvrant $\cU$ d'un ouvert $V$ de $X$ et toute fonction donnée
$\cU$-localement $\{f_U\}$ telle que chaque $f_U$ soit continue sur $U$, il
existe une unique fonction continue $f$ sur $V$ telle que $f|U=f_U$ pour tout
$U\in \cU$.
\subsection{Champs}\label{I:1-3}
Précisons maintenant la notion de fibré vectoriel donné localement sur $X$.
\subsubsection{Point de vue des cribles}\label{I:1-3-1}
Soit $\cU$ un crible d'ouverts de $X$. On appelle fibré vectoriel donné
$\cU$-localement sur $X$ les données de
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item un fibré vectoriel $E_U$ sur chaque $U\in \cU$,
\item si $V\subset U$, un isomorphisme $\rho_{U,V} : E_V\iso E_U|V$, vérifiant
\item si $W\subset V\subset U$, le diagramme
\[\xymatrix{
E_W \ar[r]^-{\rho_{U,W}} \ar[dr]_-{\rho_{V,W}}
& E_U|W \\
& E_V|W \ar[u]_-{\rho_{U,V}|W}
}\]
commute, c'est-à-dire
$\rho_{U,V} = (\mbox{$\rho_{U,V}$ restreint à $W$}) \circ \rho_{V,W}$.
\end{enumerate}
\subsubsection{Point de vue de Čech}\label{I:1-3-2}
Si le crible $\cU$ est engendré par une famille d'ouverts $U_i$ de $X$, se
donner un fibré vectoriel $\cU$-localement revient à se donner:
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item un fibré vectoriel $E_i$ sur chaque $U_i$,
\item si $U_{ij} = U_i\cap U_j = U_i\times_X U_j$, un isomorphisme
$\rho_{ji} : E_i|U_{ij} \iso E_j|U_{ij}$, de sorte que
\item si $U_{ijk} = U_i\times_X U_j\times_X U_k$, le diagramme
\[\xymatrix{
E_i |U_{ijk} \ar[r]^-{\rho_{ki}|U_{ijk}} \ar[dr]_-{\rho_{ji}|U_{ijk}}
& E_k|U_{ijk} \\
& E_j|U_{ijk} \ar[u]_-{\rho_{kj}|U_{ijk}}
}\]
commute, c'est-à-dire $\rho_{ki} = \rho_{kj}\circ \rho_{ji}$ sur
$U_{ijk}$.
\end{enumerate}
Autrement dit, si $Z=\coprod U_i$ et si $\pi:Z\to X$ est la projection
naturelle, se donner un fibré vectoriel $\cU$-localement revient à se donner:
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item un fibré vectoriel $E$ sur $Z$,
\item si $x$ et $y$ sont deux points de $Z$ tels que $\pi(x) = \pi(y)$, un
isomorphisme $\rho_{y x}:E_x\iso E_y$ entre les fibres de $E$ en $x$ et en
$y$, dépendant continûment de $(x,y)$ et tel que,
\item si $x$, $y$ et $z$ sont trois points de $Z$ tels que
$\pi(x)=\pi(y)=\pi(z)$, on ait $\rho_{zx} = \rho_{zy}\circ \rho_{yx}$.
\end{enumerate}
\subsubsection{}\label{I:1-3-3}
Une fibré vectoriel $E$ sur $X$ définit un fibré vectoriel donné
$\cU$-localement $E_\cU$; le système des restrictions $E_U$ de $E$ aux objets
de $\cU$. Le fait que la notion de fibré vectoriel est de nature locale peut
s'exprimer ainsi: pour tout crible couvrant $\cU$ de $X$, le foncteur
$E\mapsto E_\cU$, des fibrés vectoriels sur $X$ dans les fibrés vectoriels
donnés $\cU$-localement, est une équivalence de catégories.
\subsubsection{}\label{I:1-3-4}
Si dans \ref{I:1} on remplace ``ouvert de $X$'' par ``partie de
$X$,'' on obtient la notion de crible de sous-espaces de $X$. Dans ce cadre
aussi on dispose de théorèmes de recollement. Par exemple: soient $X$ un
espace et $\cC$ un crible de sous-espaces de $X$ engendré par un recouvrement
fermé localement fini de $X$, alors le foncteur $E\mapsto E_\cC$, des fibrés
vectoriels sur $X$ dans les fibrés vectoriels donnés $\cC$-localement est une
équivalence de catégories.
En géométrie algébrique, il est utile de considérer aussi des ``cribles
d'espaces au-dessus de $X$''; c'est ce que nous verrons au paragraphe suivant.
\subsection{Descente fidèlement plat}\label{I:1-4}
\subsubsection{}\label{I:1-4-1}
Dans le cadre des schémas, la topologie de Zariski n'est pas assez fine pour
l'étude des problèmes non linéaires et on est amené à remplacer dans les
définitions précédentes les immersions ouvertes par des morphismes plus
généraux. De ce point de vue, les techniques de descente apparaissent comme des
techniques de localisation. Ainsi l'énoncé de descente suivant peut sexprimer
en disant que les propriétés considérées sont de nature locale pour la
topologie fidèlement plate (on dit qu'un morphisme de schémas est fidèlement
plat s'il est plat est surjectif).
\begin{proposition}\label{I:1-4-2}
Soient $A$ un anneau et $B$ une $A$-algèbre fidèlement plate. Alors:
\begin{enumerate}[(i)]
\item Une suite $\Sigma=(M'\to M\to M'')$ de $A$-modules est exacte dés
que la suite $\Sigma_{(B)}$ qui s'en déduit par extension des scalaires
à $B$ est exacte.
\item Un $A$-module $M$ est de type fini (resp. de présentation finie,
plat, localement libre de rang fini, inversible (i.e. localement libre
de rang un)) dés que le $B$-module $M_{(B)}$ l'est.
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proof}
(i) Le foncteur $M\mapsto M_{(B)}$ étant exact (platitude de $B$), il suffit
de montrer que, si un $A$-module $N$ est non nul, $N_{(B)}$ est non nul. Si
$N$ est non nul, $N$ contient un sous-module monogène non nul $A/\fa$; alors
$N_{(B)}$ contient un sous-module monogène $(A/\fa)_{(B)} = B/\fa B$, non nul
par surjectivité du morphisme structural $\varphi:\spec(B)\to\spec(A)$ (si
$V(\fa)$ est non vide, $\varphi^{-1}(V(\fa))=V(\fa B)$ est non vide).
(ii) Pour toute famille $(x_i)$ d'éléments de $M_{(B)}$, il existe un
sous-module de type fini $M'$ de $M$ tel que $M'_{(B)}$ contienne les $x_i$. Si
$M_{(B)}$ est de type fini et si les $x_i$ engendrent $M_{(B)}$, on a
$M'_{(B)}=M_{(B)}$, donc $M'=M$ et $M$ est de type fini.
\end{proof}
Si $M_{(B)}$ est de présentation finie, on peut, d'aprés ce qui précède,
trouver une surjection $A^n\to M$. Si $N$ est le noyau de cette surjection, le
$B$-module $N_{(B)}$ est de type fini, donc $N$ l'est, et $M$ est de
présentation finie. L'assertion pour ``flat'' résulte aussitôt de (i);
``localement libre de rang fini'' signifie ``plat et de présentation finie''
et le rang se teste par extension des scalaires à des corps.
\subsubsection{}\label{I:1-4-3}
Soient $X$ un schéma et $\cS$ une classe de $X$-schémas stable par produit
fibré sur $X$. Une classe $\cU\subset \cS$ est un \emph{crible} sur $X$
(relativement à $\cS$) si, pour tout morphisme $\varphi:V\to U$ de
$X$-schémas, avec $U,V\in \cS$ et $U\in\cU$, on a $V\in \cU$. Le crible
\emph{engendré} par une famille $\{U_i\}$ de $X$-schémas dans $\cS$ est la
classe des $V\in\cS$ tels qu'il existe un morphisme de $X$-schémas de $V$ dans
l'un des $U_i$.
\subsubsection{}\label{I:1-4-4}
Soit $\cU$ un crible sur $X$. On appelle module quasi-cohérent donné
$\cU$-localement sur $X$ la donnée de
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item un module quasi-cohérent $E_U$ sur chaque $U\in\cU$,
\item pour tout $U\in\cU$ et pour tout morphisme $\varphi:V\to U$ de
$X$-schémas dans $\cS$, un isomorphisme
$\rho_\varphi:E_V\iso \varphi^* E_U$, ceux-ci étant tels que
\item si $\psi:W\to V$ est un morphisme de $X$-schémas dans $\cS$, le
diagramme
\[\xymatrix{
E_W \ar[r]^-{\rho_{\varphi\circ\psi}} \ar[dr]_-{\rho_\psi}
& \psi^*\varphi^* E_U \\
& \psi^* E_V \ar[u]_-{\psi^*\rho_\varphi}
}\]
commute, c'est-à-dire
$\rho_{\varphi\circ\psi}=(\psi^*\rho_\varphi)\circ \rho_\psi$.
\end{enumerate}
Si $E$ est un module quasi-cohérent sur $X$, on note $E_\cU$ le module
donné $\cU$-localement valant $\varphi_U^* E$ sur $\varphi:U\to X$ et tel que,
pour tout morphisme $\psi:V\to U$ l'isomorphisme de restriction $\rho_\psi$
soit l'isomorphisme canonique
$E_V=(\varphi_U\circ \psi)^* E\iso \psi^* \varphi_U^* E = \psi^* E_U$.
\begin{theorem}\label{I:1-4-5}
Soit $\{U_i\}\in\cS$ une famille finie de $X$-schémas plats sur $X$ telle que
$X$ soit le réunion des images des $U_i$, et soit $\cU$ le crible engendré par
$\{U_i\}$. Alors le foncteur $E\mapsto E_\cU$ est une équivalence de la
catégorie des modules quasi-cohérents sur $X$ avec la catégorie des modules
quasi-cohérents donnés $\cU$-localement.
\end{theorem}
\begin{proof}
Nous ne traiterons que le cas où $x$ est affine et où $\cU$ est engendré par
un $X$-schéma affine $U$ fidèlement plat sur $X$. La réduction à ce cas est
formelle. On pose $X=\spec(A)$ et $U=\spec(B)$.
Si le morphisme $U\to X$ admet une section, $X$ appartient au crible $\cU$ et
l'assertion est évidente. Nous nous réduirons à ce cas.
Un module quasi-cohérent donné $\cU$-localement définit des modules $M'$, $M''$
et $M'''$ sur $U$, $U\times_X U$ et $U\times_X U\times_X U$, et des
isomorphismes $\rho:p^* M^\bullet\simeq M^\bullet$ pour tout morphisme de
projection $p$ entre ces espaces; c'est là un \emph{diagramme cartésien}
\[\xymatrix{
M^* : M' \ar@<2pt>[r] \ar@<-2pt>[r]
& M'' \ar[r] \ar@<4pt>[r] \ar@<-4pt>[r]
& M'''
}\]
au-dessus de
\[\xymatrix{
U_* : U
& U\times_X U \ar@<2pt>[l] \ar@<-2pt>[l]
& U\times_X U\times_X U \ar[l] \ar@<4pt>[l] \ar@<-4pt>[l] \mbox{.}
}\]
Réciproquement $M^*$ détermine le module donné $\cU$-localement: pour
$V\in\cU$, il existe $\varphi:V\to U$ et on pose $M_U=\varphi^* M'$;
pour $\varphi_1,\varphi_2:V\to U$, on a une identification naturelle
$\varphi_1^* M'\simeq (\varphi_1\times \varphi_2)^* M'' \simeq \varphi_2^* M'$,
et on voit en utilisant $M'''$ ue ces identifications sont compatibles, de
sorte que la définition est légitime. Bref, il revient au même de se donner un
module $\cU$-localement ou un diagramme $M^*$ cartésien sur $U_*$.
Traduisons en termes algébriques: se donner $M^*$ revient à se donner un
diagramme cartésien de modules
\[\xymatrix{
M' \ar@<3pt>[r]|-{\partial_0} \ar@<-3pt>[r]|-{\partial_1}
& M'' \ar@<6pt>[r]|-{\partial_0} \ar[r]|-{\partial_1} \ar@<-6pt>[r]|-{\partial_2}
& M'''
}\]
au-dessus du diagramme d'anneaux
\[\xymatrix{
B \ar@<3pt>[r]|-{\partial_0} \ar@<-3pt>[r]|-{\partial_1}
& B\otimes_A B \ar@<6pt>[r]|-{\partial_0} \ar[r]|-{\partial_1} \ar@<-6pt>[r]|-{\partial_2}
& B\otimes_A B\otimes_A B
}\]
(précisons: on a $\partial_i(b m)=\partial_i(b)\cdot\partial_i(m)$, les
identités usuelles telles que $\partial_0\partial_1=\partial_0\partial_0$
sont vraies, et ``cartésien'' signifie que les morphismes
$\partial_i:M'\otimes_{B,\partial_i}(B\otimes_A B)\to M''$ et
$M''\otimes_{B\otimes_A B,\partial_i}(B\otimes_A B\otimes_A B)\to M'''$ sont
des isomorphismes).
Le foncteur $E\mapsto E_\cU$ devient le foncteur qui, à un $A$-module $M$,
associe
\[\xymatrix{
M^* = (M\otimes_A B \ar@<2pt>[r] \ar@<-2pt>[r]
& M\otimes_A B\otimes_A B \ar@<-4pt>[r] \ar[r] \ar@<4pt>[r]
& M\otimes_A B\otimes_A B\otimes_A B)\text{.}
}\]
Il admet pour adjoint à droite le foncteur
\[\xymatrix{
(M' \ar@<2pt>[r] \ar@<-2pt>[r]
& M'' \ar@<-4pt>[r] \ar[r] \ar@<4pt>[r]
& M''') \ar@{|->}[r]
& \ker(M' \ar@<2pt>[r] \ar@<-2pt>[r]
& M''')\text{.}
}\]
Il nous faut prouver que les flèches d'adjonction
\[
M \to\ker(M\otimes_A B\rightrightarrows M\otimes_A B\otimes_A B)
\]
et
\[
\ker(M'\rightrightarrows M'')\otimes_A B \to M'
\]
sont des isomorphismes. D'après (\ref{I:1-4-2}.i), il suffit de le prouver
après un changement de base fidèlement plat $A\to A'$ ($B$ devenant
$B'=B\otimes_A A'$). Prenant $A'=B$, ceci nous ramène au cas où $U\to X$
admet une section.
\end{proof}
\subsection{Un cas particulier: le théorème 90 de Hilbert}\label{I:1-5}
\subsubsection{}\label{I:1-5-1}
Soient $k$ un corps, $k'$ une extension galoisienne de $k$ et $G=\gal(k'/k)$.
Alors l'homo\~morphisme
\begin{align*}
k'\otimes_k k' &\to \oplus_{\sigma\in G} k' \\
x\otimes y &\mapsto \{x\cdot \sigma(y)\}_{\sigma\in G}
\end{align*}
est bijectif.
On en déduit qu'il revient au même de se donner un module localement pour
le crible engendré par $\spec(k')$ sur $\spec(k)$ ou de se donner un
$k'$-espace vectoriel muni d'une action semi-linéaire de $G$, c'est-à-dire:
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item un $k'$-espace vectoriel $V'$,
\item pour tout $\sigma\in G$, un endomorphisme $\varphi_\sigma$ de la
structure de groupe de $V'$ tel que
$\varphi_\sigma(\lambda v) = \sigma(\lambda) \varphi_\sigma(v)$, pour
tout $\lambda\in k'$ et $v\in V'$, vérifiant la condition
\item pour tout $\sigma,\tau\in G$, on a
$\varphi_{\tau\sigma} = \varphi_\tau\circ\varphi_\sigma$.
\end{enumerate}
Soit $V={V'}^G$ le groupe des invariants par cette action de $G$; c'est un
$k$-espace vectoriel et, d'après le théorème \ref{I:1-4-5}, on a:
\begin{proposition}\label{I:1-5-2}
L'inclusion de $V$ dans $V'$ définit un isomorphisme
$V\otimes_k k' \iso V'$.
\end{proposition}
En particulier, si $V'$ est de dimension $1$ et si $v'\in V$ est non nul,
$\varphi_\sigma$ est déterminé par la constante
$c(\sigma)\in {k'}^\times$ telle que $\varphi_\sigma(v')=c(\sigma)v'$ et la
condition c) s'écrit
\[
c(\tau\sigma) = c(\tau)\cdot \tau(c(\sigma))\text{.}
\]
D'après la proposition il existe un vecteur invariant non nui
$v=\mu v'$, $\mu\in {k'}^\times$. On a donc pour tout $\sigma\in G$,
\[
c(\sigma) = \mu\cdot \sigma(\mu^{-1})\text{.}
\]
Autrement dit tout $1$-cocycle de $G$ à valeurs dans ${k'}^\times$ est un
cobord:
\begin{corollary}\label{I:1-5-3}
On a $\h^1(G,{k'}^\times)=0$.
\end{corollary}
\subsection{Topologies de Grothendieck}\label{I:1-6}
Nous transcrivons maintenant les définitions des paragraphes précédents
dans un cadre abstrait englobant à la fois le cas des espaces topologiques
et celui des schémas.
\subsubsection{}\label{I:1-6-1}
Soient $\cS$ une catégorie et $U$ un objet de $\cS$. On appelle \emph{crible}
sur $U$ un sous-ensemble $\cU$ de $\ob(\cS/U)$ tel que si $\varphi:V\to U$
appartient à $\cU$ et si $\psi:W\to V$ est un morphisme dans $\cS$, alors
$\varphi\circ\psi:W\to U$ appartient à $\cU$.
Si $\{\varphi_i:U_i\to U\}$ est une famille de morphismes, le crible
engendré par les $U_i$ est par définition l'ensemble des morphismes
$\varphi:V\to U$ qui se factorisent à travers l'un des $\varphi_i$.
Si $\cU$ est un crible sur $U$ et si $\varphi:V\to U$ est un morphisme, la
restriction $\cU_V$ de $\cU$ à $V$ est par définition le crible sur $V$
constitué oar les morphismes $\psi:w\to V$ tels que
$\varphi\circ\psi:W\to U$ appartienne à $\cU$.
\subsubsection{}\label{I:1-6-2}
La donnée d'une \emph{topologie de Grothendieck} sur $\cS$ consiste en la
donnée pour tout objet $U$ de $\cS$ d'un ensemble $C(U)$ de cribles sur $U$,
dits cribles couvrants, de telle sorte que les axiomes suivants soient
satisfaits:
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item Le crible engendré par l'identité de $U$ est couvrant.
\item Si $\cU$ est un crible couvrant sur $U$ et si $V\to U$ est un
morphisme, le crible $\cU_V$ est couvrant.
\item Un crible localement couvrant est couvrant. Autrement dit, si $\cU$ est
un crible couvrant sur $U$ et si $\cU'$ est un crible sur $U$ tel que, pour
tout $V\to U$ appartenant à $\cU$, le crible $\cU_V'$ est couvrant, alors
$\cU'$ est couvrant.
\end{enumerate}
On appelle \emph{site} la donnée d'une catégorie munie d'une topologie de
Grothendieck.
\subsubsection{}\label{I:1-6-3}
Étant donnée un site $\cS$, on appelle préfaisceau sur $\cS$ un foncteur
contravariant $\sF$ de $\cS$ dans la catégorie des ensembles. Pour tout
objet $U$ de $\cS$, on appelle section de $\sF$ au-dessus de $U$ les
éléments de $\sF(U)$. Pour tout morphisme $V\to U$ et pour tout
$s\in \sF(U)$, on note $s|V$ ($s$ restreint à $V$) l'image de $s$ dans
$\sF(V)$.
Si $\cU$ est un crible sur $U$, on appelle section donnée $\cU$-localement la
donnée, pour tout $V\to U$ appartenant à $\cU$, d'une section
$s_V\in\sF(V)$ telle que, pour tout morphisme $W\to V$, on sit $s_V|W=s_W$. On
dit que $\sF$ est un \emph{faisceau} si, pour tout objet $U$ de $\cS$, pour
tout crible couvrant $\cU$ sur $U$ et pour tout section donnée
$\cU$-localement $\{s_V\}$, il existe une unique section $s\in\sF(U)$ telle que
$s|V=s_V$, pour tout $V\to U$ appartenant à $\cU$.
On définit de manière analogue les \emph{faisceaux abéliens} en
remplaçant la catégorie des ensembles par celle des groupes abéliens. On
montre que la catégorie des faisceaux abéliens sur $\cS$ est une
catégorie abélienne possédant suffisamment d'injectifs. Une suite
$\sF\xrightarrow f \sG\xrightarrow g \sH$ de faisceaux est exacte si, pour
tout objet $U$ de $\cS$, et pour tout $s\in \sG(U)$ telle que $g(s)=0$,
il existe localement $t$ tel que $f(t)=s$; i.e. s'il existe un crible couvrant
$\cU$ sur $U$ et pour tout $V\in\cU$, une section $t_V$ de $\sF$ sur $V$ telle
que $f(t_V)=s|V$.
\subsubsection{Exemples}\label{I:1-6-4}
Nous en avons vu deux plus haut.
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item Soient $X$ un espace topologique et $\cS$ la catégorie dont les objets
sont les ouverts de $X$ et les morphismes les inclusions naturelles. La
topologique de Grothendieck sur $\cS$ correspondant à la topologie usuelle
de $X$ est celle pour laquelle un crible $\cU$ sur un ouvert $U$ de $X$ est
couvrant si la réunion des ouverts appartenant à ce crible est égale à
$U$. Il est clair que la catégorie des faisceaux sur $\cS$ est équivalente
à la catégorie des faisceaux sur $X$ au sens usuel.
\item Soient $X$ un schéma et $\cS$ la catégorie des schémas sur $X$. On
appelle topologie fpqc (fidèlement plate quasi-compacte) sur $\cS$ la
topologie de Grothendieck pour laquelle un crible sur un $X$-schéma $U$ est
couvrant s'il est engendré par une famille finie de morphismes plats dont
les images recouvrent $U$.
\end{enumerate}
\subsubsection{Cohomologie}\label{I:1-6-5}
On supposera toujours que la catégorie $\cS$ a un objet final $X$. Alors on
appelle sections globales d'un faisceaux abélien $\sF$, et on note
$\Gamma\sF$ ou $\h^0(X,\sF)$, le groupe $\sF(X)$. Le foncteur
$\sF\mapsto\Gamma\sF$ est un foncteur exact \'a gauche de la catégorie des
faisceaux abéliens sur $\cS$ dans la catégorie des groupes abéliens, ou
note $\h^i(X,-)$ ses dérivés (ou satellites). Ces groupes de cohomologie
représentent les obstructions à passer du local au global. Par définition, si
$0\to\sF\to\sG\to\sH\to 0$ est une suite exacte de faisceaux abéliens, on a une
suite exacte longue de cohomologie:
\[\xymatrix{
0 \ar[r]
& \h^0(X,\sF) \ar[r]
& \h^0(X,\sG) \ar[r]
& \h^0(X,\sH) \ar[r]
& \h^1(X,\sF) \ar[r]
& \cdots \\
\ldots \ar[r]
& \h^n(X,\sF) \ar[r]
& \h^n(X,\sG) \ar[r]
& \h^n(X,\sH) \ar[r]
& \h^{n+1}(X,\sF) \ar[r]
& \cdots
}\]
\subsubsection{}\label{I:1-6-6}
Étant donné un faisceau abélien $\sF$ sur $\cS$, on appelle
\emph{$\sF$-torseur} un faisceau $\sG$ muni d'une action $\sF\times\sG\to\sG$
de $\sF$ telle que localement (après restriction à tous les objets d'un
crible couvrant l'objet final $X$) $\sG$ muni de l'action de $\sF$ soit
isomorphe à $\sF$ muni de l'action canonique $\sF\times \sF\to \sF$ par
translations.
On peut montrer que $\h^1(X,\sF)$ s'interprète comme l'ensemble des classes
à isomorphisme près de $\sF$-torseurs.
\section{Topologie étale}\label{I:2}
On spécialise les définitions du chapitre précédent au cas de la
topologie étale d'un schéma $X$ (\ref{I:2-1}, \ref{I:2-2}, \ref{I:2-3}). La
cohomologie correspondante coïncide dans le cas où $X$ est le spectre d'un
corps $K$ avec la cohomologie galoisienne de $K$ (\ref{I:2-4}).
\subsection{Topologie étale}\label{I:2-1}
Nous commencerons par quelques rappels sur la notion de morphisme étale.
\begin{definition}\label{I:2-1-1}
Soit $A$ un anneau (commutatif). On dit qu'une $A$-algèbre $B$ est étale si
$B$ est une $A$-algèbre de présentation finie et si les conditions
équivalentes suivantes sont vérifiées:
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item Pour toute $A$-algèbre $C$ et pour tout idéal de carré nul $J$ de
$C$, l'application canonique
\[
\hom_{A\textnormal{-alg}}(B,C) \to \hom_{A\textnormal{-alg}}(B,C/J)
\]
est une bijection.
\item $B$ est un $A$-module plat et $\Omega_{B/A}=0$ (on note $\Omega_{B/A}$
le module des différentielles relatives).
\item Soit $B=A[X_1,\dotsc,X_n]/I$ une présentation de $B$. Alors pour tout
idéal premier $\fp$ de $A[X_1,\dotsc,X_n]$ contenant $I$, il existe des
polynômes $P_1,\dotsc,P_n\in I$ tels que $I_\fp$ soit engendré par les
images de $P_1,\dotsc,P_n$ et $\det(\partial P_i/\partial X_j)\notin \fp$.
\end{enumerate}
\end{definition}
(cf. \cite[I]{sga1} ou \cite[V]{ra70})
%[cf. SGA I, exposé I ou M. {\sc Raynoud}, \emph{Anneaux Locaux Henséliens}, chapitre V].
On dit qu'un morphisme de schémas $f:X\to S$ est \emph{étale} si pour tout
$x\in X$ il existe un voisinage ouvert affine $U=\spec(A)$ de $f(x)$ et un
voisinage ouvert affine $V=\spec(B)$ de $x$ dans $X\times_S U$ tel que $B$ soit
une $A$-algèbre étale.
\subsubsection{Exemples}\label{I:2-1-2}
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item Si $A$ est un corps, une $A$-algèbre $B$ est étale si et seulement
si c'est un produit fini d'extensions séparables de $A$.
\item Si $X$ et $S$ sont des schémas de type fini sur $\dC$, un morphisme
$f:X\to S$ est étale si et seulement si son analyticité
$f^{\text{an}}:X^{\text{an}}\to Y^{\text{an}}$ est un isomorphisme local.
\end{enumerate}
\subsubsection{Sorite}\label{I:2-1-3}
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item (changement de base) Si $f:X\to S$ est un morphisme étale, il en est
de même de $f_{S'}:X\times_S S'\to S'$ pour tout morphisme $S'\to S$.
\item Si $f:X\to S$ et $g:Y\to S$ sont deux morphismes étales, tout
$S$-morphisme de $X$ dans $Y$ est étale.
\item (descente) Soit $f:X\to S$ un morphisme. S'il existe un morphisme
fidèlement plat $S'\to S$, tel que $f_{S'}:X\times_S S'\to S'$ soit
étale, alors $f$ est étale.
\end{enumerate}
\subsubsection{}\label{I:2-1-4}
Soit $X$ un schéma. Soit $\cS$ la catégorie des $X$-schémas étales;
d'après (\ref{I:2-1-3}.c) tout morphisme de $\cS$ est un morphisme étale.
On appelle \emph{topologie étale} sur $\cS$ la topologie pour laquelle un
crible sur $U$ est couvrant s'il est engendré par une famille finie de
morphismes $\varphi_i:U_i\to U$ tels que la réunion des images des
$\varphi_i$ recouvre $U$. On appelle \emph{site étale} de $X$, et note
$\et X$, le site défini par $\cS$ de la topologie étale.
\subsection{Exemples de faisceaux}\label{I:2-2}
\subsubsection{Faisceau constant}\label{I:2-2-1}
Soit $C$ un groupe abélien et supposons pour simplifier $X$ noethérien. On
notera $\const C_X$ (ou même $C$ s'il n'y a pas d'ambiguïté) le faisceau
défini par $U\mapsto C^{\pi_0(U)}$, où $\pi_0(U)$ est l'ensemble (fini) des
composantes connexes de $U$. Le cas le plus important sera $C=\dZ/n$. On a donc
par définition
\[
\h^0(X,\dZ/n)=\left(\dZ/n\right)^{\pi_0(X)}\text{.}
\]
De plus $\h^1(X,\dZ/n)$ est l'ensemble des classes d'isomorphisme de
$\dZ/n$-torseurs (\ref{I:1-6-6}), autrement dit de revêtements étales
galoisiens de $X$ de groupe $\dZ/n$. En particulier, si $X$ est connexe et si
$\pi_1(X)$ est son groupe fondamental pour un pointe bas choisi, on a
\[
\h^1(X,\dZ/n) = \hom(\pi_1(X),\dZ/n)\text{.}
\]
\subsubsection{Groupe multiplicatif}\label{I:2-2-2}
On notera $\dG_{m,X}$ (ou $\dG_m$ s'il n'y a pas d'ambiguïté) le faisceau
défini par $U\mapsto \Gamma(U,\sO_U^\times)$; il s'agit bien d'un faisceau
grâce au théorème de descente fidèlement plate (\ref{I:1-4-5}). On a
par définition
\[
\h^0(X,\dG_m) = \h^0(X,\sO_X)^\times\text{;}
\]
en particulier si $X$ est réduit, connexe et propre sur un corps
algébriquement clos $k$, on a:
\[
\h^0(X,\dG_m) = k^\times\text{.}
\]
\begin{proposition}\label{I:2-2-3}
On a un isomorphisme:
\[
\h^1(X,\dG_m) = \pic(X)\text{,}
\]
où $\pic(X)$ est le groupe des classes de faisceaux inversibles sur $X$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Soit $*$ le foncteur qui, à un faisceau inversible $\sL$ sur $X$, associe le
préfaisceau $\sL^*$ suivant sur $\et X$: pour $\varphi:U\to X$ étale,
\[
\sL^*(U)=\operatorname{Isom}_U(\sO_U,\varphi^*\sL)\text{.}
\]
% the original references here are just to (4.2) and (4.5), but the context
% makes it seem that they refer to the results in chapter 1. Likewise a little
% later
D'après (\ref{I:1-4-2}.i) et (\ref{I:1-4-5}) (pleine fidélité), ce
préfaisceau est un faisceau; c'est même un $\dG_m$-torseur. On vérifie
aussitôt que
\begin{enumerate}[\indent a)]
\item le foncteur $*$ est compatible à la localisation (étale);
\item il induit une équivalence de la catégorie des faisceaux
inversibles triviaux (i.e. à $\sO_X$) avec la catégorie des
$\dG_m$-torseurs triviaux: $\sL$ est trivial si et seulement si $\sL^*$
l'est.
\end{enumerate}
De plus, d'après (\ref{I:1-4-2}.ii) et (\ref{I:1-4-5}),
\begin{enumerate}[\indent a)]
\setcounter{enumi}{2}
\item la notion de faisceau inversible est locale pour la topologie étale.
\end{enumerate}
Il résulte formellement de a), b), c) que $*$ est une équivalence entre la
catégorie des faisceaux inversibles sur $X$ est celle des $\dG_m$-torseurs
sur $\et X$; elle induit l'isomorphisme cherché. On construit comme suit
l'équivalence inverse: si $\sT$ est un $\dG_m$-torseur, il existe un
recouvrement étale fini $\{U_i\}$ de $X$ tel que les torseurs $\sT/U_i$ soient
triviaux; $\sT$ est alors trivial sur chaque $V$ étale sur $X$ appartenant au
crible $\cU\subset \et X$ engendré par $\{U_i\}$. Sur chaque
$V\in\cU$, $\sT|V$ correspond à un faisceau inversible $\sL_V$ (par b)) et les
$\sL_V$ constituent un faisceau inversible donné $\cU$-localement $\sL_\cU$
(par a)). Par c), ce dernier provient d'un faisceau inversible $\sL(\sT)$ sur
$X$, et $\sT\mapsto \sL(\sT)$ est l'inverse cherché de $*$.
\end{proof}
\subsubsection{Racines de l'unité}\label{I:2-2-4}
Pour tout entier $n>0$, on appelle faisceau des racines $n$-ièmes de
l'unité, et on note $\dmu_n$, le noyau de l'élévation à puissance
$n$-iéme dans $\dG_m$. Si $X$ est un schéma sur un corps séparablement
clos $k$ et si $n$ est inversible dans $k$, le choix d'une racine primitive
$n$-ième de l'unité $\zeta\in k$ définit un isomorphisme
$i\mapsto \zeta^i$ de $\dZ/n$ avec $\dmu_n$.
La relation entre cohomologie à coefficients dans $\dmu_m$ et cohomologie à
coefficients dans $\dG_m$ est donnée par la suite exacte de cohomologie déduite
de la
\begin{theorem}[Théorie de Kummer]\label{I:2-2-5}
Si $n$ est inversible sur $X$, l'élévation à la puissance $n$-ième dans
$\dG_m$ est un épimorphisme de faisceaux. On a donc une suite exacte
\[
0 \to \dmu_n \to \dG_m \to \dG_m \to 0\text{.}
\]
\end{theorem}
\begin{proof}
Soient $U\to X$ un morphisme étale et $a\in \dG_m(U) =\Gamma(U,\sO_U^\times)$.
Puisque $n$ est inversible sur $U$, l'équation $T^n-a = 0$ est séparable;
autrement dit $U'=\spec\left(\sO_U[T]/(T^n-a)\right)$ est étale su-dessus de
$U$. Par ailleurs $U'\to U$ est surjectif et a admet une racine $n$-ième sur
$U'$, d'où résultat.
\end{proof}
\subsection{Fibres, images directes}\label{I:2-3}
\subsubsection{}\label{I:2-3-1}
On appelle \emph{pointe géométrique} de $X$ un morphisme $\bar x\to X$, où
$\bar x$ est le spectre d'un corps séparablement clos $k(\bar x)$. On le notera
abusivement $\bar x$, sous-entendent le morphisme $\bar x\to X$. Si $x$ est
l'image de $\bar x$ dans $X$, on dit que $\bar x$ est centré en $x$. Si le
corps $k(\bar x)$ est une extension algébrique du corps résiduel $k(x)$, on dit
que $\bar x$ est un point géométrique \emph{algébrique} de $X$.
On appelle \emph{voisinage étale} de $\bar x$ un diagramme commutatif
\[\xymatrix{
& U \ar[d] \\
\bar x \ar[ur] \ar[r]
& X\text{,}
}\]
où $U\to X$ est un morphisme étale.
Le \emph{localisé stricte} de $X$ en $\bar x$ est l'anneau
$\sO_{X,\bar x} = \varinjlim \Gamma(U,\sO_U)$, la limite inductive étant sur les
voisinages étales de $\bar x$. C'est un anneau local strictement hensélien dont
le corps résiduel est la clôture séparable du corps résiduel $k(x)$ de $X$ en
$x$ dans $k(\bar x)$. Il joue le rôle d'anneau local pour la topologie étale.
\subsubsection{}\label{I:2-3-2}
Étant donné un faisceau $\sF$ sur $\et X$, on appelle \emph{fibre} de $\sF$ en
$\bar x$ l'ensemble (resp. le groupe,\dots) $\sF_{\bar x}=\varinjlim \sF(U)$,
la limite inductive étant toujours prise sur les voisinages étales de $X$.
Pour qu'un homomorphisme de faisceaux $\sF\to \sG$ soit un
mono-/epi-/isomorphisme il faut et il suffit qu'il en soit ainsi des morphismes
$\sF_{\bar x}\to \sG_{\bar x}$ induit sur les fibres et tout point géométrique
de $X$. Si $X$ est de type fini sur un corps algébriquement clos, il suffit
qu'il en soit ainsi en les points rationnelles de $X$.
\subsubsection{}\label{I:2-3-3}
Si $f:X\to Y$ est un morphisme de schémas et $\sF$ un faisceau sur $\et X$,
l'\emph{image directe} $f_* \sF$ de $\sF$ par $f$ est le faisceau sur $\et Y$
défini par $f_* \sF(V) = \sF(X\times_Y V)$ pour tout $V$ étale sur $Y$. Le foncteur
$f_*:\sh(\et X)\to \sh(\et Y)$ est exact à gauche. Ses foncteurs
dérivés à droite $\eR^q f_*$ s'appellent images directes supérieures. Si
$\bar y$ est un point géométrique de $Y$, on a
\[
(\eR^q f_* \sF)_{\bar y} = \varinjlim \h^q(V\times_Y X,\sF)\text{,}
\]
limite inductive prise sur les voisinages étales $V$ de $\bar y$.
Soient $\sO_{Y,\bar y}$ le localisé stricte de $Y$ en $\bar y$,
$\widetilde Y=\spec(\sO_{Y,\bar y})$ et $\widetilde X=X\times_Y \widetilde Y$.
On peut étendre $\sF$ à $\et{\widetilde X}$ (c'est un cas particulier de la
notion générale d'image réciproque) de la manière suivante: soit
$\widetilde U$ un schéma étale sur $\widetilde X$, alors il existe un
voisinage étale $V$ de $\bar y$ et un schéma étale $U$ sur $X\times_Y V$ tel
que $\widetilde U=U\times_V \widetilde Y$; on posera
\[
\sF(\widetilde U)=\varinjlim \sF\left(U\times_V V'\right)\text{,}
\]
le limite inductive étant prise sur les voisinages étales $V'$ de $\bar y$ qui
dominent $V$. Avec cette définition, on a
\[
\left(\eR^q f_* \sF\right)_{\bar y} = \h^q(\widetilde X,\sF)\text{.}
\]
Le foncteur $f_*$ a un adjoint à gauche $f^*$, le foncteur ``image
réciproque.'' Si $\bar x$ est un point géométrique de $X$ et $f(\bar x)$ son
image dans $Y$, on a $(f^* \sF)_{\bar x} = \sF_{f(\bar x)}$. Cette formule montre
que $f^*$ est un foncteur exact. Le foncteur $f_*$ transforme donc faisceau
injectif en faisceau injectif, et la suite spectrale du foncteur compose
$\Gamma\circ f_*$ (resp. $g_* f_*$) fournit la
\begin{theorem}[Suite spectrale de Leray]\label{I:2-3-4}
Soient $\sF$ un faisceau abélien sur $\et X$ et $f:X\to Y$ un morphisme de
schémas (resp. des morphismes de schémas $X\xrightarrow f Y \xrightarrow g Z$).
On a une suite spectrale
\begin{align*}
E_2^{pq} &= \h^p(Y,\eR^q f_* \sF) \Rightarrow \h^{p+q}(X,\sF) \\
\text{(resp.}\qquad E_2^{pq} &= \eR^p g_* \eR^q f_* \sF \Rightarrow \eR^{p+q}(gf)_* \sF\text{).}
\end{align*}
\end{theorem}
\begin{corollary}\label{I:2-3-5}
Si $\eR^q f_* \sF=0$ pour tout $q>0$, on a $\h^p(Y,f_* \sF)=\h^p(X,\sF)$ (resp.
$\eR^p g_*(\sF_* \sF) = \eR^p(g f)_* \sF$) pour tout $p\geqslant 0$.
\end{corollary}
Cela s'applique en particulier dans le cas suivant:
\begin{proposition}\label{I:2-3-6}
Soit $f:X\to Y$ un morphisme fini (voire, par passage à la limite, un