Calcul de Schubert

En mathématiques, et plus précisément en géométrie algébrique, le calcul de Schubert est une technique introduite à la fin du XIX^e siècle par Hermann Schubert pour résoudre des problèmes de dénombrement en géométrie projective. C'est un précurseur de plusieurs théories plus modernes, comme celle des classes caractéristiques, et ses aspects algorithmiques font toujours l'objet de recherches ; la systématisation et la justification de ce calcul est l'objet du quinzième problème de Hilbert.

Construction

Une construction moderne du calcul de Schubert associe à la grassmannienne $G (k, V)$ (la variété algébrique des sous-espaces vectoriels de dimension k d'un espace vectoriel V de dimension n, appelés k-plans dans la suite de cet article) son anneau de Chow (en), et décrit ce dernier par un ensemble de générateurs ayant une signification géométrique. Pour un drapeau complet $𝒱 = (V_{1}, V_{2}, \dots, V_{n})$ avec $0 \subset V_{1} \subset \dots \subset V_{n - 1} \subset V_{n} = V$ et un $k$ -uple d'entiers $𝐚 = (a_{1}, \dots, a_{k})$ avec $n - k \geq a_{1} \geq a_{2} \geq \dots \geq a_{k} \geq 0$ , on définit l'ensemble des cycles de Schubert (appelés également cellules de Schubert lorsqu'on s'intéresse à l'homologie cellulaire plutôt qu'à l'anneau de Chow) $Σ_{𝐚} (𝒱) \subset G (k, V)$ par :

$Σ_{𝐚} (𝒱) = {Λ \in G (k, V) : \dim (V_{n - k + i - a_{i}} \cap Λ) \geq i pour tout i \geq 1}$

Les classes $[Σ_{𝕒} (𝒱)] \in A^{*} (G (k, V))$ ne dépendant pas du drapeau, on peut les écrire $σ_{𝕒} := [Σ_{𝕒}] \in A^{*} (G (k, V))$ ; on les appelle les classes de Schubert. On démontre que ces classes engendrent l'anneau de Chow, et, dans cette présentation, c'est la théorie de l'intersection associée qu'on appelle le calcul de Schubert. Pour une suite donnée $𝕒 = (a_{1}, \dots, a_{j}, 0, \dots, 0)$ , la classe de Schubert $σ_{(a_{1}, \dots, a_{j}, 0, \dots, 0)}$ est simplement notée $σ_{(a_{1}, \dots, a_{j})}$ (ou même $σ_{a_{1}, \dots, a_{j}}$ ). Les classes correspondant à un seul entier, $σ_{a_{1}}$ , sont appelées des classes spéciales. La formule de Giambeli ci-dessous montre que toutes les classes de Schubert sont engendrées par les classes spéciales.

Motivation de la définition

L'explication des contraintes numériques de la définition vient de ce qu'un $k$ -plan $Λ \subset V$ générique sera d'intersection nulle avec les $V_{i}$ pour $i \leq n - k$ et que $\dim (V_{n - k + i} \cap Λ)$ vaudra $i$ pour $i > n - k$ , d'après la formule de Grassmann.

Propriétés

Inclusion

L'ordre partiel défini sur les $k$ -uples par $𝕒 \geq 𝕓 ⟺$ $a_{i} \geq b_{i}$ pour tout $i$ définit l'inclusion des cycles de Schubert : $Σ_{𝕒} \subset Σ_{𝕓} ⟺ 𝕒 \geq 𝕓$ .

Formule de la codimension

On définit la codimension d'un cycle de Schubert $Σ_{𝕒}$ (ou de la classe de Schubert associée $σ_{𝕒}$ ) par la formule $c o d i m (Σ_{𝕒}) = \sum a_{i}$ , laquelle est stable pour l'inclusion des grassmanniennes, c'est-à-dire que l'application $i : G (k, n) ↪ G (k + 1, n + 1)$ définie en ajoutant à chaque $k$ -plan le vecteur supplémentaire $e_{n + 1}$ (obtenant un $(k + 1)$ -plan) vérifie $c o d i m (i (Σ_{𝕒})) = c o d i m (Σ_{𝕒})$ (en appliquant $i$ à chaque élément de $Σ_{𝕒}$ ). L'inclusion ordinaire $j : G (k, n) ↪ G (k, n + 1)$ vérifie la même propriété.

Produit d'intersection

La loi multiplicative de l'anneau de Chow, appelée produit d'intersection (en), est une loi de composition sur les classes de Schubert. Ce produit fut d'abord construit à l'aide des formules de Pieri et de Giambelli (en) (lesquelles sont des cas particuliers de formules analogues pour les classes de Chern, telle que la formule de Thom-Porteous (en)).

Formule de Pieri

La formule de Pieri exprime le produit de la classe spéciale $σ_{b}$ par une classe de Schubert arbitraire $σ_{a_{1}, \dots, a_{k}}$ comme la somme

σ_{b} \cdot σ_{a_{1}, \dots, a_{k}} = \sum_{\begin{matrix} | 𝕔 | = | 𝕒 | + b \\ a_{i} \leq c_{i} \leq a_{i - 1} \end{matrix}} σ_{𝕔}

où, si $𝕒 = (a_{1}, \dots, a_{k})$ , on note $| 𝕒 | = a_{1} + \dots + a_{k}$ et idem pour $𝕔$ . Par exemple :

σ_{2} \cdot σ_{2} = σ_{2}^{2} = σ_{2, 2} + σ_{3, 1} + σ_{4, 0}

;

σ_{1} \cdot σ_{4, 2, 1} = σ_{5, 2, 1} + σ_{4, 3, 1} + σ_{4, 2, 1, 1}

;

σ_{2} \cdot σ_{4, 3} = σ_{4, 3, 2} + σ_{4, 4, 1} + σ_{5, 3, 1} + σ_{5, 4} + σ_{6, 3}

.

Formule de Giambelli

Le calcul du produit pour des classes quelconques se fait en remplaçant la classe $σ_{a_{1}, \dots, a_{k}}$ par un déterminant (formel) d'une matrice $k \times k$ de classes spéciales :

σ_{a_{1}, \dots, a_{k}} = | \begin{matrix} σ_{a_{1}} & σ_{a_{1} + 1} & σ_{a_{1} + 2} & \dots & σ_{a_{1} + k - 1} \\ σ_{a_{2} - 1} & σ_{a_{2}} & σ_{a_{2} + 1} & \dots & σ_{a_{2} + k - 2} \\ σ_{a_{3} - 2} & σ_{a_{3} - 1} & σ_{a_{3}} & \dots & σ_{a_{3} + k - 3} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ σ_{a_{k} - k + 1} & σ_{a_{k} - k + 2} & σ_{a_{k} - k + 3} & \dots & σ_{a_{k}} \end{matrix} |

.

C'est la formule de Giambelli. Par exemple,

σ_{2, 2} = | \begin{matrix} σ_{2} & σ_{3} \\ σ_{1} & σ_{2} \end{matrix} | = σ_{2}^{2} - σ_{1} \cdot σ_{3}

et

σ_{2, 1, 1} = | \begin{matrix} σ_{2} & σ_{3} & σ_{4} \\ σ_{0} & σ_{1} & σ_{2} \\ 0 & σ_{0} & σ_{1} \end{matrix} |

.

Relation avec les classes de Chern

Une description simple de l'anneau de Chow (ou anneau de cohomologie) de la grassmannienne $G (k, n)$ est possible à l'aide des classes de Chern de deux fibrés vectoriels naturels $T$ et $Q$ au-dessus d'elle. On a la suite $0 \to T \to \underline{V} \to Q \to 0$ , où $\underline{V}$ est le fibré trivial de rang $n$ , la fibre de $T$ sur $Λ \in G (k, n)$ est le sous-espace $Λ \subset V$ , et $Q$ est le fibré quotient (qui existe puisque le rang est constant au-dessus de chaque fibre). Les classes de Chern correspondante sont $c_{i} (T) = (- 1)^{i} σ_{(1, \dots, 1)}$ (où $(1, \dots, 1)$ est un $i$ -uple) et $c_{i} (Q) = σ_{i}$ . On déduit de la séquence la présentation de l'anneau de Chow comme :

$A^{*} (G (k, n)) = \frac{ℤ [c_{1} (T), \dots, c_{k} (T), c_{1} (Q), \dots, c_{n - k} (Q)]}{(c (T) c (Q) - 1)}$ ^{[réf. souhaitée]}.

La grassmannienne G(2,4)

Un exemple classique d'utilisation du calcul de Schubert est l'analyse de la grassmannienne $G (2, 4)$ (qui fournit un paramétrage des droites de $ℙ^{3}$ ), permettant d'obtenir le nombre de droites d'une surface cubique.

Anneau de Chow

On a vu que l'anneau de Chow a la présentation

A^{*} (G (2, 4)) = \frac{ℤ [σ_{1}, σ_{1, 1}, σ_{2}]}{(1 - σ_{1} + σ_{1, 1}) (1 + σ_{1} + σ_{2})}

;

en tant que groupe abélien gradué, il est donné par

\begin{matrix} A^{0} (G (2, 4)) & = ℤ \cdot 1 \\ A^{2} (G (2, 4)) & = ℤ \cdot σ_{1} \\ A^{4} (G (2, 4)) & = ℤ \cdot σ_{2} \oplus ℤ \cdot σ_{1, 1} \\ A^{6} (G (2, 4)) & = ℤ \cdot σ_{2, 1} \\ A^{8} (G (2, 4)) & = ℤ \cdot σ_{2, 2} . \end{matrix}

Droites sur une surface cubique

L'anneau de Chow précédent peut être utilisé pour calculer le nombre de droites sur une surface cubique. Une droite de $ℙ^{3}$ correspond à un 2-plan de $𝔸^{4}$ , et donc $𝔾 (1, 3) ≅ G (2, 4)$ . L'équation d'une droite peut être vue comme une section de $Γ (𝔾 (1, 3), T^{*})$ . Comme une surface cubique $X$ est représentée par un polynôme homogène de degré 3 (générique), cela correspond à une section générique de $s \in Γ (𝔾 (1, 3), {Sym}^{3} (T^{*}))$ . Ainsi, une droite $L \subset ℙ^{3}$ est une sous-variété de $X$ si et seulement si la section s'annule sur $[L] \in 𝔾 (1, 3)$ . On peut donc intégrer la classe d'Euler de ${Sym}^{3} (T^{*})$ sur $𝔾 (1, 3)$ pour obtenir le nombre de points où la section générique s'annule sur $𝔾 (1, 3)$ . Pour déterminer la classe d'Euler, on doit calculer la classe de Chern totale de $T^{*}$ ; elle est donnée par $c (T^{*}) = 1 + σ_{1} + σ_{1, 1}$ . La factorisation usuelle (en) $c (T^{*}) = (1 + α) (1 + β) = 1 + α + β + α \cdot β$ , où $c (ℒ) = 1 + α$ et $c (ℳ) = 1 + β$ sont les classes des fibrés en droites $ℒ$ et $ℳ$ , donne les relations $σ_{1} = α + β$ et $σ_{1, 1} = α \cdot β$ .

Comme ${Sym}^{3} (T^{*})$ peut être vu comme somme directe de fibrés formels ${Sym}^{3} (T^{*}) = ℒ^{\otimes 3} \oplus (ℒ^{\otimes 2} \otimes ℳ) \oplus (ℒ \otimes ℳ^{\otimes 2}) \oplus ℳ^{\otimes 3}$ , ayant pour classe de Chern totale $c ({Sym}^{3} (T^{*})) = (1 + 3 α) (1 + 2 α + β) (1 + α + 2 β) (1 + 3 β)$ , on a

$\begin{matrix} c_{4} ({Sym}^{3} (T^{*})) & = 3 α (2 α + β) (α + 2 β) 3 β \\ = 9 α β (2 (α + β)^{2} + α β) \\ = 9 σ_{1, 1} (2 σ_{1}^{2} + σ_{1, 1}) \\ = 27 σ_{2, 2} \end{matrix}$

(en utilisant $σ_{1, 1} \cdot σ_{1}^{2} = σ_{2, 1} σ_{1} = σ_{2, 2}$ et $σ_{1, 1} \cdot σ_{1, 1} = σ_{2, 2}$ ).

L'intégrale est donc $\int_{𝔾 (1, 3)} 27 σ_{2, 2} = 27$ , puisque $σ_{2, 2}$ est la classe la plus haute. Ceci démontre qu'il y a $27$ droites (dans l'espace projectif complexe) sur une surface cubique générale (sans singularités).

Voir aussi

Références

↑ Eisenbud et Harris 2016, p. 132, section 4.1.
↑ (en) Sheldon Katz, Enumerative geometry and string theory, Providence (R.I.), American Mathematical Society, coll. « Student Mathematical Library – IAS/Park City Mathematical Subseries » (n^o 32), 2006, xiii + 206 p. (ISBN 0-8218-3687-0).
↑ Eisenbud et Harris 2016, p. 200, section 6.2.1.

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Schubert calculus » (voir la liste des auteurs).

Bibliographie

(en) Izzet Coskun, « Lectures in Poland », sur Université de l'Illinois à Chicago, 13 décembre 2013 (consulté le 15 juin 2026)
(en) David Eisenbud et Joe Harris, 3264 and All That : Intersection Theory in Algebraic Geometry, Cambridge University Press, 2016 (ISBN 9781139062046, DOI 10.1017/CBO9781139062046, lire en ligne)
(en) Phillip Griffiths et Joseph Harris, Principles of Algebraic Geometry, John Wiley & Sons, 1978, xiii + 813 p. (ISBN 9780471050599 et 9781118032527, DOI 10.1002/9781118032527), chapitre 1.5
(en) Steven Kleiman et Dan Laksov, « Schubert calculus », American Mathematical Monthly, vol. 79,‎ 1972, p. 1061-1082 (DOI 10.2307/2317421, lire en ligne)
(en) Steven L. Kleiman, « Rigorous foundations of Schubert's enumerative calculus », dans Felix E. Browder, Mathematical Developments Arising from Hilbert Problems, vol. 2, American Mathematical Society, coll. « Proceedings of Symposia in Pure Mathematics » (n^o XXVIII), 1976 (ISBN 0-8218-1428-1, MR 0429938), p. 445-482
(en) Felice Ronga, « Le calcul de Schubert selon Schubert », version 1, 2004.
(en) Frank Sottile, « Schubert calculus », dans Michiel Hazewinkel, Encyclopædia of Mathematics, Springer, 2002 (ISBN 978-1556080104, lire en ligne)

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[EisenbudHarris2016p._132,_section_4.1-1] Eisenbud et Harris 2016, p. 132, section 4.1.

[2] (en) Sheldon Katz, Enumerative geometry and string theory, Providence (R.I.), American Mathematical Society, coll. « Student Mathematical Library – IAS/Park City Mathematical Subseries » (n^o 32), 2006, xiii + 206 p. (ISBN 0-8218-3687-0).

[EisenbudHarris2016p._200,_section_6.2.1-3] Eisenbud et Harris 2016, p. 200, section 6.2.1.