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En [[géométrie algébrique]], un '''ensemble algébrique''' est l'ensemble des solutions d'un système d'équations polynomiales à plusieurs variables. Ce sont les points d'une [[variété algébrique]] [[variété algébrique affine|affine]] ou [[variété projective|projective]]. Ils servent de support intuitif à la géométrie algébrique.

== Ensembles algébriques affines ==

Dans cette section <math>k</math> désignera un [[corps algébriquement clos]] (par exemple ℂ), <math>n</math> un entier supérieur ou égal à un. On considère l'espace affine de dimension <math>n</math> sur <math>k</math>, c’est-à-dire l'ensemble <math>k^n</math> (dépourvu de structure algébrique).

'''Définition.''' Soit <math>S</math> une partie de l'[[Polynôme en plusieurs indéterminées|anneau des polynômes]] <math>k[X_1,\ldots,X_n]</math>, on appelle '''ensemble algébrique associé à S''' et on note <math>Z(S)</math> le sous-ensemble de <math>k^n</math> suivant :

{{Centrer|<math>Z(S)=\{(x_1,\ldots,x_n)\in k^n \mid \forall f\in S,\ f(x_1,\ldots,x_n)=0\}</math>}}

c’est-à-dire le lieu d'annulation commun à tous les éléments de <math>S</math>.

'''Exemples''' :
# Dans le plan affine <math>k^2</math>, le lieu d'annulation d'un polynôme à deux variables non nul est un ensemble algébrique affine appelé '''courbe plane''' et le [[Construction de l'anneau des polynômes|degré]] du polynôme est appelé '''degré''' de la courbe. Les droites sont les ensembles algébriques de degré 1, les [[conique]]s ceux de degré 2, les [[courbe cubique|cubiques]] ceux de degré 3 et ainsi de suite.
# Dans l'espace affine <math>k^3</math> le lieu d'annulation d'un polynôme à trois variables non nul est un ensemble algébrique affine qui est une '''surface algébrique '''. Tout comme pour les courbes on définit le degré d'une surface, les plans étant de degré 1, les [[quadrique]]s  de degré 2 etc.
# Dans un [[espace affine]], tout ensemble fini de points est un ensemble algébrique affine.

'''Remarques''' 
*Si <math>I</math> est l'[[idéal]] de <math>k[X_1,\ldots,X_n]</math> engendré par S, alors <math>Z(I)=Z(S)</math>. En particulier, comme <math>k[X_1,\ldots,X_n]</math> est [[anneau noethérien|noethérien]], <math>I</math> est engendré par une partie finie <math>S'</math>. Il suit que <math>Z(S)=Z(S')</math>. Autrement dit, un ensemble algébrique est toujours le lieu d'annulation commun aux éléments d''''un idéal''' et aussi le lieu d'annulation commun à un '''nombre fini''' de polynômes. 
* Étant donné un ensemble algébrique <math>E=Z(I)\subset k^n</math>, on peut retourner dans les idéaux de <math>k[X_1,\ldots,X_n]</math> en posant ''I(E)'' égal à l'ensemble des polynômes s'annulant sur ''E''. L'idéal ''I(E)'' est alors [[idéal radiciel|radiciel]]. Par exemple pour ''k''=ℂ, l'ensemble algébrique des zéros de ''X''² est réduit au point 0 et l'idéal ''I(X²=0)'' est bien égal à son radical, à savoir l'idéal engendré par ''X'' . En revanche l'idéal engendré par le polynôme ''X''² n'est pas radiciel car il ne contient pas ''X''.  
* Les éléments de l'[[anneau quotient]] <math>k[X_1,\ldots,X_n]/I(E)</math> s'identifient alors aux restrictions à ''E'' des applications polynomiales de <math>k^n</math> vers ''k''. On les appelle les '''fonctions régulières''' sur l'ensemble algébrique ''E''. Par le [[lemme de normalisation de Noether]], les fonctions régulières sont aussi des '''[[fonction algébrique|fonctions algébriques]]'''. 
* Comme ''k'' est algébriquement clos, le [[théorème des zéros de Hilbert]] affirme que la fonction ''I'' est une bijection entre les ensembles algébriques de <math>k^n</math> et les [[idéal radiciel|idéaux radiciels]] de <math>k[X_1,\ldots,X_n]</math>. Plus précisément, <math>I(Z(J))</math> est le [[radical d'un idéal|radical]] de ''J''. Les points d'un ensemble algébrique ''E'' correspondent aux [[idéal maximal|idéaux maximaux]] de <math>k[X_1,\ldots,X_n]/I(E)</math>.
* Un ensemble algébrique ''E'' est dit '''irréductible''' si ''I(E)'' est un idéal premier.

'''Propriétés''':  
#<math>Z(\{0\})=k^n</math>,  
#<math>Z(\{ 1 \})</math> est vide; 
#<math> Z(I) \cup Z(J)=Z(I\cap J)</math>;
#L'intersection d'une famille d'ensembles algébriques  <math>Z(I_{\lambda})</math> est égale à <math>Z(I)</math>, où <math>I</math> est l'idéal engendré par <math>\cup_{\lambda} I_{\lambda}</math>, c'est-à-dire la [[somme d'idéaux|somme]] des <math>I_{\lambda}</math>.

== Ensembles algébriques projectifs ==

La géométrie algébrique projective est un cadre plus confortable que la géométrie affine. La projectivité est une propriété analogue à la [[compacité (mathématiques)|compacité]] topologique. Le [[théorème de Bézout]] n'est vrai que pour des variétés projectives.

'''Cadre.''' Dans cette partie <math>\mathbb P^n(k)</math> désigne l'[[espace projectif]] de dimension ''n'' sur ''k'', c'est-à-dire l'ensemble <math>k^{n+1} \setminus  \{0\}/ R</math>, où <math>R</math> est la [[relation d'équivalence]] (relation de colinéarité) identifiant deux points ''x'' et ''y'' si et seulement si ''x'' et ''y'' sont sur la même [[droite vectorielle]]. L'espace projectif de dimension ''n'' s'identifie donc à l'ensemble des droites vectorielles d'un ''k''-espace vectoriel de dimension ''n''+1. La classe dans <math>\mathbb P^n(k)</math> d'un point <math>(x_0,\ldots,x_n)</math> est notée <math>(x_0:\ldots:x_n)</math>. Les <math>x_i</math> sont les '''[[coordonnées homogènes]]''' du point <math>(x_0:\ldots:x_n)</math>.

'''Définition.''' Soit S un ensemble de [[Polynôme en plusieurs indéterminées#Polyn.C3.B4mes homog.C3.A8nes|polynômes homogènes]] de l'anneau <math>k[X_0,\dots,X_n]</math>. On appelle '''ensemble algébrique (projectif) associé à S''', et on note par <math>Z_+(S)</math>, le sous-ensemble suivant de <math>\mathbb P^n(k)</math>:

{{Centrer|<math>Z_+(S)=\{(x_0:\ldots:x_n)\in \mathbb P^n(k) \mid \forall f \in S,\ f(x_0,\dots,x_n)=0\}.</math>}}

Remarquons que l'annulation du polynôme ''f'' en un point <math>(x_0,\ldots,x_n)\ne  0</math> ne dépend que de la classe <math>(x_0:\ldots:x_n)</math> de celui-ci modulo la relation <math>R</math> car ''f'' est homogène. L'ensemble <math>Z_+(S)</math> est donc [[bien défini]]. L'indice + sert à distinguer les zéros homogènes des zéros affines.

Si ''I'' est un [[Algèbre graduée|idéal homogène]] de <math>k[X_0,\dots,X_n]</math>, on note <math>Z_+(I)</math> l'ensemble <math>Z_+</math> associé à l'ensemble des polynômes homogènes de ''I''.

'''Exemple''' Soit <math>F(X_0, X_1, X_2)</math> un polynôme homogène à deux variables, non nul, de degré ''d''. L'ensemble algébrique projectif <math>Z_+(F)</math> du plan projectif <math>P^2(k)</math>  est appelé une '''courbe projective plane''', de degré ''d''. Le polynôme <math>X_0^n+X_1^n-X_2^n</math> (où <math>n</math> est un [[entier naturel]]) définit une courbe projective plane dont les points sont les solutions homogènes d'une équation de Fermat.

'''Remarque.'''

* Si ''I'' est l'[[Algèbre graduée|idéal (homogène)]] de <math>k[X_0,\dots,X_n]</math> engendré par ''S'', alors <math>Z_+(I)=Z_+(S)</math>. Comme ''I'' est engendré par un nombre fini de polynômes homogènes, un ensemble algébrique projectif peut toujours être défini par un '''nombre fini''' de polynômes homogènes. 
* Tout comme dans le cas des ensembles algébriques affines, il existe un [[théorème des zéros de Hilbert]] projectif qui établit une correspondance bijective entre les ensembles algébriques projectifs dans <math>\mathbb P^n(k)</math> et les idéaux homogènes radiciels distincts de l'idéal <math>(X_0,\dots,X_n)</math> engendré par <math>X_0,\ldots,X_n</math>. Un point de l'espace projectif correspond à un idéal premier homogène, maximal parmi ceux strictement contenus dans  <math>(X_0,\dots,X_n)</math>. À un point de coordonnées homogènes <math>(x_0 : \dots : x_n)</math> , on associe l'idéal engendré par les <math>x_iX_j-x_jX_i</math>, pour ''i'' et ''j'' variant entre 0 et ''n''.

'''Propriétés''':  
#<math>Z_+(\{0\})=\mathbb P^n(k)</math>, 
#<math>Z_+(\{ 1 \})</math> est vide; 
#<math> Z_+(I) \cup Z_+(J)=Z_+(I\cap J)</math>;
#L'intersection d'une famille d'ensembles algébriques projectifs <math>Z_+(I_{\lambda})</math> est égale à <math>Z_+(I)</math>, où <math>I</math> est la somme des idéaux <math>I_{\lambda}</math> (il est encore homogène).

== Topologie de Zariski ==

L'espace affine ''k''<sup>''n''</sup> (resp. projectif <math>\mathbb P^n(k)</math>) est muni d'une [[espace topologique|topologie]] dite de Zariski. Les parties [[Fermé (topologie)|fermées]] pour cette topologie sont les ensembles algébriques dans ''k''<sup>''n''</sup> (resp. ensembles algébriques projectifs dans <math>\mathbb P^n(k)</math>).

'''Exemple''' :  la topologie de Zariski de la droite affine ''k'' est la [[topologie cofinie]].

La topologie de Zariski sur un ensemble algébrique (resp. ensemble algébrique projectif) est par définition la [[topologie induite]] par celle de l'espace affine (resp. projectif) qui le contient. La topologie de Zariski dans le cas affine est analogue à la topologie de Zariski dans le [[Spectre d'anneau#Topologie de Zariski|spectre premier d'un anneau]].

Les parties ouvertes remarquables de l'espace affine (resp. projectif) sont les '''ouverts principaux''' <math>D(f)</math> (resp. <math>D_+(f)</math>), c'est-à-dire le complémentaire de <math>Z(\{ f\})</math> (resp. <math>Z_+(\{ f \})</math>).  La restriction d'un ouvert principal à un ensemble algébrique est appelée ouvert principal de l'ensemble algébrique. Les ouverts principaux forment une [[base (topologie)|base de topologie]].

Un [[ouvert (topologie)|sous-ensemble ouvert]] d'un ensemble algébrique affine (resp. projectif) est appelé '''quasi-affine''' (resp. '''quasi-projectif''').

L'espace affine <math>k^n</math> est quasi-projectif car il s'identifie à l'ouvert <math>\mathbb P^n(k) \setminus Z_+(X_0)</math>  de <math>\mathbb P^n(k) </math> par l'application <math>(x_1, \ldots, x_n)\to (1: x_1: \ldots: x_n)</math>. On vérifie que cette application induit un [[homéomorphisme]] de l'espace affine sur son image. Il suit que tout ensemble algébrique quasi-affine est quasi-projectif.

La topologie de Zariski est apparemment assez pauvre (peu d'ouverts, deux points ne sont en général pas séparés par des voisinages ouverts disjoints), mais elle est suffisante pour beaucoup de propos.

'''Relations entre ensembles algébriques affines et ensembles algébriques projectifs''' : 
Un ensemble algébrique projectif ''Z'' est une réunion finie d'ouverts (pour sa topologie de Zariski) qui sont des ensembles algébriques affines. En effet, ''Z'' est défini par l'annulation de polynômes homogènes à ''n''+1 variables. Notons <math>Z_i</math> l'ensemble des <math>(x_0 : ... : x_n)\in Z</math> tels que <math>x_i</math> soit non nul. Alors <math>Z_i=Z \setminus  (Z\cap Z_+(x_i))</math> est ouvert dans <math>Z</math> ; les <math>Z_i</math> recouvrent <math>Z</math> ; il reste à voir que <math>Z_i</math> est un ensemble algébrique affine. Si <math>Z=Z_+(S)</math>, et si <math>S_i</math> est l'ensemble des polynômes <math>F(x_0,...,x_{i-1}, 1, x_{i+1},...,x_n)</math> quand les <math>F</math> parcourent les polynômes homogènes dans <math>S</math>, alors on voit facilement que <math>Z_i</math> est l'ensemble algébrique <math>Z(S_i)</math> dans <math>k^n</math>.

== Cas d'un corps de base quelconque ==

Si le corps de base ''k'' n'est pas algébriquement clos, un ensemble algébrique<ref>{{EncycloMath|id=Affine_algebraic_set&oldid=19571|titre=Affine algebraic set}}</ref> sur ''k'' est un ensemble algébrique dans une [[clôture algébrique]] {{surligner|''k''}} de ''k'', défini par des polynômes à coefficients dans ''k''. Par exemple, l'ensemble des couples (a, b)∊{{surligner|ℚ}}{{2}} tels que ''a''{{2}}+''b''{{3}}–1=0 est un ensemble algébrique sur ℚ. En revanche, la relation ''a''{{2}}+''b''{{3}}–{{racine|2}}=0 ne définit pas, tel quel, un ensemble algébrique sur ℚ.

== Notes et références== 
{{Références}} 
* {{Hartshorne1}}, chap. I
* {{Perrin2}}

==Article connexe== 
[[Courbe algébrique réelle plane]]

{{Portail|géométrie|algèbre}}

[[Catégorie:Géométrie algébrique]]