1.4 G´ eom´ etrie, estimations de volumes et comptage
1.4.4 Comptage dans les boules et les couronnes
1.4.4.4 L’approche de Gorodnik-Nevo, de mani` ere formelle . 42
Les deux lemmes suivants sont une adaptation de Gorodnik-Nevo [GN10, Lemma 6.7, p. 79].
Lemme 1.4.38. Soit G un groupe localement compact, Γ un r´eseau de G. Soit µG une mesure de Haar sur G telle que la mesure µG/Γqui lui est associ´ee sur le quotient soit une mesure de probabilit´e. Soit En une suite de parties mesurables de G et soit U un ouvert sym´etrique de G, voisinage de e, dont les translat´es `a droite par Γ sont disjoints.
On consid`ere l’action de G sur G/Γ et on suppose que le th´eor`eme ergodique en probabilit´e vaut pour la suite de mesures (νn)n∈N d´efinie par
∀n ∈ N, νn:= 1En
µ(En). Pour tout ε > 0, il existe N tel que pour tout n ≥ N ,
(1 − ε)µ(En) ≤ |Γ ∩ U EnU |.
D´emonstration. Notons πG/Γ la repr´esentation de Koopman associ´ee `a l’action G y G/Γ. Soit U un ouvert sym´etrique de G dont les translat´es `a droite par Γ sont disjoints. Posons χU := 1U
µ(U ). Posons ´egalement ˜
φU := g 7→X γ∈Γ
χU(gγ)
de sorte que ˜φU est invariante `a droite par Γ, et passe au quotient en une φU. On a alors Z G χUdµG = 1 = Z G/Γ φUdµG/Γ. Soit > 0, et soit N tel que pour tout n ≥ N ,
µG/Γ x ∈ G/Γ | ε ≥ |πG/Γ(νn)(φU)(x) − 1| > 1 − µG(U ). Soit n ≥ N . Il existe donc h ∈ U tel que
1 − ε ≤ 1 µG(En)
Z En
φU(g−1hΓ) dµG(g). Soit un tel h. On va d´emontrer que RE
nφU(g−1hΓ) dµG ≤ |Γ ∩ U EnU |, ce qui per-mettra de conclure.
On a, si γ ∈ Γ et g ∈ En sont tels que χ(g−1hγ) 6= 0, alors g−1hγ ∈ U , et donc γ ∈ h−1EnU ⊂ U EnU . Ainsi, le support de γ 7→ χU(g−1hγ), si g ∈ En, est inclus dans Γ ∩ U EnU . On a donc Z En φU(g−1hΓ) dµG(g) = Z En X γ∈Γ χU(g−1hγ) dµG(g) = Z En X γ∈Γ∩U EnU χU(g−1hγ) dµG(g) = X γ∈Γ∩U EnU Z En χU(g−1hγ) dµG(g) ≤ X γ∈Γ∩U EnU Z G χU(g−1hγ) dµG(g) = X γ∈Γ∩U EnU 1 = |Γ ∩ U EnU |,
ce qui nous donne l’in´egalit´e.
Lemme 1.4.39. Soit G un groupe localement compact, Γ un r´eseau de G. Soit µG une mesure de Haar sur G telle que la mesure µG/Γqui lui est associ´ee sur le quotient soit une mesure de probabilit´e. Soit En une suite de parties mesurables de G et soit U un ouvert sym´etrique de G, voisinage de e, dont les translat´es `a droite par Γ sont disjoints.
On consid`ere l’action de G sur G/Γ et on suppose que le th´eor`eme ergodique en probabilit´e vaut pour la suite de mesures (˜νn)n∈N d´efinie par
∀n ∈ N, νn := 1U EnU µ(U EnU )µG. Pour tout ε > 0, il existe N tel que pour tout n ≥ N , |Γ ∩ En| ≤ (1 + ε)µG(U EnU ).
D´emonstration. Notons πG/Γ la repr´esentation de Koopman associ´ee `a l’action G y G/Γ. Soit U un ouvert sym´etrique de G dont les translat´es `a droite par Γ sont disjoints. Posons χU := 1U
µ(U ). Posons ´egalement ˜
φU := g 7→X γ∈Γ
χU(gγ)
de sorte que ˜φU est invariante `a droite par Γ, et passe au quotient en une φU. On a alors Z G χUdµG = 1 = Z G/Γ φUdµG/Γ. Soit > 0, et soit N tel que pour tout n ≥ N ,
µG/Γ x ∈ G/Γ | ε ≥ |πG/Γ(νn)(φU)(x) − 1| > 1 − µG(U ). Soit n ≥ N . Il existe donc h ∈ U tel que
(1 + ε) ≥ 1 µG(U EnU )
Z U EnU
φU(g−1hΓ) dµG(g). Soit un tel h. On va d´emontrer queR
U EnUφU(g−1hΓ) dµG ≥ |Γ∩En|, ce qui permettra de conclure.
On a donc, si γ ∈ Γ ∩ En, g ∈ G, et si χU(g−1hγ) 6= 0, alors g−1hγ ∈ U , et donc g ∈ U (Γ ∩ En)U ⊂ U EnU . Ainsi, si γ ∈ Γ ∩ En, le support de g 7→ χU(g−1hγ) est inclus dans U EnU . On a donc
Z U EnU φU(g−1hγ) dµG(g) = Z U EnU X γ∈Γ χU(g−1hγ) dµG(g) ≥ Z U EnU X γ∈Γ∩En χU(g−1hγ) dµG(g) = X γ∈Γ∩En Z U EnU χU(g−1hγ) dµG(g) = X γ∈Γ∩En Z G χU(g−1hγ) dµG(g) = X γ∈Γ∩En 1 = |Γ ∩ En|, ce qui donne l’in´egalit´e.
1.4.4.5 Cons´equences
On note f (n) g(n) pour dire
∃C ∈ R∗+, ∃N ∈ N, ∀n ≥ N, 1
C|g(n)| ≤ |f (n)| ≤ C|g(n)|.
En utilisant ces deux lemmes, on peut d´emontrer les th´eor`emes de comptage suivants.
Th´eor`eme 1.4.40 (Comptage dans le cas totalement discontinu). Si G est un groupe localement compact, Γ un r´eseau de G. Soit µG une mesure de Haar sur G telle que la mesure µG/Γ qui lui est associ´ee sur le quotient soit une mesure de probabilit´e. On suppose que l’action de G sur G/Γ est m´elangeante.
Soit L une fonction de longueur propre sur G `a valeurs enti`eres, et on suppose que B0 est un voisinage de e et que la croissance de G, par rapport `a L, n’est pas lin´eaire. Soit (En)n∈N la suite des boules (ou des couronnes). Alors on a
|Γ ∩ En| ∼ µG(En).
D´emonstration. Soit U un voisinage ouvert de e dans G dont les translat´es `a droite par Γ sont disjoints, et inclus dans B0. Alors, pour un tel U , pour tout n, U EnU ⊂ En.
De plus, µG(En) tend vers l’infini (c’est ´evident pour les boules, et pour les couronnes, on utilise le fait que la croissance n’est pas lin´eaire. Ainsi, d’apr`es un th´eor`eme ci-dessus, le th´eor`eme ergodique L2 vaut pour 1En
µG(En). Les hypoth`eses des deux lemmes sont v´erifi´ees ; on a donc l’´equivalence en mettant bout `a bout les in´egalit´es et en utilisant le fait que U EnU ⊂ En.
Th´eor`eme 1.4.41 (Comptage dans le cas g´en´eral). Si G est un groupe localement compact, Γ un r´eseau de G. Soit µG une mesure de Haar sur G telle que la mesure µG/Γ qui lui est associ´ee sur le quotient soit une mesure de probabilit´e. On suppose que l’action de G sur G/Γ est m´elangeante.
1. Soit L une fonction de longueur g´eom´etriquement born´ee `a valeurs enti`eres telle que B1 soit un voisinage de e dans G. Soit (Bn)n∈N la suite des boules. On a
|Γ ∩ Bn| µG(Bn).
2. On suppose que G est non-moyennable. Soit L une fonction de longueur g´eom´ e-triquement born´ee `a valeurs enti`eres telle que B1 soit un voisinage compact de e dans G qui engendre G. Posons L5 := dL5e, et soit (Cn)n∈N la suite des couronnes pour L5. Alors on a
|Γ ∩ Cn| µG(Cn).
D´emonstration. 1. Il suffit d’appliquer les deux lemmes pour un U inclus dans B1 pour obtenir que pour tout n ∈ N,
(1 − ε)µG(Bn) ≤ |Γ ∩ Bn+2| ≤ (1 + ε)µG(Bn+4).
2. Il suffit d’appliquer le premier lemme `a L pour obtenir que pour tout n assez grand, (1 − ε)µG(CL,n) ≤ Γ ∩ 2 [ i=−2 CL,n+i .
Si n = 5m + 2, alors CL5,m = S2i=−2CL,5m+i. Il suffit ensuite d’appliquer le deuxi`eme lemme `a L5 pour obtenir que pour tout m ∈ N,
|Γ ∩ CL5,m| ≤ (1 + ε)µG 4 [ i=−4 CL,5m+i ! .
Soient c, c0 tel que pour tout n assez grand,
µG(Bn+1) ≤ cµG(Bn) (g´eom´etrie born´ee)
µG(Bn) ≤ c0µG(Cn) (non-moyennabilit´e). Enfin, on a µG(CL5,m) ≤ µG(BL,5m+2) ≤ c0µG(CL,5m+2), d’une part, et µG(∪4 i=−4CL,5m+i) ≤ µG(B5m+4) ≤ c2µG(B5m+2) ≤ c2c0µG(CL,5m+2) ≤ c2c0µG(CL5,m) de l’autre, ce qui permet de conclure.
En r´eunissant les ph´enom`enes li´es `a la propri´et´e de Howe-Moore, les th´eor`emes ergodiques et les th´eor`emes de comptage d´emontr´es pr´ec´edemment, on obtient le r´esultat suivant.
Corollaire 1.4.42. Soient G1, · · · , Gn des groupes topologiques, et, pour tout i, soit Li une fonction de longueur sur Gi. On suppose que chaque (Gi, Li) est d’une des formes suivantes :
1. (G, L) o`u G est un groupe alg´ebrique simple isotrope sur un corps non ar-chim´edien, et o`u L est la fonction de longueur associ´ee `a l’action par isom´etries de G sur le 1-squelette de son immeuble de Bruhat-Tits muni de la distance combinatoire, pour un sommet particulier de l’immeuble ;
2. (G, L) o`u G est un sous-groupe du groupe des automorphismes d’un arbre semi-r´egulier6 dont tous les sommets ont une valence strictement sup´erieure `a 2, topologiquement simple et qui agit 2-transitivement sur le bord de l’arbre, et o`u L est la fonction de longueur associ´ee `a l’action sur l’arbre, pour un sommet particulier de l’arbre ;
3. (G, L) o`u G est un groupe de Lie connexe, simple, non compact, de centre fini, et o`u L est la fonction de longueur associ´ee `a l’action par isom´etries de G sur son espace sym´etrique, muni de la distance Riemannienne.
Soit G := G1× · · · × Gn, et, pour g = (g1, · · · , gn) ∈ G, posons
L(g) := n X
i=1
Li(gi).
Soit Γ un r´eseau irr´eductible de G.
— Si tous les Gi apparaissent aux items 1. et 2. ci-dessus, soit (En)n∈N la suite des boules ou des couronnes pour L. On a
|Γ ∩ En| ∼ µG(En). — Dans le cas g´en´eral, on a, pour les boules
|Γ ∩ Bn| µG(Bn), et,
µG(Cd,n) |Γ ∩ Cd,n|,
o`u, pour tout n ∈ N, Cd,n:= {g ∈ G | d(n − 1) < L(g) ≤ dn}.
D´emonstration. D’apr`es le Corollaire 1.3.19, l’action de G sur G/Γ est m´elangeante. On peut donc appliquer, selon le cas, les Th´eor`emes 1.4.40 et 1.4.41.
Un th´eor`eme ergodique sur le
groupe libre
R´esum´e. Ce chapitre reprend le contenu de l’article [BPL17], o`u nous d´emontrons un th´eor`eme ergodique pour l’action (o`u la mesure n’est que quasi-invariante) d’un groupe libre de type fini sur son bord.
Ce travail a ´et´e r´ealis´e en collaboration avec Adrien Boyer.